«ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ХИМИЗАЦИИ ПОЧВ ЮГА ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ И СОДЕРЖАНИЕ МАКРО– И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

БИОЛОГО-ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

БУРДУКОВСКИЙ МАКСИМ ЛЕОНИДОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ХИМИЗАЦИИ ПОЧВ ЮГА ДАЛЬНЕГО

ВОСТОКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ И СОДЕРЖАНИЕ

МАКРО– И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

03.02.08 – экология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Голов Владимир Иванович ВЛАДИВОСТОК – ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Степень изученности темы

1.2. Калий

1.2.1 Содержание калия в почвах и почвообразующих породах.......... 1.2.2 Физиологическая роль калия

1.3. Кальций

1.3.1 Содержание кальция в почвах и почвообразующих породах...... 1.3.2 Физиологическая роль кальция

1.4 Марганец

1.4.1 Содержание марганца в почвах и почвообразующих породах.... 1.4.2 Физиологическая роль марганца

1.5 Фтор

1.5.1 Содержание фтора в почвах и почвообразующих породах.......... 1.5.2 Физиологическая роль фтора

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Характеристика почв опытных участков

2.2 Методы исследований

2.3 Метеорологические условия в годы проведения опытов

Глава 3 СОДЕРЖАНИЕ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ

3.1 Содержание валовых и подвижных форм элементов в почвах.......... 3.1.1 Содержание калия

3.1.2 Содержание кальция

3.1.3 Содержание марганца

3.1.4 Содержание фтора

3.2 Содержание элементов в растениях

ГЛАВА 4 КРУГОВОРОТ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В

АГРОФИТОЦЕНОЗАХ

4.1 Круговорот калия в основных агрофитоценозах

4.2 Круговорот кальция в основных агрофитоценозах

4.3 Круговорот марганца в основных агрофитоценозах

ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ

НА СВОЙСТВА ПОЧВ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ

5.1. Влияние длительного применения удобрений на агрохимические свойства почв

5.2. Влияние длительного применения удобрений на содержание тяжелых металлов

ВЫВОДЫ

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация сельскохозяйственного производства в первую очередь зависит от интенсивности химизация земледелия, результатом которой является поступление в почву, как основных элементов питания растений, так и примесных компонентов. Вместе с тем сельскохозяйственное использование почв сопровождается выносом питательных элементов и, как следствие, их недостатком в выращиваемой продукции (Welch, Graham, 1999; Underwood, 2000).

На важность изучения круговорота химических элементов в биосфере обращал внимание еще В.И. Вернадский, делая особый акцент на агрофитоценозы, которые за последние 100–150 лет подвергались колоссальным нагрузкам (механические обработки, различные виды мелиораций, использование удобрений и пестицидов и т.д.) (Вернадский, 1967). Изменение баланса элементов питания растений, при длительном использовании почв, приводит, как правило, к истощению естественного почвенного резерва в отношении важных для живых организмов элементов, особенно тех, которые не вносятся с традиционными удобрениями. Так специализация растениеводства юга Дальнего Востока России на выращивании сои в течение ста лет, которая в отдельные периоды занимала 30–40% пахотных почв, привела к дефициту Mo, S и частично B (Голов, 2004). В отношении таких физиологически значимых элементов как К и Са, данных, позволяющих установить уровень их оптимального содержания в системе «почва–растение», до настоящего времени недостаточно, и не позволяет прогнозировать степень истощения почв этими макроэлементами, даже на ближайшее будущее.

C минеральными удобрениями в почву попадает большое количество примесных элементов, входящих в состав сырья, из которого производят удобрения, среди которых наиболее часто встречаются F, Mn, Zn, Cr, Ni, Co (Овчаренко, 1997; Подколзин, 2009, Танделов, 2012). Такие элементы при высоких концентрациях проявляют токсичное действие, их избыток или недостаток отражается на величине и качестве урожаев, и приводит к возникновению опасных эндемических заболеваний, зафиксированных во многих областях России (в Коломне (Московская область), Тамбовской, Калининской, Архангельской областях), включая Дальневосточный регион (Ковальский, Ладан, Маврин, 1973, Танделов, 2012) В последние годы Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) проявляет повышенный интерес к качеству потребляемых продуктов, обращая внимание на содержание в них микроэлементов (Welch, Graham, 1999). Одной из причин данного обстоятельства является то, что с продуктами растительного происхождения в организм человека поступает в среднем 70% вредных химических веществ (Войно, Иванова, 2005;

Бокова, Ратников, 1995; Безуглов, Синиговец, Кузьмич, Эзрохин, 2011).

Дальневосточный регион обладает значительным потенциалом для развития сельскохозяйственной отрасли, имея большие площади земель пригодных для возделывания зерно-бобовых культур. В настоящее время только Амурская область обеспечивает более 50% общероссийского производства сои (Заяц, 2010). С 2014 г. в регионе начинает действовать федеральная целевая программа, направленная на повышение продуктивности и устойчивости сельскохозяйственного производства высококачественной сельскохозяйственной продукции не представляется возможным без изучения основных закономерностей круговорота элементов питания и учёта специфики почвенно-климатических условий региона. В отношении исследуемых элементов имеющаяся информация малочисленна, фрагментарна, разрозненна и не даёт целостного представления о влиянии длительного внесения удобрений на поведение целой группы физиологически значимых элементов в агрофитоценозах.

В связи с этим, возникает необходимость в изучении экологических последствий длительного использования минеральных и органических удобрений, позволяющая установить особенности круговорота элементов питания в зерно-бобовых агрофитоценозах, и оценить степень загрязнения почв элементами, способными проявлять токсические свойства.

Цель исследования. Изучить биологический круговорот элементов питания (K, Ca и Mn) в основных агрофитоценозах юга Дальнего Востока и особенности накопление элементов-загрязнителей (F, Zn, Сr, Co, Ni) в почвах при длительной химизации.

Для достижения поставленной цели выдвинуты следующие задачи:

1. Определить содержание валовых и подвижных форм K, Ca, Mn в почвах при различных приёмах химизации.

2. Установить особенности накопления элементов в различных органах растений сои и пшеницы в условиях длительного применении удобрений.

3. Изучить воздействие химизации почв на биологический круговорот K, Ca, Mn в соевых и пшеничных агрофитоценозах.

4. Установить влияние длительного применения удобрений на содержание элементов–загрязнителей (F, Zn, Cr, Co, Ni) в почвах.

Научная новизна работы. Впервые для почв юга Дальнего Востока установлено, что длительная химизация пахотных почв сопровождается увеличением количества валовых и подвижных форм F в почвах.

Достоверно установлено истощение лугово-бурых почв подвижными формами K. За 54 года ведения опыта в пахотных почвах Приморского края содержание подвижных форм K сократилось в среднем на 30%.

Длительное применение удобрений сопровождается увеличением концентрации Ca в растения. Впервые отмечено, что Ca является агрохимически слабоактивным элементом и накапливается в нетоварной продукции растений (корни, листья). Систематическое использование удобрений сопровождается увеличением содержания Zn, Cr и Ni, в луговобурых и в лугово-черноземовидных почвах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В зависимости от агрохимической активности элементов, выявлены следующие закономерности: K – агрохимически средне- и высокоактивен, что вызывает необходимость регулярного внесения калийных удобрений; Ca – слабо- и среднеактивен; Mn – слабоактивен.

2. Длительное применение удобрений сопровождается увеличением содержания F в почвах, и таких тяжелых металлов, как Zn, Ni, и Cr.

позволяют оценить влияние длительной химизации почв на содержание K, Ca, Mn, F, Zn, Ni, Cr, Co в основных агрофитоценозах юга Дальнего Востока, что необходимо учитывать при использовании почв в сельском хозяйстве, исследовании их плодородия и экологического состояния.

Установление агрохимической активности элементов позволит определить интенсивность и степень истощения почв и разработать оптимальные приёмы использования удобрений. Определение масштабов поступления сельскохозяйственном производстве может быть использовано при учёте качества растениеводческой продукции.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были «Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР», г. Владивосток, 2009, 2010; конференцииконкурсе молодых ученых БПИ ДВО РАН, г. Владивосток, 2009, 2010, 2011; 2012; Всероссийской научной конференции «Современные почвенные классификации и проблемы их региональной адаптации», г.Владивосток, 2010; I Дальневосточной междисциплинарной молодежной научной конференции «Современные методы научных исследований», г.Владивосток, 2011; Всероссийском форуме научной молодежи «ЭРЭЛ», г.Якутск, 2011; I Всероссийской научной конференции «Современные исследования в биологии», г. Владивосток, 2012; Российской конференция с международным участием «Регионы нового освоения: теоретические и практические вопросы изучения и сохранения биологического и ландшафтного разнообразия», г. Хабаровск, 2012; Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Экологическое образование на современном этапе для устойчивого развития», г. Благовещенск, 2013; VIII Международной Биогеохимической школе «Биогеохимия и биохимия микроэлементов в условиях техногенеза биосферы», г. Гродно, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 230 наименований (в том числе иностранных авторов – 17) и 13 приложений.

Работа изложена на 134 страницах, иллюстрирована 10 рисунками и содержит 19 таблицы.

Личный вклад автора. Кандидатская диссертационная работа является обобщенным материалом, полученным автором в результате полевых и лабораторных исследований.

Благодарности. Автор искренне признателен своему научному руководителю д.б.н. В.И. Голову за научно-методическое руководство, консультативную, редакционную помощь и всестороннюю поддержку.

Также благодарит за помощь в процессе работы, вед.инж. Э.А. Соснину, к.б.н. Я.О. Тимофееву, н.с. О.М. Голодную, к.б.н. Е.А. Жарикову, Н.А. Рыбачук.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Интенсивные исследования биологического круговорота химических веществ начали появляться в 60-х годах XX в., чему способствовали работы Л.Е. Родина, Н.И. Базилевич и Н.П. Ремезова, посвященные балансу элементов питания: P, K, Ca и Mg (Родин, Базилевич, 1965; Родин, Ремезов, Базилевич, 1968). Рядом исследователей были изучены особенности круговорота этих элементов в фитоценозах лугов, степей, болот, лесов и тундры (Винокуров, Тюрменко, 1958, Титлянова 1978;

Базилевич, Семенюк, 1986; Тонконогов, Дорохова, 1968; Манаков, 1970).

характеристики параметров круговорота зольных элементов для зерновых культур, кормовых трав и картофеля были получены Ф.И. Левиным (Левин, 1969). Параллельно автор изучал изменение морфологических и физико-химических свойств антропогенных почв, занятых разными культурами. Левин пришел к выводу, что для подсчета доз удобрений необходимо учитывать общее количество элементов, вовлекаемых в круговорот в посеве, а не только вынос питательных элементов с урожаем, как это было принято после работ Ю. Либиха.

Весомый вклад в развитие учения о биологическом круговороте внес английский агрохимик Д.У. Кук. Он считал, что изучение баланса питательных элементов помогает в планировании производства удобрений, а также в поиске способов устранения их потерь из биологического круговорота. В своей работе, основываясь на собственных опытах и литературных данных, он приводит региональные балансы питательных рассматривает круговорот питательных элементов в отдельных регионах и в некоторых странах в тесной связи с практикой земледелия и применения удобрений (Кук, 1970).

