Почва — это естественно-историческое природное образование, сформировавшееся при участии совокупности факторов, главными из которых являются почвообразующие породы и почвенно-грунтовые воды, климат, рельеф, растительные и животные организмы, хозяйственная деятельность человека.
На современном этапе развития общества хозяйственная деятельность человека выступает как важнейший фактор почвообразования. По масштабам своего влияния на миграцию химических элементов в биосфере она сравнима с природными геохимическими факторами (Ковда В. А., 1974; Важенин И. Г., 1981; Кулаковская Т. Н., 1984; Чумаченко И. Н., Андреев А. Т., 1984). Если влияние природных факторов на почву проявляется стихийно, то человек в процессе своей деятельности воздействует на почву целенаправленно, изменяет ее в соответствии со своими потребностями. С развитием производительных сил и ростом уровня химизации сельскохозяйственного производства использование и преобразование почвы усиливается.
Важнейшим фактором воздействия на почву в процессе сельскохозяйственной деятельности человека является внесение минеральных, органических удобрений и химических мелиорантов. Растущие объемы применения агрохимикатов в земледелии всесторонне влияют на свойства почвы, преобразуют способность земель.
Как показали исследования ученых, окультуренные почвы значительно отличаются от целинных и освоенных слабоокультуренных менее кислой реакцией среды, большей насыщенностью основаниями, более высоким уровнем азотного, фосфорного и калийного питания для растений, а также по содержанию и запасам гумуса и его качественному составу. Многие авторы отмечают большее накопление микроэлементов в окультуренных почвах по сравнению со слабоокультуренными.
С учетом почвенного бонитета, в основу которого положены основные параметры агрохимических свойств почв (гранулометрический состав, содержание гумуса, pH и другие), проведена оценка наиболее распространенных дерново-подзолистых почв Калининградской области, в результате которой выделены три группы почв по окультуренности. В каждой группе с использованием вариационно-статистических методов определены средние величины агрохимических показателей почв и содержание в них макро — и микроэлементов. Полученные данные положены в основу подразделения почв по окультуренности.
В группу слабоокультуренных вошли почвы преимущественно легкого гранулометрического состава, слабогумусированные, с кислой реакцией среды и слабой насыщенностью основаниями. Такие почвы низко — или среднеобеспечены бором и медью, среднеобеспечены марганцем и бедны по содержанию молибдена, кобальта и цинка.
Среднеокультуренные почвы представлены в основном средними и легкими суглинками и отличаются от слабоокультуренных почв более высокой гумусированностью, менее кислой реакцией среды и значительной насыщенностью основаниями. Они содержат больше фосфора, калия и микроэлементов. По содержанию бора, цинка и кобальта данные почвы среднеобеспечены, имеют низкую обеспеченность молибденом и высокообеспечены медью и марганцем.
Почвы с высокой окультуренностью, как правило, имеют относительно хороший запас гумуса, подвижного фосфора и обменного калия, а также слабокислую или близкую к нейтральной реакцию среды и отличаются большой насыщенностью основаниями. По содержанию микроэлементов такие почвы высокообеспечены медью и марганцем, средне — или высокообеспечены бором, кобальтом и цинком, а также характеризуются низкой или средней обеспеченностью молибденом.
Анализ данных по окультуренности позволяет сделать вывод о том, что существенная бонитировка почв дает реальную оценку их плодородия, и средние величины основных агрохимических показателей и содержание микроэлементов по каждой группе окультуренности в основном укладываются в соответствующие градации, принятые в агрохимической службе страны.
Производственная деятельность человека и интенсивность использования земель обусловливают изменение химического и микроэлементного состава почв. В литературе приводятся отдельные сведения о более низком содержании микроэлементов в пахотных почвах, по сравнению с луговыми. Обобщение данных о содержании микроэлементов в почвах области показало значительные различия в их количестве в почвах разных сельскохозяйственных угодий.
На всех изучаемых типах почв в пахотном слое пашни содержится меньше микроэлементов, чем в лугопастбищных угодьях. Это объясняется, прежде всего, более высоким ежегодным отчуждением микроэлементов с урожаем на пахотных землях, более энергичной минерализацией в них органического вещества, а также большей потерей микроэлементов за счет вымывания и выноса с дренажными водами.
