Детально изучить взаимодействие почв, растений и удобрений возможно в длительных стационарных опытах с систематическим применением удобрений. В таких опытах создаются условия стандартизации, позволяющие изучить действие климатических и агрометеорологических условий на культуры, почвы и факторы, регулирующие почвенное плодородие.
Основные направления исследований в длительных стационарных опытах:
- сравнительная оценка доз, видов и форм минеральных удобрений;
- оценка эффективности минеральной, органической и органоминеральной систем удобрений в севооборотах различных типов;
- установление оптимального распределения удобрений по культурам севооборота;
- достижение максимальной эффективности при сочетании систем удобрения с химической мелиорацией, определение их влияния на свойства почвы и продуктивность севооборотов;
- возможность периодического внесения фосфорных и калийных удобрений;
- оптимизация плодородия и свойств почвы;
- регулирование биологического круговорота и баланса биогенных элементов в агроценозе;
- воздействие агрохимических средств на экологию.
В агрохимии используют следующие методы исследования свойств почвы в длительных стационарных опытах.
Агрохимические средства оказывают комплексное действие на плодородие и свойства почвы:
- подкисляют или подщелачивают почвенный раствор;
- изменяют агрохимические свойства;
- влияют на биологическую и ферментативную активность почвы;
- усиливают или ослабляют физико-химическое и химическое поглощение;
- влияют на мобилизацию или иммобилизацию токсических элементов и радионуклидов;
- усиливают минерализацию или синтеза гумуса;
- влияют на интенсивность фиксации азота из атмосферы;
- усиливают или ослабляют действие других питательных веществ почвы и удобрений;
- влияют на подвижность биогенных макро- и микроэлементов почвы;
- вызывают антагонизм или синергизм ионов при поглощении растениями.
Таблица. Методы исследования плодородия почвы (по ОСТ 10152-88 и Методическим указаниям по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения, 2003, с изменениями)
| рН солевой вытяжки | Потенциометрический (1 н. KCl) | ГОСТ 26483-85 |
| Обменная кислотность | Потенциометрический (1 н. KCl) | ГОСТ 26484-85 |
| Гидролитическая кислотность | Метод Каллена (1 н. CH3COONa вытяжка) | ГОСТ 26212-84 |
| Обменный (подвижный) алюминий | Метод ЦИНАО (1 н. KCl вытяжка) | ГОСТ 26485-85 |
| Сумма поглощенных оснований | Метод Каппена-Гильговица для некарбонатных почв (обработка 0,1 н. HCl) Метод Шмука для карбонатных почв (1 н. NaCl вытяжка) | ГОСТ 27821-88 |
| Обменный калий | Метод Масловой (1 н. CH3COONH4 вытяжка) | ГОСТ 26210-91 |
| Необменный калий | Метод Гедройца (10% HCl вытяжка с кипячением) | |
| Гранулометрический | Метод Качинского | |
| Равновесная плотность | Метод режущих колец или гаммаскопический метод | |
| Влажность устойчивого завядания | Метод определения потери влаги при высушивании почвы | ГОСТ 28268-89 |
| Общее содержание органического углерода | Метод Тюрина в модификации ЦИНАО (окисление органического вещества раствором хромовой смеси) | ГОСТ 25213-84 |
| Содержание водорастворимых гумусовых веществ | Метод горячей водной вытяжки | |
| Содержание подвижных гумусовых веществ | Метод Тюрина Вытяжка 0,1 н. NaOH | |
| Групповой состав гумусовых веществ | Метод Кононовой-Беликовой (вытяжка смесью Na4P2O7 и NaOH) | |
| Формы минеральных фосфатов | Метод Чанга-Джексона (последовательные вытяжки 1 н. NH4Cl, 0,5 н NH4F, 1 н. NaOH, 0,5 н. H2SO4) | |
| Содержание общего азота | Метод Кьельдаля (окисление почвы кипящей концентрированной H2SO4) | ГОСТ 26107-84 |
| Подвижный фосфаты и подвижный калий: Кислые почвы Черноземы Карбонатные почвы | Метод Кирсанова в модификации ЦИНАО (0,2 н. HCl вытяжка) Метод Чирикова в модификации ЦИНАО (0,5 н. CH3COOH вытяжка) Метод Мачигина в модификации ЦИНАО (1% (NH4)2CO3 вытяжка) | ГОСТ Р 54650-2011 ГОСТ 26204-91 ГОСТ 26205-91 |
| Степень подвижности фосфора и калия в почвах | Метод Скофилда 0,01 М CaCl2 вытяжка | ОСТ 10271-00 |
| Азот фиксированного аммония | Метод Сильва и Бремнера в модификации Кудеярова (колориметрическое определение в вытяжке из смеси HF и HCl) | |
| Подвижность и доступность азота растениям | Метод вегетационного опыта с использованием 15N | |
| Подвижность и доступность растениям «остаточных» фосфатов и соединений калия | Метод вегетационного опыта | |
Физико-химические свойства почв оказывают влияние на питательный режим почв, их биологическую активность, обусловливают трансформацию внесенных в почву удобрений, в условиях промывного водного режима определяют возможность передвижения соединений в более глубокие слои почвы.
