Агрохимия, 2023, № 3, стр. 3-11

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность минерального питания растений в агроценозах зависит не только от соотношения приходной и расходной статей баланса элементов-биофилов, но и во многом от интенсивности и направленности процессов трансформации почвенных форм этих элементов. Эти трансформации заключаются в возможности некоторых ионов, в т.ч. катионов калия и магния, занимать различные по прочности связи почвенные позиции и относятся к 2-м противоположно направленным, обратимым процессам – фиксации и мобилизации.

Под фиксацией почвой, например, калия или магния, обычно понимают переход катионов, находящихся в почвенном растворе или в обменной форме, в необменное, более прочно связанное с почвой состояние, в основе механизма данного процесса могут быть как явления физико-химического характера, так и изменения минералогического состава кристаллитов [1–5]. В ранее проведенных исследованиях показано, что фиксирующая способность почв в отношении калия зависит от их минералогического и гранулометрического состава, величины рН, содержания органического вещества, внесенной дозы удобрения, гидротермического режима и других факторов [6–11].

На эффективность минерального питания выращиваемых культур существенное влияние может оказывать характер взаимодействия вносимых элементов – антагонистический или синергетический, которое проявляется как в почвенных процессах адсорбции–десорбции, так и при поглощении ионов растениями [3, 12, 13]. Например, в ряде исследований отмечено антагонистическое в целом взаимодействие между одновалентными катионами H⁺, NH$_{4}^{ + }$, K⁺ с одной стороны, и Са²⁺, Mg²⁺ с другой, при усвоении этих элементов растениями из почв и удобрений [14–17]. В то же время было показано, что в зависимости от абсолютного количества определенных ионов в почвенном растворе и их соотношения между ними могут возникать как явления антагонизма, так и синергизма [3, 12, 18, 19]. Кроме того, специфика взаимовлияния отдельных элементов может значительно изменяться в зависимости от действия различных факторов. Установлено, что на характер взаимодействия K и Mg при поглощении растениями, эффективность их использования существенное влияние оказывают условия внешней среды и биологические особенности отдельных культур [3, 12, 14–17, 20, 21].

В целом проведенный анализ литературных данных показал, что основное внимание в исследованиях было уделено эффективности питания культур калием и магнием и их взаимовлиянию при различных уровнях содержания этих элементов в почвах агроценозов. Взаимодействие калия и магния в почвенных процессах, в т.ч. адсорбции–десорбции, изучено в значительно меньшей степени, что обусловливает целесообразность и актуальность проведения дальнейших исследований по этой проблематике.

Цель работы – установить специфику фиксации калия и магния при раздельном и совместном их внесении в почвы агроценозов с различной обеспеченностью этими элементами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение фиксирующей способности почвы в отношении K и Mg проводили в лабораторном опыте при компостировании почвенных образцов с калийными и магниевыми удобрениями в режиме попеременного намачивания до наименьшей влагоемкости и высушивания при комнатной температуре: тем самым в определенной степени воспроизводили процесс, которому подвергается пахотный слой почв агороценозов в полевых условиях.

Почвенные образцы (слой 0–20 см) для компостирования были отобраны в различных вариантах длительного полевого и микрополевого опытов [19, 22], проводимых на серой лесной среднесуглинистой почве со следующими характеристиками: содержание физической глины – 31%, содержание гумуса – 4%, емкость катионного обмена – 21 мг-экв/100 г. Проведенный ранее [5] анализ минералогического состава почвы показал, что почвенная фракция физического песка состоит из кварца, полевого шпата и амфиболов, а фракция физической глины содержит (в убывающем порядке) гидрослюду мусковитового типа (иллит), хлорит, каолинит, вермикулит и дисперсный смектит.

В вариантах указанных полевых опытов при выращивании картофеля ежегодно применяли следующие дозы удобрений (кг/га): K1 – 100, K2 – 150, Mg1 – 50, Mg2 – 100. Варианты полевых опытов, в которых была отобрана почва для лабораторного эксперимента, дозы используемых в нем K и Mg, сроки компостирования указаны в таблицах. K и Mg в форме KCl и MgO вносили в почву в виде растворов. Сроки компостирования были приближены к продолжительности вегетационного периода. Дозы калия 5 и 10 мг/100 г почвы примерно соответствовали внесению 100 и 200 кг этого элемента/га пашни, а доза магния 2.5 мг – 50 кг/га, подобные дозы удобрений можно реально использовать в практическом земледелии при выращивании овощных и пропашных культур в интенсивных технологиях [5].

