CC BY
30
ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, АГРОХИМИЯ, МЕЛИОРАЦИЯ
УДК 631.417.2
Влияние минеральных удобрений и извести на фракционно-групповой состав гумуса и оптические свойства гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы Предуралья
Нина Егоровна Завьялова, доктор биол. наук, зав лабораторией ГНУ Пермский НИИСХ, с. Лобаново, Пермский край, Россия
Е-mail: pniish @ rambler.ru
В стационарном полевом опыте изучали влияние минеральных удобрений и извести на фракци-онно-групповой состав гумуса и оптические свойства гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы. Установлено, что длительное применение минеральных удобрений в дозе 2NPK привело к увеличению содержания углерода в подвижной фракции ГК-1 до 12,4% относительно общего углерода. Известкование способствовало накоплению в составе гумуса дерново-подзолистой почвы гуминовых кислот (ГК), связанных с кальцием. Максимальным количеством гумусовых веществ гуматного типа характеризуется почва при повторном известковании по фону 2NPK, соотношение Сгк:Сфк = 0,96. Тип гумуса фульватно-гуматный. Известкование почвы содействовало образованию более «зрелых» и оптически плотных ГК. Высокие значения экстинкции при 465 нм имеют растворы гуминовых кислот всех трех фракций, выделенных из известкованной почвы, что указывает на высокое содержание ароматических структур в молекулах ГК. Минимальной величиной оптической плотности характеризуются растворы гумусовых веществ фракции ГК-1 варианта 2NPK, Е465 = 3,05. Минеральные удобрения и известь оказали меньшее влияние на гумусовые вещества 3-й фракции, проч-носвязанной с минеральной частью почвы.
Ключевые слова: дерново-подзолистая почва, минеральные удобрения, известь, фракции гумуса, спектры поглощения, экстинкция
Благодаря работам Кононовой и Бель-чиковой [1], электронные спектры поглощения широко используются в научной литературе для характеристики гумусовых веществ. Коэффициенты экстинкции (Е) при длине волны 465 нм и толщине поглощающего слоя 1 см являются диагностическими признаками, определяющими природу гуми-новых кислот.
Характер спектров поглощения, интенсивность окраски растворов ГК обусловлены системой сопряженных двойных связей. По данным оптической плотности гу-миновых кислот (ГК) можно характеризовать отношение углерода ароматических сеток к углероду боковых радикалов [2]. По кинетической теории Орлова Д.С. [3] более термодинамически устойчивым гуминовым кислотам соответствует более высокая оптическая плотность и более низкое значение коэффициента цветности.
Цель исследований - выявить влияние известкования и длительного применения
минеральных удобрений на фракционно-групповой состав и оптические свойства гу-миновых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы Предуралья.
Материал и методы. Исследования проводили в длительном стационарном опыте, заложенном в 1980 г. на опытном поле Пермского НИИСХ. Почва дерново-подзолистая тяжелосуглинистая. Содержание гумуса по методу Тюрина - 2,72%, общего азота по Кьельдалю - 0,155%, рНКа - 4,6; гидролитическая кислотность - 5,1; сумма обменных оснований - 19,0 мг-экв./100 г почвы; содержание подвижных форм фосфора и калия по Кирсанову - 80 и 120 мг/кг почвы соответственно. Действие извести изучали на 3 -х уровнях минерального питания: без удобрений, №К, 2№К. Насыщенность 1 га на фоне NPK составила N2^4^. В опыте использовали аммиачную селитру или мочевину, суперфосфат и хлористый калий. Основное известкование проводили перед закладкой опыта из расчета СаСО3
по 1,0 г.к., повторное в дозе СаСО3 по 0,5 г.к. (варианты 3, 4) в паровых полях II и IV ротаций севооборота.
Севооборот семипольный со следующим чередованием культур: чистый пар, озимая рожь, яровая пшеница с подсевом клевера, клевер 1 г.п., клевер 2 г.п., ячмень, овес. Размещение вариантов рендомизиро-ванное, повторность 3 -кратная, общая площадь делянки 107 м2. Почвенные образцы для исследования отбирали в паровом поле после третьей ротации севооборота из пахотного (0-20 см) слоя на двух несмежных повторениях. Оптические свойства гумино-вых кислот изучали по спектрам поглощения растворов ГК. Оптическую плотность гуминовых кислот фракций ГК-1, ГК-1 + ГК-2, ГК-3, полученных экстракцией из почвы растворами 0,1 н и 0,02 н №ОН (в соответствии со схемой фракционирования гумуса по методу Пономаревой-Плотниковой), замеряли на фотоэлектроколори-метре КФК-2МП в видимой области спектра в диапазоне 400-760 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм относительно чистого растворителя. Для построения графиков величины оптической плотности растворов ГК пересчитывали на концентрацию углерода в растворе, равную 1 мг/мл.