Систематическое внесение органических и минеральных удобрений сопровождается изменениями физико-химических свойств почв. Внесение навоза на протяжении многих лет обычно увеличивает содержание органического вещества и емкость поглощения почв, уменьшает обменную и гидролитическую кислотность и увеличивает степень насыщенности основаниями.
Таблица. Влияние систематического применения удобрений на агрохимические и агрофизические свойства почвы (мощный малогумусный чернозем, слой почвы 0-30 см)1Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
| pH | |||||
| H, ммоль/100 г почвы | |||||
| S, ммоль/100 г почвы | |||||
| V, % | |||||
| P2O5, мг/кг почвы | |||||
| K2O, мг/кг почвы | |||||
| Гумус, т/га | |||||
| Азот, т/га | |||||
| Объемная масса, г/м3 | |||||
| Общая влагоемкость, % | |||||
| Капиллярная влагоемкость, % | |||||
| Водопроницаемость в полевых условиях, мм/(ч·см2) | |||||
| Общая порозность, % | |||||
Совместное внесение навоза и минеральных удобрений на протяжении 15 лет повысило содержание гумуса на 12,6 т/га, азота — на 0,7 т/га, снизило плотность почвы на 0,08 г/см3, общая и капиллярная влагоемкость увеличилась более чем на 3%, водопроницаемость — на 4,3 мм/(ч·см2), общая порозность — на 3%.
При длительном применения минеральных удобрений свойства почв могут ухудшаться. Это связано с подкислением реакции почвенного раствора в результате вытеснения из поглощающего комплекса ионов водорода и алюминия, а также физиологической кислотностью некоторых удобрений. Правильное применение удобрений, то есть на фоне навоза и известкования, внесении добавок для нейтрализации физиологической кислотности удобрений, позволяет сохранять кислотность почвы на приемлемом уровне, а в ряде случаев снижая её. На нейтральных и близких к нейтральным черноземных почвах небольшое подкисление в результате внесения удобрений можно считать положительным, так как это повышает подвижность и доступность многих соединений.
В условиях промывного водного режима дерново-подзолистых и серых лесных почв изменения свойств под влиянием удобрений происходят в пахотном и в более глубоких слоях. Это связано с повышенным количеством осадков и подкислением почвы при высоких дозах минеральных удобрений, образованием подвижных органических соединений при внесении навоза и пептизацией почвенных коллоидов под действием одновалентных катионов, входящих в состав удобрений, и вымыванием их за пределы пахотного слоя. Миграции питательных веществ в нижележащие слои вследствие пептизации коллоидов способствует внесение удобрений в пару и под пропашные культуры, а также частые обработки почвы. Процесс усиливается при легком гранулометрический составе почвы и повышении доз удобрений.
Систематическое внесение удобрений ведет к увеличению количества пожнивно-корневых остатков, разложение которых обусловливает новообразование органических коллоидов в пахотном слое и одновременно с пептизацией крупных почвенных частиц приводит к увеличению содержания илистой фракции. В малобуферных почвах легкого гранулометрического состава вымывания коллоидов может преобладать над новообразованием.
