Агрохимия, 2023, № 3, стр. 20-28

ВВЕДЕНИЕ

Поступление серы в почву происходит из 3-х основных источников: выветривание минералов, атмосферное осаждение и разложение органических веществ (растительных остатков и гумуса) [1, 2]. В почве сера находится в 2-х формах – органической и неорганической. Бóльшая часть серы в почве состоит из органических фракций (до 98%). Органическую серу можно разделить на восстановленную, серу эфиров серной кислоты, а также связанную с углеродом и не идентифицированные органические соединения. Часть органической серы в виде серосодержащих аминокислот входит в состав гуминовых веществ. Массовая доля аминокислот в гуминовых веществах составляет 6–10% [3].

Соотношения C : N : P или C : N : S связаны не только со структурой растительных и микробных сообществ, но и с экофизиологическими факторами в соответствующих экосистемах [4, 5]. Установлено, что S_орг входит в состав органического вещества почв со средним соотношением С : N : S равным примерно 130 : 10 : 1.3 [6]. Содержание серы в фульвокислотах и гуминовых кислотах в сумме составляет ~1/2 общего ее количества в слое 0–20 см [7]. В гумусе пропорции соотношения N : S равны (8–12) : 1 [3]. Минерализация S_орг осуществляется биологическим и биохимическим путем и наиболее интенсивно проходит при оптимальной для микроорганизмов влажности и температуре, скорость ее зависит от реакции и характера использования почв и примерно такая же, как и общая минерализация органического вещества почвы [3]. В то же время согласно концепции [8], минерализация S_орг может проходить независимо от минерализации углерода, азота и фосфора.

Неорганическая сера в почве представлена сульфатами почвенного раствора, адсорбированными сульфатами и серой минералов. При выветривании серосодержащих минералов в почву поступают сульфаты и сульфиды. Наиболее доступная растениям сульфатная форма составляет 10–25% от общего содержания серы [9]. Почвенный сульфат может происходить из атмосферного осаждения, добавления удобрений или минерализации почвенной органической серы [10, 11]. Основная часть сульфатов, поступивших на поверхность почвы, в течение года способна оставаться в исходной форме, что свидетельствует о сорбционном механизме удержания серы в верхнем профиле почвы [12].

Скорость круговорота серы зависит от микробного сообщества и его метаболической активности [13], при котором происходят основные преобразования: иммобилизация, мобилизация и минерализация. Иммобилизация или ассимиляция S в микробных клетках полностью зависит от микробной популяции. Однако короткие жизненные циклы микроорганизмов приводят к быстрому обороту и рециркуляции S в почве. Сама микробная биомасса является наиболее активной и легкодоступной формой почвенной органической серы. Иммобилизация происходит в органических и минеральных слоях почвы, и иммобилизованная сера обычно включается в органическое вещество посредством ковалентной связи. Сульфат, добавленный в почву, быстро адсорбируется или трансформируется в низкомолекулярные органические соединения S, особенно в сложные эфиры, такие как фульвовая кислота, что приводит к удержанию его в почве. Органическая сера имеет положительную связь почти со всеми фракциями серы, за исключением адсорбированной и доступной S [14]. Мобилизация контролирует минерализацию S после того, как растворимая органическая S преобразуется в неорганическую. Доступность серы зависит от сочетания многих физико-химических свойств почвы и динамики ее почвенных форм [15]. Установлена линейная корреляция между содержанием доступной серы и карбонатами в почвах [16].

Современные химические и спектроскопические исследования [13] показали, что в сельскохозяйственных почвах большая часть почвенной серы (>95%) присутствует в виде сульфатных эфиров или серы с углеродной связью (сульфонаты или серусодержащие аминокислоты), которые могут являться биодоступными для растений, вероятно, из-за взаимного превращения углеродно-связанной серы и сульфатного эфира серы в неорганический сульфат почвенными микробами. В дополнение к этой минерализации связанных форм серы почвенные микробы также ответственны за быструю иммобилизацию сульфата, сначала сульфатных эфиров, а затем связанной с углеродом серы.

В естественных условиях пополнение запасов серы в почвах происходит очень медленно, особенно в аридных условиях с дефицитом влаги. Однако применение серных удобрений (на фоне NPK) может повышать скорость образования органической серы, что связано с увеличением накопления серных соединений в корневой фитомассе, а также с возрастанием их содержания в микробной биомассе [17–20]. Содержание серы в микробной биомассе разных типов почв Забайкалья также характеризовалось зависимостью от этих факторов и варьировало от 0.7 до 3.6 г/м² [21].

