Агрохимия, 2022, № 11, стр. 33-39

ВВЕДЕНИЕ

Почвенный покров – один из важных резервуаров микроэлементов на планете, источником которых являются первичные минералы почвообразующих пород, а их биохимическую активность определяет органическое вещество почвы (ОВП). Существует общепринятое мнение, что ОВП полифункционально, т.к. от его количества и качества зависит питательный, водный, ,воздушный и тепловой режимы почвы; и поликомпонентно, т.к. выделяют ряд его пулов и фракций. ОВП условно делится на 3 пула: стабильное, лабильное и инертное. Лабильная фракция (ЛФ) состоит из остатков биоты разной степени разложения и их продуктов [1, 2]. По мере усиления переработанности почвенной микрофлорой, вещество ЛФ можно расположить в ряд: мортмасса, детрит, подвижный гумус. Мортмасса представляет собой часть ЛФ, которая практически не затронута процессом микробиологической переработки. Кроме того, она является субстратом и центром микробной активности почвы, легко разлагается почвенной микрофлорой, вовлекая в кругооборот биологически значимые элементы, в том числе и микроэлементы [3]. Закономерности влияния гумусных веществ на трансформацию и аккумуляцию микроэлементов в ОВП представлены в работах [4–8] и многих других. Ими детально исследована кинетика органо-минеральных взаимодействий органического вещества почвы с микроэлементами. Установлено, что этот сложный химический процесс зависит от множества абиотических факторов (почвы, климата и т.п.), биотических (вид растения, сорт и т.п.) и агрогенных (системы применения удобрения, обработки почвы и т.п.). Вместе с тем при оценке микроэлементного статуса почвы ранее в работах преимущественно оценивали лишь способность ОВП к депонированию тяжелых металлов, а его функционал, как резерв подвижных биологически значимых микроэлементов, зачастую не рассматривали. В связи с этим цель работы – изучение микроэлементного состава мортмассы ЛФ органического вещества лугово-черноземной почвы в зависимости от применения минеральных удобрений и соломы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в 2019–2021 гг. в длительном стационарном опыте (год закладки – 1988) на опытном полигоне лаборатории агрохимии Омского аграрного научного центра в Сибирском Федеральном округе Российской Федерации. Территориально опытный участок размещен на Евразийском континенте (географическая привязка 55°01′ с.ш. и 73°23′ в.д.) в лесостепной зоне Западно-Сибирской низменности. Климат региона – типично континентальный с продолжительной зимой и коротким жарким летом, поздними весенними и ранними осенними заморозками. Западно-Сибирская низменность с запада ограждена Уральским хребтом, с востока – Средне-Сибирским нагорьем, совершенно открыта с севера и мало защищена с юга. В результате этого на территорию свободно вторгаются холодные арктические воздушные массы и теплые сухие из пустынь и степей Казахстана и Средней Азии. Характерными показателями температурных условий лесостепной зоны Западной Сибири являются: холодная и суровая зима, жаркое лето, ветреная и сухая весна, непродолжительная осень, короткий безморозный период, резкие колебания температуры от месяца к месяцу, от одних суток к другим и даже в течение суток. Годовая амплитуда температуры воздуха достигает 80–90°С, что подчеркивает резкую континентальность местного климата. Среднегодовое количество осадков в южной лесостепи Омской обл. составляет 300–320 мм.

Объект исследования – лугово-черноземная среднемощная среднегумусовая тяжелосуглинистая почва. Эта почва является полугидроморфным аналогом черноземов. Формируется под травянистой растительностью в лесостепной и лугово-степной зоне в условиях повышенного увлажнения за счет почвенно-грунтовых вод, залегающих на глубине 3–6 м [9]. Территория опытного участка расположена в области четвертичных аллювиальных равнин. Почвообразующие породы представлены палево-бурыми тяжелыми глинами и суглинками. Характеристика почвы опытного участка представлена в табл. 1.