Изменения физико-химических свойств на черноземных почвах сосредоточены преимущественно в пахотном и подпахотном слоях, что связано с ограниченным количеством осадков в степной зоне и неглубоким промачиванием почвы. Длительное применение удобрений на этих почвах приводит к накоплению илистой фракции и величины емкости поглощения. При этом кислотность на фоне навоза снижается, а при использовании минеральных удобрений возрастает, что объясняется физиологической кислотностью удобрений и необменным поглощением одновалентных катионов при отсутствии вымывания водорода и кислотного остатка. Повышение кислотности черноземов способствует увеличению подвижности некоторых питательных веществ и повышению их доступности растениям.
Систематическое применение органических и минеральных удобрений на сероземах не оказывает значимого влияния на реакцию почвенного раствора из-за их карбонатности и буферности. Некоторое увеличение илистой фракции и емкости поглощения этих почв в верхних слоях происходит благодаря образованию коллоидов из органических растительных остатков. Пахотный слой сероземов сохраняет коллоиды, в связи с большим количеством кальция, который поглощается коллоидами, препятствует их диспергированию и вымыванию. Передвижение питательных веществ удобрений вглубь по профилю в сероземах, а также потери с грунтовыми и сбросными водами при орошении, обусловлены промывным водным режимом и растворимостью некоторых соединений.
Длительное применение органических и минеральных удобрений увеличивает содержание углерода и азота в бедных гумусом дерново-подзолистых и серозёмных почвах, при этом слабо влияя на богатые гумусом черноземы.
Таблица. Действие длительного применения удобрений на содержание органического углерода и общего азота (Шевцова Л.К., 1993, 1998)
| Контроль | |||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Навоз + NPK | |||||
| Контроль | |||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| 1/2 Навоз + 1/2 NPK | |||||
| Контроль | |||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| 1/2 Навоз + 1/2 NPK | |||||
| Контроль | |||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Навоз + NPK | |||||
В вариантах с внесением навоза отмечается повышение содержания органического вещества в верхних горизонтах, а более слабое влияние минеральных удобрений проявляется и в подпахотном слое почвы. Навоз и минеральные удобрения не влияют на групповой состав органического вещества различных типов почв. Состав гумуса длительно удобрявшихся почв сохраняет свойства, сформировавшиеся в региональных условиях почвообразования. При длительном применении удобрений почвы обогащаются подвижным органическим веществом, находящимся в ранних (гидрофильных) стадиях гумификации, более биохимически активных органических соединений, а также обогащает почву подвижным и доступным азотом. Наиболее сильное воздействие удобрений на этот показатель отмечено на дерново-подзолистых почвах, слабое — на чернозёмных, очень слабое — на сероземах.
Влияние минеральных азотных и калийных удобрений на плодородие почв связано с катионным обменом. Систематическое внесение этих удобрений приводит к фиксации содержащихся в удобрениях одновалентных катионов калия и аммония коллоидами почвы, что связано с вхождением катионов внутрь кристаллических решеток минералов. На этот процесс влияют тип глинистого минерала, гранулометрический состав, содержание органического вещества, реакция почвенного раствора, концентрация катионов калия и аммония в почвенном растворе, состав и концентрация других катионов, степень насыщенности поглощающего комплекса этими катионами и гидротермические условия, при которых происходит фиксация.
Необменное поглощение катионов уменьшает доступность их растениям и коэффициент использования азотных и калийных удобрений.
Применение аммонийных форм азотных удобрений сопровождается фиксацией (необменным поглощением) азота в виде NH4+ глинистыми минералами, что уменьшает его доступность растениям. Фиксация азота в пахотном и более глубоких слоях может достигать существенных размеров и должна учитываться в общем балансе азота. Длительное использование азотных удобрений приводит к увеличению количества фиксированного аммония. Фиксация аммония на почвах легкого гранулометрического состава меньше, чем более тяжелых, так как фиксация связана с илистой фракцией и составляющими ее глинистыми минералами. Фиксация аммония происходит в пахотном и в более глубоких слоях почвы, особенно на легких по гранулометрическому составу почвах. Вероятно, необменно-поглощенный аммоний вымывается в нижние слои с коллоидами, содержание которых вниз по профилю почвы возрастает.