Результаты и их обсуждение. Изучаемая дерново-подзолистая тяжелосуглинистая почва характеризуется высоким исходным уровнем гумусированности (Сисх = 1,58%). В составе гумуса гуминовые и фульвокисло-ты представлены примерно поровну, вследствие чего тип гумуса фульватно-гуматный. Наблюдается четкое доминирование гумусовых веществ 2-й и 3-й фракций, доля подвижных форм углерода (фракция 1) невысокая и составляет около 10% от общего его содержания в почве (табл.). Проведение основного и повторного известкований привело к изменению соотношения гуминовых и фульвокислот в 1 фракции. В известкованной по 1,0 г.к. почве наблюдалось уменьшение гуминовых кислот и увеличение фуль-вокислот относительно контрольного варианта, при этом содержание общего углерода гумусовых веществ, экстрагируемых непосредственно 0,1 н щелочью, практически не изменилось.
Минеральные удобрения, изучаемые в опыте (вариант 2NPK), способствовали некоторому увеличению подвижных гумусовых веществ, содержание углерода в 1-й фракции составило 12,4% относительно 10,5% на контроле. При известковании почвы по фону полного минерального удобрения, особенно повторном, наметилась тенденция снижения подвижности гумуса за счет уменьшения гу-миновых кислот 1 -й фракции.
Длительное (21 год) применение минеральных удобрений и извести привело к качественным и количественным изменениям во фракции гумусовых веществ, связанных с Са2+. Анализируя изменение состава этой фракции в зависимости от вариантов опыта, следует отметить, что при незначительном варьировании количества фульво-кислот отмечено увеличение содержания гуматов кальция в известкованной почве на 2,9-6,5% С относительно контроля. Накопление гуматов кальция при внесении извести отдельно и по фону NPK связано, возможно, с образованием труднорастворимых соединений гуминовых кислот фракции 1 с кальцием извести и переводом их во 2-ю фракцию [4]. Большее накопление гуматов кальция определено при повторном известковании и составляет 23,7% С. Действие минеральных удобрений в дозе 2КЖ практически не отразилось на количестве и качественном составе гумусовых кислот 2-й фракции.
Таким образом, известкование кислой дерново-подзолистой почвы привело к более прочному закреплению гумусовых веществ во 2-й фракции и, как следствие, к обогащению состава гумуса агрономически ценной фракцией ГК-2.
Гуминовые и фульвокислоты, прочно связанные с минеральной частью почвы и входящие в 3-ю фракцию, не претерпели каких-либо значительных изменений при длительном применении удобрений и известковании почвы, что указывает на их относительную консервативность и устойчивость к агротехническим приемам. Длительное применение минеральных удобрений (вариант 2КРК) оказало слабое влияние на качественный состав гумуса, соотношение Сгк : Сфк составило 0,87 относительно 0,86 на контроле. Известкование почвы способствовало углублению процессов трансформации органического вещества, которые протекали по пути образования устойчивого и более зре-
лого гумуса за счет накопления в его составе гуминовых кислот, связанных с кальцием. Максимальным количеством гумусовых веществ гуматного типа характеризуется почва при повторном известковании по фону соотношение Сгк : Сфк = 0,96. Тип гумуса - фульватно-гуматный.
На основании полученных экспериментальных данных следует отметить, что известкование кислой дерново-подзолистой почвы положительно влияло на состав гумуса, способствовало формированию гуминовых кислот с высокой степенью «химической зрелости», но не изменило общую направленность процесса гумусообразования. Внесение извести сопровождалось некоторым уменьшением лабильности гумусовых веществ исследуемой почвы.
Оптические характеристики отражают влияние длительного применения минеральных удобрений и извести отдельно и совместно на трансформацию органического вещества исследуемой почвы. Спектры поглощения гумусовых веществ, полученных непосредственной экстракцией 0,1 н щелочью (рис. а) наглядно свидетельствуют о качественной разновидности этих веществ. Оптическая плотность гуматов 1 -й фракции существенно варьирует в широком интервале значений. Минимальную величину оптической плотности имеют растворы гумусовых веществ варианта 2ЫРК Коэффициент экстинкции гуми-новых кислот при 465 нм, разработанный Плотниковой и Пономаревой [5] равен 3,05. Следовательно, систематическое внесение минеральных удобрений способствует накоплению подвижных гумусовых веществ с развитой алифатической частью молекул. Высокие значения экстинкции (7,00-10,33) имеют гуматы натрия первой фракции, выделенные из известкованной почвы. Высокий индекс оптической плотности опосредованно свидетельствует о степени гумификации органического вещества. Значение индекса Е465мг С/мл напрямую связано с долей ароматических структур в молекулах гуминовых кислот. Чем он выше, тем больше содержание ароматических фрагментов в молекулах ГК [6]. Внесение извести отдельно и по фону полного минерального удобрения снижает подвижность гумуса, ускоряет процесс разложения и гумификации органического вещества и способствует образованию более «зрелых» гумусовых веществ.
