3.5. СОДЕРЖАНИЕ И ФОРМЫ ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕ, ИХ ДОСТУПНОСТЬ РАСТЕНИЯМ

Все необходимые растениям питательные элементы, за исключением азота, в естественных почвах без удобрений происходят из материнских пород. Накопление азота в почвах осуществляется в органической форме в результате жизнедеятельности симбиотических, свободноживущих и ассоциативных азотфиксаторов молекулярного азота (N₂) атмосферы, так как материнские породы могут удерживать в кристаллических решетках только небольшое количество необменно-поглощенных ионов аммония. Фосфор, калий, кальций и все другие макро- и микроэлементы первоначально имеются только в минеральных формах, но в процессе почвообразования та или иная часть некоторых из этих элементов в почвах может содержаться и в органических формах. Из общих (валовых) запасов в почвах всех элементов и каждого в отдельности для питания растениям доступна (усвояема) обычно очень незначительная часть их (1 — 10%). Напомним, что усвояемые формы питательных элементов — это растворимые в воде и (или) слабых кислотах главным образом минеральные соли необходимых макро- и микроэлементов. Интенсивность и направленность трансформации валовых запасов питательных элементов в усвояемые для растений формы и обратно осуществляются и регулируются всем комплексом природно-экономических условий конкретных экосистем, в том числе в агроценозах: структурой посевов, удобрениями, химическими и гидротехническими мелиорациями и другими агроприемами.

Комплекс всех процессов поступления, трансформации и расходования питательных элементов обусловливает в почвах определенное количественное и качественное состояние их и определяет пищевой режим почвы в целом и каждого элемента в отдельности.

3.5.1. СОДЕРЖАНИЕ И ДИНАМИКА СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА

В пахотном слое (0—25 см) разных почв общее (валовое) содержание азота изменяется от 0,02—0,05 % в дерново-подзолистых почвах до 0,2—0,5 % в черноземах, т. е. даже в пределах одного типа изменяется более чем в 2 раза, а для разных типов — в 10 раз. Так как не менее 95 % общего азота содержится в органическом веществе почвы и только около 1 % в легкоусвояемых для растений минеральных формах (NO3 и NH4), то обеспеченность этим элементом любой почвы определяется содержанием в ней органического вещества (гумуса) и скоростью его минерализации (разложения). Разложение органических азотистых веществ можно представить следующей схемой: гумусовые вещества, белки ^аминокислоты, амиды -> аммиак -> нитриты -> нитраты.

Разложение органических веществ почвы до аммиака, называемое аммонификацией, происходит при помощи разных обширных групп аэробных и анаэробных микроорганизмов. Образующийся аммиак, взаимодействуя с другими продуктами минерализации (угольная, муравьиная, уксусная, азотная и др. кислоты), дает соли, например

NH₃ + H₂C0₃-^NH₄HC0₃,

а при диссоциации ион аммония может обменно поглотиться:

Са 2NH₄

[nnK]Ca+2NH₄HC0₃ <=^[ППК] Са +Са(НС0₃)₂.

В анаэробных условиях процесс разложения на этом останавливается, а в аэробных — соли аммония окисляются до нитратов (нитрификация). Скорость аммонификации зависит от температуры, влажности, реакции и других условий, а в анаэробных условиях в сильнокислых (торфяники) и сильнощелочных (солонцы) почвах этот процесс резко замедляется.

Нитрификация осуществляется группой аэробных бактерий (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira и Nitrobakter), для которых этот процесс является источником энергии. Окисление аммиачного азота происходит через ряд промежуточных продуктов (гидроксиламин, азотистая и азотная кислоты), причем в окислении до азотистой кислоты участвуют из указанных ранее первые три группы бактерий, а четвертая далее до азотной кислоты — по следующей схеме:

nh₃-*nh₄oh-> nh₂oh ^hno-*hno₂-*hno₃.

