Почвоведение и агрохимия № 1(50) 2013

Размещено на http://www.allbest.ru/

256

Почвоведение и агрохимия № 1(50) 2013

256

ЛАБИЛЬНОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО КАК ФАКТОР МОБИЛИЗАЦИИ-ИММОБИЛИЗАЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕ

Е.А. Лыкова, Н.Н. Мирошниченко, О.С. Панасенко, О.П. Сябрук

Национальный научный центр «Институт почвоведения и агрохимии им. А.Н.Соколовского», г. Харьков, Украина

Харьковский национальный аграрный университет им. В.В. Докучаева, г. Харьков, Украина

Органическое вещество имеет исключительное значение в концентрировании микроэлементов (МЭ) в земной коре и их накоплении в корнеобитаемом слое почв. Однако отделить геохимическую роль живого вещества от роли органических веществ, образовавшихся после гибели организмов, невозможно, что отмечал еще А.П. Виноградов [1]. Растения и микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, отмершие остатки тканей и микробной массы различной степени минерализации, а также гумусовые вещества являются взаимосвязанным комплексом, определяющим интенсивность круговорота всех биофильных элементов.

К основным механизмам иммобилизации МЭ в почве относится ионообменная адсорбция, образование осадков малорастворимых солей и поглощение биологическими компонентами почвы. По мнению Т.М. Минкиной, из этих процессов более распространена ионообменная адсорбция, поскольку она связана с массообменом между поверхностью почвенных частиц и почвенным раствором [2]. В отличие от физико-химических механизмов иммобилизации МЭ, их концентрирование почвенной микробиотой исследовано недостаточно. Однако отмечается, что, поскольку количество биомассы микроорганизмов в значительной степени подвержено временным колебаниям (многолетним, межсезонным, внутрисезонным и внутрисуточным), от этого зависит и степень вовлечения МЭ в биогенную миграцию [3].

Лабильное органическое вещество (ЛОВ) почвы считается одним из наиболее доступных энергетических и питательных субстратов для микроорганизмов [4], а ежегодное высвобождение элементов из его состава сопоставимо с их выносом урожаем [5]. Вместе с тем при оценке микроэлементного статуса почвы преимущественно учитывают лишь способность гумуса к поглощению тяжелых металлов, а его значением как депо и фактора подвижности основных эссенциальных МЭ зачастую пренебрегают [6].

Задачей исследований было выявление связи содержания подвижных форм микроэлементов в почве с лабильным органическим веществом и его динамикой в сезонном и многолетнем цикле.

МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили на трех объектах, расположенных в пределах Левобережной высокой провинции Лесостепи Украины (юго-западная окраина Среднерусской возвышенности) на зональных типах почв - черноземах типичных и оподзоленных.

Изучение длительных изменений микроэлементного состава почв и их лабильного органического вещества, обусловленных вовлечением в пашню, проводили на черноземах типичных среднесуглинистых на лессовидных суглинках Украинского природного степного заповедника «Михайловская целина». Заповедник расположен на водоразделе между реками Сула и Псел. Изучали почвы на абсолютно целинном участке, залежи (с 1956 г.) и пашни, освоенной с 1933 г.

Многолетние изменения микроэлементного состава черноземов и их лабильного органического вещества, связанные с влиянием длительного применения удобрений, изучали на черноземе типичном тяжелосуглинистом Слобожанского (бывшее Граковское) опытного поля ННЦ ИПА в стационарном полевом опыте, заложенном в 1990 г. Почва пахотного слоя имеет рН солевой 6,2-6,7, содержание гумуса - 5,6-5,8 %, общего азота - 0,30-0,34 %, подвижных Р₂О₅ и К₂О (по Чирикову) - 90 мг/кг и 100 мг/кг соответственно. Исследования проводили на таких вариантах опыта: 1) контроль (без удобрений); 2) минеральная система (N₄₅P₅₀K₄₅); 3) органическая система (навоз 8 т/га); 4) органоминеральная система (навоз 8 т/га + N₄₅P₅₀K₄₅).