В.Б. Ильин настаивал на необходимости комплексного изучения круговорота элементов, участвующих в питании растений. По его мнению, в почвоведении недооценивалась биогенная аккумуляция и миграция этих элементов. В агрохимических же исследованиях им уделялось больше внимания. В почвоведении большее предпочтение отдавали изучению миграции тех элементов, по которым можно было диагностировать протекающие в почвах процессы – оподзоливания, оглеения, буроземообразования и др. (Si, Al, Fe). В то время как в агрохимии исследовали элементы участвующие в получении высоких урожаев (N, Р, К и др.) (Ильин, 1982).

Значительным этапом в изучении экологии агрогенных почв послужила работа французского ученого Ф. Рамада «Основы прикладной экологии», опубликованная в 1981 году, в которой автор большое внимание уделил проблемам загрязнения почв. В ней отмечалось, что интенсификация сельскохозяйственного производства нарушает баланс энергии и круговорота веществ в агроэкосистемах. Ученый прогнозировал, что к 2000 г. производство азотных удобрений в США вырастет в 10 раз. А так как, применяемые в избытке, они полностью не поглощаются выращиваемыми культурами, а вымываются в нижележащие горизонты, они могут попасть как в поверхностные, так и в грунтовые воды. Причем на тот момент высокая токсичность нитратов для людей и животных уже была установлена (Рамад, 1981).

Отличительной чертой агрофитоценозов является то, что круговорот элементов питания в них складывается под влиянием хозяйственной деятельности человека (обработка почвы, выращивание растений, внесение удобрений, мелиоративные мероприятия и т.д.). Основными факторами, определяющими этот круговорот, являются: привнос элементов питания с осадками и удобрениями (в том числе известковыми); вынос их с внутрипочвенными и поверхностным стоком, а также с биомассой возделываемых растений (Голов, 2004). Исследования круговорота питательных элементов в агроценозах позволяет раскрыть особенности миграции каждого изучаемого элемента в системе «почва-удобрение– растение». Баланс макро- и микроэлементов складывается из учета поступления элементов в составе удобрений, атмосферных осадков и отчуждения с урожаем, а также вымывания атмосферными и почвенными водами. Хозяйственный вынос элементов в составе получаемой растительной продукции – является основным и доминирующим фактором истощения почв биогенными элементами. Известно, что из агроэкосистем отчуждается от 30 до 90% фитомассы урожая, что приводит к нарушению малого биологического круговорота веществ (Берзин, Полосина, 2003, Ананьева, 2007).

В начале 60-х годов минувшего столетия профессор Ф. Бааде определил среднюю для всей планеты норму минеральных удобрений на 2000-й год. По его оценке, она составляла по 40 кг N, P и K на 1 га. Но с начала 90-х годов аграрный сектор России и других стран, входящих до 1991 года в состав СССР охватил кризис, который привел к резкому сокращению применения минеральных и органических удобрений. Если за 1986–1900 гг. в земледелии России в среднем потреблялось 13 млн.т.

минеральных удобрений, то в 1996–1997 гг. их объемы не превысили 1, млн.т. (Черников, 2000).

По данным В.Г. Безрукова и Н.И. Дробязко с 1970 по 1980 гг. в Амурской области наблюдался бурный рост применения минеральных удобрений (Безруков, 2000). Так, в 1965–1970 гг. на полях этого региона было внесено 54,3 тыс.т. удобрений. В 1971–1975 гг. по 107,3 тыс.т., а в 1976–1980 гг. – 154,4 тыс.т. Таким образом, рост за 10 лет составил 280%.

С началом 90-х годов в этой области, как и в целом по стране, резко снизилась химизация сельского хозяйства. Применение минеральных удобрений уменьшилось с 121,4 тыс.т. в 1991 г. до 10,4 тыс.т. в 1995 г., то есть в 11,8 раза. После 1995 г. вообще прекратилось известкование и фосфоритование кислых почв.

биологические особенности видов растений и генетические свойства их сортов. Химический состав вида и даже сорта любой культуры подвержен значительным колебаниями в зависимости от почвенно-климатических условий, уровня агротехники, доз и способов применения удобрений и других причин (Войтович, Лобода, 2005, Ананьева, 2007) Долгопрудной опытной станции под Москвой в 1912 г., было установлено, что в благоприятные годы потребление N из почвы при внесении азотных удобрений было более интенсивным, чем в засушливые. Кроме того, при повышении уровня азотного питания до оптимального увеличивается поступление в растения P, K, Mg, Cu, Fe, Mn, Ca и Zn. При избытке P снижается количество Cu, Fe и Mn. Повышенное содержание в растениях K тормозит поглощение Ca и Mg (Петербургский, 1981; Панников, Минеев, 1987, Ананьева, 2007). Результаты опытов свидетельствуют о том, что питание растений, как и любых живых организмов, сложный процесс, требующий тщательного изучения условий поступления всех необходимых питательных элементов. И, прежде всего, оно должно быть сбалансированным и оптимизированным, для чего необходимо строго соблюдать дозы внесения удобрений, не допуская как избыточного их поступления в растения, так и недостаточного. От этого зависит получение экологически чистой и полноценной растениеводческой продукции.

Определенные системы удобрений в условиях севооборота усиливают накопление питательных веществ и тяжелых металлов в урожае (Кардиналовская, Лебединская, 1970; Минеев, Гомонова, 1993). Влияние удобрений на качество сельскохозяйственной продукции наиболее полно и объективно можно проследить только в длительных опытах (Минеев, 1980;

Кушниренко, Русанова, Атрашкова, 1979; Милащенко, 1993). Кроме того, такие исследования представляют особую ценность, так как в них производится полный учет многолетнего внесения различных питательных элементов с удобрениями по ротациям севооборота и вынос их с отчуждаемым урожаем, чего нельзя выполнить в краткосрочных опытах.

Подобные исследования проводятся в условиях, приближенным к производственным, поскольку закладываются и ведутся согласно принятым в том или ином регионе своей, специфичной зональной системой земледелия. Поэтому данные, полученные в этих опытах, можно использовать как в научных, так и в практических целях.

В 1941 г. по инициативе Д.Н. Прянишникова была официально создана Географическая сеть опытов с удобрениями. Широкое развитие работы по географическому изучению действия удобрений получили с 1963 по 1990 гг., что совпало с наиболее высоким уровнем развития химизации сельскохозяйственного производства в нашей стране. По результатам инвентаризации длительных опытов в РФ, завершенной в г., в реестре Россельхозакадемии было зарегистрировано 54 опыта, два из которых находятся на юге Дальнего Востока: агрохимические стационары Приморского научно-исследовательского института сельского хозяйства (заложенный в 1941 г.) и Всероссийского научно-исследовательского института сои (заложенный в 1962–1964 гг.) (Реестр аттестатов длительных опытов..., 2002).

В питании растений, а значит и в формировании урожая и его качестве, важную роль играют микроэлементы, которые необходимы в незначительном количестве, как витамины, гормоны и энзимы для животных. При их участии активизируются многие биохимические процессы: синтез углеводов, белков, нуклеиновых кислот, жиров, витаминов, ферментов и других органических веществ.

Первые сведения о результатах использования микроэлементов при возделывании растениеводческой продукции на Дальнем Востоке относятся к 1915 г., когда была впервые применена подкормка турнепса окисью марганца. При этом прибавка урожая составила 10–50% (Новак, 1938). В ряде работ отмечалось положительное влияние B, Cu, Mn и Zn на повышение урожая картофеля и устойчивость его к фитофторе (Жабицкий, 1956; Грицун, 1964; Ожигов, Скрипченко, Корень, Рейфман, 1960, Ананьева, 2007).

Во второй половине XX века на Дальнем Востоке исследования по проблеме микроэлементного питания растений начали развиваться более интенсивно. Особенно это касалось сои, как основной возделываемой культуры Дальнего Востока. Во многих работах отмечался дефицит Mo в пахотных почвах, и были разработаны рекомендации по применению удобрений, содержащих этот элемент (Куркаев, 1963; Голов, 1965, 1968; ;

Казачков, Ковшик, 1985; Казачков, 1987; Казачков, Шелевой, 1987;

Казачков, Бурлак, Шелевой, Хабарова, 1989). В ряде работ отмечена положительная реакция сои на внесение серных удобрений (Салтанов, Шелевой, 1978, Голов, 1993).

Обширные сведения о круговороте микроэлементов на Дальнем Востоке представлены в работах В.И. Голова (Голов, 1993, 2002, 2004, 2005).

1.2.1 Содержание калия в почвах и почвообразующих породах Калий является одним из самых распространенных элементов на Земле, его содержание в земной коре составляет в среднем 2,5%. Этот элемент обладает исключительной активностью и подвижностью, за счет наличия во внешнем электронном слое одного электрона (валентность 1+) (Жарикова, 2006).

Основным источником K в горных породах служат минералы группы силикатов и алюмосиликатов. Меньше всего K содержится в основных горных породах (базальт, габбро, сиенит) от 0,89 до 1,52%. Больше его в кислых (гранит, гранодиорит, липарит) от 2,75 до 4,46% и средних породах (трахит, андезит, диорит, сиенит) от 2,04 до 5,74%. В осадочных породах (глины, сланцы) его накапливается от 2,28 до 3,24% (Горбунов, 1974;

Виноградов, 1957; Виноградов, 1962).

Основная часть почвенного K входит в состав полевых шпатов (ортоклаз, микроклин), слюд (биотит, мусковит), и различных глинистых минералов (иллит, каолинит, монтмориллонит) (Куркаев, Шеуджен, 2000).

Валовое содержание K в почве является показателем потенциальной обеспеченности ее этим элементом и зависит от типа почвы, ее гранулометрического и минералогического состава. В почвах, развитых на разных почвообразующих породах, прослеживается связь валового K с составом материнских пород. Обычно общее содержание K в почве выше, чем N и P вместе взятых (Жарикова, 2006). По данным Д.С. Орлова (Орлов, 1985), для почв Русской равнины оно колеблется от 0,2 до 4%, что определяется главным образом минералогическим составом. Кларк K для почв России по А.П. Виноградову составляет 2,5% (Виноградов, 1962).

Согласно данным A.M. Ure и M.L. Berrow, которые, собрали сведения о более чем 2000 образцах почв разных регионов мира, кларк этого элемента составляет 1,83% с амплитудой колебания от 0,005 до 7,9% (Ure, Berrow, 1982).

Обменный K является непосредственным резервом для растений, и считается основной формой, по содержанию которой в почве судят об обеспеченности растений этим элементом питания (Маслова, 1938;

Горбунов, 1974). Количество обменного K обычно колеблется от 4 до мг/100 г почвы (Барбер, 1988). По данным агрохимической службы на Дальнем Востоке почвы с низким содержанием обменного K составляют 15,5%, а с высоким – 21% от всего пахотного фонда (Терентьев, Ознобихин, 1978; Гамзиков, 1986).

Основным источником K для питания растений является илистая фракция почв. По данным С.А. Барбера, частицы ила имеют пластинчатую форму, что значительно увеличивает площадь их поверхности (Барбер, 1988). Другим резервом данного элемента служит фракция тонкой пыли.

Растения могут быть хорошо обеспечены K и на песчаной почве, если крупные фракции состоят преимущественно из слюд (Важенин, Карасева, 1959; Пчелкин, 1966).