Г идроксиламин

Образующаяся азотная кислота нейтрализуется растворимыми и (или) обменно-поглощенными катионами кальция и других оснований:

2HN0₃ + Са(НС0₃)₂ = Ca(N0₃), + 2Н,С0₃;

Са 2Н

2HN0₃+[nrTK]Ca=Ca(N0₃ )₂+[ПГЖ]Са.

Влажность почвы 60—70 % капиллярной влагоемкости, температура 25—32 °С и pH 6,2—8,2 — оптимальные условия для нитрификации, при которых процесс протекает максимально быстро, и при достаточных запасах аммиачных форм почвенного азота за один вегетационный период может образоваться до 300 кг/га азота в виде азотной кислоты.

Интенсивность и объемы процессов аммонификации и, следовательно, нитрификации зависят от общего количества и качества органического вещества и особенно лабильной части его (ЛОВ), водно-воздушного и теплового режимов и реакции среды. Поэтому с помощью мелиорантов, органических и минеральных удобрений, способов обработки почвы, структуры посевных площадей можно в той или иной степени практически воздействовать на эти процессы и одновременно учитывать их для повышения эффективности и экологической безопасности применения удобрений в конкретных условиях.

Методы определения нитрифицирующей способности почв, легкогидролизуемого азота, а также аммиачных и нитратных форм его в почвах широко используют в почвенной диагностике азотного питания растений для оптимизации доз азотных удобрений, получения максимальной продуктивности культур и предотвращения загрязнений нитратами продукции, грунтовых, хозяйственных и питьевых вод.

Нитрификация наряду с положительной играет и отрицательную роль, так как избыток нитратов может загрязнять продукцию, вымываться с осадками и оросительными водами в грунтовые воды вплоть до питьевых, а также подвергаться денитрификации с образованием выделяющихся из почвы газообразных потерь в виде NO, N₂0 и N₂.

Денитрификация — восстановление нитратного азота до указанных газообразных соединений в анаэробных условиях осуществляется обширной группой бактерий — денитрификаторов (deni-trificans, stutzeri, fluorescens, puocyaneum и др.). Процесс идет через ряд промежуточных этапов по следующей схеме:

HN0₃ -> HN0₂ -> (HNO)₂ -> n₂o -> n₂.

Гипонитрит

Продукты биологической денитрификации (N₂0 и N₂) являются одними из основных газообразных потерь азота почвы. Между денитрификацией и нитрификацией существует тесная связь. Интенсивная нитрификация в аэробных микрозонах вызывает обеднение их кислородом, они становятся анаэробными. Кроме этого даже при хорошей структуре и оптимальной влажности почвы внутри отдельных микроагрегатов могут также существовать анаэробные микрозоны, создаются благоприятные условия для денитрификации.

Наряду с биологической денитрификацией в почвах возможно восстановление нитратов и в результате химических реакций (хемодинитрификация) между соединениями, образующимися при аммонификации, нитрификации и денитрификации. Например, при взаимодействии азотной кислоты с аминокислотами:

HN0₃ + CH₂NH₂COOH -»CHjCOOH + Н₂0 + N,0 Т, или с гидроксиламином:

HN0₃ + 3NH₂OH -> 5Н,0 + 2N, Т.

В кислой среде (pH < 5) азотистая кислота легко разлагается с образованием газообразного оксида азота:

3HN0, -э HN0₃ + Н,0 + 2N0 Т.

Наряду с минерализацией органического азота в результате изложенных ранее процессов в почвах одновременно происходят и процессы вторичного синтеза — из образовавшихся минеральных форм и внесенных удобрений микроорганизмы строят белки собственных тел. Азот при этом не теряется из почвы, а переходит в недоступные для питания растений формы — иммобилизуется, хотя при отмирании микроорганизмов он вновь минерализуется и может стать доступным растениям. Процессы мобилизации (минерализации) и иммобилизации протекают в почвах одновременно, а интенсивность каждого и соотношение между ними очень динамичны и в значительной степени определяют условия азотного питания растений. Именно поэтому для уточнения доз внесения азотных удобрений под различные культуры и на любых почвах чрезвычайно важна почвенная диагностика азотного питания.