Многолетние изменения микроэлементного состава черноземов и их лабильного органического вещества, связанные с влиянием севооборота, а также их сезонные колебания изучали на черноземе оподзоленном тяжелосуглинистом того же опытного поля с такими параметрами: рН солевой 6,0, содержание гумуса - 4,1 %, подвижных Р₂О₅ и К₂О (по Чирикову) - 138 мг/кг и 90 мг/кг соответственно. Исследования проводили на мониторинговых делянках 2Ч2 м, расположенных на неудобряемом контроле и варианте с минеральной системой (N_47-61P_44-62K_44-65) в двух севооборотах: зернопропашном (пар - озимая пшеница - однолетние травы - озимая рожь - кукуруза на силос - ячмень) и зерновом с многолетними травами (люцерна - люцерна - озимая рожь - кукуруза на зерно - кукуруза на силос - ячмень).

Содержание микроэлементов в почве определяли в аммонийно-ацетатном буфере с рН 4,8 по Крупскому и Александровой и 1н HCl по Ринькису. Содержание микроэлементов в составе лабильного органического вещества определяли по предложенной нами методике (вытяжка 1,3 н HCl после обработки почвы 0,2 н NaH) с атомно-абсорбционным окончанием.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изменение микроэлементного состава почвы при ее распашке обусловлено резким ускорением минерализационных процессов, что приводит к высвобождению значительного количества биофиль-ных элементов [7]. Однако, как отмечает ряд исследователей [8], гумусовое состояние черноземов Украины относительно стабилизировалось к 60-70 гг. ХХ ст., при этом с конца XIX ст. почвы лишились почти 22% запасов органического вещества. Безусловно, это сопровождалось и соответственным усилением биологического круговорота высвобождаемых микроэлементов. Сопоставляя микроэлементный состав пахотного чернозема типичного и его целинного и залежного аналогов, нельзя не отметить ряд существенных отличий (табл. 1). Прежде всего, это значительное (на 25-40 %) снижение содержания в почве подвижных форм железа и марганца, которое может происходить за счет более интенсивного разложения обедненных этими элементами органоминеральных соединений. Вследствие этого массовая часть Fe в составе лабильного органического вещества пахотной почвы вчетверо выше, чем на целине, и вдвое - чем на залежи (табл. 2). Обогащение лабильного гумуса наблюдается также и для других микроэлементов - Cu, Co, Zn. Однако, по-видимому, вследствие различных механизмов закрепления МЭ в пахотной почве происходит накопление общего запаса меди в лабильном органическом веществе, тогда как общее количество Fe и Mn снижается.

Таблица 1 Содержание микроэлементов в гумусо-аккумулятивном горизонте чернозема типичного при различном использовании

Таблица 2 Содержание микроэлементов в лабильном гумусе чернозема типичного при различном использовании

Изменение микроэлементного состава почв лесостепной зоны при длительном применении удобрений прежде всего определяется их кислотно-основными свойствами и гранулометрическим составом. На высокобуферных тяжелосуглинистых и глинистых черноземах значительных изменений содержания прочносвязанных форм МЭ, как правило, не наблюдается, но по мере подкисления почвы происходит увеличение степени их подвижности. Как следует из таблицы 3, систематическое внесение органических удобрений существенно увеличивает содержание подвижной меди, а минеральная система удобрений способствует повышению подвижности железа. Первый эффект мы связываем с привнесением элемента извне и его закреплением в составе гумусовых веществ, которые, как известно, имеют наибольшее сродство к меди [9]. Во втором случае весьма вероятно обратное - разложение гумусовых комплексов и увеличение растворимости соединений железа при подкислении (рН солевой составил 6,0 против 6,2 на контроле).

Определение содержания МЭ в лабильном органическом веществе подтверждает эту гипотезу (табл. 4). На варианте с минеральной системой удобрения гумусовые вещества обогащены медью и железом, но их общее количество меняется мало. Внесение навоза, наоборот, способствует новообразованию лабильного гумуса, имеющего меньшее относительное содержание Co, Cu, Fe и Zn. Аналогичный эффект характерен и для органоминеральной системы. Таким образом, длительное применение минеральных и органических удобрений существенным образом изменяет не только количество, но и качество лабильного органического вещества почвы.