Исследование проводили на основе 6-польного зернотравяного севооборота, развернутого во времени и в пространстве, со следующим чередованием культур: люцерна 3-х лет вегетации – яровая пшеница – яровая пшеница – овес. Оценку содержания органического вещества и микроэлементов проводили перед посевом пшеницы после люцерны.

Опыт заложен методом расщепленных делянок, площадь элементарной делянки – 200 м² (10 × 20), учетной – 36 м² (1.8 × 20). Повторность опыта четырехкратная. Изучали следующие факторы (табл. 2): применение минеральных удобрений (фактор А) – без удобрений, N10Р17, N15Р23 (на 1 га севооборотной площади); использование соломы (фактор В) – без соломы (солому удаляли механически комбайном с копнителем), внесение соломы зерновых культур после уборки в количестве, соответствующем урожаю (1.68–2.20 т/га).

В качестве минеральных удобрений использовали N_aa (содержание азота 34%) и АФ (содержание фосфора – 52, азота – 12%). Удобрения вносили весной до посева локально сеялкой на глубину 6–8 см. Солому зерновых культур измельчали при уборке и оставляли в поле в количестве, соответствующем ее урожаю с последующей заделкой.

В опыте высевали районированные сорта сельскохозяйственных культур: яровую мягкую пшеницу (Triticum aestivum) сорта Омская 36, овес (Avena sativa) сорта Иртыш 22, люцерну (Medicago sativa) сорта Флора 8. Посев и учет урожайности культур проводили в оптимальные сроки. Агротехника возделывания культур – общепринятая для зоны. Метеорологические условия в течение периода исследования различались по тепло- и влагообеспеченности. Вегетационный период 2019 г. был близким по всем показателям к среднемноголетним нормам. Погодные условия 2020 и 2021 гг. были засушливыми.

Для решения поставленной цели в почвенных образцах определяли следующие показатели: общий углерод – по Тюрину в модификации Никитина, запасы углерода лабильной фракции – путем отмывки негумифицированного органического вещества водой на сите с диаметром ячеек 0.25 мм. Кислоторастворимые формы микроэлементов (>90% от содержания общего фонда микроэлементов в почве) экстрагировали 5М HNO₃ в течение 3-х ч на водяной бане при температуре 100°С, объем экстракта 50 мл, масса почвы 2 г. Подвижные формы (доступные для растений) определяли в 1 н. ацетатно-аммонийном буфере при рН 4.8 после отстаивания пробы почвы (10 г) в течение 24 ч, объем фильтрата 100 мл. Содержание микроэлементов в ЛФ определяли после сухого озоления при температуре 525 ± 25°С с последующим растворением сухого остатка золы в 50%-ном растворе HNO₃ в течение 1 ч на водяной бане при температуре 100°С, объем экстракта 50 мл, масса навески 2 г. Конечное определение элементов проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрометре Varian 140.

Данные обработаны дисперсионным и корреляционным методами статистического анализа с использованием программы Statist.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Длительное землепользование, применение агрохимических средств интенсифицируют минерализационные процессы в почве, тем самым ускоряя процесс высвобождения биофильных элементов [10], в том числе и микроэлементов. Известно, что ОВП имеет химически реакционную природу, оно активно образует органо-минеральные соединения, выполняя тем самым функцию геохимического барьера, а также источника микроэлементов, жизненно необходимых для роста и развития живых организмов [11]. При исследовании почвенных проб опытного участка установлено, что в варианте без применения удобрений содержание почвенного углерода было на уровне 3.91% (табл. 3). Систематическое внесение минеральных удобрений повысило содержание углерода на 0.09–0.18%. Новообразование ОВП было обусловлено большим поступлением растительных и корнепожнивных остатков в этих вариантах в сравнении с контрольным.

