Изменение плодородия и свойств почвы при систематическом применении удобрений

Сочетание приемов современного земледелия направлено на неуклонное повышение плодородия и улучшение свойств почвы. При этом главная роль принадлежит научно обоснованной системе применения удобрений. Для управления плодородием почв необходимо всестороннее изучение почвенных процессов, взаимодействия удобрений с почвой и растениями, а также факторов, определяющих доступность остаточных питательных веществ.

Наиболее детально изучить взаимодействие почв, растений и удобрений можно в длительных стационарных опытах с систематическим применением удобрений. В таких опытах создаются исключительные условия стандартизации, позволяющие лучше изучить действие климата и агрометеорологических условий на культуры, почвы и факторы, регулирующие почвенное плодородие.

Основные направления агрохимических исследований в длительных стационарных опытах следующие: 1) сравнительная оценка доз, видов и форм минеральных удобрений, внесенных по эквивалентному количеству питательных веществ; 2) оценка эффективности минеральной, органической и органоминеральной систем удобрений в севооборотах различной специализации; 3) установление оптимального распределения удобрений среди культур севооборота в целях получения наибольшей их окупаемости; 4) достижение максимальной эффективности при сочетании различных систем удобрения с химической мелиорацией почв и их влияние на свойства почвы и продуктивность севооборотов; 5) возможность периодического внесения фосфорных и калийных удобрений; 6) оптимизация плодородия и свойств почвы; 7) регулирование биологического круговорота и баланса биогенных элементов в агроценозе; 8) экологические функции агрохимических средств.

В агрохимии приняты следующие методы исследования свойств почвы в длительных стационарных опытах (табл. 3.4).

Физико-химические свойства почв помимо непосредственного действия на урожай культурных растений оказывают значительное влияние на пищевой режим почв, их биологическую активность, обусловливают характер превращения внесенных в почву удобрений в пахотном горизонте, а в условиях промывного водного режима определяют возможность передвижения некоторых соединений в более глубокие слои почвы.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений сопровождается изменениями физико-химических свойств почв. Многолетнее внесение навоза, как правило, увеличивает количество органического вещества и емкость поглощения почв, снижает обменную и гидролитическую кислотность и увеличивает степень насыщенности почв основаниями, т.е. улучшает физико- химические свойства почв. О существенном влиянии удобрений на агрохимические и агрофизические свойства почвы даже на черноземе свидетельствуют данные табл. 3.5. Продуктивность севооборота по вариантам составила (ц/га корм, ед.): 1-61,8; 2-77,9; 3-93,6 и 4-97,7.

Совместное применение навоза и минеральных удобрений в течение 15 лет повысило содержание гумуса на 12,6 т/га, азота - на 0,7 т/га, плотность почвы понизило на 0,08 г/см³, общая и капиллярная влагоемкость возросла более чем на 3%, водопроницаемость - на 4,3 мм/(ч×см²), а общая порозность - на 3%.

От длительного применения минеральных удобрений свойства почв ухудшаются. Это объясняется поглощением почвой катионов, входящих в состав удобрений, и подкислением реакции почвенного раствора в результате вытеснения из поглощающего комплекса водорода и алюминия, а также физиологической кислотностью азотных и калийных удобрений. При правильном применении удобрений (на фоне навоза или известкования, внесении добавок для нейтрализации физиологической кислотности удобрений) кислотность почв не только не увеличивается, но в ряде случаев происходит даже ее снижение. На нейтральных и близких к нейтральным черноземах некоторое подкисление в результате применения удобрений можно считать даже положительным, так как многие соединения при этом становятся более подвижными и доступными для растений. Следовательно, характер и оценка действия удобрений на физико-химические свойства почв, как и все другие показатели плодородия, зависят от почвенно-климатических условий и форм применяемых удобрений.

При промывном водном режиме дерново-подзолистых и серых лесных почв изменения их свойств под влиянием удобрений происходят не только в пахотном, но и в более глубоких слоях. Это объясняется повышенным количеством осадков в этой зоне и подкислением почвы при высоких дозах минеральных удобрений, образованием исключительно подвижных органических соединений при внесении навоза, а также пептизацией почвенных коллоидов под влиянием одновалентных катионов, входящих в состав удобрений, и вымыванием их вместе с адсорбированными соединениями за пределы пахотного слоя. Особенно благоприятные условия для миграции питательных веществ в нижележащие слои вследствие пептизации коллоидов создаются при внесении удобрений в пару и под пропашные культуры, при частых обработках почвы. Чем легче механический состав почвы и выше доза удобрений, тем сильнее выражен процесс вымывания коллоидов.