По мнению Н.О. Авакаяна, калийное питание растений находится в прямой зависимости от количества K в почвенном поглощающем комплексе (Авакаян, 1969). При насыщении обменной емкости почв в пределах 1,8–3% происходит наилучшее снабжение растений K, независимо от содержания его обменных форм в почвах. Ниже этих значений наблюдается недостаток данного элемента. Исследованиями К.М. Забавской и Н.К. Панковой было подтверждено, что применение калийных удобрений более эффективно на почвах с низким насыщением почвенно-поглощающего комплекса калием (Забавская, Панкова, 1975).

В работах отечественных ученых встречаются сведения о том, что коэффициент использования растениями K из удобрений довольно высок, и составляет 60–70% от внесенного количества (Медведева, 1976; Куркаев, Шеуджен, 2000). Во второй половине прошлого века на территории нашей страны активно работали предприятия по производству минеральных удобрений, в том числе калийных. Уже в 1985 г. в России применялось более 3 млн. т калийных удобрений, т.е. на 1 га пашни приходилось более 20 кг калия. В этот период практически во всех регионах страны было зарегистрировано повышение уровня подвижных форм K в пахотных почвах. Однако начиная с 1993 г. в России практически прекратилось внесение калийных удобрений (Прокошев, 2004).

Большинство почв обеспечены K лучше, чем N и P. Но на многих почвах, особенно при использовании азотных и фосфорных удобрений, калия растениям не хватает (Куркаев, Шеуджен, 2000). Причем дефицит его усиливается, поскольку вынос этого элемента с урожаем, как правило, бывает выше, чем P и N (Прянишников, 1953). Было замечено, что (Бабарина, Никитина, Панкова, 1990) снижение интенсивности калийного обмена в системе «почва–растение» до 65% истощало почвенные запасы этого элемента и приводило к невосполнимым потерям. Вследствие чего наблюдалось значительное сокращение почвенного калийного фонда. А это, в свою очередь, может привести к утрате экологических и хозяйственных функций почвы, т.е. к ее деградации (Якименко, 2000).

Калий принадлежит к числу важнейших биофильных элементов, необходимых для жизнедеятельности растений, в которые он поступает в форме катиона K+. Его содержание, в перерасчете на сухую массу, колеблется в пределах от 0,5 до 3,5%. В растительных клетках он присутствует преимущественно в минеральной (ионной) форме. Это объясняет его высокую подвижность в растениях. Поэтому данный элемент способен легко реутилизироваться, т.е. использоваться вторично, перемещаясь из старых листьев в молодые (Ониани, 1981). Это обстоятельство очень важно для бесперебойного снабжения растений данным элементом в течение всей вегетации.

Калий участвует в метаболизме 60 ферментных систем (Прокошев, Безуглая, Рябизина, Кожемячко, 1985). Много его содержится в молодых органах и тканях, где происходит деление клеток, что свидетельствует об участии данного элемента в ростовых процессах (Полевой, 1989). Калий участвует в процессе фотосинтеза, в поглощении растениями воды и ее транспорте. При достаточном уровне K в почве растения более экономно расходуют не только воду на единицу продуктивной части урожая, но также и элементы питания, такие как N, P, S и другие (Прокошев, Безуглая, Рябизина, Кожемячко, 1985).

Обеспеченность растений K является одним из факторов, определяющих величину и качество урожая возделываемых культур. В работах многих ученых отмечается, что этот элемент играет важную роль в повышении устойчивости растений к болезням и вредителям, а также к колебаниям погодных условий. Калий повышает морозостойкость озимых колосовых культур, и холодостойкость яровых культур (Малюга, 1992;

Жарикова, 2006). При оптимальном калийном питании изменяется анатомическое строение растений, например, у злаков увеличивается толщина стенок соломины, что делает их более устойчивыми к полеганию (Баршадская, Дерека, 2012; Прокошев, Безуглая, Рябизина, Кожемячко, 1985).

Недостаточная обеспеченность растений K затягивает развитие культур и их созревание. Так, на ранних фазах развития, замедляется процесс деления клеток и накопление вегетативной массы (Агеев, расстройству углеводного и азотного обмена. Понижается содержание белков, крахмала, жира, резко угнетается рост и в конечном итоге снижается продуктивность растений (Курсанов, Выскребенцева, 1967).

Содержание K в организме взрослого человека в среднем составляет 2 г/кг массы тела, при этом суточная потребность составляет 6,8 г.

Наиболее высокое содержание отмечается в красном костном мозге, легких, яичниках, плазме (5 – 6 молль/дм3). Физиологическая роль этого элемента у человека и животных довольно разнообразна: он является основным катионом внутриклеточной жидкости, регулирует функцию координационные и трофические процессы и связь организма с внешней средой (Палагина, Дубняк, Голов, 2012).

Случаи токсичности K редки как у растений, так и у животных. Но при обильном удобрении солями K может снижаться урожай культур.

(гиперкалиемия). При токсикозах наблюдается остановка сердца и язвы тонкого кишечника. Недостаточность же может возникнуть в результате травм, при диарее, диабете, сопровождается мышечной слабостью, параличами, возможны язвы тонкого кишечника (Anke, 2004).

1.3.1 Содержание кальция в почвах и почвообразующих породах Кальций относится к щелочноземельным элементам. По распространению в земной коре он занимает пятое место, среднее его содержание в которой составляет 3,6% (Барбер, 1998). Этот элемент входит в состав многих кристаллических, метаморфизированных и осадочных пород. Среднее содержание Ca в наиболее распространенных горных породах, гранитах и базальтах, составляет 1,3% и 11,5% соответственно. Много Ca, помимо силикатов, присутствует в сульфатах (гипс, барит и др.), фосфатах (фосфорит, апатит, вивианит и др.), и, особенно, в карбонатах (известняк, мрамор, доломит и др.). В осадочных, почвообразующих породах красноземов содержание Ca в среднем составляет около 0,6%, в мореных суглинках – 1,6%, в покровных суглинках – 1,5%, в лессовидных суглинках – 5,5%, в лессе – 7,5%, в известковых отложениях – 50 – 54% (Химическая энциклопедия, 1990;

Популярная библиотека химических элементов, 1977).

Кальций является обязательным компонентом почвы, присутствуя в ней в основном в форме углекислой извести, в силикатах, сульфатах, фосфатах и в илистой фракции в обменной форме. Известно, что наиболее плодородные на нашей планете почвы – черноземы содержат большое количество этого элемента, т.к. формируются на материнской породе, богатой известью. Уменьшение количества Ca от черноземов к дерновоподзолистым почвам сопровождается понижением их плодородия, увеличением почвенной кислотности и ухудшением в ней питательного и воздушного режимов (Справочник по минеральным удобрениям, 1960).

Значительное количество Ca поступает в почву при известковании, которое является наиболее важным и обязательным условием при разработке оптимальной системы удобрений в севообороте. Например, в США, в рекомендациях, направленных на повышение плодородия почв, сказано, что «первый доллар надо вложить в известкование». Это связано с тем, что кислотность почв и степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями, в первую очередь Ca, являются определяющими показателями почвенного плодородия. Кислая реакция почвенной среды является одной из основных причин низких урожаев сельскохозяйственных культур и невысокого качества получаемой продукции при дефиците кальция. В ряде случаев это может послужить причиной массовой гибели озимых зерновых и многолетних трав в зимний период времени. Повышенная почвенная кислотность, кроме этого, является основной причиной низкого содержания белка в зерне и кормах, а (Шильников, Аканова, 2011).

Само по себе известкование почв – очень старый прием. То многостороннее воздействие Ca на плодородие отвлекало внимание ученых от его физиологической роли в растениях, как питательного элемента. К тому же для выращивания некоторых культур не требуется больших запасов Ca в почве, как других питательных элементов (N, P и К).

Так, например, зерновые культуры и злаковые травы поглощают Ca значительно меньше, чем калия. Напротив, бобовые и корнеклубнеплоды поглощают и, соответственно, выносят с урожаем в несколько раз больше этого элемента, чем зерновые и картофель (Кук, 1970) Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что Ca является наиболее легко вымываемым питательным элементом из почв. Так, например, многолетние лизиметрические исследования, проведенные в средней Европе, показали, что потери Ca из почвы в среднем составляют около 250 кг в год. По данным немецких ученых выщелачивание из почв Ca по сравнению с другими элементами питания значительно выше, что зависит в основном от гранулометрического состава почв и количества выпадающих осадков. К примеру, из песчаных почв в среднем за год вымывается N–32 кг, K–13 кг, Mg–25 кг и Ca–168 кг, соответственно из суглинка N–22 кг, К–6 кг, Mg–29 кг и Са– 85 кг (Kундлер, Ансорге, 1975). Поэтому на бедных Ca кислых песчаных и супесчаных почвах, особенно при возделывании требовательных к этому элементу культур (капусты, люцерны, клевера, картофеля и др.) может возникнуть потребность в его внесении не только с целью нейтрализации кислотности, но и для улучшения питания растений этим элементом. Это особенно актуально для пахотных почв Дальнего Востока, которые уже более 20 лет не известкуются по разным причинам (Тильба, Ковшик, Волох и др., 2003).

Среднее содержание Са в растениях составляет 0,05–0,5% при перерасчете на сухую массу. В работах ученых присутствует информация о неоднозначной физиологической роли Ca в растениях. Считается, что он связан с процессом фотосинтеза, хотя не входит в состав хлорофилла.

Многие низшие растения, например грибы, могут вполне обходиться без кальция. У некоторых высших растений, в частности у капусты, внутренние бесцветные листья значительно беднее Ca (в 30 и более раз), чем наружные, содержащие хлорофилл (Клечковский, Петербургский др., 1967).

значительные концентрации кальция. На его поглощение большое влияние оказывает реакция почвенной среды. Чем выше кислотность почв, тем слабее растения поглощают кальций (Петров-Спиридонов, Мазель, 1965).

В кислых почвах, содержащих большое количество обменного Al и Mn, которые обладают сильным антагонистическим действием по отношению к Ca, его поглощение растениями резко снижается (Магницкий, 1964;

Lhnis, 1966). Источником для питания служат всегда присутствующие в почвах карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и другие неорганические соли кальция (Куркаев, Шеуджен, 2000). При этом он является элементом, который медленно поглощается корнями, что объясняется его пассивным поступлением с транспирационным током воды (Ратнер, 1950). Поэтому растения нуждаются в непрерывном снабжении Ca в течение всей вегетации, особенно с фазы формирования зерна. Основное количество данного элемента сосредоточенно в старых листьях, т.к. он не способен к реутилизации. В молодых листьях, с активной жизнедеятельностью, содержание его значительно меньше. При отсутствии Ca, в первую очередь страдает корневая система (Петербургский, 1950).

Культурные растения резко отличаются по величине выноса этого элемента с единицы площади. При средних и повышенных урожаях (2– т/га зерновых, 20–30 т корне- и клубнеплодов и 50–70 т. капусты) эти культуры выносят соответственно (в кг СаО на 1 га): зерновые – 20– кг/га; зернобобовые (соя, горох, фасоль), гречиха, лен – 40–60; картофель, свекла, кукуруза, люпин – 60–120; клевер, люцерна, подсолнечник, табак – 120–250; капуста – 300–500 кг/га (Клечковский, Петербургский др., 1967).