В почвах лугопастбищных угодий, благодаря мощному развитию травянистой растительности, более активно проявляются процессы биогенной аккумуляции микроэлементов. Кроме того, здесь имеет место их дополнительное поступление в гумусовый горизонт за счет гидрогенной и механической аккумуляции.
Различия в содержании отдельных микроэлементов в почвах разных сельскохозяйственных угодий неодинаковые. Менее существенны они у марганца и молибдена (не превышают 5—6%), более значительны у бора, меди и кобальта (от 7 до 16,4%), а также у цинка (от 22,6 до 33,6%) и зависят от типа почвы. В дерново-подзолистых почвах они менее существенны по сравнению с дерновыми и аллювиальными, а также торфяными почвами.
В подтверждение ранее сделанного нами вывода о большей потере микроэлементов за счет вымывания их с дренажными водами на пашне нами проведены трехлетние эксперименты по изучению количественного и качественного состава дренажного стока с разных видов сельскохозяйственных угодий.
Концентрация микроэлементов в дренажных водах и их вынос с разных сельскохозяйственных угодий неодинаковы. В почвах пашни они выше по сравнению с лугопастбищными угодьями. Так, годовой вынос бора, меди и цинка дренажными водами из почв пашни в 2,2—3 раза, а молибдена, марганца и кобальта — в 1,4—1,8 раза выше, чем из сенокосных угодий.
Относительно высокий уровень выноса микроэлементов дренажными водами из почв пахотных угодий объясняется интенсивным сельскохозяйственным использованием этих земель. В результате систематических обработок в профиле пахотных почв превалируют окислительные процессы, которые значительно снижают уровень биогенного закрепления элементов, а хорошая дренированность этих почв и изобилие осадков способствуют миграции микроэлементов сверху вниз по профилю почв и обогащению ими дренажных вод.
Развитие густой травянистой растительности на лугопастбищных угодьях усиливает процесс биогенной аккумуляции микроэлементов, а плотная дернина способствует их закреплению. Высокий уровень стояния почвенно-грунтовых вод и временное или длительное переувлажнение почв изменяют условия гидрологического режима. Здесь, как правило, в летний период имеет место преимущественно выпотной водный режим, приводящий к некоторому обогащению гумусового горизонта микроэлементами и значительно снижающий их концентрацию в дренажных водах, а следовательно, и их вынос.
Однако уровень выноса микроэлементов дренажными водами относительно запаса их подвижных форм в профиле весьма незначительный. На почвах пашни у бора, меди, марганца и кобальта он колеблется от 0,032 до 0,085%, у молибдена составляет 0,13% и у цинка 2%. На лугопастбищных угодьях вынос большинства микроэлементов не превышает 0,023—0,044% и лишь по цинку составляет 0,93%.
Однако, несмотря на относительно небольшие потери микроэлементов с дренажным стоком от их общего запаса в пахотном слое, при низком уровне обеспеченности почв данными элементами эта статья расхода может значительно усилить дефицит ряда элементов для растений. Учет уровня выноса микроэлементов дренажными водами имеет важное значение для расчета их баланса в почвах и особенно в условиях изучаемого региона с избыточным переувлажнением почв, обилием осадков и интенсивной мелиорацией.
Большой теоретический интерес и практическое значение имеет изучение динамики сезонного выноса микроэлементов дренажным стоком. Она позволяет установить взаимосвязь различных факторов, влияющих на уровень выноса микроэлементов в отдельные периоды года, особенности изменения концентрации элементов под влиянием климатических факторов и др.
Уровень стока дренажных вод в зимний период (613,5 м3/га) согласуется с количеством выпадающих осадков. Здесь главенствующую роль во взаимосвязи данных факторов играют климатические условия региона — мягкая теплая зима и обилие осадков в этот период. В весенне-летне-осенний период уровень дренажного стока не определяется количеством осадков. Весной в период таяния снега уровень дренажного стока максимальный (983,3 м3/га), а концентрация микроэлементов постепенно уменьшается за счет разбавления. В период вегетации растений, несмотря на обилие осадков, уровень дренажного стока низкий (352,3 м3/га летом и 144,8 м3/га осенью), что связано с мощным испарением воды растениями. В этот период отмечается минимальная концентрация микроэлементов в дренажных водах, что определяется значительным их закреплением в почве. Повышение концентрации микроэлементов в воде в позднеосенний период происходит вследствие прекращения вегетации растений, частичной минерализации органического вещества и перехода минеральных элементов в подвижное состояние. На пашне этот процесс идет более активно, чем на лугопастбищных угодьях.