Под влиянием систематически вносимых удобрений рост урожая ведет к увеличению количества пожнивно-корневых остатков в почве, разложение которых обусловливает новообразование органических коллоидов в пахотном слое и наряду с пептизацией более крупных почвенных частиц приводит к увеличению содержания в нем илистой фракции. В малобуферных почвах легкого гранулометрического состава процесс вымывания коллоидов может преобладать над их новообразованием.

свойств сосредоточены главным образом в пахотном и подпахотном слоях, что объясняется ограниченным количеством осадков в степной зоне и неглубоким промачиванием почвы. На этих почвах длительное применение удобрений также приводит к росту илистой фракции почвы и величины емкости поглощения. При этом кислотность почв на фоне навоза снижается, а при применении минеральных удобрений возрастает. Это объясняется физиологической кислотностью азотных и калийных удобрений и необменным поглощением одновалентных катионов в сочетании с отсутствием условий для вымывания водорода и кислотного остатка. Повышение кислотности черноземов часто способствует увеличению подвижности некоторых питательных веществ и повышает доступность их растениям.

Систематическое применение навоза и минеральных удобрений на сероземах не оказывает существенного влияния на реакцию почвенного раствора в связи с их карбонатностью и буферностью. Некоторое увеличение содержания илистой фракции и повышение емкости поглощения этих почв в верхних слоях происходят за счет образования коллоидов из органических остатков растений. Пахотный слой сероземов не обедняется коллоидами, в связи с тем что почвы содержат большое количество кальция, который, поглощаясь коллоидами, препятствует их диспергированию и вымыванию. Передвижение питательных веществ удобрений вниз по профилю в сероземах и потери их с грунтовыми и сбросными водами обусловлены промывным водным режимом в условиях орошения и хорошей растворимостью некоторых соединений.

Длительное применение органических и минеральных удобрений увеличивает общее содержание углерода и азота (по сравнению с контролем) в бедных гумусом дерново-подзолистых и сероземных почвах, слабо влияя на богатые гумусом черноземы. В вариантах с внесением навоза наблюдается повышение содержания органического вещества главным образом в верхних горизонтах, а более слабое влияние минеральных удобрений проявляется иногда и в подпахотном слое почвы. Навоз и минеральные удобрения не изменяют групповой состав органического вещества различных почв. Состав гумуса длительно удобрявшихся почв сохраняет свойства, присущие органическому веществу, сформировавшемуся в региональных условиях почвообразования. Длительное применение удобрений сопровождается обогащением почвы подвижным органическим веществом, находящимся в ранних (гидрофильных) стадиях гумификации, химически «молодых», более биохимически активных органических соединений, обогащает почву подвижным, доступным растениям азотом. Наиболее сильное действие удобрений на этот показатель отмечено на дерново-подзолистых почвах, слабее - на черноземах и очень слабо - на сероземах.

Внесение удобрений в почву сопровождается фиксацией (необменным поглощением) азота в виде иона NH₄⁺ глинистыми минералами, что значительно уменьшает доступность его растениям. Фиксация азота в пахотном и более глубоких слоях может достигать значительных размеров и должна учитываться в общем балансе азота в севообороте.

Природные запасы фосфора в почвах и их распределение по профилю определяются содержанием фосфора в материнских породах и характером почвообразовательного процесса. При систематическом внесении удобрений увеличиваются валовое содержание фосфора, запас подвижных его соединений и повышается подвижность фосфатов. Степень проявления указанных изменений определяется дозами удобрений, длительностью опыта и свойствами самой почвы. Основная масса фосфора, накопленного в результате внесения удобрений, остается в пахотном слое почвы. Однако при высоких дозах удобрений фосфором обогащаются подпахотный слой, а в некоторых случаях (на легких почвах без известкования, при орошении и т.д.) и более глубокие слои почвы.