При оценке способности почв обеспечивать растения серным питанием пользуются понятием “критический уровень”, обозначающим такое количество серы в почве, ниже которого снижается продуктивность растений из-за ее дефицита. Например, пороговая концентрация сульфатной серы в почвах составляет для злаков 0.8 мг/100 г и для люцерны – 1.2 мг/100 г почвы [22]. В настоящее время в России пахотные почвы недостаточно обеспечены подвижными формами серы [23]. Ее содержание в почвах близко к критическому уровню – 6.3–6.4 мг/кг, а в целом ряде регионов – 1.5–2.0 мг/кг.

Для почвенно-климатических условий сухостепной зоны Западного Забайкалья сера в системе почва–растение изучена фрагментарно. Определен аминокислотный состав растительных остатков, поступающих в каштановые почвы, а также содержание и распределение свободных аминокислот в неорошаемых и орошаемых каштановых почвах Забайкалья, в т.ч. метионина [24]. Изучены содержание и фракционный состав серы, ее запасы и распределение в основных типах аллювиальных почв бассейна р. Селенги на территории Монголии, дана агрохимическая оценка ресурсов серы и эффективность серных удобрений на пойменных лугах [25].

Дефицит серы в почвах или недостаточное применение серосодержащих удобрений под картофель являются одними из основных причин его вырождения. Механизм повышения урожая клубней и их качества состоит в том, что этот элемент способствует лучшему поступлению из почвы и удобрений N, P, K и других элементов [26]. Такие исследования для картофеля в условиях Западного Забайкалья отсутствуют. Поэтому цель работы – изучение влияния орошения и возрастающих доз серных удобрений под орошаемый картофель на содержание, распределение и запасы серы в каштановых почвах, а также на ее фракционный состав.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение влияния возрастающих доз серных удобрений на фоне NPK под картофель сорта Волжанин проводили на орошаемых каштановых супесчаных почвах в Иволгинском р-не Республики Бурятия (с. Иволгинск, N 51° 44.6158′ 0″, E 107° 16.813′0″, h – 544 м н. ур. м.) в 1986–2006 гг. Некоторые характеристики их свойств приведены ранее [27]. Установлено, что длительное орошение вызвало некоторое перераспределение гранулометрических фракций, снижение содержания обменных катионов и увеличение количества карбонатов, гумуса и азота. Каштановая почва опытного участка слабо обеспечена подвижной формой азота, калия, серы и многих микроэлементов. Система обработки почвы и технология возделывания культуры – общепринятые для региона. Схема опыта, варианты: 1 – контроль (без удобрений), 2 – N120P60K120 (фон), 3 – фон + S15, 4 – фон + S30, 5 – фон + + S60, 6 – фон + S120. Площадь опытной делянки 12.5 м², повторность четырехкратная.

Посадку картофеля производили во 2-й половине мая по схеме 27×70 см, уборку осуществляли в конце 1-й–начале 2-й декады сентября. Макроудобрения вносили ежегодно: азотные – в виде аммиачной селитры, фосфорные – двойного суперфосфата, калийные – хлористого калия и серные – сульфата аммония (с обязательным учетом содержащегося в нем азота) под глубокую предпосадочную культивацию. Фоновые дефицитные микроудобрения в виде сульфатов цинка, меди и кобальта также применяли под культивацию, но вносили одноразово в расчете на 3 года. Орошение проводили поливной нормой 300 м³/га 5–7 раз за вегетационный период в зависимости от погодных условий сезона.

Влияние норм полива на устойчивость орошаемых почв Забайкалья к вымыванию питательных веществ из удобрений ограничено единичными исследованиями [28]. В этой связи нами были проведены модельные опыты в полевых условиях. Испытывали 2 уровня минеральных удобрений: средний – N120Р60К120S30 и высокий – N240Р120К240S60 при норме полива 350 и 700 м³/га на каштановой супесчаной почве с большим коэффициентом фильтрации (2.6 м/сут). Определение фракционного состава серы осуществляли по методике Айдиняна [29] в слое 0–20 см каштановой почвы в четырехкратной повторности после 3-х лет внесения возрастающих доз серных удобрений. Содержание валовой (общей) серы определяли весовым методом после разложения почвы смесью кислот. Подвижная сера, вытесняемая 0.2 М KCl, является наиболее легкоусвояемой растениями формой. Именно ее содержание используется агрохимслужбой нашей страны для диагностики потребности растений в серных удобрениях. Минеральная форма (экстрагент – 0.2 М HCl) характеризует содержание в почвах всей минеральной серы, включая подвижную. Резервная форма показывает количество элемента, находящегося в органической части почвы, и обычно определяется по разности между валовым содержанием и минеральной формой.