Таблица 3 Содержание подвижных форм микроэлементов в пахотном слое чернозема типичного при различных системах удобрения

Таблица 4 Содержание микроэлементов в лабильном гумусе чернозема типичного при различных системах удобрения

Обогащение почвы лабильным органическим веществом при органической и органоминеральной системах удобрения, безусловно, оказывает прямое влияние на интенсивность биологического круговорота. Об этом свидетельствуют и измерения интенсивности дыхания почвы, проведенные как в полевых, так и в стационарных условиях. В частности, потенциальный поток биологически доступного углерода, рассчитанный по методике [10], составил на минеральной системе 11,9 мг/г в час, на органической - 13,7 мг/г в час, на органоминеральной - 14,2 мг/г в час при 12,3 мг/г в час на контрольном варианте.

Исследования, проведенные на черноземе оподзоленном, показали, что направленность изменений содержания подвижных форм МЭ под влиянием минеральной системы удобрения в определенной мере зависит от севооборота (табл. 5). В традиционном для лесостепной зоны зернопропашном севообороте систематическое внесение минеральных удобрений способствовало некоторому уменьшению содержания подвижного железа и цинка, а в севообороте с многолетними травами и отсутствием пропашных культур наблюдалась обратная тенденция. Однако эти изменения скорее можно отнести к пространственно-временным флуктуациям. Содержание подвижного Mn, напротив, существенно (вдвое) увеличивалось под воздействием минеральных удобрений независимо от севооборота.

Таблица 5 Содержание подвижных форм микроэлементов в пахотном слое чернозема оподзоленного и его изменение после компостирования в течении 2 недель

Известно, что содержание МЭ в почвенном растворе определяется равновесием постоянно протекающих процессов обмена между твердой и жидкой фазами почвы [11]. Полученные нами результаты дают основание предположить, что роль процессов биологической мобилизации и иммобилизации МЭ является не менее значимой. В таблице 5 приведены параметры сдвига содержания подвижных форм МЭ после компостирования проб при благоприятных для микробиологических процессов условиях температуры (27°С) и влажности (60% от НВ) в течении двух недель. Из этих данных следует, что изменения, вызванные микробиологической деятельностью, более значимы, чем связанные с системой удобрения и севооборотом. Не менее важен и тот факт, что изменения содержания подвижных форм при компостировании имеют одинаковую направленность для каждого элемента. В данном случае Mn и Zn подвержены иммобилизации, а Fe, Cu, Co - активно высвобождаются из органического вещества.

Примечательно, что способность почвы к увеличению при компостировании содержания подвижного железа и уменьшению подвижного марганца сохранялась в течении всего вегетационного периода. Измерения, выполненные таким образом на пробах почвы, отобранных на мониторинговых площадках с периодичностью каждые 2 месяца (22 мая, 27 июля и 14 сентября), дали достаточно близкие результаты: +0,88 мг/кг, +0,52 мг/кг и +0,76 мг/кг для Fe, -8,15мг/кг, -10,2 мг/кг и -7,2 мг/кг для Mn соответственно. Это дает основание для определения мобилизационно-иммобилизационной способности почвы относительно МЭ по аналогии с хорошо известной нитрификационной способностью по С.П. Кравкову. Однако нельзя исключать и влияние на содержание подвижных форм МЭ таких факторов, как сезонные изменения рН, пожнивные остатки предшественника и корневые выделения произрастающих растений, динамика процессов новообразования/минерализации лабильного гумуса и связанная с этим микробиологическая активность. В частности, динамика содержания в почве лабильного гумуса имеет выраженный спад к середине лета, несмотря на вариабельность этого показателя, обусловленную влиянием культур и системой удобрения (рис. 1). Значительно снизился в этот период и потенциальный поток биологически доступного углерода: с 8,1-11,4 мг/г в час до 5,2-6,1 мг/г в час на неудобренной почве и с 7,5-10,2 мг/г в час до 5,5-6,5 мг/г в час на варианте с минеральной системой удобрения.

Рис. 1. Динамика содержания лабильного органического вещества в длительном удобряемом и неудобряемом черноземе оподзоленном

Для выяснения вопроса об оптимальном сроке компостирования почвы в целях определения мобилизационно-иммобилизационной способности были проведены соответствующие эксперименты на черноземе оподзоленном. Содержание МЭ в почве и лабильном органическом веществе определяли на 15-е и 30-е сутки после закладки компостируемых проб в термостат. Измерения показали, что наибольший сдвиг концентрации МЭ в лабильном органическом веществе происходит в течении первых 15 суток (рис. 2). Содержание меди и цинка имело тенденцию к снижению, а марганца и кобальта - к увеличению [12]. Следовательно, можно предположить, что в данном случае Cu, Zn органические комплексы разлагаются легче, чем Mn, Co-органические, а продукты их разложения менее активно вовлекаются в микробный метаболизм.