Групповой состав минеральных фосфатов по всему профилю определяется генетическими особенностями почв. В дерново-подзолистых почвах преобладают фосфаты полуторных оксидов, в черноземах и сероземах - фосфаты кальция.

При внесении минеральных удобрений в почвах накапливается несколько больше фосфатов полуторных окислов по сравнению с унавоженными почвами.

Характер превращения калия в сильной степени зависит от почвенно-климатических условий (табл. 3.6). В дерново-подзолистых и серых лесных почвах заметно повышается количество обменного калия, а содержание необменного калия меняется мало. Накопление обменного калия наблюдается не только в пахотном слое, но и в более глубоких слоях исследованных почв. В пахотном слое черноземов преобладает необменное поглощение калия, а количество обменного калия возрастает в меньшей степени. В сероземах существенно увеличивается содержание как обменного, так и необменного, поглощенного калия. Промывной режим почв, создаваемый орошением, способствует миграции калия по профилю и накоплению его различных форм в нижних слоях почвы.

При систематическом внесении удобрений происходит фиксация содержащихся в удобрениях одновалентных катионов калия и аммония почвенными коллоидами. Это связано с вхождением катионов внутрь кристаллической решетки минералов. Существенное значение в переходе калия и аммония в необменное состояние имеют тип глинистого минерала, гранулометрический состав почвы, содержание в ней органического вещества, реакция почвенного раствора, концентрация катионов калия и аммония в почвенном растворе, состав и концентрация сопутствующих катионов, степень насыщенности поглощающего комплекса данным катионом и гидротермические условия, в которых происходит фиксация.

Необменное поглощение катионов снижает доступность их растениям и коэффициент использования азотных и калийных удобрений. Фиксация катионов в значительной степени определяется типом почвы. Так, дерново-подзолистые почвы характеризуются невысокой способностью фиксировать калий, несмотря на высокую дисперсность минералов. Это объясняется кислой реакцией почвенного раствора, ненасыщенностью почв основаниями, невысоким содержанием органического вещества и повышенной влажностью почв. В таких случаях создаются неблагоприятные условия для необменного поглощения калия, который фиксируется лишь в небольшом количестве и только в верхнем пахотном слое почвы.

Известкование и длительное применение навоза повышают фиксирующую способность кислых почв в отношении калия по сравнению с минеральными удобрениями, что связано с увеличением количества органического вещества, а также коагулирующим действием двухвалентных катионов, входящих в состав навоза и известковых удобрений. При совместном внесении азотных и калийных удобрений в связи с конкурирующим действием иона NH₄⁺, входящего в состав удобрений, фиксация калия снижается более чем в 2-3 раза.

Длительное применение азотных удобрений сопровождается увеличением количества фиксированного аммония в почве. Почвы легкого гранулометрического состава фиксируют аммоний в меньшей степени, чем почвы более тяжелые, так как фиксация связана с илистой фракцией и составляющими ее глинистыми минералами. При систематическом внесении азотных удобрений увеличение содержания фиксированного аммония происходит не только в пахотном, но и в более глубоких слоях почвы, особенно на почвах легкого гранулометрического состава. По-видимому, необменно-поглощенный аммоний вымывается в нижние слои с коллоидами, содержание которых вниз по профилю почвы заметно возрастает.

При совместном внесении азотных и калийных удобрений фиксация аммония снижается вследствие конкурирующего действия калия. Необменное поглощение аммония при внесении навоза менее выражено, чем в вариантах с минеральными удобрениями. Это объясняется повышенной фиксацией калия, улучшением физико-химических свойств почвы, а следовательно, и более усиленной нитрификационной способностью почв. В серых лесных почвах фиксация калия и аммония выражена сильнее, чем в дерново-подзолистых.

Реакция почвенного раствора, минералогический состав этих почв и повышенное содержание органического вещества способствуют усилению этого процесса. Промывной режим обусловливает увеличение катионов не только в пахотном, но и в нижних слоях почвенного профиля. Внесение минеральных удобрений сопровождается более высокой по сравнению с навозом фиксацией катионов.

В черноземах условия для фиксации катионов исключительно благоприятны: высокая насыщенность поглощающего комплекса основаниями, более высокое значение pH по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, большое количество органического вещества, минералогический состав коллоидной фракции с преобладанием монтмориллонитовой группы, периодическое пересыхание верхнего слоя, при котором происходит необратимая коагуляция коллоидов, - все это способствует необменному поглощению катионов.