Кроме выноса с урожаем, большое количество элемента, как было отмечено выше, вымывается в дренажные и грунтовые воды. В общем потоке выносимых из почвы минеральных веществ во всех случаях первое место принадлежит солям кальция (Справочник по минеральным удобрениям, 1960).

Недостаток Ca уменьшает стойкость растений к различным неблагоприятным условиям внешней среды: пониженной (или повышенной) температуре (Saric, Curic, 1963), избыточной влажности, токсичным химическим веществам (Петров-Спиридонов, 1965), а также к некоторым биотическим факторам (грибным, бактериальным и вирусным заболеваниям) (Thomas, 1966).

Кальций является типичным макроэлементом, постоянно присутствую в значительных количествах в пищевых продуктах и организме человека. Общее его содержание в теле человека составляет около 1 кг. Более 98% Ca сосредоточено в скелете. Из этого количества примерно 40% находится в форме кристаллического гидроксилапатита (Loutit, 1963). Кальций необходим для нормального роста, развития и функционирования любой клетки организма (Капланский, 1938; Лондон, Ловицкий, 1938). Суточная потребность для взрослого человека составляет от 0,5 до 1 г. Обычная концентрация в крови – 10,5 мг%. Отклонения в концентрации хотя бы на 2–3%, в ту или иную сторону приводит к тяжелым нарушениям в обмене веществ, вплоть до летального исхода (Книжников, 1975).

Кальций обеспечивает нервно-мышечную возбудимость, участвуя в механизмах сокращения и расслабления мышц (в том числе сердечной), в процессе свертывания крови; активирует многие ферменты: липазу, липоидазу, АТФ, сукцинатдегидрогеназу и др. Участвует в проведении нервных импульсов и является основным компонентом комплексных солей костной ткани (Палагина, Дубняк, Голов, 2012).

Недостаток Ca в организме животных и человека сопровождается увеличением возбудимости мышц, спазмами, судорогами, гиперрефлексией. При его дефиците у детей развивается рахит, остеомаляция (у взрослых), нейромышечные нарушения, мышечная слабость и атрофия, аритмия и фибрилляция желудочков сердца, нарушение памяти, образование камней в почках.

Источником поступления Ca в организм животных и человека являются пищевые продукты, основными из которых принято считать молоко и воду. В желудочно-кишечном тракте Ca всасывается не полностью, а всего на 40–60%, поэтому его относят к трудно усвояемым элементам (Петровский, 1964). Причем усвоение зависит от того, в какой форме он поступает в организм, от его общего количества, и от соотношения с некоторыми другими компонентами пищи (Книжников, 1975). Даже при больших дозах в рационе питания уровень Ca в сыворотке крови не повышается. Еще в 20-х годах было высказано предположение, что «в здоровом организме создать повышенное содержание Ca без протекторов (особых фиксаторов и стабилизаторов) невозможно» (Попова, 1927), так как весь избыток элемента выделяется из организма с мочой.

1.4.1 Содержание марганца в почвах и почвообразующих породах Марганец занимает 11 место по распространению в земной коре, и его средняя концентрация составляет 0,085% или 850 мг/кг (Виноградов, 1962). В почвах и горных породах этот элемент чаще всего встречается в форме оксидов и сульфидов. Исследованиями В.И. Вернадского (1954), А.П. Виноградова (1962), М.В. Каталымова (1965) было установлено, что основные породы (базальты, габбро, пироксены и др.) содержат больше Mn, чем кислые (граниты, диориты и др.). Осадочные породы тяжелого механического состава также более обогащены Mn, чем легкие.

По данным В.И. Голова (Голов, 2004; Голов, 2010), на Дальнем Востоке базальтовые почвообразующие породы содержат 670 мг/кг Mn (в расчете на элемент), элювий гранита – 410 мг/кг. Осадочные древнеаллювиальные отложения легкого и тяжелого механического состава – 350 мг/кг. Им же были рассчитаны региональные кларки основных микроэлементов для почв Дальнего Востока. Кларковое значение Mn оказалось почти в 2 раза выше, чем для почв Русской равнины (1540 и 850 мг/кг соответственно).

Биогеохимический круговорот Mn, как и метаболизм его в растениях, во многом сходен с круговоротом и метаболизмом Fe (Барбер, 1988). Значительную роль в миграции этих элементов в системе ортштейнообразования, особенно интенсивно протекающий в почвах с неустойчивым окислительно-восстановительным потенциалом, а также на дне морей и океанов. Начало изучению условий формирования марганцево-железистых конкреций, в которых концентрируется до 25% Mn, (а в морских 50% и более) для почв юга Дальнего Востока было положено В.И. Росликовой (Росликова, 1958, 1961). В последние годы материалы по накоплению микроэлементов и тяжелых металлов почвенными ортштейнами представлены в работах Я.О. Тимофеевой (Тимофеева, 2008; Тимофеева, Голов, 2007).

Различия в содержании как валового, так и подвижного Mn в почвах зависят от физико-географического положения регионов, и, прежде всего, от минералогического состава почвообразующих пород и количества выпадающих осадков (Волошин, 2003). Красноземы наиболее богаты Mn, по сравнению с другими почвами, т.к. в них складываются аэробные условия, как в любых автоморфных почвах, при которых этот элемент интенсивно накапливается в почвенной толще.

С агрономической точки зрения наибольший интерес представляет не столько валовое содержание элемента в почве, сколько содержание его подвижных форм. В почве Mn может находиться в форме двух-, трех- и четырех валентных соединений, причем наибольшей подвижностью обладают соединения двухвалентного марганца (Барбер, 1988). В кислых почвах всегда присутствует подвижный (обменный) Mn, содержание которого увеличивается с повышением кислотности (Никишкина, 1963;

Ушакова, 1966).

На растворимость почвенного Mn также влияет окислительновосстановительный режим почвы. Восстановительные процессы (слабая аэрация, избыточное увлажнение и т.д.) способствуют восстановлению соединений Mn до двухвалентной формы, и тем самым приводят к увеличению его растворимости и подвижности. Окислительные процессы (повышенная аэрация), наоборот, переводят соединения Mn в менее доступные трех- и четырехвалентные формы. Содержание его подвижных форм очень динамично и может резко меняться в зависимости от условий увлажнения (Справочник по минеральным удобрениям, 1960; Волошин, 2003).

Наибольшим содержанием валовых и подвижных форм Mn отличаются подзолистые и горные почвы. Значительно меньше его содержится в каштановых почвах, дерново-карбонатных, черноземах выщелоченных и оподзоленных (Каталымов, 1965). Недостаток Mn с большей степенью вероятности возникает на карбонатных и песчаных почвах, а также на любых других почвах при внесении больших доз извести.

Марганец, при избыточной концентрации в почве оказывает токсичное действие на выращиваемые растения, и по этому признаку, как тяжелый металл, относится к третьему классу опасности. Основными источниками загрязнения почв этим элементом являются предприятия цветной и черной металлургии, машиностроения и металлообработки, а также выбросы тепловых электростанций, работающих на каменном угле (Алексеев, 1987; Сает, Ревич, Янин, 1990). Токсичность Mn обычно проявляется на кислых почвах, и часто его влияние путают с недостатком Ca или с непосредственным влиянием высокой кислотности. Токсические свойства этого элемента можно устранить внесением извести (Кук, 1970).

Большую роль в миграции Mn играет живое вещество. Растения с хорошо развитой корневой системой извлекают Mn из большого объема почвы и накапливают его с опавшими листьями и c отмершими растениями на поверхности почв. Зола растений, как правило, содержит больше Mn, чем почвы (Виноградов, 1957). Несмотря на это Mn относят к числу химических элементов, имеющих слабую степень поглощения растениями (Сает, Ревич, Янин и др., 1990).

В растениях Mn был впервые обнаружен в 1788 г. в золе дикого тмина и некоторых древесных породах. Дальнейшие исследования показали, что Mn содержится практически во всех видах растений, и среднее его содержание составляет 0,001% или 10 мг/кг сухой массы, со средней амплитудой колебания от 2 до 400 мг/кг (Bertrand, Rosenblatt, 1921). Однако в литературных источниках встречается информация и о марганофиллах – растениях, способных накапливать Mn в больших количествах (сосна, береза, некоторые папоротники, полынь лекарственная, пасленовые) (Леванидов, 1961).

Поступая в растения в форме катиона и анионов (манганатов) (Куркаев, Шеуджен, 2000), Mn играет важную физиологическую роль, входя в состав многих ферментов (супероксидисмутазы, аргиназы и др.).

Кроме того он является неспецифическим активатором целого ряда других биохимических процессов, таких как фотосинтез C и метаболизм N в растениях (Кашин, Иванов, 2003; Школьник, 1974). Марганец участвует в образовании аскорбиновой кислоты, в поддержании структуры ДНК и РНК (Куркаев, Шеуджен, 2000; Ершов, Второва, 1981). Оказывает влияние на поглощение и включение в обмен веществ многих элементов минерального питания. При исключении Mn из питательной среды в растениях возрастает содержание основных элементов питания и нарушается их соотношение (Куркаев, Шеуджен, 2000). При недостатке Mn на листьях растений появляются хлоротичные пятна, вызванные избыточным накоплением активного закисного Fe, позже в этих местах ткани отмирают (Копылова, 2010).

Марганец относят к одному из десяти металлов жизни (Беслекоева, Неелова, 2011), который, являясь важным биогенным элементом, необходим для нормального протекания процессов в живых организмах.

Многие авторы отмечают связь Mn с половыми гормонами. Участвуя в белковом, углеводном и жировом обменах, он оказывает значительное влияние на рост, размножение и кроветворение теплокровных животных и рыб (Войнар, 1962; Порохонская, 1970).

При дефиците Mn в кормах у животных появляются патологические нарушения. В первую очередь к ним относятся деформация костей и суставов, нарушение воспроизводительной функции – снижение оплодотворяемости, увеличение числа выкидышей и мертворожденных в потомстве (Кондрахин, 1989, Авцын, Жаворонков, Риш, Строчкова, 1991).

При избытке Mn у животных наблюдается возникновения рахита (Ершов, Второва, 1981).

В организме взрослого человека содержится около 12 мг Mn (43% в скелете, остальной – в мягких тканях). Как правило, в продуктах питания содержится достаточное количество элемента для обеспечения суточной нормы потребления человека, которая составляет 2–5 мг/сут. (Авцын, Жаворонков, Риш, Строчкова, 1991, Кеннет, 1993).

Марганец играет значительную роль в обмене веществ животных организмов: он участвует в окислительно-восстановительных процессах, необходим для активации ряда ферментов, ускоряет образование антител, нейтрализующих вредное действие чужеродных белков. Имеются данные о том, что Mn входит в состав рибофлавина (витамина В1) (Ершов, Второва, 1981).

Несмотря на то, что Mn является необходимым элементом для живых организмов, при высоких концентрациях он может оказывать токсическое действие. В основном это связано с профессиональным воздействием высоких доз неорганических соединений Mn, что приводит к различным патологиям (Зайферт, Ван Гелдер, Ян-У-Хан, Ую Шефер, 2002). Наиболее чувствителен к избытку Mn головной мозг, поэтому на начальных стадиях отравления солями этого элемента, отмечается замедленная реакция, раздражительность, резкие перемены настроения и даже конвульсии. Марганец может нарушить работу печени, при этом порог токсичности очень высок. С другой стороны, более 95% Mn выводится из организма с желчью, а это значит, что любое повреждение печени может замедлить детоксикацию, которая способствует, в свою очередь, повышению концентрации Mn в плазме крови (Ballatori, 2000).