Одним из важных критериев оценки эффективного плодородия является содержание углерода мортмассы ЛФ. Содержание углерода мортмассы ЛФ в неудобренном варианте составило 0.07%, в удобренных вариантах оно варьировало от 0.10 до 0.13%. Следует отметить, что углерод мортмассы ЛФ составлял не более 4% от общего углерода в почве. Оптимизация минерального питания в севообороте за счет применения минеральных удобрений и соломы повысила обогащенность почвы лабильной фракцией ОВП на 8–38%, при этом прирост определялся видом и дозой удобрения. При систематическом использовании соломы в дозах 1.68–2.20 т/га в качестве удобрения отмечена лишь тенденция (1.1–1.4 т/га) к увеличению запасов мортмассы ЛФ в почве вследствие невысокого урожая соломы. Существенным фактором, влияющим на содержание мортмассы ЛФ ОВП, были минеральные удобрения. В работе [12] также было высказано мнение, что под влиянием агрохимических средств оптимизировался питательный режим растений, создавались благоприятные условия для развития более мощной корневой системы и растения в целом, обеспечивая в итоге поступление большего количества растительных остатков в почву. На агрохимических фонах (N10P17 и N15P23) количественные запасы мортмассы ЛФ ОВП составили соответственно 11.4 и 12.1 т/га, что было на 25 и 33% больше в сравнении с вариантом без удобрений. Наибольшее ее количество накопилось в варианте комплексного применения удобрений N15P23 + + солома – 13.5 т/га, что было на 48% больше, чем на неудобренном фоне. В соответствии с проведенными ранее исследованиями [13], ЛФ ОВП представляет собой достаточно ценный компонент почвы по содержанию эссенциальных элементов, определяющий урожайность агроценоза (r = 0.90).

Для решения поставленной цели в работе нами были также проанализированы почвенные образцы на содержание в них кислоторастворимых и подвижных форм Cu, Zn, Mn, Ni и Co (табл. 4).

По данным [14], почвы мира имеют следующие содержания микроэлементов, мг/кг сухой почвы: Cu – от 6 до 60 при фоновом содержании 30 мг/кг, ее кларк по Виноградову [15] в почвах мира составляет 20 мг/кг; Zn – от 30 до 80, фоновое и кларковое содержание 50 мг/кг; Со – от 1 до 16, фоновое содержание 2 мг/кг, его кларк 8 мг/кг; Ni – от 12 до 80, фоновое содержание и его кларк 40 мг/кг; Mn – от 10 до 2500, общее среднее содержание, рассчитанное для почв земного , составляет 545 мг/кг, кларк 850 мг/кг. Ориентируясь на фоновое содержание элементов в почве, следует отметить, что лугово-черноземная почва достаточно хорошо обеспечена вышеуказанными микроэлементами, за исключением Cu. Анализ содержания кислоторастворимых форм микроэлементов в почве показал, что внесение минеральных удобрений не оказало существенного влияния на пополнение их общего запаса. Однако положительную тенденцию к увеличению содержания кислоторастворимых форм микроэлементов отметили при внесении соломы для всей группы микроэлементов. Обогащение верхнего горизонта почвы микроэлементами происходило за счет эффекта переноса элементов корневой системой из более нижних слоев почвенного профиля. Содержание подвижных форм микроэлементов в слое 0–20 см почвы варьировало в широком интервале от 0.19 мг Cu/кг почвы и до 75.92 мг Mn/кг почвы в варианте без применения удобрений. В соответствии с оценкой обеспеченности почвы подвижными формами микроэлементов в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4.8) содержание Cu изменялось от низкого (<0.20 мг/кг почвы) до среднего (0.24–0.41 мг/кг почвы). Содержание Zn во всех вариантах было низким (<2.0 мг/кг), Mn и Co – высоким (>20 и 0.3 мг/кг соответственно). Содержание подвижного Ni не оценивали как фактор обеспеченности для растений. При использовании удобрений в дозе N15Р23 как отдельно, так и в комплексе с соломой, содержание подвижных форм Cu, Mn, Ni в почве возросло, что можно объяснить влиянием удобрений на изменение некоторых физико-химических свойств почв, способствующих переходу этих элементов из труднодоступных в легкоподвижные соединения. Для почв, используемых в сельскохозяйственном производстве, это явление весьма распространенное и прежде всего связано с неравным поступлением и выносом микроэлементов в системе почва–растение.

