Статья: Трансформация форм калия и аммония в почве агроценоза

2

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

УДК 631.452 : 631.81

Трансформация форм калия и аммония в почве агроценоза

В.Н. Якименко

г. Новосибирск

Введение

Эффективное плодородие почвы, в целом, и режим элементов-биофилов в ней, в частности, во многом определяются двумя взаимосвязанными факторами - общим запасом форм элементов в почве и возможностью их перехода из одного почвенного состояния в другое. Эти трансформации заключаются в способности ионов занимать различные по прочности связи с почвенной твердой фазой позиции и относятся к противоположно направленным обратимым процессам - фиксации и мобилизации.

Изучение специфики процессов трансформации форм элементов минерального питания растений в различных почвах создает фундамент для научно обоснованной оценки и регулирования почвенного плодородия. Основную часть почвенного фонда минерального азота составляет аммоний, который, имея близкие ионные размеры с калием, может активно конкурировать с ним в почвенных процессах фиксации-мобилизации [1-3]. Проведенные исследования показали неоднозначный характер взаимодействия калия и аммония при их трансформации в почвах, широкое варьирование емкости фиксации данных катионов в различных почвах и важность учета этих процессов как в агрохимическом, так и в экологическом аспектах. Процессы трансформации отдельно для форм калия или аммония в почвах Западной Сибири достаточно подробно изучались в ряде работ [4-6]. Однако исследований взаимодействия этих катионов при их фиксации почвами региона практически не проводилось.

Цель исследования - установить специфику трансформации и взаимовлияния калия и аммония при их фиксации почвой агроценоза.

Материалы и методики исследования

Объектом исследования послужила серая лесная среднесуглинистая почва со следующими характеристиками: содержание гумуса - 4,9%, физической глины - 30,8%, емкость катионного обмена - 21,1 мг-экв./100 г; валовое содержание азота - 0,22%, фосфора - 0,15%, калия - 1,5%.

Анализ минералогического состава показал, что фракция физического песка состоит из кварца, полевого шпата и амфиболов, фракция физической глины содержит (в убывающем порядке) гидрослюду мусковитового типа, хлорит, каолинит, вермикулит и дисперсный смектит.

Почва является типичной для лесостепной зоны, расположена на высокой террасе р. Бердь (Искитимский р-н, Новосибирская обл.); территория хорошо дренирована, высота ее поверхности над урезом реки составляет 35-45 м.

На целинном участке данной почвы в 1988 г. был заложен стационарный полевой опыт по изучению изменения плодородия и физико-химических свойств почвы в условиях агроценоза [5], который продолжается в настоящее время.

В 2009 г. были отобраны и проанализированы (табл. 1) образцы почвы из наиболее контрастных вариантов полевого опыта - без удобрений, NP и NPK.

За годы проведения опыта в варианте NP сложился бездефицитный баланс азота, а в варианте NPK - слабодефицитный азотный баланс и положительный калийный; во всех остальных случаях баланс данных элементовбиофилов был сильнодефицитным.

Изучение фиксирующей способности почвы проводили в лабораторном опыте при выдерживании в течение 30 сут почвенных образцов с калийными (KCl) и/или аммонийными (NH4Cl) солями в режиме попеременного намачивания дистиллированной водой до наименьшей влагоёмкости и высушивания при комнатной температуре.

Соли в виде растворов вносили в следующих дозах:

1) К1 (или N1) - 12,5 мг калия (или N-NH4) на 100 г почвы,

2) К2 (или N2) - 25 мг,

3) К4 (или N4) - 50 мг элемента на 100 г почвы.

Таблица 1

Содержание и соотношение форм калия и аммония в почве целины и длительного полевого опыта (слой 0-20 см)

Первая одинарная доза примерно соответствует 250 кг д.в. удобрения на гектар и вполне может использоваться в практическом земледелии при выращивании овощных и пропашных культур в интенсивных технологиях [5].

Схема лабораторного опыта показана ниже в табл. 2, повторность 4-кратная; расчет результатов проводили относительно соответствующих контрольных почвенных образцов, смачиваемых только дистиллированной водой и выдерживаемых в аналогичном режиме.

Количество необменно поглощенного почвой калия и аммония определяли прямыми методами: необменный калий - в 1 М растворе HNO3 с кипячением, фиксированный аммоний - методом прокаливания [7].

Результаты исследования и обсуждение

Результаты агрохимического анализа показали, что в целом уровень обменного и фиксированного аммония в целинной серой лесной почве на порядок меньше, чем уровень соответствующих калийных форм (табл. 1); вероятно, это связано как с более активным вовлечением аммонийного азота в биологический круговорот, так и с особенностями минералогического почвенного состава.

Обращает на себя внимание тот факт, что эволюционно сложившиеся в почве пропорции между формами этих катионов (необменная : обменная), несмотря на заметно различающиеся абсолютные их значения, примерно одинаковы и составляют около 10 для калийных форм и 14 - для аммонийных.