3.5.2. СОДЕРЖАНИЕ И ДИНАМИКА СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА

Фосфор по среднему содержанию в земной коре среди всех элементов занимает 13-е место (0,12%), причем в верхнем слое почвы его значительно больше, чем в нижележащих и в материнской породе благодаря постоянному извлечению корнями растений из более значительного объема почвы и подпочвы, чем тот, в котором корни и надземные органы растений отмирают. Валовые запасы фосфора в пахотном слое различных почв зависят от гранулометрического и минералогического состава и содержания органического вещества и колеблются от 0,03—0,12 % в дерново-подзолистых почвах до 0,10—0,30 % в черноземах.

Минеральные фосфаты. Как правило, преобладают над органическими во всех почвах. Доля органических фосфатов наиболее высока в пахотном слое серых лесных почв и мощных черноземов (до 35—45 %), но к югу и северу она уменьшается, а минеральных возрастает: в среднеоподзоленных до 69 %, в сильнооподзоленных до 73, в каштановых почвах до 75 и в сероземах до 86 %. Чем больше в почве органического вещества, тем выше доля органических и валовых фосфатов.

Органические фосфаты. Содержатся в гумусе, неразложившихся остатках живых организмов и фитатах. Кальциевые и магниевые соли фитина (фитаты) преобладают в нейтральных, а алюминия и железа — в кислых почвах. Фитаты составляют наибольшую часть (до 50 %) органических фосфатов. Органические фосфаты минерализуются различными микроорганизмами, причем часть фосфора (до 24 кг/га), как и азота, находится в массе их тел, а оставшаяся может быть усвоена растениями и (или) поглощена почвой.

Минеральные фосфорнокислые соли одновалентных катионов любой степени замещения, а также однозамещенные фосфаты кальция и магния растворимы в воде и легко усваиваются всеми культурами. Однако из-за быстрого химического и физико-химического поглощения почвой водорастворимых соединений фосфора в почвах очень мало — редко более 1 мг/кг почвы.

Растения благодаря корневым выделениям способны усваивать и растворимые в слабых кислотах (угольная, уксусная, лимонная, щавелевая и др.) фосфорнокислые соли. В еще больших количествах слабые и более сильные кислоты выделяются микроорганизмами (азотная при нитрификации, серная при окислении серосодержащих белков и аминокислот, фосфорная при минерализации фос-форорганических веществ, угольная и органические при дыхании и брожении).

В слабых кислотах (или слабых растворах сильных кислот) хорошо растворимы двухзамещенные фосфаты двухвалентных катионов и малорастворимые трехзамещенные фосфаты двух- и трехвалентных катионов. Минимальная растворимость фосфатов железа и алюминия наблюдается при pH соответственно 2,2 и 3,7, а трехзамещенных фосфатов кальция и магния — при pH 6,5 и 10. Неудивительно, что слабокислая реакция (pH 6) наиболее благоприятна для питания растений фосфором.

В почвах под влиянием естественных и антропогенных, химических, биологических, физических, физико-химических и других воздействий одновременно происходят сопряженные процессы перехода форм фосфора из доступных в недоступные растениям и обратно. Поэтому для определения степени обеспеченности различных культур фосфором большое значение имеют слабокислотные вытяжки из разных почв: 1—2%-ная лимонная; 2 — 3%-ная уксусная, 0,2 н. соляная, 0,002 н. серная (с добавлением (NH₄)₂S0₄ для поддержания pH 3) и дистиллированная вода, насыщенная С0₂.

Наряду с разными методами определения усвояемых (подвижных) фосфатов существуют и методы определения фосфатного потенциала почв (Карпинского и Замятиной, Скофилда), позволяющие контролировать уровень его в зависимости от применяемых удобрений, мелиорантов или других факторов.