Подобная закономерность проявляется в сезонном выносе микроэлементов дренажными водами, где его минимум приходится на летне-раннеосенний период, т. е. период активного роста и развития растений, а максимум — на зимний и ранневесенний периоды. Так, в период с декабря по февраль с дренажным стоком выносится от 38 до 45%, а с марта по май — от 35,1 до 40,7% микроэлементов от их годового вымывания, а осенью и летом — соответственно от 7 до 14,5% и от 6,3 до 12,3%.
Вегетационный период на лугопастбищных угодьях начинается с середины апреля и продолжается до середины октября, а на пахотных угодьях, главным образом, с первой декады мая до конца августа, т. е. продолжительность его на лугопастбищных угодьях на 1,5 месяца больше, чем на пашне. Это также оказывает существенное влияние на уровень миграции микроэлементов и их вымывание дренажными водами, ибо одной из главных причин снижения выноса элементов в период вегетации растений является вовлечение последних в биологический круговорот. Более длительное нахождение пашни без растительного покрова, по сравнению с лугопастбищными угодьями, также способствует более высокому выносу микроэлементов дренажным стоком.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что микроудобрения следует применять в период активного роста и развития растений, что не приведет к их существенным потерям и накоплению их в почвенно-грунтовых водах.
В условиях высокого уровня химизации и химической мелиорации земель производственная деятельность человека оказывает существенное влияние на изменение плодородия почв. Внесение органических, минеральных удобрений и химических мелиорантов изменяет физико-химические условия в почве, нейтрализует кислую реакцию почвенного раствора, повышает содержание в почве элементов питания, а также оказывает влияние на подвижность микроэлементов и их доступность растениям.
В литературе приводятся сведения о влиянии известкования кислых почв на подвижность микроэлементов, однако они весьма противоречивы. О снижении содержания подвижного бора в разных типах почв при известковании свидетельствуют работы Рюбензам Э., Рауэ К. (1969); меди и цинка — Джурко М. С., Игнатовой В. Г. (1974); Моругиной М. П. и др. (1974); кобальта — в работах Егоровой Т. К. (1968), Пилипушко В. Н., Туева Н. А. (1972); Гюльахмедова А. Н. (1980).
Гецевич Н. А. (1974) установила, что изменение pH среды с 4,5 до 6,5 снижало содержание подвижного марганца в дерново-подзолистой супесчаной почве с 60 до 20 мг/кг, в суглинистой — с 203 до 45 мг/кг, в торфяной — с 68 до 22 мг/кг. Аналогичное влияние известкования на подвижность марганца в почве отмечено в работах других исследователей.
О положительном влиянии известкования на подвижность и усвояемость растениями молибдена рассказывается в работах Петербургского А. В. (1972); Ринькис Г. Я. (1972); Рудина В. Д., Шипотовского B. В. (1975); Фомина П. И. и др. (1976); Рочева В. А. (1979).
В работах Турбас Э. и др. (1971), Рочева В. А. (1979) показано, что известкование кислых почв снижает подвижность молибдена и его доступность растениям и, наоборот, увеличивает содержание подвижного цинка на известкованных участках.
Некоторые исследователи приходят к выводу, что внесение извести не оказывает влияния на подвижность микроэлементов в почвах.
Для Калининградской области с ее высоким уровнем химизации и мелиорации земель изучение влияния известкования на подвижность и содержание микроэлементов в почвах весьма актуально.
В 8-летнем опыте было изучено действие разных доз сланцевой золы и доломитовой муки на содержание подвижных форм микроэлементов в дерново-подзолистой почве и их поступление в растения. Проведение многолетнего опыта позволило проследить динамику изменения содержания подвижных форм микроэлементов на известкованных участках.