Совместное внесение азотных и калийных удобрений существенно не снижает фиксацию калия, так как в черноземах интенсивно протекают процессы нитрификации. Это же является и причиной небольшого увеличения количества фиксированного аммония в удобренных вариантах. Фиксация калия и аммония происходит только в верхних слоях черноземов. Аммоний минеральных удобрений фиксируется интенсивнее, так как отличается большей подвижностью, чем аммоний навоза.

В каштановых почвах и сероземах многолетнее применение удобрений приводит к увеличению количества необменного калия и аммония. Переход этих катионов в необменно-поглощенное состояние связан с преобладанием гидрослюдистых минералов в составе илистой фракции почв. Эти минералы обладают исключительно высокой фиксирующей способностью в отношении одновалентных катионов. Большое значение имеют также щелочная реакция почвы, насыщенность двухвалентными основаниями и периодическое пересыхание почв в условиях жаркого климата сухостепной и пустынной зон.

Промывной режим в условиях орошения обусловливает увеличение фиксированных катионов в нижних слоях почвенного профиля. Совместное внесение азотных и калийных удобрений слабо влияет на фиксацию катионов, так как минералогический состав этих почв имеет высокую емкость фиксации одновалентных катионов.

По содержанию обменного калия и фиксированного аммония почвы располагаются в такой последовательности: дерново-подзолистые < серые лесные < черноземы < каштановые < сероземы.

В пределах одного типа количество необменных катионов возрастает от почв легкого к почвам тяжелого гранулометрического состава. Запасы необменных катионов значительны, и их необходимо учитывать при оценке плодородия почв и балансовых расчетах.

Закрепление азота в почве в виде необменно-поглощенного аммония происходит в первые годы систематического применения удобрений, и при заполнении емкости фиксации дальнейшего увеличения количества фиксированного аммония при внесении удобрений не происходит.

Фиксация калия на дерново-подзолистых почвах небольшая и не представляет опасности, так как необменный калий почвенных коллоидов является главным источником пополнения запасов обменного калия, доступного для питания растений.

Калий, как и аммоний, наиболее активно фиксируется в первые годы внесения удобрений, и при заполнении емкости фиксация необменного поглощения калия во времени снижается, а доступность его растениям, а следовательно, и коэффициент использования его растениями возрастают.

Важным показателем плодородия почвы является ее биологическая активность - совокупность биологических и биохимических процессов, протекающих в почве, определяющихся генетическими способностями почвы, гидротермическими условиями, агротехническими мероприятиями. Биологической активностью почв в значительной мере определяется степень минерализации и гумификации растительных остатков, мобилизационная способность почв, а следовательно, и обеспеченность растений доступными элементами питания. Связь биологической активности почвы с ее плодородием изучена в меньшей степени. Установлено, что систематическое применение удобрений в севооборотах активизирует деятельность почвенной биоты.

На дерново-подзолистых кислых почвах существенное влияние на активность биологических процессов в почве оказывает известкование. Периодическое известкование снижает содержание подвижного алюминия и обменного водорода, улучшает условия жизни микроорганизмов в почве, что усиливает процессы минерализации органического вещества.

Положительное действие на биологическую активность оказывает навоз в чистом виде, в сочетании с минеральными удобрениями и известкованием (табл. 3.7).

Влияние удобрений на ферментативную активность дерново- подзолистых почв аналогично влиянию на общую биологическую активность. Максимальная активность ферментов отмечена на фоне навоза. Минеральные удобрения без извести оказывают слабое влияние на ферментативную активность, а на фоне извести повышают ее.

На черноземе, темно-серой лесной почве и сероземе навоз в чистом виде и совместно с минеральными удобрениями положительно действует на ферментативную активность. В большинстве случаев повышается активность уреазы, так как для ее продуцентов - уробактерий благоприятной является нейтральная или слабощелочная реакция почвы. Этим объясняется более высокая активность уреазы на фоне навоза по сравнению с минеральными удобрениями. Возрастает активность и инвертазы под влиянием удобрений. Причем активность процессов разложения и синтеза безазотистых форм органического вещества возрастает в одинаковой степени на фоне навоза и минеральных удобрений.