Методы определения усвояемых растениями фосфатов почв в сочетании с полевыми опытами широко используют (в виде картограмм, паспортов полей, рекомендаций по применению удобрений) агрохимическая служба страны и специалисты хозяйств для определения и коррекции доз фосфорных удобрений под возделываемые культуры и в целях регулирования фосфатного режима почв в конкретных природно-экономических условиях.

Динамика усвояемых фосфатов зависит от почвенно-климатических условий возделываемых культур (и сортов), количества и качества применяемых удобрений и мелиорантов и в целом от уровня интенсификации сельскохозяйственного производства. Поэтому повторные обследования почв для этих целей проводят через разные промежутки времени: от 1—2 лет в интенсивных (орошаемых, овощных) до 10 и более лет в экстенсивных неудоб-ряемых агроэкосистемах.

3.5.3. СОДЕРЖАНИЕ И ДИНАМИКА СОЕДИНЕНИЙ КАЛИЯ

Валовое содержание калия в почвах (в среднем 2,14%) почти всегда выше, чем азота и фосфора, вместе взятых, причем с увеличением глинистых частиц в гранулометрическом составе оно может достигать 3,0%. Гораздо меньше калия в супесчаных (до 2,0%), песчаных (до 1,5%) и особенно торфяных (менее 1,0%) почвах, причем в подпахотных слоях дерново-подзолистых и серых лесных почв валовое содержание его выше, чем в пахотных.

Калий почв на 99,9 % представлен минеральными соединениями, поэтому обеспеченность этим элементом растений зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы. Общий (валовой) калий содержится: в составе кристаллических решеток первичных и вторичных минералов (не менее 91 % от общего), в обменно- (0,5—2,0 %) и необменно-поглощенном (до 9,0 %) состояниях, в виде солей (карбонатов, нитратов, хлоридов и др.) почвенного раствора (0,05—0,2 %) и в составе пожнивно-корневых остатков, микроорганизмов (до 0,05 %).

Легче всего растения усваивают водорастворимый калий (почвенного раствора), хорошо — разложившихся остатков живых организмов и обменно-поглощенный. Все эти формы подвижны, доступны для растений. Ближайшим резервом питания являются необменно-поглощенный (фиксированный) калий, гидрослюды, вермикулиты, вторичные хлориты и малорастворимые соли. Потенциальный резерв — полевые шпаты, слюды, пироксены и первичные хлориты.

Между различными формами калия в почвах существует динамичное (подвижное) равновесие и, если, например, растения смогут потребить водорастворимые формы, количества их пополнятся за счет обменно-поглощенных, уменьшение которых через какое-то время может быть возмещено за счет необменной, фиксированной формы. Следует иметь в виду, что при внесении водорастворимых калийных удобрений трансформация их может протекать в противоположном направлении.

Для определения степени обеспеченности растений калием и фосфором в России существуют стандартные методы определения подвижных форм его в разных почвах: Кирсанова (почвы Нечерноземной зоны), Чирикова (некарбонатные черноземы), Мачиги-на (карбонатные черноземы, каштановые и бурые почвы), Ониани (красноземы, желтоземы) и др.

Проектно-изыскательские центры и станции химизации Агрохимслужбы по результатам анализов почв составляют картограммы обеспеченности агроландшафтов подвижным калием, фосфором, иногда легкогидролизуемым азотом и микроэлементами, а также по уровню реакции почв (рН_С0Л).

Характеристика калийного режима предусматривает не только содержание подвижных форм, но и степень их подвижности, т. е. доступности растениям. На основе физико-химической взаимосвязи между катионами калия, кальция и магния в системе почва — почвенный раствор разработан метод определения калийного потенциала, рассматриваемого как «фактор интенсивности» почвенного калия. Калийный потенциал почвы показывает возможность перехода поглощенного ею калия в раствор с учетом конкуренции сопровождающих катионов кальция и магния. Чем выше величина калийного потенциала, тем ниже способность катиона калия к переходу в раствор и, следовательно, доступность растениям. В соответствии с принятой градацией калийный потенциал в пределах 2,5—2,9 свидетельствует о недостатке калия для нормального развития растений, 1,8—2,2 — об оптимальном уровне обеспеченности, менее 1,5 — избытке калия.