Полученные данные статистически обработаны в среде электронной таблицы Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Валовое (общее) количество серы в каштановых супесчаных почвах невысокое, что связано с малой концентрацией органических веществ (1.5–2% гумуса). Распределение серы по профилю – постепенно убывающее на целине (рис. 1а) и практически нарастающее с глубиной профиля на орошаемой пашне с некоторым снижением в слое 100–120 см. Согласно градации почв по содержанию и запасам подвижной серы [22], каштановые почвы в слое 0–20 см отнесены к низкообеспеченным, хотя при орошении в нижележащих слоях этот показатель возрастает до среднего и высокого уровня (рис. 1б).

Рис. 1.

Содержание и распределение общей (а) и подвижной (б) серы в профиле неорошаемых и орошаемых каштановых почв.

Интенсивность биологических и биохимических процессов в каштановых почвах лимитируется их низкой влагообеспеченностью. Орошение супесчаных каштановых почв в течение длительного времени способствовало изменению запасов S_общ по сравнению с целиной за счет усиления микробиологической активности (рис. 2а), особенно это было выражено в карбонатных горизонтах. Например, запасы серы в орошаемой почве в карбонатных слоях 40–60 и 60–80 см превышали ее запасы в 1.9 и 1.7 раза в соответствующих слоях целины. В нижележащих горизонтах орошаемой почвы отмечено возрастание содержания серы и особенно существенно с увеличением глубины горизонта. Запасы S_общ в каштановых почвах составили (кг/га): целина: в слое 0–20 см – 660, 0–50 см – 1550, 0–100 см – 2800; орошаемая пашня: соответственно 600, 1780, 2760.

Рис. 2.

Запасы общей (а) и подвижной (б) серы в профиле неорошаемых и орошаемых каштановых почв.

Из-за высокой миграционной способности подвижные сульфаты могут вымываться при орошении почв, особенно в отсутствии растительного покрова, что влияет на величину их запасов. В то же время орошение, повышая микробиологическую активность, может способствовать аккумуляции серы в микробобиомассе и корневых остатках. Например, при орошении в слое 0–20 см запас подвижных сульфатов был больше в 3 раза, чем на целине (7.3 и 2.4 кг/га соответственно); в слое 0–50 см – в 1.3 раза, в слое 0–100 см – в 2.9 раза (рис. 2б). Такое превышение связано с наличием карбонатного горизонта с глубины 40 см и до конца профиля, который является биогеохимическим барьером для мигрирующих легкоподвижных соединений. В целом же запасы подвижных сульфатов в каштановых почвах в слое 0–20 см, согласно градации [22], отнесены к низким.

Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде и передвигаются с током почвенной влаги. Они слабо удерживаются (адсорбируются) глинистыми и другими почвенными минералами, особенно при низких показателях pH. Адсорбированные почвой сульфаты представляют собой важный резерв серы для питания растений, особенно в нижних горизонтах почвенного профиля (глубже 30 см), имеющих кислую реакцию среды. Потери серы из почвы в основном происходят за счет вымывания сульфат-ионов из корнеобитаемой зоны при выпадении большого количества осадков и при орошении. Размеры потерь серы от вымывания зависят от почвенно-климатических условий: ежегодные потери обычно составляют от 5 до 60 кг S/га. По сравнению с незасеянной почвой под хорошо развитыми посевами сельскохозяйственных культур вымывание сульфат-ионов, как правило, идет менее интенсивно.

Несоблюдение технологии орошения вызывает не только негативные изменения свойств почв, но и приводит к непродуктивному перерасходу воды и минеральных удобрений. Анализ данных по вымыванию питательных веществ из почвы показал, что факторы, влияющие на интенсивность этого процесса, располагаются в следующем убывающем порядке: орошение и количество выпадающих осадков, гранулометрический состав почвы, в частности поглотительная способность почв в отношении таких анионов, как ${\text{PO}}_{4}^{{ - 3}}$ и ${\text{SO}}_{4}^{{ - 2}}$ [30], дозы, формы и сроки внесения удобрений, характер использования угодья, агротехника выращивания культуры, длительность периода вегетации, урожайность.