Общей закономерностью является некоторое снижение бора, меди, марганца, кобальта и цинка в почве в первые 1—4 года после внесения известковых материалов. Уровень и продолжительность действия зависят от дозы извести и изменения pH. Слабое влияние на подвижность микроэлементов оказывала доза извести 3,5 т/га. Как правило, ее действие проявлялось лишь в год внесения.
Более продолжительное воздействие оказывали высокие дозы извести. Максимальное снижение содержания микроэлементов наблюдалось на второй или третий год после известкования. Однако уровень снижения содержания подвижных форм микроэлементов при известковании невысокий. Так, от дозы извести 3,5 т/га их количество уменьшалось на 2—9%, 7 т/га — 6—15%, 14 т/га — 9—22% и от 21 т/га на 13—29%.
Доломитовая мука в большей степени влияет на изменение концентрации подвижных форм микроэлементов в почве, по сравнению со сланцевой золой, что, по-видимому, связано с дополнительным внесением некоторого количества элементов с последней. По нашим данным и данным других исследователей в 1 кг сухой сланцевой золы содержится в мг: 4—23 бора; 8,6 —15,6 меди; 140—205 марганца; 6,2 молибдена; 1,9—3,4 кобальта и 28—126 цинка.
В последствии (через 2—5 лет) известкование обусловливало повышение уровня содержания микроэлементов в почвах, что объясняется стабилизацией почвенных процессов и улучшением условий корневого питания растений. Так, в период с 3-го по 8-й год после внесения извести в дозе 3,5 т/га содержание подвижного бора в почве по отдельным годам увеличивалось от 2,3 до 26,3% и в среднем за 8 лет с учетом общей амплитуды изменения его содержания по годам составляет 1—9%, меди — соответственно от 4,6 до 17,5% и в среднем 4—11,1%, кобальта — от 1,1 до 14,2 и 5—9%, цинка — от 1,7 до 18 и 4—7%, марганца — от 3,1 до 14,6 и 4,2—7,5%.
Доза извести 7 т/га в последействии повышала содержание бора на 2,2—21%, меди — на 2,9—20,9%, кобальта — на 2,7—15,4%, цинка — на 5,9—18%, марганца — на 2,4—17,1%. В среднем за 8 лет содержание данных микроэлементов после известкования в этой дозе увеличивалось соответственно на 5—6; 10,3—13,6; 10—11; 6,4— 10 и 4,8—11%. Менее значительное увеличение содержания микроэлементов в последействии извести имело место при ее внесении в более высоких дозах (14 и 21 т/га).
Запас накопления в почве подвижных форм рассматриваемых микроэлементов зависит от вида известкового материала — больше при известковании сланцевой золой, по сравнению с доломитовой мукой.
Иная закономерность наблюдается в поведении подвижного молибдена при известковании. Внесение сланцевой золы и доломитовой муки увеличивает количество его подвижных форм в почве как в год их внесения, так и в последействии. При этом уровень изменения содержания молибдена находится в прямой зависимости от доз известковых материалов. Как правило, максимум увеличения концентрации молибдена наблюдается на 3—4-й год после известкования. Затем его количество в почве постепенно уменьшается и на 6—8-й год может быть ниже уровня в неизвесткованной почве, вследствие его вымывания и выноса урожаем.
Как и в случае с другими микроэлементами, более высокий уровень содержания молибдена в почве имеет место при известковании сланцевой золой по сравнению с доломитовой мукой. За счет внесения 3,5 т/га извести содержание подвижного молибдена в почве в отдельные годы повышалось на 1,1 — 13,8%, от 7 т/га — на 2,5—27,3%, от 14 т/га — на 4,8—28,9% и 21 т/га — на 7—40%. В среднем за 8 лет от известкования в указанных дозах содержание молибдена в почве повышалось соответственно на 2—4; 4,7—13,8; 15,6—19 и 22—27,7%.
Опыты показали, что в целом за 8 лет в почвах известкованных участков общее содержание подвижных форм микроэлементов было выше, чем в неизвесткованной почве, а наиболее оптимальной дозой известкового материала по его действию на подвижность микроэлементов следует считать 7 т/га. При этой дозе за 8 лет общее содержание бора в почве повысилось на 5—6%, меди и молибдена — на 13—14%, марганца, кобальта и цинка — на 10—11%.