На активность каталазы удобрения почти не влияют. В целом напряженность биохимических процессов в почве зависит от ряда факторов и обусловливается в значительной степени особенностями почв и видом удобрений.

Следовательно, агрохимические средства оказывают комплексное воздействие на плодородие и свойства почвы:

• Подкисляют или подщелачивают почвенный раствор.

• Улучшают или ухудшают агрохимические свойства почвы.

• Усиливают или ослабляют биологическую и ферментативную активности почвы.

• Способствуют усилению или ослаблению физико-химического и химического поглощения.

• Способствуют мобилизации или иммобилизации токсических элементов и радионуклидов.

• Усиливают процессы минерализации или синтеза гумуса в почве.

• Ослабляют или активизируют биологическую фиксацию N₂ из атмосферы.

• Усиливают или ослабляют действие других питательных элементов почвы или удобрений.

• Способствуют мобилизации или иммобилизации биогенных макро- и микроэлементов почвы.

• Вызывают антагонизм или синергизм ионов в почве при поглощении растениями, что влияет на обмен веществ.

Оптимизация плодородия почв - важнейшая проблема агрохимии независимо от направления земледелия. Благодаря разработкам научно-исследовательских учреждений и особенно данным длительных стационарных опытов с удобрениями в Географической сети стала возможной оптимизация плодородия почвы по агрохимическим и агрофизическим показателям. Показатели плодородия почвы являются оптимальными в том случае, если они обеспечивают формирование высокого урожая и качества продукции всех культур севооборота, повышают экономическую эффективность и улучшают экологическую ситуацию в конкретном агроценозе. Оптимальные параметры плодородия почвы должны соответствовать биологическим требованиям всех культур севооборота и способствовать реализации их потенциальной продуктивности.

Поэтому плодородие почвы важно рассматривать и оценивать по комплексу показателей в соответствии со специализацией севооборота. О комплексе оптимальных показателей плодородия и свойств, например, дерново-подзолистых средне- и легкосуглинистых почв можно судить по данным табл. 3.8.

Оптимальные параметры основных показателей плодородия почвы создаются путем применения комплекса агротехнических приемов и агрохимических средств. Почвенным институтом им. В.В. Докучаева предложены параметры основных показателей плодородия почв, обеспечивающие высокую урожайность сельскохозяйственных культур. Они дифференцированы в зависимости от свойств почвы, специализации земледелия и других условий. Например, для почв дерново-подзолистого типа важным показателем является оптимальный уровень ее кислотности, который определяется с учетом специализации севооборота, биологических особенностей культур, гранулометрического состава, суммы и состава поглощенных катионов и т.д. Оптимальные уровни рН_KCl для дерново-подзолистых почв установлены с учетом биологических особенностей культур, гранулометрического состава почвы и климатических условий зоны.

Одной из основных причин различной чувствительности растений к кислой реакции почвы являются наличие и неодинаковая подвижность в ней алюминия, причем культуры реагируют не только на содержание в почве активных его форм, но и на соотношение обменного кальция и алюминия или суммы кальция и магния и алюминия. Чем выше это соотношение, тем слабее отрицательное действие алюминия.

Проблема оптимизации реакции почвенного раствора обострена еще и расширением применения физиологически кислых минеральных удобрений, приводящих к резкому обеднению пахотного горизонта кальцием. Поддержание оптимальной реакции среды кислых почв неразрывно связано и с научно обоснованной технологией их известкования.

В наибольшей степени определяет плодородие почвы гумус. В нем содержатся почти весь запас азота, значительная часть фосфора и серы, а также калия, кальция, магния и других питательных веществ. Способы создания бездефицитного баланса гумуса в почве, расширенного его воспроизводства - важная задача агрохимии. Определены оптимальные показатели содержания гумуса в дерново-подзолистых почвах: в песчаных - 1,8-2,0, супесчаных - 2,0-2,5, суглинистых - 2,6-3,0%. Для поддержания бездефицитного баланса гумуса в этих почвах необходимо вносить ежегодно соответственно 16-18, 13-15 и 10-12 т навоза.