Повторность в опытах четырехкратная. Фиксированными считали калий и магний, не переходящие в вытяжку 1 М раствора CH₃COONH₄, в которой определяли почвенное содержание обменной формы этих элементов [23].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Калий. Основой классификации почвенных форм калия является прочность связи элемента с твердой фазой почвы, что выражается в степени проявления физико-химических процессов (адсорбции, десорбции, замещения в кристаллической решетке) и ассоциированности с носителем (преимущественно, минеральным) той или иной калийной фракции. Весь калийный пул почв подразделяется на формы: обменный K (в т.ч. K почвенного раствора), приуроченный к почвенному органо-минеральному поглощающему комплексу, необменный K, дислоцирующийся в межслоевом пространстве трехслойных глинистых минералов, K минерального скелета, включенный в кристаллическую решетку первичных минералов [2, 3, 5].

В процессе эволюционного формирования почвы в ней складывается определенное соотношение между формами калия (прежде всего, относительно подвижными – обменной и необменной). Основная регуляторная роль процессов трансформации калия в почвах состоит в обеспечении и сохранении естественных пропорций между формами элемента. В этой связи процесс фиксации калия заключается в перераспределении поступающего в почву элемента по фракциям его почвенных форм для оптимизации соотношения между ними [5].

В нашем исследовании основное количество внесенного с удобрениями калия было зафиксировано почвой в первые же сутки опыта (табл. 1), возможно, что процесс фиксации калия (перераспределения между его формами) завершился в ряде случаев уже в первые часы или даже минуты взаимодействия почвы с вновь поступившими катионами. В дальнейшем необменное поглощение калия почвой различных вариантов опыта проходило по-разному. В вариантах с относительно истощенным почвенным калийным фондом (NP и NPMg1) дополнительную адсорбцию калия отмечали (при различной интенсивности) на протяжении всего лабораторного опыта (180 сут), тогда как в вариантах с предшествующим положительным балансом калия (NPK1 и NPK1Mg1) этот процесс практически завершился в начале опыта (1–15 сут), вероятно в связи с заполненностью необменных позиций. В некоторых случаях отмечена дополнительная фиксация собственно калия почвы (исходного), в вариантах без его внесения с удобрениями (особенно в почве вариантов NPK1 и NPK1Mg1). Это было связано, по-видимому, с качественными изменениями, произошедшими с минеральной основой почвы при длительном попеременном намачивании и высушивании (например, агрегация коллоидов и т.п.).

Фиксация калия почвами может происходить, главным образом, двумя способами: 1 – иллитизация части набухающей минеральной фазы и 2 – непосредственное вхождение катионов калия на имеющиеся свободные позиции в кристаллической решетке минералов иллитового типа [1–5]. Учитывая, что основным глинистым минералом исследованной серой лесной среднесуглинистой почвы является гидрослюда, второй путь кажется наиболее вероятным.

Следует сказать, что калий, внесенный с удобрениями в почву в нашем эксперименте, никогда не фиксировался полностью – независимо от степени истощенности почвы в отношении калия и величины внесенной его дозы. Поступивший в почву калий всегда распределялся по его почвенным формам в соотношении более или менее приближенном к естественному (целинному). Однако данный процесс характерен для недеградированных почв и для “нешоковых” доз удобрений [5]. Используемые нами дозы калия, даже самая высокая, были сопоставимы с количеством его обменной формы, и почва вполне могла перераспределить их в рамках существующих природных пропорций между почвенными фракциями элемента. В этой связи заметим, что нередко исследователи в опытах по изучению фиксирующих свойств почв вносят калий в количествах (150–200 мг/100 г), многократно превышающих и реальные дозы удобрений, и подвижный почвенный калийный фонд. Очевидно, что результаты таких опытов трудно сопоставлять и трактовать для практических целей.

Объем необменного поглощения внесенного калия определяется емкостью фиксации почвы, зависящей от содержания глинистой фракции и ее минералогического состава, а также насыщенности калием почвенного поглощающего комплекса [5]. Почвы, имеющие большую емкость фиксации, могут не поглощать калий из-за высокой насыщенности им, а почвы, бедные этим элементом, не фиксируют повышенные дозы из-за низкой емкости поглощения. В разных вариантах нашего лабораторного опыта использовали одну почву – серую лесную, поэтому различия между ними в фиксации калия могли быть обусловлены внесенными его дозами и имеющимся уровнем почвенного содержания подвижных форм (а также возможным влиянием сопутствующего катиона – Mg).