а
400 430 450 465 496 533 574 619 665 726 760 нм
400 430 450 465 496 533 574 619 665 726 760 нм
Без удобрений (контроль)
и СаСО3 по 1 г.к.
—А— СаСОз по 1 г.к. + СаСО3 по 0,5 г.к.
X ^60Р60К60
—ж— ^оРбоКбо + СаСОз по 1 г.к.
К60Р60К60 + СаСО3 по 1 г.к. + СаСО3 по 0,5 г.к.
Рис. Спектры поглощения растворов гумусовых веществ фракции ГК-1 (а), суммы фракции ГК-1+ГК-2 (б) и фракции ГК-3 (в)
Следует отметить, что экстинкция гумусовых веществ, полученных экстракцией 0,1 н №ОН из декальцированной почвы, изменяется в узком интервале в зависимости от вариантов опыта (рис. б). Минимальной величиной экстинкции характеризуются гу-маты суммы фракций ГК-1 + ГК-2 варианта 2КРК, что еще раз доказывает, что минеральные удобрения увеличивают подвижность гумусовых веществ и способствуют образованию слабоконденсированных алифатических соединений с низкой оптической плотностью, т.е. ухудшают качество почвенного гумуса.
Результаты анализа фракционно-группового состава известкованной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы указывают на увеличение фракции гуминовых кислот, связанных с Са2+, которые придают гумусу большую агрономическую ценность. Полученные нами оптические характеристики подтвердили это положение. Внесение извести совместно с КРК приводит к образованию гумусовых кислот, в молекулах которых ароматические фрагменты преобладают над алифатическими, на что указывает более интенсивная окраска гуматов суммы фракций ГК-1 + ГК-2.
Таким образом, известкование почвы, по-видимому, способствует росту степени бензоидности молекул гуминовых кислот, уплотнению их структуры, что придает гумусу большую «зрелость» и устойчивость к микробиологическому разложению.
Анализ спектров поглощения фракции ГК-3 свидетельствует о влиянии минеральных удобрений и извести на гумусовые вещества этой фракции. Основное и поддерживающее известкование привело к значительному повышению экстинкции растворов гуматов 3-й фракции (рис. в). Величины экстинкции при 465 нм варьируют с 5,56 на контроле до 8,88 -в варианте СаСО3 по 1,0 г.к. + СаСО3 по 0,5 г.к. По-видимому, известкование способствовало укреплению структуры молекул ГК-3, т.е. повысило степень их бензоидности.
Высокие величины экстинкции указывают на то, что более «зрелые» гумусовые вещества фракции ГК-З образуются при известковании почвы по фону полного минерального удобрения.
Выводы. 1. Длительное применение минеральных удобрений (вариант 2КРК) оказало слабое влияние на качественный со-
став гумуса, соотношение Сгк : Сфк составило 0,87 относительно 0,86 на контроле. Известкование почвы способствовало углублению процессов трансформации органического вещества, которые протекали по пути образования устойчивого и более зрелого гумуса за счет накопления в его составе гуминовых кислот, связанных с кальцием. Максимальным количеством гумусовых веществ гу-матного типа характеризуется почва при повторном известковании по фону 2NPK, соотношение Сгк : Сфк = 0,96. Тип гумуса -фульватно-гуматный.
2. Изучение оптических характеристик гуминовых кислот дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы длительного стационарного опыта показало, что удобрения и известь оказывают влияние, прежде всего, на подвижные, не связанные с минеральной частью почвы гуминовые кислоты фракции ГК-1 и гуминовые кислоты, связанные с кальцием (фракция ГК-2). Гумусовые вещества 3-й фракции, прочно связанные с минеральной частью почвы, испытывают меньшее воздействие различных агрохимических приемов. Установлено, что известкование приводит к уплотнению структуры гумусовых веществ, повышает содержание ароматических структур в молекулах ГК, тем самым способствует образованию более «зрелого» гумуса, устойчивого к микробиологической деструкции. Минеральные удобрения способствовали увеличению подвижности гумусовых веществ и образованию слабоконденсированных соединений, обогащенных алифатическими структурами и характеризующихся низкой оптической плотностью.