микроэлемент чернозем удобрение почва

Выводы

1. Лабильное органическое вещество играет роль ближайшего резерва микроэлементного питания растений, во многом определяя содержание и динамику подвижных форм микроэлементов в почве.

2. Вовлечение чернозема в обработку приводит к значительному снижению содержания лабильного органического вещества, в составе которого резко увеличивается массовая часть микроэлементов.

3. Длительное применение минеральных удобрений способствует обогащению лабильного органического вещества почвы медью и железом, но их общее количество меняется мало. Внесение навоза, наоборот, способствует новообразованию лабильного гумуса, имеющего меньшее относительное содержание Co, Cu, Fe и Zn.

4. Изменения микроэлементного состава почвы и ее лабильного органического вещества, вызванные микробиологической деятельностью, не менее значимы, чем связанные с системой удобрения и севооборотом, и могут проявляться в течении всего вегетационного периода. Способность почвы к мобилизации/ иммобилизации микроэлементов из органического вещества можно оценить при помощи соответствующего показателя, определяемого аналогично нитрификационной способности по С.П. Кравкову.

Список литературы

1. Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А.П. Виноградов. - М.: АН СССР, 1957. - 238 с.

2. Минкина, Т.М. Формы соединений тяжелых металлов в почвах степной зоны / Т.М. Минкина, Г.В. Мотузова, О.Г. Назаренко // Почвоведение. - 2008. - № 7. - С. 810-818.

3. Летунова, С.В. Накопление меди, свинца и молибдена биомассой почвенных микроорганизмов в условиях биогеохимической провинции Южного Урала / С.В. Летунова, В.В. Ковальский, И.Ф. Грибовская // Агрохимия. ? 1976. ? № 3. ? С. 92?96.

4. Тейт, Р. Органическое вещество почвы / Р. Тейт. ? М.: Мир, 1991. - 400с.

5. Борисов, Б.А. Географические закономерности распределения и обновления легкоразлагаемого органического вещества целинных и пахотных почв зонального ряда европейской части России / Б.А. Борисов, Н.Ф. Ганжара // Почвоведение. - 2008. - № 9. - С. 1071-1078.

6. Фокин, А.Д. Микробиологическая деструкция органического вещества как фактор мобилизации труднорастворимых минеральных соединений / А.Д. Фокин, А.И. Карпухин, П.А. Раджабова // Известия ТСХА. - 1996. - Вып. 3. - С. 97-104.

7. Reicosky, D.C. Soil quality, tillage intensity and C₂ emission from soil / D.C. Reicosky // Scientist, USDA-Agricultural Research Service, North Central Soil Conservation Research Laboratory, 803 Iowa Avenue, Morris, MN 56267 USA. - 2009.

8. Environmental Protection in the Ukraine Agroecosystems in Technogenesis Conditions / M.V. Zubets [et al.] // Environmental Protection in Agroecosystems: рroc. of Meeting of the Union of European Agrarian Academies, Yalta, 16-17 May, 2007. - Kyiv: Agrarna nauka, 2007. - Рp. 9-58.

9. Ладонин, Д.В. Взаимодействия гуминовых кислот с тяжелыми металлами / Д.В. Ладонин // Почвоведение. ? 1997. ? № 7. ? С. 806?811.

10. Исследование динамики из гумусного горизонта почв горных лугов и лесов Моравско-Силезских Бескид / В. Вранов [и др.] // Почвоведение. - № 1. - 2004. - С. 71-74.

11. Химические основы буферности почв / Т.А. Соколова [и др.]. - М.: МГУ, 1991. - 108 с.

12. Ликова, О.А. Динаміка вмісту мікроелементів у доступній (лабільній) органічній речовині за сприятливих умов зволоження та температури / О.А. Ликова // Агрохімія і ґрунтознавство. - 2011. - № 76. - С. 49-53.

Размещено на Allbest.ru