Согласно полученным данным, внесение серных удобрений увеличивало содержание сульфат-иона в почве в зависимости от размера дозы при норме полива 350 м³/га (рис. 3). Миграция S-SO₄ за пределы как корнеобитаемого слоя, так и карбонатного горизонта практически отсутствовала. Известно, что карбонат кальция служит геохимическим барьером против вымывания важных элементов, в т.ч. и серы [31]. Воздействие же поливной нормы воды (700 м³/га) на каштановой супесчаной почве снижало накопление серы в пахотном горизонте и усиливало ее вымывание за пределы слоя.

Рис. 3.

Влияние норм полива и доз серных удобрений на содержание и распределение S-SO₄ в каштановой почве, мг/кг.

Проведенными наблюдениями за динамикой содержания подвижной серы в почве выявлено, что в контроле она присутствовала в незначительном количестве в течение всех вегетационных сезонов. Внесение фоновых удобрений (N120Р60К120) способствовало некоторой мобилизации почвенных ресурсов серы, и содержание подвижных форм элемента слабо возрастало, но обеспеченность ими почвы продолжала оставаться на низком уровне (рис. 4).

Рис. 4.

Динамика содержания подвижной серы в орошаемой каштановой почве под картофелем в зависимости от возрастающих доз серных удобрений.

Применение серных удобрений несколько увеличивало содержание подвижной серы. Например, в мае увлажненного сезона обеспеченность ею орошаемой каштановой почвы в вариантах с S60 и S120 была высокой. Далее, по причинам потребления ее растениями и миграции в нижележащие слои содержание доступной для растений формы данного питательного элемента резко снижалось. К концу вегетации растений при сокращении потребления элемента картофелем отмечено незначительное повышение количества подвижной серы.

Возрастание доз серного удобрения способствовало повышению обеспеченности подвижной серой до среднего уровня (6–12 мг/кг) в первую половину вегетационного периода засушливого сезона. В вариантах S60 и S120 под воздействием поливов отмечена ее небольшая миграция на глубину 20–40 см во 2-й половине вегетации картофеля.

Динамика содержания подвижной серы в слое 0–20 см орошаемой каштановой почвы во влажный сезон была в основном однотипной во всех вариантах опыта: повышение ее количества в весенне-раннелетний период при возрастании доз, снижение к середине вегетации из-за интенсивного потребления серы растениями и некоторое увеличение к концу вегетации.

Таким образом, выявлено, что содержание подвижной серы в орошаемой каштановой почве повышается при внесении возрастающих доз серных удобрений только в начале вегетационного периода, далее оно уменьшается. Избыточное количество внесенной серы мигрирует в нижележащие слои почвы и особенно заметно это проявлялось во влажный год. Поэтому нерационально внесение на орошаемых супесчаных каштановых почвах серы в дозах, превышающих ее вынос урожаем, т.к. она постепенно вымывается из верхней корнеобитаемой части профиля в нижележащие слои.

После 3-х лет внесения возрастающих доз серных удобрений (на фоне NPK) содержание всех форм серы в орошаемой каштановой почве повысилось (табл. 1), но уровень их накопления определялся размером дозы. Использование доз S15 и S30 увеличило концентрацию всех форм серных соединений по сравнению с контролем и фоном, тогда как между собой они не различались. То же самое отмечено и для доз S60 и S120, т.е. достоверное увеличение их количеств происходило до определенного предела интервалов, а с существенным повышением дозы снова возрастало. Сера удобрений распределялась по фракциям в зависимости от размера дозы. Содержание резервной формы серы имело высокую корреляцию с другими формами (r = 0.91–0.99), т.е. увеличение дозы серных удобрений способствовало возрастанию содержания всех форм серы.