Способность почвы поддерживать калийный потенциал на определенном уровне при изменении под влиянием удобрений и растений содержания подвижного калия называют потенциальной калийной буферной способностью. Она является отношением фактора емкости (количество калия, извлекаемое из почвы 0,002 М раствором СаС1₂) к фактору интенсивности (равновесной активности К⁺ в почвенном растворе).

Показатели степени обеспеченности почв подвижным калием и калийного потенциала в сочетании с данными полевых опытов широко используют в практике для определения и коррекции доз калийных удобрений и в целях регулирования калийного режима почв под возделываемыми культурами в конкретных природноэкономических агроэколандшафтах.

3.5.4. СОДЕРЖАНИЕ И ДОСТУПНОСТЬ РАСТЕНИЯМ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

О степени обеспеченности растений микроэлементами судят по общему количеству (потенциальные запасы) и содержанию подвижных форм их (эффективные запасы) в почвах, причем последнее в определенной степени отражает и усвояемость их растениями. Доля подвижных форм чаще всего составляет для меди, молибдена, кобальта и цинка 10—15 %, а для бора 2—4 % общего (валового) содержания их в разных почвах.

Валовые запасы микроэлементов в почвах определяются содержанием их в материнских породах, а доля подвижных зависит от многих свойств конкретной почвы, количества и качества применяемых удобрений и мелиорантов, характера растительности и других факторов, причем влияние каждого из них довольно специфично для разных микроэлементов. Например, подкисление среды увеличивает подвижность и, следовательно, усвояемость для растений марганца, меди, бора, цинка, железа и других элементов, а молибдена — значительно снижает. Под термином «подвижность микроэлементов» обычно подразумевают все формы их, извлекаемые разными вытяжками: водной, солевой, слабыми органическими и разбавленными минеральными кислотами, щелочами и другими растворами, при этом часто без указания различий между подвижными и усвояемыми для растений формами. Недостаток специальных для конкретных почв и растений градаций обеспеченности микроэлементами обусловливает необходимость использования для этих целей всех имеющихся материалов.

На кафедре агрохимии МСХА (Ягодин, Верниченко) обобщены литературные материалы полевых и вегетационных опытов, анализов почв и растений по обеспеченности почв основных био-геохимических зон страны подвижными формами микроэлементов (табл. 34).

Следует подчеркнуть, что растения обычно усваивают только до 1 % микроэлементов, извлекаемых агрессивными вытяжками (НС1, HN0₃, H₂S0₄) из почвы. Для надежной оценки степени нуждаемости растений в микроэлементах необходимо наряду с почвенной (анализы почв) использовать результаты растительной диагностики.

3.5.5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЧВ ПО ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ПИТАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

По существующей в России классификации все почвы по степени обеспеченности питательными элементами и реакции группируют в 6 классов (табл. 35). Эту классификацию используют при агрохимических обследованиях почв, составлении агрохимических карт (картограмм) и паспортов полей и для разработок рекомендаций по определению оптимальных доз удобрений и мелиорантов под возделываемые культуры в конкретных природно-экономических условиях.

Для отдельных регионов страны уровни градаций обеспеченности растений питательными элементами, безусловно, необходимо уточнять на основании местных данных полевых опытов, видового и сортового разнообразия культур и конкретных почвенно-климатических условий. При этом следует помнить, что средние (оптимальные) уровни обеспеченности почв питательными элементами неодинаковы для разных групп и отдельных культур. Для зерновых, зернобобовых и трав это третий класс, для пропашных — четвертый, а для овощных — пятый класс. Для более оперативного регулирования доз удобрений, мелиорантов и пищевых режимов под отдельными культурами существует почвенная диагностика питания растений.