Известкование кислых почв оказывает определенное действие на поступление микроэлементов в растения и существенно влияет на их вынос урожаем. При этом уровни накопления микроэлементов в растениях зависят от дозы и вида известкового материала и особенностей сельскохозяйственных культур.
Известкование, повышая pH почвы и снижая подвижность меди, цинка, марганца, кобальта и бора, обусловливает в первые годы тормозящее действие на поступление этих элементов в растения. Депрессия в накоплении микроэлементов в разных сельскохозяйственных культурах при внесении извести в дозе 3,5 т/га проявляется в течение 1—2 лет, 7 т/га — 2—3, 14 т/га — 4—5 и 21 т/га — более 5 лет. Тормозящее действие извести на поступление микроэлементов в растения также зависит от вида и дозы известкового материала. Если уровень снижения концентрации элементов в растениях от дозы извести 3,5 и 7 т/га не превышает 10 относительных процентов, то более высокие дозы — 14 и 21 т/га оказывали более сильное тормозящее действие и снижали уровень поступления элементов в растения на 15% и более.
По мере стабилизации почвенных процессов после известкования улучшаются условия корневого питания растений, основные агрохимические свойства почв достигают оптимального уровня. На этом этапе депрессирующее действие извести на поступление микроэлементов в растения прекращается и в ее последействии, как правило, имеет место повышение уровня накопления микроэлементов в растениях. Наибольшее накопление наблюдается при внесении сланцевой золы в дозе 7 т/га, где в течение 4—5 лет содержание микроэлементов в растениях повышалось на 5—20 относительных процентов.
Анализ характера закономерностей изменения микроэлементного состава почв под действием известкования и условий депонирования элементов в растения подтверждает ранее сделанный вывод о том, что наиболее оптимальной дозой известкового материала на сильнокислой дерново-подзолистой почве является 7 т/га.
Следует отметить, что сланцевая зола по сравнению с доломитовой мукой оказывает слабое депрессирующее действие на поступление микроэлементов в растения и сильно влияет на трансформацию в них элементов в последействии, что связано с особенностями данного известкового материала как дополнительного донатора многих микроэлементов.
Иная закономерность поступления молибдена в растения. Здесь депрессирующее действие извести не наблюдается. Внесение сланцевой золы или доломитовой муки оказало трансформирующее действие на поступление молибдена в растения. При этом степень данного действия повышалась с увеличением дозы извести и снижалась в последействии. В отличие от других элементов, главным фактором, определяющим уровень поступления молибдена в растения, является изменение почвенной кислотности, а вместе с ней и подвижности молибдена в почве.
Независимо от изменения подвижности микроэлементов в известкованной почве, характерной особенностью является увеличение их общего выноса разными культурами в целом за 8 лет.
Уровень выноса микроэлементов положительно коррелирует с дозами известковых материалов. При дозе 3,5 т/га извести общий вынос микроэлементов близок к контролю и повышался лишь в 1,05—1,14 раза, 7т/га — в 1,14—1,34; 14 т/га — в 1,23—1,65 и 21 т/га — в 1,33—2,12 раза. Приведенные данные показывают на высокое положительное влияние известкования на микроэлементную ситуацию в системе почва — растение, а также на возможность частичного снижения дефицита ряда элементов в почве за счет проведения данного мероприятия, особенно при применении сланцевой золы.
Рост общего выноса микроэлементов при известковании приводит к снижению их содержания в почве и может создать условия значительного дефицита ряда элементов. Поэтому при проведении данного мероприятия необходимы регулярный контроль за изменением содержания подвижных форм микроэлементов в почвах и систематическое внесение микроудобрений.
В литературе приводятся многочисленные данные о влиянии различных видов минеральных удобрений на содержание и подвижность микроэлементов в почвах, а также на их поступление в растения. Некоторые авторы отмечают увеличение содержания подвижных форм бора, марганца, цинка в почвах при внесении азотных удобрений. Снижение подвижности молибдена и меди при внесении данных удобрений установлено в работах Бахнова В. К. (1977); Селевцовой Г. А., Потатуевой Ю. А. (1981). Отсутствие влияния азотных удобрений на содержание микроэлементов в почвах показано в работе Турбас Э. и др. (1971).