Список литературы
1. Кононова М.М., Бельчикова Н.П. Ускоренные методы определения состава гумуса //Почвоведение. 1961. №10. С. 75-87.
2. Околелова А.А. Электронные спектры поглощения гуминовых кислот черноземов и каштановых почв и их изменение при орошении //Агрохимия. 1983. № 11. С. 92-97.
3. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.
4. Бакина Л.Г., Плотникова Т.А., Митина О.М. Лабильность гумусовых веществ дерново-подзолистой глинистой почвы Северо-Запада России при известковании // Агрохимия. 1997. № 6. С. 27-31.
5. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование (методы и результаты изучения). Л.: Наука, 1980. 222 с.
6. Комиссаров И.Д., Виленский И.И., Федченко О.И. Извлечение гуминовых кислот из органогенных пород // Гуминовые кислоты: Науч. тр. Тюмен. с.-х. ин-та, 1971. Т.14. С.10-23.
Effect of mineral fertilizers and liming on fractional group composition and optical characteristics of humic acids of sod-podzolic heavy loamy soils of Pred-Urals Zavyalova N.
Effect of mineral fertilizers and lime on fractional group composition and optical characteristics of humic acids (HA) of sod-podzolic heavy loamy soil was studied in a stationary field experiment. It was established that the prolonged use of mineral fertilizers (at rate 2NPK) leads to increase of carbon content in the mobile fraction HA-1 up to 12.4 % compare to the total carbon amount. Liming facilitated the accumulation of humic acids associated with calcium in humus complex of sod-podzolic soil. The maximum amount of humate type humic substances is found in repeatedly limed soil on 2NPK background; the Cha : CPA ratio is 0.96. The humus type is fulvic-humate. The soil liming promoted the formation of a more "mature" and optically dense HA. Humic acid solutions of all three fractions extracted from the limed soil have high values of the extinction at 465 nm, which indicates a high content of aromatic structures in the molecules of HA. The humic substances solutions (fraction HA-1, variant 2NRK, E465 = 3.05) are characterized by the minimum value of the optical density. The mineral fertilizers and lime have less impact on humic substances of the third fraction strongly bound to the mineral part of the soil.
Key words: sod-podzolic soil, mineral fertilizers, lime, humus fractions, absorption spectrum, extinction
УДК: 631. 582: 631. 51.
Эффективность полевых севооборотов при различных уровнях интенсификации земледелия в Кировской области
Людмила Михайловна Козлова, доктор с.-х. наук, ст. научный сотрудник, зав. отделом
ГНУ НИИСХ Северо-Востока, г. Киров. Россия
Е-mail: niish-sv@mail.ru
В статье представлены результаты исследований, проведенных в длительном стационарном опыте (1982-2009 гг.) по изучению полевых севооборотов (24 схемы) в условиях различной интенсификации земледелия. В севооборотах с насыщением зерновыми культурами до 83,4% повышалась токсичность почвы на 28,5%, снижалась целлюлозоразлагающая активность микроорганизмов, возрастала засоренность посевов на 11,4-75,1%. Без внесения органических удобрений содержание гумуса за ротацию не изменялось, баланс создавался отрицательный при уменьшении гумуса 0,06-0,08 т/га. Урожайность зерновых снижалась на 0,16-0,26 т/га. При введении в севообороты многолетних и однолетних бобовых трав, сидеральных культур количество водопрочных агрегатов увеличивалось на 6,7-11,7%. Внесение навоза также способствовало увеличению структурности почвы. Активность целлюлозо-разлагающих микроорганизмов повышалась после клеверов в 1,2-2,0 раза, почва была нетоксичной. Засоренность посевов снижалась на 38,5-67,8%. Содержание гумуса увеличивалось при внесении навоза 10 т/га и посеве сидеральных культур (клевер, донник, однолетние травы), баланс гумуса положительный с накоплением 1,14-1,26 т/га. Продуктивность севооборотов с занятыми и сидеральными парами относительно чистого с внесением навоза повышалась на 15,8-35,6%
Ключевые слова: севообороты, плодородие почвы, фитосанитарное состояние, продуктивность
В течение ХХ столетия теория и практика севооборота и неразрывно связанных с ними систем земледелия прошла в нашей стране большой и сложный путь своего развития. Менялись общественно-экономические формации, набирал обороты научно-технический прогресс, но забота о «хлебе насущном», о плодородии поч-
вы никогда не утрачивала своей актуальности. Она остается такой же актуальной и в наше время, когда коренные изменения в общественно-политической и экономической жизни России в начале девяностых годов повлекли за собой существенные изменения и в аграрно-промышленном комплексе [1, 2, 3].