1.5.1 Содержание фтора в почвах и почвообразующих породах Фтор относится к галогенам. Эта группа элементов, характеризуется высокой химической активностью, из которых F наиболее активен. При этом он является и самым электроотрицательным элементом. Ионы F, даже при незначительном содержании, способны угнетать или стимулировать взаимодействовать как с органическими, так и с неорганическими веществами (Пашова, 1980). Это может негативно сказываться на живых организмов, включая человека и животных.

Большинство природных соединений F плохо растворимы в воде, однако фториды NaF, KF, SnF2, AlF3 и некоторые другие соли фтористоводородной кислоты являются исключением из общего правила и относительно хорошо растворимы в поверхностных и грунтовых водах.

Фтор составляет около 0,008% от массы земной коры. Среднее содержание F в почвах составляет 320 мг/кг (Танделов, 2012).

Вследствие своей высокой химической активности F в свободном виде в природе не встречается. В почвах и в земной коре этот элемент наиболее часто находится в составе плавикового шпата, в силикатах, нефелинах, в криолите, в апатитах, фосфоритах, биотитах и других минералах и горных породах (Виноградов, 1957).

На круговорот F в природных и антропогенных фитоценозах большое влияние оказывает хозяйственная деятельность человека. Многие производственные процессы сопровождаются выбросом поллютантов, содержащих F (производство суперфосфата, пестицидов и ракетного топлива; выплавка алюминия, железа и стали; разделение изотопов урана и т.д.) (Книжников, 1975; Elrashidi, Lindsay, 1987). Значительное количество этого элемента попадает на земную поверхность вместе с вулканическими газами и атмосферными осадками.

В пахотных почвах содержание F колеблется от 0,015 до 0,032 мг/кг, причем основное его количество сосредоточено в коллоидной фракции, слабо доступной для растений (Виноградов, 1957). Как правило, содержание F в почвах увеличивается с глубиной (Кудзин, Пашова, 1978).

В фосфатных агрорудах, по данным отечественных и зарубежных исследователей, содержится большое количество примесей, от 1 до 5% которых составляет фтор (Крайдман, 1988). По данным В.Т. Пашовой, систематическое применение суперфосфата увеличивает его количество в почве на 1,3–4,5% (Пашова, 1980).

Румынские исследователи обнаружили, что при повышенном содержании F в почве, угнетается рост возделываемых культур, вследствие чего их урожай падает на 5–25%. В почвах, загрязненных F, резко снижается общее количество микроорганизмов и нарушается соотношение между споровыми и бесспоровыми бактериями. Интенсивность минерализации и нитрификации N при этом также уменьшается (Eliade, Jonescu, Ghinea, Stefanic, 1977).

В литературе встречаются сведения о том, что длительное и систематическое применение суперфосфата не влияет на содержание валового F в почве, однако, уровень подвижного F существенно увеличивается. Однократное применение всего одной дозы NPK приводило к повышению уровня подвижного F в 1,6 раза (Минеев, Грачева, Кирпичников, Черная, 1989).

В.И. Вернадский считал, что F представляет собой яркий пример рассеянного элемента, и по своей распространенности в биосфере встречается повсеместно (Войнар, 1953). Однако в живой природе F находится в ничтожных количествах, поэтому его относят к числу литофильных микроэлементов (Книжников, 1975).

Начиная со второй половины 30-х годов минувшего столетия в работах отечественных исследователей также стали появляться сведения о содержании F в растениях (Виноградов, 1935). Согласно данным, полученных В.В. Даниловой и М.И. Крыловой, содержание этого элемента в наземных растениях в среднем составляет 3,3810-3% (Данилова, 1944, Крылова, 1952). Было также отмечено, что концентрация F в растениях зависит от содержания его во внешней среде, достигая иногда сотен мг/кг сухой массы, а в некоторых случаях опускаясь до нуля. Среднее содержание F в разных органах может колебаться от 0,1 до 5 мг/кг сухого вещества (Кудзин, Пашова, 1978).

Имеющиеся материалы свидетельствуют о том, что F способен накапливаться некоторыми растениями до значительных концентраций.

Поэтому важно установить, могут ли растения накапливать F из почв, содержащих его в больших количествах. В.И. Виноградов считал, что если такое обогащение и происходит, то оно, как правило, бывает незначительным (Виноградов, 1935). Р.Д. Габович экспериментально показал (Габович, 1957), что принятые в практике агрохимии нормы внесения суперфосфата (200 кг/га), незначительно повышают его содержание в растениях. Однако, при внесении в почву 1000 кг/га – содержание элемента в растениях резко возрастало.

Несмотря на то, что F имеет высокую химическую активность, его роль в жизни растений, условия поглощении из почвы, а также метаболизм в живых системах до сих пор до конца не изучены. Известно, что этот элемент является ингибитором гидролиза гексозо-дифосфорной кислоты и образования молочной кислоты у животных (Власюк, Мицко, 1967).

Небольшие дозы F, кроме этого, оказывают положительное влияние на некоторые физиологические процессы в организме животных и человека (Палагина, Дубняк, Голов, 2012). Так, например, он принимает участие в начальных этапах минерализации твердых тканей и предупреждает их деминерализацию; активирует щелочную и кислую фосфатазы костной ткани; повышает активность витамина D; усиливает действие половых гормонов; может быть конкурентом йода в синтезе гормонов щитовидной железы и влиять на ее функцию. Наиболее высокие концентрации F были обнаружены в плотных минерализованных тканях животных организмов (Appelgreen, 1961). Много этого элемента накапливается в дентине, в эмали зубов и в костях, т.к. он входит в состав основного фосфата Ca, из которого формируются костные ткани (Палагина, Дубняк, Голов, 2012). У взрослого человека (Габович, 1957) содержание F в мягких тканях колеблется 0,25 – 1,73 мг/кг; в волосах и ногтях, соответственно, – 53 – мг/кг; а в зубах и костях – 207 – 450 мг/кг. В крови содержится 0,03 – 0, мг/л фтора.

водопроводной воде которых содержалось 1 мкг/л и более F, рождаемость детей с синдромом Дауна была в 2 раза выше, чем в городах, в питьевой воде которых этот элемент практически отсутствовал (Burgstahler, 1975).

По данным отечественных ученых систематическое применение суперфосфата в течение 35 лет в опытах Мироновской опытной станции повысило содержание F на 22% (Кузин, Пашова, 1978). Это привело к увеличению его количества в пахотном слое на 8 мг/кг, а при внесении комплексного минерального удобрения (N, P, K) на 28%, что отрицательно отразилось на продуктивности кукурузы.

В 80-е годы минувшего столетия было подсчитано, что при регулярном внесении среднестатистических доз фосфорных удобрений в почвы Дальнего Востока попадало от 1,4 до 2,6 кг/га фтора (Голов, Каменщикова, 1985). Сейчас ситуация в этом отношении резко изменилась, в связи с отсутствием или резким недостатком фосфорных удобрений по России в целом.

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Характеристика почв опытных участков В основу работы положены результаты, полученные автором по материалам и образцам почв и растений, отобранным за период 2009– 2012 гг.

Основные опыты по изучению круговорота K, Ca и Mn были проведены на агрохимическом стационаре Приморского научноисследовательского института сельского хозяйства (далее Прим НИИСХ), расположенном на лугово-бурых оподзоленных почвах п. Тимирязевский Уссурийского района Приморского края, а также на аналогичном стационаре Всероссийского научно-исследовательского института сои (далее ВНИИ сои), который расположен на лугово-черноземовидных тяжелосуглинистых почвах п. Садовое Тамбовского района Амурской области. Агрохимическая характеристика упомянутых выше почв приведена в таблице 1 (Ковшик, Наумченко, 2011).

Агрохимическая характеристика почв стационаров Лугово-бурая, Прим НИИСХ ВНИИ сои Примечание: * S –Сумма поглощенных оснований (сумма Na+, K+, Mg2+, Са2+ и др. элементов, без обменного Al3+).

Лугово-бурые почвы считаются переходными от луговых к бурым лесным. Они имеют морфологические и физико-химические признаки и свойства, близкие как к луговым, так и к бурым лесным: буроватая окраска профиля, высокая степень гумусированности и дренированности, тяжелый гранулометрический состав. Залегают эти почвы на озерно-аллювиальных отложениях тяжелого механического состава и формируются под остепненными разнотравно-злаковыми группировками растительности в комплексе с кустарниковыми зарослями. Распространенны в основном в пределах Западно-приморской равнины, а также в нижнем течении р.Уссури и в пределах Среднеамурской равнины. Эти почвы составляют основной пахотный фонд (в комплексе с луговыми глеевыми) в Приморском крае, где они большей частью приурочены ко второй и третьей надпойменным террасам оз.Ханка на уровне 80–150 м. В центральных земледельческих районах Приморья они занимают более 50% пахотных угодий (Иванов, 1976; Синельников, 1987).

По механическому составу лугово-бурые почвы относятся к глинистым (содержание глинистых и илистых частиц в верхнем горизонте 80–85%), объемная масса пахотного горизонта 1,2 г/см3, а подпахотного – 1,5 г/см3, что является причиной их высокой плотности и низкой водопроницаемости. Содержание гумуса в пахотных горизонтах колеблется от 3 до 5%, а pH солевой от 4,3 до 5,6 (Голов, 2004).

Данные почвы занимают пониженную часть Зейско-Буреинской равнины и распространены в южной части Амурской области. Общая их площадь превышает 700 тыс. га и составляет более 20% площади сельхозугодий этого региона. На их долю приходится почти 40% пашни в области (около 500 тыс. га) и около 25% в Дальневосточном регионе. В Приморском крае они также встречаются небольшими массивами в бассейне р.Раздольной (Иванов, 1976).

Это наиболее плодородные почвы Дальнего Востока, для которых характерно высокое содержание гумуса (до 7%), большая емкость поглощения и слабокислая или близкая к нейтральной (pH солевой 5,5–6,0) реакция почвенной среды (Онищук,1970). Эти почвы содержат значительные валовые запасы N, P, K и S, однако подвижных форм элементов, особенно N и S, недостаточно, чаще это наблюдается весной в начале вегетации, когда микробиологическая активность в почвах понижена из-за низких температур.

Гранулометрический состав почв средне- и тяжелосуглинистый.

Плотность сложения пахотного горизонта колеблется в пределах 0,9–1, г/см3, подпахотного 1,4–1,5 г/см3. Для профиля этих почв характерна четко выраженная структура. Водопрочность почвенных агрегатов в пахотном слое высокая и составляет 80–90%, в иллювиальном горизонте она неустойчива и варьирует в пределах 10–75% (Голов, 2001). Тяжелый механический состав является основной причиной их переувлажнение при обильном выпадении летних осадков. Это ухудшает условия питания растений и затрудняет проведение агротехнических работ (Терентьев, 1969; Пустовойтов, 1971).

Для сельскохозяйственной практики содержание всех изученных микроэлементов, как валовых, так и подвижных, в этих почвах достаточное или высокое, за исключением молибдена (Голов, 2004).