Исследователи указывают на увеличение содержания меди, цинка, марганца и молибдена в растениях при внесении азотных удобрений, причем данная закономерность более сильно проявляется при применении нитратного азота, по сравнению с аммиачным.
В полевых экспериментах были изучены закономерности изменения содержания подвижных форм микроэлементов в дерново-подзолистых почвах под влиянием разных видов и доз азотных удобрений. Действие удобрений изучалось на почвах, различающихся по кислотности, содержанию микроэлементов и другим признакам.
Обобщенные данные фактического материала показывают, что аммиачная селитра и мочевина, независимо от их доз на почвах с разной обменной кислотностью, практически не изменяют pH среды и не оказывают заметного влияния на изменение содержания и подвижности микроэлементов в пахотном слое.
Колебания в изменении pH и разброс концентраций элементов лежат в пределах ошибки аналитических измерений, и на почве с pH 4,8 в среднем составлял ±4—7 относительных процента, с pH 5,3 — ±2,5—6% и с pH 6,9 — ±6,3—7%.
Более существенные изменения в содержании подвижных форм микроэлементов в почвах имели место при внесении физиологически кислой соли удобрения (сульфата аммония), при этом уровень действия удобрения зависел от его дозы. Так, внесение 480 кг азота на гектар изменило pH почвенной среды на 0,1—0,6 единицы в сторону подкисления, чем и обусловливало повышение подвижности ряда микроэлементов в почвах.
В целом при увеличении доз азотных удобрений проявляется тенденция к некоторому увеличению количества подвижных форм бора, меди, марганца, кобальта, цинка и уменьшению концентрации молибдена.
При внесении 120 кг азота на гектар наблюдалось незначительное изменение в содержании микроэлементов. При этом содержание подвижных форм меди и марганца в почвах повышалось на 4,7—6%, а бора, кобальта и цинка — на 11—14%. Доза 240 кг/га азота, внесенного с сульфатом аммония, повысила содержание микроэлементов в почвах на 14—24%, а 480 кг/га — на 25—48%. Количество подвижного молибдена от действия азотных удобрений уменьшалось на 6—23%. Более значительное изменение содержания микроэлементов при внесении азотных удобрений проявлялось на кислых почвах по сравнению со слабокислыми и нейтральными.
Изменение реакции почвенного раствора оказывает определенное действие на подвижность микроэлементов, что подтверждается неодинаковым влиянием разных форм азотных удобрений на уровень концентрации элементов в почвах. Если аммиачная селитра и мочевина повышали их содержание в среднем на 3—10%, то сульфат аммония — на 13—20%, что, несомненно, связано с подкисляющим действием последнего на почвенный раствор.
Азотные удобрения, улучшая условия корневого питания растений, способствуют поступлению в них микроэлементов.
В целом можно отметить, что уровень поступления микроэлементов в растения зависит от особенностей сельскохозяйственных культур, доз и форм удобрений. Увеличение содержания микроэлементов в растениях кукурузы, ячменя и ржи при внесении азотных удобрений в дозе 120 кг/га составило 13—17%, а в дозе 240 кг/га доходило до 30% и более. Из трех изученных видов азотных удобрений наиболее сильное влияние на поступление микроэлементов в растения оказывал сульфат аммония.
Более рельефно проявляется действие азотных удобрений на выносе микроэлементов с урожаем сельскохозяйственных культур. Улучшая условия развития растений, удобрения способствуют повышению урожая, а вместе с ним и увеличению выноса микроэлементов. Независимо от вида азотного удобрения, внесение 120 кг азота на гектар способствовало увеличению выноса микроэлементов в 1,4— 1,7 раза, а 240 кг/га — в 1,5—2,3 раза.
Уровень выноса микроэлементов определяется особенностями культур. С урожаем зеленой массы кукурузы с гектарной площади выносится 12,7—25,2 г бора; 12,7—22,1 г меди; 138—259 г марганца; 0,8—1,82 г молибдена; 0,50—1,15 г кобальта и 90—173 г цинка. Более высокий уровень выноса элементов характерен для ячменя и озимой ржи. Для данных культур он соответственно составляет 20,3—43,4 и 10,6—22,8 г бора; 27,7—53,3 и 18,6—36,8 г меди; 305—617 и 250—486 г марганца; 156—359 и 136—301 г цинка.