В почве агроценоза соотношение между необменным и обменным калием изменялось в целом незначительно - от 8 до 12, несмотря ни на существенный некомпенсируемый вынос этого элемента из почвы в одних вариантах опыта (без удобрений и NP), ни на большое дополнительное поступление калия в почву с удобрениями в других (NPK). Это свидетельствует о высокой буферной способности почвенной системы калийсодержащих позиций, обусловленной взаимосвязью всех форм почвенного калия, их способностью к трансформации.

При потреблении растениями калия почвенного раствора его уровень стремится к восстановлению за счет наиболее подвижных катионов обменной формы; содержание обменного калия, при его снижении, восполняется до исходного катионами, перешедшими из необменного состояния. Процессы внутрипочвенного выветривания, усиливающиеся в условиях агропедогенеза, способствуют высвобождению некоторого количества калия почвенного скелета; эти катионы могут депонироваться в любой из более подвижных форм в зависимости от того, в какой из них относительное снижение уровня элемента (от исходного) было наибольшим, а также непосредственно поглощаться растениями. Указанные процессы наиболее эффективно протекают в неистощенных по калию почвах, обладающих высокой восстановительной способностью. При перманентном снижении почвенного плодородия этот механизм саморегуляции нарушается вплоть до полной деградации. Вносимый калий удобрений распределяется по почвенным (обменной и необменной) формам элемента в пропорциях, приближающихся к таковым в целинных аналогах почв.

В связи с тем что необменная форма калия в почвах количественно значительно превосходит обменную, основная часть внесенного элемента поглощается необменно. На истощенных почвах вносимый калий избирательно распределяется по почвенным позициям начиная с наиболее селективных к элементу: вначале занимаются все незаполненные необменные позиции, затем обменные - с меньшей энергией связи.

Трансформация калия в почве, как при поступлении элемента с удобрениями, так и при его выносе с урожаем, направлена на сохранение и поддержание первоначального естественного соотношения между почвенными калийными формами. Соотношение между формами аммония в почве агроценозов варьировало в довольно широких пределах - от 10 до 24 (см. табл. 1). В почве экстенсивного агроценоза (без применения удобрений) отмечалось общее снижение содержания аммонийных форм, а соотношение между ними лишь несколько увеличилось по сравнению с целиной.

При возрастании антропогенной нагрузки на почву агроценоза, посредством интенсивного использования минеральных удобрений, пропорции между почвенными формами аммония явно нарушились.

В отличие от калия изменение содержания различных форм почвенного аммония могло проходить разнонаправленно: при снижении уровня фиксированного аммония возрастало количество обменного, и наоборот, значительный рост содержания необменной формы аммония сопровождался снижением в почве уровня обменной формы этого катиона.

Следовательно, векторы трансформации форм аммония в почве могут иметь одновременно разнонаправленный характер, а вся почвенная аммонийная система является гораздо менее устойчивой, по сравнению с калийной, к воздействию различных внешних факторов.

Таким образом, почвенная калийная система довольно стабильна и «самодостаточна» - в процессе трансформации форм калия в почве определяющими являются лишь масштабы поступления или отчуждения этого катиона, тогда как при трансформации форм аммония в почве решающее значение, как мы полагаем, имеет и почвенный уровень конкурирующего катиона - калия. Специфика взаимовлияния катионов калия и аммония при их фиксации почвой и некоторые количественные показатели этого процесса были изучены в лабораторном эксперименте (табл. 2).

Фиксирующая способность почвы в отношении аммония при его раздельном (от калия), «одностороннем» внесении не зависела от предшествующего азотного баланса в агроценозе; почвенные образцы из вариантов «Без удобрений» и «NP» фиксировали примерно одинаковое количество аммонийного азота.

При одинарной, «реальной» дозе вносимых азотных туков почва этих вариантов необменно поглощала около 2,5% поступившего аммонийного азота. Использование завышенных, «ударных» доз вносимого азота привело к заметному росту абсолютного количества зафиксированного почвой аммония (в 4-8 раз), тогда как относительное его количество возросло не столь значительно - до 4-5% от внесенного.

Раздельное внесение азотных удобрений в почву с неистощенным калийным фондом (вариант NPK) показало ее повышенную фиксирующую способность в отношении аммония по сравнению с почвой агроценозов с дефицитным калийным балансом. Количество аммония удобрений, необменно поглощаемого данной почвой, возросло в несколько раз и в абсолютном, и в относительном выражении, несмотря на то что исходное содержание в ней фиксированного аммония уже намного превышало целинный уровень. Совместное внесение сопоставимых доз азотных и калийных удобрений в почвенные образцы из вариантов с предшествующим длительным дефицитным калийным балансом (без удобрений и NP) сопровождалось значительной интенсификацией процесса фиксации аммония; при одинарной дозе поглощалось до 10 мг NNH4/кг почвы, или около 8 % внесенного количества (табл. 2).

Таблица 2

Фиксация калия и аммония почвой агроценозов с различным балансом К и N