Для изучения биологического круговорота K, Ca и Mn были исследованы 2 культуры, наиболее популярные в Дальневосточном регионе. Соя, которая среди возделываемых культур занимает доминирующее положение, и является типичным представителем бобовых; а также пшеница – культура, близкая по характеру накопления и выносу питательных элементов к большинству злаковых, таких как рожь, овес, ячмень и другим. В Приморском крае в длительных опытах высевали сорт сои «Приморская 39», пшеницу – «Приморская 81»; в Амурской области сорт сои «Лидия» и пшеницу сорта «Арюна».

Исследуемые образцы почв и растений отбирались с трех вариантов опытов:

1. Контроль (без удобрений), 2. Минеральные удобрения (МУ), 3. Органо-минеральные удобрения (ОМУ), где вносились органические (навоз) и минеральные удобрения одновременно.

В опыте, заложенном на стационаре ПримНИИСХ, в третьем варианте вместе с органо-минеральными удобрениями вносилась известь.

В опыте, проводимом в Амурской области, калийные удобрения и известь не использовалась, поскольку считается, что на луговых черноземовидных почвах они неэффективны.

Виды и дозы удобрений, используемые на агрохимических стационарах, представлены в таблице 2. Азотные удобрения включают два типа: аммиачную селитру, используемую с момента закладки опыта и до середины 1970-х годов, и мочевину, сменившей селитру в виду меньших экономических затрат при производстве и использовании.

Опыт в Приморском крае был заложен в 1941 г. А.Т. Грицуном, и к моменту наших исследований удобрения применялись в течение 71 года.

За это время (8 полных ротаций 9-польного севооборота) в интересующих нас вариантах опыта было внесено: навоза 320 т/га, извести 41,6 т/га и минеральных удобрений N2400, Р2320, К1200 (из расчета на действующее начало, далее д.н.) (Грицун, Васичева, 1971). Опыт с длительным применением органических и минеральных удобрений в Амурской области, был заложен в 1962 г. В.Т. Куркаевым. За 50 лет (10 ротаций 5польного севооборота) в соответствующих вариантах было внесено т/га навоза, и минеральных удобрений (по д.н.) N1150Р1650 (Ковшик, Наумченко, 2011; Куркаев, Степкина, Кузин 1973). Опыты закладывались в 3-х кратной повторности, площадь делянки 150 м2.

Лугово-бурая Известь 5,2 т/га + черноземовидная N150P165 д.н./га калий (KCl), известь (CaCO3) рекомендациям А.В.Соколова и З.И. Журбицкого (Соколов, 1960;

Журбицкий, 1968). Образцы почвенных проб готовили к анализу согласно ГОСТ 17.4.3.01 – 83 (ГОСТ 17.4.3.01-83, 2004).

Для фракционного учета урожая перед уборкой отбирались пробные снопы (по 2 с каждой делянки, с площади 1 м2) со всех 3-х повторностей.

Таким образом, общая повторность образцов всех фракций была шестикратной.

Растительные образцы после сушки делили на следующие фракции:

а) пожнивные остатки (корни + часть стебля высотой 5 см. у сои, и 10 см. у пшеницы начиная от корневой шейки);

г) полова (у пшеницы) д) листья (у сои) До наших исследований опадающие в течение вегетации листья сои, не учитывались в подобных опытах. Но в листьях, как и во всех других органах, содержится определенное количество химических элементов.

Попадая на земную поверхность, они начинают разлагаться под действием естественных природных факторов. Это не позволяет достоверно учитывать баланс питательных элементов. Поэтому во время цветения на полях с соей были установлены опадоуловители площадью 1 м2 из марли по 2 на каждую делянку, из которых периодически (раз в 10–15 дней) до полного опадения выбирали листья, а также опавшие цветки и завязи в индивидуальные емкости. Выделение средней пробы растительного образца соответствовало ГОСТ 27262-87 (ГОСТ 27262-87, 2002). Каждый из образцов тщательно измельчили с помощью мельницы.

рентгенофлуоресцентным методом на анализаторе EDX-800 (Shimadzu, Япония). Главным преимуществом рентгенфлюоресцентного метода является возможность анализа твердофазных проб, что позволяет избежать трудоемкой процедуры переведения их в раствор, а также предоставляет возможность одновременного определения нескольких элементов (Теория и практика химического анализа почв, 2006).

наиболее важную с точки зрения питания растений группу, извлекают из почвы различными растворителями, действие которых сопоставимо с действием природных вод и растений – это разбавленные растворы кислот, солей и оснований (Орлов, Малинина, Мотузова и др., 1991). Подвижные формы Mn извлекали из почвы экстрагентом – 0,1 н. H2SO4 (подвижный по Пейве-Ринькису) (Куркаев, Шеуджен, 2000). Содержание элемента в вытяжке определяли атомно-абсорбционным методом. Данный метод отличается хорошей чувствительностью, и высокой точностью, позволяя концентраций. Подвижный Ca вытесняли 1,0 н. раствором CH3COONH4.

Ацетат аммония как экстрагент удобен тем, что при взаимодействии с коллоидном комплексе обменный водород, образуется слабая уксусная кислота, не оказывающая сильного разрушающего действия на почву.

Поэтому полученная солевая вытяжка не содержит большого количества полуторных окислов и других мешающих определению примесей. В вытяжке Ca определяли комплексонометричекси (Аринушкина, 1970).

Подвижные формы K извлекали методом Кирсанова, концентрацию элемента определяли на пламенном фотометре. Содержание микроэлементов (Mn, F, Cr, Co, Zn, Ni) определялось методом атомной абсорбции на приборе с предварительной их экстракцией в кислотной вытяжке. Для извлечения F использовалась стандартная водная вытяжка (ОСТ 46-52-76).

Из растительных образцов извлечение элементов проводилось методом сухого озоления (Практикум по агрохимии, 2001). Зольность определяли по формуле:

где m1 масса золы, г;

m2 – масса пробы, г.

Для определения качественного состава золы, последнюю растворяли в солянокислом растворе. Кислотная вытяжка является групповой по отношению к рассматриваемым элементов, что позволило комплексонометрическим методом, K – пламенно-фотометрическим методом, микроэлементы – методом атомной абсорбции.

Для пересчета массовой доли исследуемых элементов в золе на исходный материал использовали следующую формулу:

где С – массовая доля элемента в пересчете на сухое вещество, мг/кг;

Сi массовая доля элемента в золе, мг/кг.

Коэффициент биологического поглощения (КБП), отражающий потенциальную биохимическую подвижность элементов (Ильин, 1985), рассчитывали по формуле:

где Кзол. содержание элемента в золе растений, мг/кг;

Кпочв. содержание элемента в почве, мг/кг.

показывающий степень превышения содержания изучаемого элемента в почве относительно его фоновой концентрации (Гигиеническая оценка качества почвы…, 1999), определяли по формуле:

где Кобщ. содержание элемента в исследуемой почве, мг/кг;

Кфон содержание элемента в фоновой почве, мг/кг.

рассчитываемый при высоком содержании в почве двух и более техногенных элементов (Кс>1) (Гигиеническая оценка качества почвы…, 1999), определяли следующим образом:

где Kc коэффициенты техногенной концентрации, превышающие 1;

n число элементов с Кс>1.

Статистическую обработку данных осуществляли стандартными методами дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (Доспехов, 1968) и А.В. Ваулину (Ваулин, 1998) с использованием Windows – приложения Excel и программы Statistica. Достоверность результатов оценивали, используя t – критерий Стьюдента при уровне вероятности (р) 0,05.

2.3 Метеорологические условия в годы проведения опытов Климат Приморского края умеренный, континентальный. По характеру формирования осадков относится к муссонному. Летом преобладают южные ветры с Тихого океана, а зимой северные, способствующие формированию холодной и ясной погоды под влиянием континентального климата. Для Приморского края характерно влажное лето с обильными осадками и частыми туманами. Тропические циклоны, приходящие в край ежегодно, наносят значительный ущерб сельскому хозяйству (География Приморского края, 2000).

В первые месяцы вегетационного периода 2009 г. среднемесячные температуры были выше среднегодовой на 3,4–6,3°C. При этом май выдался засушливым. Несколько прохладным и влажным был июль.

Температура воздуха отмечалась ниже среднегодовой на 1,3°C, а количество осадков превышало норму на 45% (рис. 1). К концу вегетационного периода сои выпали значительные осадки, которые мешали учету урожая этой культуры.

В начале вегетационного периода 2011 г. наблюдались перепады температур и обильные выпадения осадков. Особенно в мае, когда среднемесячная температура была ниже среднемноголетней на 1,2°C, а количество осадков превышало норму на 50%. Однако, начиная со второй декады июня, воздух прогревался хорошо, режим увлажнения стабилизировался, что благоприятно сказалось на созревании бобов сои.

Рисунок 1 – Динамика среднемесячных температур и количество осадков за вегетацию в годы исследования в Приморском крае Погодные условия 2012 г. отличались теплым, но влажным летом.

Температурный фон с апреля по сентябрь был выше среднемноголетнего на 0,5–2,1°C. Начиная со второй декады июня увлажнение почвы, было более чем достаточное. Частые осадки превышали среднемноголетние, особенно в августе и сентябре на 35–40%. Излишнее увлажнение сказалось на качестве бобов сои.

Таким образом, метеорологические условия за годы исследований значительно различались как по сумме температур в весенне-летний период, так и по количеству осадков.

Климат Амурской области по температурным признакам резко континентальный и муссонный по характеру формирования осадков. Он складывается под влиянием азиатского континента и Тихого океана, имеющих различную температуру поверхностей в зимнее и летнее время (Бурлака, 1970, Система земледелия Амурской области, 2003).

Для Амурской области характерен короткий безморозный период, позднее потепление весной и раннее понижение температур осенью, неравномерное распределение по периодам вегетации тепла и влаги, резкие колебания дневных и ночных температур (Зональная система земледелия Амурской области, 1985).

В 2009 г. погодные условия в Амурской области отличались жарким и сухим маем (средняя температура воздуха превышала норму на 2–7С), аномально влажным июнем и прохладным августом (рис. 2), что отрицательно сказалось на развитии сои. В июне дождливая погода была связана с активной циклонической деятельностью над территорией Приамурья. Месячная норма осадков была превышена в 2,5 раза. В сентябре и октябре наблюдалась исключительно теплая погода, что положительно отразилось на созревании бобов сои.

Рисунок 2 – Динамика среднемесячных температур и количество осадков за вегетацию в годы исследований в Амурской области Погодные условия 2011 г. Оказались более благоприятными для возделывания зерновых культур и сои. Среднемесячная температура воздуха с апреля по сентябрь была выше среднемноголетней на 0,8–2,2°C.

Режим увлажнения характеризовался чередующимися периодами с небольшим количеством осадков – 27–40% от нормы; и избыточным, превышающим норму на 40–46%. Обилие тепла и осадков, более или менее равномерно распределяющиеся в течение вегетационного периода, позволили получить высокий урожай зерновых. Однако недостаточная сумма осадков в августе (менее 48% от нормы) несколько снизила урожайность сои и повлияла на качество бобов.