Для поддержания оптимального содержания гумуса в кислых дерново-подзолистых и серых лесных почвах рекомендуется сочетать известкование, применение органических и ежегодное внесение азотных удобрений в дозах, покрывающих не менее 90% выноса азота культурами севооборота, обязательное включение в структуру посевных площадей бобово-злаковых трав. Дозы органических удобрений зависят от содержания гумуса в почвах и их гранулометрического состава. Оценку азотного режима почв в большинстве зон страны проводят по содержанию в них минерального азота. Существуют различные модификации оценки оптимизации содержания азота в почве в зависимости от почвенно-климатических условий.

Одной из главных характеристик общей окультуренности почв служит содержание подвижного фосфора, при котором достигаются наибольший урожай возделываемой культуры и отсутствие эффекта от дополнительно вносимых фосфорных удобрений. При этом следует ориентироваться на ведущие и наиболее требовательные к уровню фосфорного питания культуры севооборота в конкретных почвенно-климатических условиях.

Важность оптимизации фосфатного режима диктуется еще и тем, что значительные площади пахотных земель характеризуются низкой обеспеченностью подвижным фосфором. Кроме того, дефицит фосфора из-за ограниченности ресурсов фосфатного агрохимического сырья возможен и в перспективе. Исследованиями в длительных стационарных опытах установлены значения оптимального содержания подвижного фосфора для основных типов почв (табл. 3.9.).

За оптимальный уровень принято содержание подвижного фосфора (Р₂О₅) в почве, при котором может быть достигнуто не менее 90-95% от максимального урожая, а недостающие 5-10% (на грани достоверности опыта) восполняются фосфорными удобрениями, компенсирующими вынос. Такой уровень фосфатного режима позволяет получать в условиях обеспечения другими факторами роста максимально возможные в настоящее время урожаи возделываемых в каждой зоне культур (т/га):

Продуктивность севооборотов при этом достигает 40-50 ц/га зерновых единиц. На орошаемых землях в условиях повышенной продуктивности требуются более высокие уровни обеспеченности подвижным фосфором. Увеличение содержания подвижного фосфора в почве от низкого (2-4 мг/100 г почвы) до среднего (8-10 мг/100 г почвы) сопровождается наиболее высокими прибавками урожая. Дальнейшее его повышение приводит к снижению величины прибавок, и, наконец, урожаи, достигнув максимального в зоне оптимальных значений содержания подвижного фосфора в почве, стабилизируются.

Основным показателем обеспеченности растений калием принято считать содержание его в почве в обменной форме. В почве имеются значительные запасы калия и существует динамическое равновесие между различными его формами: калий почвенного раствора, обменный и необменный (фиксированный и калий природных глинистых минералов). В процессе питания растений нарушается динамическое равновесие и вовлекаются все формы почвенного калия. При этом имеют значение степень подвижности обменного калия, скорость восстановления его из резервных необменных форм, что затрудняет выбор объективного показателя оптимизации содержания калия в почве.

Величина степени обеспеченности почв подвижным калием определяется разными методами в зависимости от типа почвы (табл. 3. 10).

Оптимальные уровни содержания обменного калия по типам почв приведены в табл. 3.11. Эти параметры обеспеченности почвы калием могут быть уточнены при специализации севооборота, известковании кислых почв, уровне обеспеченности почвы азотом и фосфором, биологических особенностях культур и других условиях. Однако в практике земледелия этими показателями вполне можно пользоваться при определении оптимального обеспечения культур на заданную продуктивность.

Детально изучив калийный режим почв России, М.Х. Шаймухаметов и Л.С. Травникова (1997) предложили оптимальные параметры содержания обменного калия в зависимости от доли этого элемента в емкости катионного обмена (ЕКО) почв различного гранулометрического состава (табл. 3.12). Чем выше доля калия в ЕКО, тем ниже показатели оптимального содержания обменно-поглощенного калия в почве.

На основании обобщения многочисленных экспериментальных данных установлены градации различной степени обеспеченности почв основных почвенно-климатических зон России подвижными формами микроэлементов (табл. 3.13).

Научно-исследовательскими учреждениями Белоруссии проведены многочисленные исследования по определению оптимальных параметров основных показателей плодородия почв (табл. 3.14) и показана примерная модель плодородия дерново-подзолистых суглинистых почв (рис. 3.2).