Поскольку органическая сера является доминирующей в составе серных соединений в почвах, то отдельно рассмотрим ее связь с органическим веществом, гумусом и органическим азотом. Сульфатная форма серы образуется в качестве побочного продукта в процессе минерализации органического вещества почвы с участием микроорганизмов. Процесс иммобилизации представляет собой включение сульфатной формы серы в микробную биомассу почвы. Наиболее простым способом для определения того, происходит ли в почве чистая (нетто) минерализация или чистая иммобилизация серы, служат показатели соотношения углерода к сере. Процесс высвобождения серы – перехода в сульфатную форму в основном происходит при соотношении C : S в органическом веществе менее чем 200 : 1; а иммобилизация серы обычно происходит в тех случаях, когда соотношение C : S превышает 400 : 1 [2]. Применение возрастающих доз серных удобрений (на фоне NPK) под орошаемые агроценозы картофеля выявило следующую направленность в изменении содержания S_орг в почве: с увеличением дозы повышалось ее количество в почве, возрастала обогащенность гумуса серой и сужалось соотношение С : S_орг (табл. 2).

Следовательно, применение возрастающих доз серных удобрений способствует усилению минерализации S_орг. Отношение N : S_орг уменьшалось только при не внесении серных удобрений.

Ранее было отмечено, что соотношение C : N : S в почвах составляет (<100–194) : 10 : (1–1.6) или в среднем 130 : 10 : 1.3 [6]. Сделанный нами расчет этого показателя иным способом, в котором содержание серы принимается за единицу, выявил, что соотношение элементов в целине составляло 35.4 : 3.6 : 1, в орошаемой почве – 40.0 : 4.8 : 1. Это характерно для аридных условий каштановой зоны Забайкалья, где даже длительное орошение не способствует быстрому повышению уровня плодородия почв без применения минеральных удобрений.

По нашим данным (табл. 3), баланс серы в зависимости от возрастающих доз серных удобрений (на фоне NPK) существенным образом отличался от азотного, фосфорного и калийного. Отрицательный баланс серы был в контроле и в фоновом варианте. Внесение наименьшей дозы S15 уже сформировало положительный баланс, но учитывая, что каштановые почвы обеднены подвижной серой, рекомендуется применение дозы S30. Высокие дозы снижают рентабельность производства картофеля в орошаемых условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, валовое количество серы в каштановых супесчаных почвах Западного Забайкалья невысокое, что связано с низким содержанием гумуса. Распределение серы по профилю – постепенно убывающее на целине и практически нарастающее с глубиной профиля на длительно орошаемой пашне.

Орошение, повышая биологическую активность, способствует аккумуляции серы в микробобиомассе и корневых остатках. Например, при орошении в слое 0–20 см запас подвижных сульфатов был больше в 3 раза, чем на целине (7.3 и 2.4 кг/га соответственно); в слое 0–50 см – в 1.3 раза, в слое 0–100 см – в 2.9 раза. Это превышение связано с наличием карбонатного горизонта с глубины 40 см и до конца профиля, который является биогеохимическим барьером для мигрирующих сульфатов.

По содержанию и запасам подвижной серы каштановые почвы в слое 0–20 см отнесены к низкообеспеченным, хотя при орошении в нижележащих слоях эти показатели возрастали до среднего и высокого уровня. Запасы серы в орошаемой почве в карбонатных слоях 40–60 и 60–80 см превышали в 1.9 и 1.7 раза соответствующие показатели целины.

Внесение серных удобрений увеличивало содержание сульфат-иона в почве в зависимости от размера дозы при норме полива 350 м³/га. Миграция S–SO₄ за пределы как корнеобитаемого слоя, так и карбонатного горизонта практически отсутствовала. Воздействие же поливной нормы воды (700 м³/га) снижало накопление серы в пахотном горизонте и усиливало ее вымывание за пределы слоя.

Показано, что содержание подвижной серы в орошаемой каштановой почве повышалось при внесении возрастающих доз серных удобрений под картофель только в начале вегетационного периода. После 3-х лет применения возрастающих доз серных удобрений (на фоне NPK) под орошаемый картофель содержание всех форм серы в почве повысилось, однако уровень их накопления определялся размером дозы. Выявлена следующая направленность в изменении содержания S_орг в почве: с увеличением дозы повышалось ее количество в почве, возрастала обогащенность гумуса серой и сужалось соотношение С : S_орг.

Установлен отрицательный баланс серы в контроле и в фоновом варианте. Внесение наименьшей дозы S15 уже сформировало положительный баланс, но учитывая, что каштановые почвы обеднены подвижной серой, необходимо применение дозы S30 с соблюдением норм полива.