Вегетационный период 2012 г. Отличался повышенными температурами с мая по сентябрь на 1,0–2,6°C по сравнению со среднемноголетней. Со второй половины мая и до конца июня увлажнение почвы было недостаточным, отмечалась слабая засуха (во вторую и третью декаду мая и вторую декаду июня осадков выпало всего 30–50% от нормы). Недостаток влаги к моменту сбора урожая пшеницы отразился на его количестве, которое оказалось ниже, чем в предыдущем году. В июле прошли обильные дожди, количество которых превысило норму на 120– 180%, а в августе – напротив осадков выпало всего около 42% от нормы.

Уборке сои помешали частые дожди в сентябре и в первой половине октября. Количество осадков за сентябрь почти в 2 раза превысило среднее многолетнее количество.

Глава 3 СОДЕРЖАНИЕ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В

ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ

Очень важным аспектом в сохранении плодородия почвы является возвращение питательных веществ, отчуждаемых с поля в процессе выращивания сельскохозяйственных культур, обратно в почву. Ю. Либих сформулировал «Закон возврата питательных элементов», который основывается на балансе питательных элементов, и, как отмечал В.Д. Панников, пренебрежение этим законом может привести к утрате почвой ее плодородия (Панников, Минеев, 1987).

Изучение круговорота и баланса макро- и микроэлементов в агроэкосистемах является одной из основных проблем в познании их поведения в системе «почва–растение–человек». Наиболее важным источником поступления химических элементов в организм человека является растениеводческая продукция. Исследуемые нами зерновые культуры занимают примерно 60% в мировом производстве продуктов питания (Прокопенко, 2005). Питьевая вода покрывает лишь от 1 до 10% суточной потребности в таких микроэлементах, как I, Cu, Zn, Mn, Со, Mo, и только для некоторых элементов (F, Sr) вода служит главным источником (Покатилов, 1993).

Элементный состав системы «почва–растение» определяется концентрацией элементов в почвенном растворе и биологической потребностью конкретных растений. Известно, что для нормального роста и развития растений, т.е. для получения полноценного по качеству и присутствовать в почве в достаточном количестве и в доступной форме биологического круговорота состоит из: 1) поглощения элементов растениями; 2) поступления их, после отмирания растений, обратно в почву в том же количестве. В агрофитоценозах специфика круговорота обусловлена привносом элементов с удобрениями и выносом их с отчуждаемой биомассой культур при уборке урожая. Подсчитано, что ежегодно с полей отчуждается от 20 до 80 % всей биомассы, что, несомненно, сказывается на круговороте элементов в агрофитоценозах (Ковда, 1973).

Изучение содержания макро- и микроэлементов в почвах имеет важное агрохимическое и экологическое значение. Аномальное содержание элементов в почвах приводит к нарушению физиологических процессов в живых организмах, и, как следствие, может явиться причиной эндемических заболеваний. Ранее иледователями было установлено низкое содержание йода в почвах, растениях и континентальных водах Приморья, что провоцировало зобную болезнь в крае (Гуревич, 1962). Помимо природных аномалий могут возникать аномалии антропогенного характера с недостатком или избытком жизненно важных химических элементов.

Например, дефицит того или иного элемента может возникнуть при интенсивном возделывании монокультуры, обладающей повышенным спросом на какой-то питательный элемент. Так специализация земледелия Приморья и Приамурья на выращивании сои привела к недостатку в почвах молибдена и частично серы (Голов, 2004). Избыточное и несбалансированное применение удобрений также приводит к нарушению круговорота элементов питания и поступлению их в растениеводческую продукцию. В настоящее время компенсация с удобрениями практикуется только в отношении трех элементов (N, P и К). Поэтому вероятность обеднения другими элементами или избыточным внесением удобрений, содержащих традиционные элементы очень высока.

Для того чтобы иметь реальное представление о масштабах изменения содержания макро- и микроэлементов в системе «почва– растение» при систематическом применении удобрений, в данной главе приведены результаты исследований по содержанию малоизученных, или совсем не изученных питательных элементов в почвах и растениях, исследуемых агрофитозенозов. Известно, что обеспеченность сельскохозяйственных растений элементами питания зависит от химического состава почвы, на которой они произрастают. Сопоставление данных, полученных с вариантов опытов, отличающихся по объемам и видам и срокам использования удобрений, позволяет нам оценить, происходит ли обеднение почв изучаемыми элементами без внесения таковых в качестве удобрений, и не происходит ли избыточного накопления данных элементов в случае их длительного применения.

Исследования проводились, как уже было сказано, на двух агрохимических стационарах, с разным уровнем плодородия. Луговочерноземовидные почвы Амурской области по своим агрохимическим свойствам и уровню плодородия близки к типичным черноземам, богатым органическим веществом и питательными элементами. Лугово-бурые почвы Приморья по упомянутым параметрам напоминают бедные дерново-подзолистые почвы, широко распространенные в северо-западной части России (зона Нечерноземья). На черноземах, как известно, применение минеральных удобрений не всегда рентабельно из-за высокого потенциального плодородия этих почв. Но вследствие длительной эксплуатации они в настоящее время существенно деградировали. Степень деградации удобнее всего изучать на тех элементах, которые не вносятся с традиционными удобрениями. В нашем случае это Са и Мn. Четверть века назад Ca вносили регулярно во все пахотные почвы России с известью. Но после «перестройки» известковать почвы прекратили, поэтому за столь длительный промежуток времени возможно появление признаков дефицита Ca в пахотных почв. Марганец иногда вносят с органическими удобрениями и некоторыми формами минеральных удобрений и мелиорантов (фосфориты, доломиты, известь), которые в настоящее время утрачивают свою популярность и практически не применяются.

3.1 Содержание валовых и подвижных форм элементов в почвах Валовое содержание калия в почвах может достигать от 1 до 4%.

Кларк этого элемента для земной коры составляет 2,5%, что соответствует 5 месту по распространенности среди зольных элементов (Виноградов, 1962). При таком высоком содержании K в почвах (от 30 до 100 т/га при выносе 30–100 кг/га), его запасов должно хватить на тысячи лет для выращиваемых растений. Однако зачастую растения испытывают нехватку доступных форм K, поэтому его необходимо вносить с удобрениями.

Как показали наши исследования, лугово-черноземовидные почвы богаче K, и его концентрация в них выше, чем в лугово-бурых, как на контрольном варианте, так и на вариантах с внесением удобрений (приложение 1). В таблице 3 представлено среднее содержание валовых форм исследуемых элементов.

Содержание валовых форм элементов в почвах (среднее 2009–2012), мг/кг В последние годы в почвах Амурской области при внесении минеральных удобрений наметилась ясно выраженная тенденция к уменьшению количества валовых и подвижных форм калия (табл.3, 4;

приложение 1, 2). Это объясняется тем, что в комплексе минеральных удобрений, используемых в опыте, K не вносится, поскольку считается, что лугово-черноземовидные почвы достаточно обеспечены в отношении этого элемента. При этом на лугово-бурых почвах, калийные удобрения вносят регулярно, ввиду их высокой эффективности, благодаря чему в удобряемых вариантах содержание валового K выше фонового в среднем на 5%. Такая же закономерность отмечена нами и при возделывании пшеницы. В соевых агрофитоценозах Амурской области максимальные величины валовых форм K обнаружены в вариантах с использованием органо-минеральных удобрений, превышая содержание контрольного варианта на 3%, за счет K присутствующего в навозе (приложение 1).

Содержание подвижных форм K в почвах играет важную роль в обеспеченности растений этим важным макроэлементом, что позволяет по данному параметру корректировать систему питания калием с помощью удобрений. Во многом подвижность элемента зависит от наличия в почве катионов, влияющих на переход его из почвенного поглощающего комплекса в почвенный раствор, главным образом кальция (Жарикова, 2006). В таблице 4 приведены усредненные значения содержание подвижных форм исследуемых элементов (табл. 4).

В годы исследований, диапазон содержания подвижных форм K в лугово-бурых почвах на контрольных вариантах соевых агрофитоценозов (приложение 2) варьировал в пределах 121–179,7 мг/кг; и 166–183,1 мг/кг в лугово-черноземовидных почвах. Использование минеральных удобрений в Приморье способствовало увеличению концентрации подвижных форм этого элемента в среднем на 18%, а органо-минеральных с известью – на 29%. При возделывании пшеницы, на удобряемых вариантах также отмечено увеличение количества подвижных форм K относительно фона, на 43% и на 21% соответственно.

Содержание подвижных форм элементов в почвах сопровождалось снижением содержания подвижных форм K в годы исследований. Максимальные концентрации элемента, при возделывании обеих культур, отмечены в почвах вариантов с использованием органоминеральных удобрений.

Несмотря на то, что объем научной информации, посвященной калийному состоянию почв, является весьма значительным и продолжает увеличиваться, основное внимание ученых, даже в длительных опытах, в основном обращается на конечные результаты экспериментов, и гораздо реже на промежуточные. Использовав данные исследователей, работавших на Приморском агрохимическом стационаре раннее (Грицун, 1964, 1981;

Грицун, Васичева, 1971; Моисеенко, Тимошинов, Кушаева, 2012), мы смогли проследить изменения уровня концентрации подвижных форм K в почвах начиная с 1958 года (рис. 3).

Рисунок 3 – Влияние длительного применения удобрений (54 года) на динамику содержания подвижных форм калия в За 54 год непрерывного внесения удобрений количество подвижных форм K уменьшилось во всех вариантах опытов в среднем на 30%. По всей видимости, резкие колебания в содержании подвижных форм K связаны с небольшим количеством анализов, обнаруженных в литературе прошлых лет. И, кроме того, появлением высокоурожайных сортов в последние годы (начиная с 1984 года), которые использовались в опыте, образующих более мощную вегетативную массу с мощной корневой системой и обладающей большей поглотительной способностью и, соответственно, большим выносом элементов питания.

Более 48% почв РФ характеризуются очень низким, низким и средним содержанием кальция. Особенно остро эта проблема стоит в Северном, Северо-Западном и Центральном регионах страны (зона нечерноземья), где содержание обменного кальция меньше в 3 раза, чем в почвах Центрально-Черноземного региона (Аканова, Темников, Гришинг, Комарова, Шафронов, 2011).

Большая часть пахотного фонда Дальневосточного региона относится к группе среднеобеспеченных кальцием почвам. Луговочерноземовидные почвы Амурской области, составляющие более 20% от всего пахотного фонда региона, характеризуются высоким содержанием этого элемента (Иванов, 1976). До сих пор нет однозначного мнения о необходимости известкования черноземовидных почв. Большинство исследователей считают, что известь на них не эффективна, поскольку валовых запасов Ca, как и в случае с K, в них достаточно. Кроме того они отличаются высокой суммой обменных оснований. В наших опытах, на лугово-черноземовидных почвах, известь как отдельно, так и совместно с другими удобрениями, не применялась, в отличие от аналогичного опыта на лугово-бурых почвах.

В годы исследований содержание валовых форм Ca увеличивалось во всех вариантах опытов (табл. 3).

В конце последней ротации на лугово-бурых почвах Приморья содержание валовых форм Ca (приложение 1) под соей составило мг/кг на контроле, 10460 мг/кг – при внесении минеральных удобрений и 10760 мг/кг при внесении извести и органо-минеральных удобрений. В почве под пшеницей эти величины составили соответственно: 9550 мг/кг, 10540 мг/кг и 11880 мг/кг. Увеличение содержания валовых форм Ca в почвах удобряемых вариантов происходило за счет извести и фосфорных удобрений, которые содержат этот элемент. В лугово-черноземовидных почвах при внесении удобрений также отмечено увеличение количества валового Ca в среднем на 6–9% под соей, и 3,5–5% под пшеницей.