Таблица. Изменение содержания необменного аммонийного азота в профиле почвы длительных стационарных опытов, мг N/кг почвы. Серая лесная среднесуглинистая почва, Новосибирская область (Якименко В.Н., 2009)
| Целина | ||||
| Пар | ||||
| Контроль (овощной севооборот) | ||||
| Контроль (зерновой севооборот) | ||||
| NP (овощной севооборот) | ||||
| NP (зерновой севооборот) | ||||
| NPK* (овощной севооборот) | ||||
| NPK* (овощной севооборот) | ||||
Культуры, в зависимости от строения корневой системы и её поглотительной способности, влияют на процессы миграции минеральных форм азота и необменного поглощения аммония.
При одновременном внесении азотных и калийных удобрений фиксация аммония уменьшается вследствие конкурирующего действия калия.
Аммоний минеральных удобрений фиксируется быстрее, чем аммоний навоза, так как обладает большей подвижностью. При внесении навоза необменное поглощение аммония выражено менее, чем при внесении минеральных удобрений. Это связано с повышенной фиксацией калия, улучшением физико-химических свойств почвы и усиленной нитрификационной способностью почв.
Закрепление азота в виде необменно-поглощенного аммония происходит в первые годы систематического внесения удобрений, и при заполнении емкости фиксации дальнейшего увеличения фиксированного аммония от внесения удобрений не происходит. Калий, также как и аммоний, активно фиксируется в первые годы применения удобрений, а при заполнении ёмкости фиксации необменного калия — снижается, доступность его растениям и коэффициент использования растениями возрастают.
Характер превращения калия удобрений зависти от почвенно-климатических условий. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах повышается количество обменного калия, тогда как содержание необменного калия меняется мало. Накопление обменного калия отмечается в пахотном слое и в более глубоких слоях. В пахотном слое черноземов преобладает необменное поглощение калия, количество обменного — возрастает в меньшей степени. В серозёмах увеличивается содержание обменного и необменного, поглощенного калия.
Таблица. Содержание различных форм калия в почвах при длительном применении удобрений, мг К2O/100 г почвы2Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
| Дерново-подзолистая пылевато-песчанисто-суглинистая (ТСХА) | Контроль | ||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Дерново-подзолистая тяжелосуглинистая (ДАОС) | Контроль | ||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Серая лесная легко-суглинистая (ВНИИ лубяных культур) | Контроль | ||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Выщелоченный чернозем легкосуглинистый (Мироновский НИИ селекции и семеноводства пшеницы) | Контроль | ||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
| Типичный чернозём (Ак-Кавакская опытная станция) | Контроль | ||||
| Навоз | |||||
| NPK | |||||
Промывной режим светло-каштановых почв, создаваемый орошением, изменяет содержание необменных форм калия. Наибольшие изменения отмечаются в пахотном горизонте, но влияние распространяется на метровый слой почвы.
Таблица. Влияние систематического применения удобрений на калийный режим каштановых почв (Жукова Л.М., Никитина Л.В., 1986)
Фиксация катионов определяется типом почвы. Например, дерново-подзолистые почвы, несмотря на высокую дисперсность минералов, характеризуются невысокой способностью фиксировать калий. Это связано с кислой реакцией почвенного раствора, ненасыщенностью почв основаниями, небольшим содержанием органического вещества и повышенной влажностью почв. В таких условиях необменное поглощение калия протекает в небольшом количестве и только в верхнем пахотном слое.
Известкование и длительное применение навоза повышают фиксирующую способность калия кислых почв по сравнению с минеральными удобрениями, что обусловлено увеличением количества органического вещества и коагулирующим действием двухвалентных катионов, входящих в состав навоза и известковых удобрений. Совместное внесение азотных и калийных удобрений из-за конкуренции с ионами NH4+ фиксация калия уменьшается в 2-3 раза.
Фиксация калия на дерново-подзолистых почвах небольшая и не сказывается на применении удобрений, так как необменный калий коллоидов почвы является источником пополнения запасов обменного калия.
В серых лесных почвах фиксация калия и аммония проявляется сильнее, чем в дерново-подзолистых. Реакция почвенного раствора, минералогический состав и повышенное содержание органического вещества способствуют усилению процесса.
В черноземах условия для необменной фиксации катионов наиболее благоприятны: высокая насыщенность поглощающего комплекса основаниями, высокая величина pH, большое содержание органического вещества, минералогический состав коллоидной фракции с преобладанием минералов монтмориллонитовой группы, периодическое пересыхание верхнего слоя, которое приводит к необратимой коагуляция коллоидов.