В опубликованных ранее работах [6–11] было показано влияние внесенных доз калия на процесс его фиксации почвами. В целом отмечено, что при внесении в почву возрастающих доз калия его количество, фиксируемое почвой, повышалось, а доля (от дозы) его фиксации – снижалась. Например, в опытах [24] количество калия, фиксируемого одной и той же почвой (черноземом выщелоченным), в зависимости от дозы внесенного калийного удобрения изменялось от 14 до 82%.

В нашем исследовании абсолютная величина калия, необменно поглощенного почвой, также закономерно возрастала при увеличении внесенной дозы (табл. 1). Например, в варианте NP при внесении в почву 5, 10 и 20 мг K/100 г было зафиксировано (перешло в необменную форму), соответственно, 3.4, 6.1 и 12.4 мг K, а в варианте NPK1 – 2.1, 4.1 и 9.0 мг. Однако доля фиксации калия удобрений (%) при этом практически не изменилась, составив в варианте NP 61–68% при разных дозах, а в варианте NPK1 – 41–45%. Таким образом, в варианте NP ≈35% внесенного калия (независимо от дозы) использовалось на пополнение почвенного содержания обменной формы элемента, а 65% – необменной, в варианте NPK1 – соответственно 55 и 45%. Это в очередной раз подтвердило регуляторную эффективность почвенных трансформационных процессов. Еще раз подчеркнем – речь идет о “нормальной” почве и адекватных дозах удобрений.

Фиксация (необменное поглощение) определенных количеств внесенного калия довольно точно подтверждается и прямым методом. Например, содержание необменного калия (вытяжка 1 М раствора HNO₃) в почве варианта NP до начала эксперимента составляло 126 мг/100 г, после внесения 20 мг K/100 г и компостирования в течение 180 сут оно возросло до 139 мг, увеличившись на 13 мг, т.е. соответствовало расчетной (по разности) величине фиксации калия удобрений. В варианте NPK1 в аналогичном случае содержание необменного калия изменилось от 136 до 145 мг/100 г почвы.

Интенсивность фиксации калия почвой существенно зависит от степени истощенности почвенного фонда подвижных калийных форм или, иными словами, степени заполненности специфических селективных для этого катиона позиций в минеральном комплексе. В нашем лабораторном эксперименте почва вариантов NP и NPMg1 с относительно истощенными калийными запасами фиксировала до 70% внесенного калия (табл. 1). В то же время почва вариантов NPK1 и NPK1Mg1, в которых в предшествующем полевом опыте поддерживался бездефицитный калийный баланс, фиксировала только ≈40% от поступившего калия удобрений, вероятно, в связи с определенной насыщенностью этим катионом адсорбирующих позиций в почвенной матрице. Отметим, что почва варианта NPK2 (табл. 2), хотя и имела более высокое содержание калия по сравнению с вариантом NPK1, фиксировала примерно такое же его количество – ≈40%. Очевидно, присущая почве буферность по отношению к калию позволяла сохранять пропорции между калийными формами, как в случае его дополнительного поступления извне, так и выноса. Данные пропорции зависят от сочетания почвенных позиций с различной селективностью к калию и определяются качественным составом минеральной основы почв.

Магний. Формы магния в почве аналогичны калийным: он активный компонент катионообменного комплекса и почвенного раствора, входит в состав глинистых и первичных почвенных минералов. В отличие от калия, основным депо необменной формы которого является иллит (содержание K до 7%), магний дислоцируется главным образом в хлорите (до 23% Mg), вермикулите (12–17%) и смектите (до 6%) [3], все перечисленные минералы обладают трехслойной структурой, с некоторыми различиями по способности к набуханию. Учитывая близость природы носителей форм калия и магния в почвах, механизмы почвенных процессов адсорбции–десорбции этих катионов принципиально не отличаются.

В нашем лабораторном эксперименте процесс фиксации магния почвой всех вариантов и при всех внесенных дозах практически завершился в первые же сутки (табл. 3), возможно это произошло уже на стадии перемешивания почвы с удобрениями. В дальнейшем на протяжении всего срока компостирования почвы (180 сут) содержание в ней обменного магния (а, следовательно, и дополнительная его фиксация) оставалось без изменений.