Мортмасса ЛФ органического вещества имеет относительно быструю скорость оборота и короткое время пребывания в почве [3, 11]. В связи с этим она играет роль ближайшего резерва микроэлементного питания растений, во многом определяя содержание и динамику подвижных форм микроэлементов в почве [7]. В нашем исследовании анализ мортмассы ЛФ на содержание микроэлементов показал, что их количественные параметры были аналогичны их содержанию в почве, за исключением Со. Содержание Со в мортмассе ЛФ ОВП в среднем было в 2.7 раза меньше, чем в почве. Для объяснения транслокации данного элемента требуются дополнительные исследования, т.к. низкий уровень биоаккумуляции Со в растениях мог быть обусловлен биологическими особенностями культуры, типом почвы, геохимией элементов и другими факторами.

Изучение содержания микроэлементов в мортмассе ЛФ в вариантах опыта показало определенные различия. Например, в контрольном варианте обнаружили на 12–29% больше Cu, на 4–42% больше Zn, чем в вариантах с внесением соломы и минеральных удобрений (табл. 5).

Содержание Mn, Ni и Co не зависело от вариантов опыта и варьировало незначительно – от 385.17 до 413.29 мг Mn/кг, от 35.14 до 41.81 мг Ni/кг и от 4.58 до 5.89 мг Co/кг. Оценка вклада микроэлементов мортмассы ЛФ в фонд кислоторастворимых форм микроэлементов показала, что мортмасса ЛФ в зависимости от вариантов опыта содержала Сu – 0.3–0.4, Zn – 0.3–0.5, Mn – 0.5, Ni – 0.4–0.5% и Co – 0.2% (табл. 6).

Следует отметить, что в мортмассе доля Сu составляла 18–42, Zn – 21–28, Ni – 13–19% от их количества, находящегося в почве в подвижной форме, тогда как доля Mn и Co в общем запасе доступных для растений соединений составила не более 6% (рис. 1).

Рис. 1.

Доля содержания микроэлементов в мортмассе лабильной фракции от общего запаса (100%) доступных для растений микроэлементов в почве (среднее в опыте).

В табл. 7 представлен расчет корреляционных зависимостей содержания микроэлементов в мортмассе ЛФ от содержания их в почве. Установлено, что содержание Сu, Zn и Co в мортмассе ЛФ зависело (r = 0.84–0.95) от обеспеченности почвы подвижными формами этих элементов, Mn и Ni – от содержания кислоторастворимых форм в почве (r = 0.80–0.90). Систематическое внесение минеральных удобрений N15Р23 в комплексе с запашкой соломы способствовало обогащению мортмассы ЛФ ОВП Zn на 6, Ni – на 5, Co – на 3% в сравнении с контролем. При изучении причинно-следственных связей между обеспеченностью мортмассы ЛФ микроэлементами и ее запасами в почве выявлено, что связь была средней или отсутствовала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, полученные результаты позволили сделать вывод, что мортмасса ЛФ ОВП является резервом минерального питания растений. Содержание Сu, Zn, Mn, Ni и Co в мортмассе ЛФ было аналогично их содержанию в почве. Концентрация Сu, Zn и Co в ЛФ зависела от содержания подвижных форм этих элементов в почве, Mn и Ni – от кислоторастворимых форм. Доля микроэлементов в мортмассе ЛФ от общего микроэлементного фонда почвы составляла не более 0.5%. Выявлено, что из общего запаса в почве доступных для растений элементов 13–42% Сu, 21–28% Zn и 13–19% Ni составляли их запасы в мортмассе ЛФ. При внесении минеральных удобрений и соломы отмечена тенденция к увеличению содержания микроэлементов в мортмассе ЛФ.