Содержание подвижных соединений Ca в почвах зависит от многих факторов: ежегодного поступления элемента в почву с минеральными и органическими удобрениями; действием извести, интенсивности обменных реакций с участием кальция, входящего в состав поглощенных катионов.

Кроме того данный элемент является наиболее энергичным водным мигрантом в пределах почвенного профиля, а также интенсивно поглощается растительностью (Переверзев, Кошлева, Логвинова, 1997).

В годы исследований, содержание подвижных форм Ca (табл. 4;

приложение 2) на лугово-бурых почвах под соей варьировало от 239,39 до 312,36 мг/кг на контроле, от 246,32 до 321,22 мг/кг – при использовании минеральных удобрений, и от 232,63 до 297,63 мг/кг на вариантах с внесением извести и органо-минеральных удобрений. В посевах пшеницы диапазон вариабельности этого показателя оказался более узким.

Максимальное количество подвижных форм Ca в Приморском крае обнаружено в почвах опытов с минеральными удобрениями. При возделывании сои, концентрация элемента в удобряемых вариантах превышала концентрацию контрольных вариантов в среднем на 4%, при возделывании пшеницы – на 26%. В Амурской области, наибольшему увеличению подвижного Ca способствовали органо-минеральные удобрения, увеличивая содержание элемента относительно фона на 7% в посевах сои, и на 11% в посевах пшеницы. Как мы отмечали ранее, этот элемент входит в состав двойного суперфосфата, который с 1985 года постоянно использовался в опыте в качестве фосфорного удобрения. До этого применяли простой суперфосфат, в состав которого Са также входил.

Ежегодное внесение этих удобрений в почву, безусловно, сказалось на содержании подвижных форм Ca (Переверзев, Кошлева, Логвинова, 1997).

Также на подвижности элемента отразились разные метеорологические условия, и, связанная с ними, динамика влажности почвы в разные годы наблюдений. Особенно хорошо это было заметно в годы с недостаточным увлажнением, когда растения вынуждены использовать капиллярную влагу (рис. 1, 2; приложение 2). Чаще всего подобное явление наблюдается весной, что провоцирует случаи выхода на дневную поверхность (Зимовец, 1967).

Среднее содержание валовых форм Mn за годы исследований представлено в таблице 3. Содержание валовых форм Mn в лугово-бурых почвах варьировало от 1090 до 1420 мг/кг под соей и от 1100 до 1380 мг/кг под пшеницей, в лугово-черноземовидных от 1020 до 1290 мг/кг (приложение 1). Ранее для рассматриваемых территорий отмечалась небольшая амплитуда колебания валового Mn в агрогенных почвах. На контрольных вариантах, как правило, содержание элемента несколько ниже, по сравнению с удобряемыми вариантами. Это объясняется дополнительным привносом Мn с удобрениями, особенно фосфорными, калийными и органическими. Разброс в содержании валовых форм Мn между разными почвами бывает весьма значительным. Он зависит от химического состава коренных пород (в базальтах его больше, чем в гранитах), а также гидроклиматических условий их формирования (глины подтверждаются данными других ученых, работающих на аналогичных почвах этой территории (Пуртова, 1969).

При сравнении содержания валовых форм Mn в исследованных нами почвах с российскими кларковыми значениями установлено, что в луговобурых почвах содержание этого элемента превышает величину кларка на 28,2–67,1%, в лугово-черноземовидных на 4–52%. При этом концентрация элемента не выходит за границы предельно-допустимого уровня в мг/кг (Гигиенические нормативы…, 2006). Следует отметить, что в отношении основных микроэлементов для почв Приморья и Приамурья В.И. Головым разработаны специальные уровни кларковых концентраций (приложение 3) с учетом региональной специфики почвенного покрова, что существенно отличает их от общероссийских и позволяет провести сравнение состава исследуемых почв более объективно (Голов, 2002). При сравнении величины валовой формы Mn с региональными кларками мы обнаруживаем, что его содержание ниже этих значений в среднем на 16– 30% в Приморье, и на 22–70% в Амурской области.

Подвижные формы Mn обладают большей вариабельностью, по сравнению с K и Ca. В годы исследований, на контрольных вариантах лугово-черноземовидной почвы содержание кислоторастворимых форм колебалось от 99,6 до 288,1 мг/кг; на вариантах с минеральными органоминеральных удобрений – от 107,0 до 310,1 мг/кг (табл. 4;

приложение 2). Высокому содержанию Mn в почвах, по мнению ряда исследователей, способствуют кислая реакция среды и периодическое переувлажнение, в результате которого создаются восстановительные условия (Ярилова, 1940; Сердобольский, Синягина, 1953). В кислой, восстановленной среде Mn становится более подвижным, однако, в пахотном горизонте лугово-черноземовидной почвы обстановка скорее окислительная при слабокислой реакции среды. Поэтому обилие подвижных форм элемента в годы проведения исследований, вероятно, обусловлено гидро-климатическими особенностями. В литературе встречаются сведения о том, что повышение влажности почв резко увеличивает содержание в них подвижных форм Mn, причем особенно ярко это наблюдается, если влажность почвы достигает 90% от общей ее влагоемкости (Ковальский, Андрианова, 1970).

Среднее содержание валового F в почвах мира составляет около мг/кг (Танделов, 2012). Данный элемент отличается высокой подвижностью, и в природных условиях, практически не накапливается в верхних гумусовых горизонтах. Между тем F относят к одному из наиболее фитотоксичных полютантов. Основным источником загрязнения сельскохозяйственных почв этим элементов являются фосфорные удобрения, поскольку более 50% F, поступающего с фосфатным сырьем, остается в удобрениях в доступной для растений форме. Так, по данным разных авторов, ежегодно с фосфорным удобрением в почвы поступает от 3 до 35 кг/га F, что увеличивает общее содержание элемента на 3–5% в год (Минеев, 1988; Танделов, 2012).

В 80-е годы минувшего столетия при регулярном применении среднестатистических доз фосфорных удобрений в почвы Дальнего Востока попадало от 1,4 до 2,6 кг/га фтора (Голов, Каменщикова, 1985).

Сейчас ситуация резко изменилась, в связи с отсутствием или резким недостатком фосфорных удобрений в России.

В годы исследований самые низкие концентрации F обнаружены на контрольных участках: в лугово-бурых почвах 270 мг/кг под соей и мг/кг под пшеницей; и в лугово-черноземовидных соответственно: мг/кг и 300 мг/кг. Внесение минеральных удобрений увеличило содержание валовых форм относительно фона на 5–10% (приложение 1).

Дополнительное внесение навоза и извести способствовало снижению концентрации F в исследуемых почвах.

Следует отметить, что ПДК для валового F в почве до настоящего времени не установлена. По литературным данным, допустимый уровень содержания валовых форм F в почвах составляет 500 мг/кг, в соответствии с этим количество элемента в исследованных почвах находится в пределах фона – 300 мг/кг (Окороков, 1991). При систематическом внесении суперфосфата, особенно в повышенных дозах, этот элемент способен накапливаться в почве в больших количествах и отрицательно влиять на ее свойства, плодородие, на величину урожая и его качество (Потатуева, Капаева, 1978).

В ходе исследований было выявлено, что используемые в опытах системы удобрений способствовали увеличению не только валовых форм F, но и водорастворимых. Особенно отчетливо это заметно на вариантах с использованием минеральных удобрений, где концентрация элемента превосходит концентрацию контрольных вариантов опытов в несколько раз (табл. 4). Так, например, в почве посевов сои Приморского края среднее содержание F составляет 0,90 мг/кг на контроле и 2,24 мг/кг в опыте с минеральными удобрениями, в почве посевов пшеницы – 1,18 и 2,87 мг/кг соответственно.

Известно, что органические удобрения и известь способствуют снижению миграции водорастворимого F, образуя труднорастворимый комплекс с кальцием – CaF2 (Филиппова, Власова, Иванов, 1971). При известковании почвы и внесении органо-минеральных удобрений содержание водорастворимых форм F оказалось ниже, чем на контрольных вариантах.

Химический состав растений отражает элементный состав почв, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые элементы в соответствии с их физиологическими и биохимическими особенностями (Садовникова, Орлов, Лозановская, 2006).

На химический состав растений влияет ряд одновременно действующих факторов, но основными из них является генетический (отображающий избирательность поглощения элементов разными видами) и экологический (указывающий на уровень содержания элементов в питающей среде) (Ильин, 1985). Под экологическим фактором, в первую очередь, подразумевается хозяйственная деятельность человека, и прежде всего, применение удобрений и других средств химизации.

Отличительной особенностью элементного состава сои является то, что уровень содержания K, Ca и Mn в ней оказался выше, чем в пшенице, что связано со специфической ролью элементов в бобовых и злаковых культурах.

Роль калия в растениях довольно хорошо изучена. Данный элемент участвует в фотосинтезе, где он способствует оттоку продуктов ассимиляции из листьев в генеративные органы. Также он активирует участие многих ферментов в метаболизме N, Р, C и Fe (Куркаев, Шеуджен, 2000). По содержанию в растениях K занимает первое место, реже второе – после N или третье – после P и N (Кордуняну, 1985).

Изучение распределения K по отдельным органам растений показало (табл. 5; приложение 4), что в сое основное количество этого элемента накапливается в зерне и листьях, меньше всего – в корнях.

Содержание K2O в различных органах растений сои и пшеницы Общее содержание Увеличение к контролю, % Общее содержание Увеличение к контролю, % Анализ растений показал (табл. 6, приложение 5), что концентрации Ca в органах сои и пшеницы, выращенных на разных типах почв, существенно различается. В исследуемых культурах, произрастающих в Амурской области, общее содержание Ca превосходит содержание элемента в растениях выращенных в Приморского крае на 27–30% в сое, и на 43–53% в пшенице.

Содержание CaO в различных органах растений сои и пшеницы Листья 19255 20555,6 19593,3 24453,4 26692,7 25767, Общее содержание Увеличение к контролю, % содержание Увеличение к контролю, % В сое Ca наиболее интенсивно накапливается в листьях, далее по мере убывания следуют корни и солома. Меньше всего этого элемента содержится в зерне. Схожий характер распределения, но только в гораздо меньших концентрациях, характерен и для Mn (табл. 7; приложение 6).

Большое количество Mn в корнях и листьях, по сравнению с зерном и соломой, можно объяснить рядом причин. Согласно данным В.И. Голова, содержание элемента в листьях сои является наиболее высоким во время цветения растений, и в конце вегетации (Голов, 2004). В зрелых листьях Mn обнаруживается в больших количествах, т.к. он слабо реутилизируется в растениях и способен накапливаться в корнях и листьях нижнего яруса даже при резком его недостатке (Хофф, Медерский, 1962). Следует подчеркнуть, что листья мы отбирали на всех фазах развития растений. В течение вегетации содержание элемента уменьшается во всех органах, поскольку Mn относится к легко выщелачиваемым водой из растений, и способен выделяться через корни (Ковалевский, Чимитдоржиева, 1968).