Дополнительная необменная адсорбция внесенного магния проявлялась в той или иной степени во всех вариантах опыта: полной его фиксации никогда не происходило, как и не наблюдалось отсутствия этого процесса. Исследованная серая лесная почва с ЕКО, равной 21 мг-экв/100 г, фиксировала 0.5–3.0 мг Mg/100 г в зависимости от дозы удобрения или 20–30% от внесенного количества, т.е. в 2–3 раза меньше, чем калия (табл. 1, 3). С увеличением внесенной дозы магния его количество, зафиксированное почвой, возрастало и в абсолютных (мг) и в относительных (%) показателях. Вероятно, при росте концентрации катионов магния в почвенном растворе возрастала и их возможность вытеснять другие катионы (например, Са) с экстенсивно обменных и необменных позиций в почвенной матрице. При невысоких концентрациях ионы Mg заполняли лишь небольшую часть потенциально доступных необменных (фиксирующих) позиций.

В то же время почва варианта NPMg2, в котором ранее применяли завышенные дозы магниевых удобрений, практически перестала фиксировать дополнительно внесенный Mg (лишь 6%) (табл. 2). Очевидно, что фиксирующая способность почвы, в т.ч. и в отношении Mg, не безмерна, по мере заполнения каким-либо ионом селективных почвенных позиций, интенсивность его фиксации ослабевала вплоть до полного прекращения.

Существенно меньшая фиксация почвой магния по сравнению с калием обусловлена, на наш взгляд, следующими обстоятельствами. Во-первых, вынос калия урожаем культур существенно больше, чем магния (у картофеля – в 20 раз [19]). Поэтому, если обеспечение растений калием осуществляется в значительной степени за счет запасов его необменной формы, заметно истощая этот фонд, то вынос магния может быть обеспечен и за счет его обменной формы, которая впоследствии и восполняется в первую очередь в случае дополнительного поступления магния извне. Отметим, что во всех вариантах опыта и при всех дозах (табл. 3), 70–80% внесенного магния расходовалось на пополнение почвенных запасов его обменной формы и соответственно 20–30% поглощалось необменно. Во-вторых, определенную роль сыграло, возможно, и относительно невысокое содержание в исследованной почве 2:1-глинистых минералов с расширяющимся типом решетки (монтмориллонит, вермикулит), обеспечивающих в основном необменное поглощение магния.

Взаимовлияние калия и магния при их фиксации почвой. В ранее проведенных исследованиях [19] показано индифферентное взаимовлияние раздельного внесения калия и магния на почвенное содержание их обменных форм, складывающийся в почве уровень обменного калия и магния зависел только от применения или неприменения соответствующих удобрений и их доз. При использовании магниевых удобрений характер его накопления в почве не изменялся в зависимости от имеющегося калийного фона, равно как и дополнительное внесение калия слабо влияло на почвенный уровень обменной формы магния. Стабильный уровень обменного калия или магния свидетельствовал, очевидно, и об отсутствии изменения уровня их необменных форм (т.е. дополнительной фиксации или десорбции). Однако при адсорбции почвой калия и магния из смешанных растворов их солей при совместном внесении они, вероятно, могли конкурировать между собой за специфические позиции в почвенной минеральной основе.

Отдельно отметим, что взаимовлияние K и Mg в почвенных процессах фиксации может в значительной степени проявляться в связи с качественными трансформациями калий- и магнийсодержащих минералов в почвах интенсивных агроценозов [2–5]. Например, в исследованиях [2] установлено прямое превращение биотита в вермикулит, когда биотит являлся источником калия для растений в течение нескольких сезонов, в наших опытах [5] также отмечена тенденция к снижению содержания гидрослюды и возрастанию содержания вермикулита в почве вариантов с сильнодефицитным калийным балансом. По мнению [25], в почве, по-видимому, существует вся серия постепенных переходов между иллитом, с одной стороны, и вермикулитом и монтмориллонитом (смектитом), с другой. Такой деградированный иллит обладает очень высокой способностью к фиксации как калия, так и магния. Для трансформации иллита в вермикулит необходим гидроксид магния (брусит), а обратный процесс – иллитизация – превращение смектитовых структур в гидрослюды требует значительного дополнительного количества калия.