Одновременное внесение калийных и азотных удобрений не уменьшает фиксацию калия, так как в черноземах активно протекают процессы нитрификации, что является причиной небольшого увеличения количества фиксированного аммония на фоне удобрений. Фиксация калия и аммония происходит в верхних слоях черноземов.
В каштановых почвах и сероземах длительное применение удобрений приводит к увеличению количества необменного калия и аммония. Переход этих катионов в необменно-поглощенное состояние обусловлен преобладанием гидрослюдистых минералов в составе илистой фракции. Эти минералы обладают высокой фиксирующей способностью в отношении одновалентных катионов. Значение имеют щелочная реакция почвы, насыщенность двухвалентными основаниями и периодическое пересыхание почв в условиях климата сухостепной и пустынной зон.
Промывной режим способствует увеличению фиксированных катионов в нижних слоях почвенного профиля. Совместное внесение азотных и калийных удобрений мало влияет на фиксацию катионов, так как минералогический состав этих почв обладает высокой емкостью фиксации одновалентных катионов.
По содержанию обменного калия и фиксированного аммония почвы можно расположить в следующей последовательности: дерново-подзолистые < серые лесные < черноземные < каштановые < сероземы.
В пределах одного типа почв количество необменных катионов возрастает от легких по гранулометрическому составу почв к тяжелым. Запасы необменных катионов необходимо учитывать при оценке плодородия почв и расчетах балансов питательных веществ.
Естественные запасы фосфора в почвах и их распределение по профилю зависят от содержания фосфора в материнских породах и характером почвообразовательного процесса. При систематическом внесении удобрений валовое содержание и количество подвижных форм фосфора возрастает. Степень проявления изменений определяется дозами удобрений, длительностью их применения и свойствами почвы. Большая часть фосфора, накопленного в результате внесения удобрений, сохраняется в пахотном слое. При высоких дозах фосфором обогащаются подпахотный слой, а в случаях легких почвах без известкования и при орошении и более глубокие слои.
Состав минеральных фосфатов по профилю определяется генетическими особенностями почв. Так, в дерново-подзолистых почвах преобладают фосфаты полуторных оксидов, в чернозёмах — фосфаты кальция.
При внесении минеральных фосфорных удобрений в почвах накапливается больше фосфатов полуторных оксидов по сравнению с унавоженными почвами.
Влияние удобрений на биологическую и ферментативную активность почв
Биологическая активность почв — совокупность биологических и биохимических процессов, протекающих в почве. Зависит от генетических особенностей почвы, гидротермическими условиями, агротехническими мероприятиями, степени минерализации и гумификации растительных остатков, мобилизационной способности почв. Систематическое применение удобрений в севооборотах усиливает деятельность почвенной биоты.
На дерново-подзолистых кислых почвах влияние на активность биологических процессов оказывает внесение извести. Периодическое известкование уменьшает содержание подвижных алюминия и обменного водорода, создает более благоприятные условия жизни микроорганизмов в почве, усиливает процессы минерализации органического вещества.
Положительное действие на биологическую активность оказывает навоз в чистом виде и в сочетании с минеральными удобрениями и известкованием. Известкование усиливает действие удобрений на ферментативную активность.
Таблица. Влияние систематического применения удобрений на биологическую активность каштановой почвы. Озимая пшеница и люцерна. (Численность микроорганизмов, тыс. на 1 г сухой почвы в среднем за вегетационный сезон). Длительный опыт Горского СХИ (Джанаев Г.Г. и др., 2005)
| Контроль | |||||
| NPK | |||||
| 2 NPK | |||||
| Навоз + NPK | |||||
| 3 NPK |
Влияние удобрений на ферментативную активность дерново-подзолистых почв аналогично действию на биологическую активность. Максимальная активность ферментов отмечается на фоне навоза.
На черноземной, тёмно-серой лесной почве и серозёме навоз в чистом виде и совместно с применением минеральных удобрений положительно действует на ферментативную активность. В большинстве случаев отмечается рост активности уреазы, что обусловлено благоприятными для уробактерий нейтральной или слабощелочной реакции почвы. Под влиянием удобрений возрастает активность инвертазы, причем активность разложения и синтеза безазотистых органических веществ увеличивается в одинаковой степени на фоне навоза и минеральных удобрений.
Литература
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