В рассматриваемом лабораторном опыте при внесении невысоких и средних доз калия (5 и 10 мг/100 г) совместно с соответствующими дозами магния фиксация калия почвой снижалась во всех вариантах – на 3–16% (табл. 1), особенно заметно в варианте NP с относительно истощенным подвижным фондом и калия, и магния. В то же время при использовании высокой дозы (20 мг) калийного удобрения совместно с магниевым фиксация калия не изменилась по сравнению с отдельным его внесением. Очевидно, что при относительно невысоком содержании калия и магния в почвенном растворе эти катионы могли более или менее активно конкурировать друг с другом за специфические адсорбирующие позиции в краевых зонах межпакетных промежутков кристаллитов и межслоевом пространстве минералов. При повышении концентрации калия он препятствует необменному поглощению катионов магния на “своих” позициях, демонстрируя преимущество катионов калия при поглощении почвой. Вероятно, ионы калия в значительной мере блокируют вход других ионов в межслоевое пространство минералов с расширяющейся решеткой – основное депо необменных катионов. Это подтверждается и взаимовлиянием калия и магния при фиксации почвами с повышенным содержанием этих элементов (табл. 2): то количество необменных позиций, которое может занять калий в почве, он занимает независимо от совместного внесения или не внесения магния.

Фиксация магния почвой с истощенным его фондом (варианты NP и NPK) при невысоких и средних дозах внесенных удобрений не различалась в случаях раздельного внесения магния и совместного с калием (табл. 2, 3). Однако при совместном внесении магния с высокой дозой калия фиксация магния резко снижалась – в 2 раза, с 20 до 10%, т.е. катионы калия при высокой концентрации блокировали необменное поглощение ионов магния. В вариантах опыта NPMg и NPKMg с неистощенным фондом подвижного магния его фиксация при всех использованных дозах удобрений не зависела от дополнительного совместного внесения калия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование на серой лесной среднесуглинистой почве выявило закономерности фиксации калия и магния при их раздельном и совместном внесении в почву агроценоза, в различной степени истощенную в отношении этих элементов.

Показано, что внесенные с удобрениями K и Mg распределяются в почве по формам этих элементов с учетом предшествующей истощенности их почвенных запасов и с соблюдением определенных пропорций между формами. Значительный вынос почвенного K урожаем культур в вариантах полевого опыта с дефицитным его балансом осуществлялся в основном за счет запасов необменной формы элемента, поэтому внесенный с удобрениями K поглощался преимущественно необменно. Многократно меньший вынос Mg обеспечивался, по-видимому, за счет его обменной формы и соответственно поступающий Mg удобрений адсорбировался главным образом обменно.

Количество фиксируемого почвой K в несколько раз превышало фиксацию Mg при сопоставимых дозах внесенных калийных и магниевых удобрений. Почва варианта NP с длительным дефицитным балансом K и Mg фиксировала до 60–70% внесенного калия и 20–30% магния. При длительном положительном калийном балансе и повышенном его содержании в почве (варианты NPK и NPKMg) фиксация калия снижалась до 40% от внесенной дозы, в то время как фиксация магния почвой с высоким его содержанием и невысоким уровнем калия (вариант NPMg) практически прекращалась, составляя 6–10%.

Внесение в почву возрастающих доз калийных удобрений не отражалось на почвенном содержании обменного магния, равно как и внесение магния не изменяло имеющийся почвенный уровень содержания обменного калия.

Совместное внесение калийных и магниевых удобрений в невысоких дозах снижало фиксацию калия на 10–16% по сравнению с раздельным его внесением, независимо от имеющегося в почве уровня подвижных форм этих элементов. При внесении повышенных доз калия его фиксация почвой не изменялась при дополнительном использовании магниевых удобрений.

В почве с невысоким содержанием подвижного магния интенсивность его фиксации не изменялась при совместном внесении с умеренными дозами калийных удобрений, однако дополнительно внесенные высокие дозы калийных удобрений приводили к снижению фиксации магния в 2 раза. При неистощенном, повышенном почвенном фонде магния его фиксация почвой не зависела от дополнительно внесенного в сопоставимых дозах калия.

Специфику фиксации калия и магния почвой и их взаимовлияние в адсорбционных процессах целесообразно учитывать при оптимизации калийного и магниевого почвенного состояния и регулировании питательного режима этих элементов в агроценозах.