При выращивании кукурузы на силос, ячменя и озимой ржи в среднем за три года с гектарной площади отчуждается около 44 г бора, 60 г меди, 700 г марганца, 4 г молибдена, 2,5 г кобальта и 380 г цинка.
Внесение азотных удобрений на фоне высокой агротехники способствует повышению выноса микроэлементов. По бору он возрастает до 91 г, меди — 112 г, марганцу — 1360 г, молибдену — 8,1 г, кобальту — 5,2 г и цинку — 850 г с гектара.
Однако приведенные цифры дают представление лишь об усредненных значениях микроэлементов в почвах вследствие их выноса урожаем. Высокие величины коэффициентов вариации свидетельствуют о значительном разбросе этих цифр. Вместе с тем приведенные данные наглядно подтверждают актуальность проблемы пополнения запасов микроэлементов в почвах в процессе хозяйственной деятельности человека.
В литературе имеются многочисленные сведения о действии фосфорных и калийных удобрений на содержание микроэлементов в почвах и их поступление в растения. Многие авторы отмечают снижение подвижности меди, цинка, кобальта, бора и марганца в почвах и уменьшение их доступности растениям при внесении фосфорных удобрений. В работах Рюбензам Э., Рауэ К. (1969), Муравина Э. А., Журавлевой С. В. (1970), Подколзиной А. К. (1980), Селевцовой Г. А., Потатуевой (1981) отмечается увеличение содержания подвижного молибдена в почвах при внесении фосфорных удобрений, особенно на кислых почвах.
Некоторыми авторами показано увеличение содержания ряда микроэлементов в почвах под влиянием длительного применения одних только минеральных удобрений.
Другие авторы показали, что систематическое внесение минеральных удобрений не оказывает существенного влияния на подвижность микроэлементов в почвах и их доступность растениям. На отсутствие корреляционной связи между содержанием макроэлементов (азот, фосфор, калий) и количеством общего и доступного бора в почвах указывается в работах Нелюбовой Г. Л., Старовойтовой В. П. (1979), молибдена — Селевцовой Г. А., Потатуевой Ю. А., марганца, молибдена и цинка — Щуба Р. К., 1977.
Рядом исследователей приводятся данные о том, что внесение калийных удобрений снижает содержание в почве подвижных форм меди, бора и марганца.
Исследования, проведенные отечественными учеными, показали, что фосфорные и калийные удобрения могут быть дополнительным источником поступления микроэлементов в почву. По их данным, в фосфорных удобрениях содержится от 15 до 6000 мг/кг марганца; от 0,9 до 1,7 мг/кг меди; от 1,3 до 28,2 мг/кг кобальта. Калийные удобрения могут содержать 17—800 мг/кг марганца; 1,1—13 мг/кг меди; 0,5—1,4 мг/кг кобальта и 5—400 мг/кг бора.
Наши исследования показали, что изменение содержания микроэлементов в почвах при внесении фосфорных и калийных удобрений зависит от доз и форм удобрений, а также от агрохимических свойств почв.
В целом содержание бора, меди, марганца, кобальта и цинка в почвах под действием фосфорных удобрений снижается, а молибдена, наоборот, возрастает. Аналогичная закономерность проявляется и в действии калийных удобрений, за исключением марганца, количество которого несколько увеличивается с увеличением доз удобрений.
Природа подобного влияния фосфорных удобрений на содержание микроэлементов в почвах, по-видимому, заключена в частичном связывании катионов металлов фосфатными и гидрофосфатными ионами, в переводе элементов в менее подвижное и малодоступное растениям состояние. Молибден находится в почве в анионной форме, причем молибдат ион имеет высокое химическое средство с фосфатными ионами, что и является причиной более высокой подвижности элемента при внесении фосфорных удобрений.
Внесение фосфорных и калийных удобрений, даже в очень высоких дозах, практически не изменяет pH среды. Уровень влияния фосфорных удобрений на содержание и подвижность микроэлементов зависит от кислотности почв. На кислой почве (рН=4,8) они оказывали существенное влияние на содержание подвижных форм микроэлементов, при этом максимальное изменение их количества составляло 25—50 относительных процентов.
На почвах слабокислых (рН=5,3) оно колебалось в пределах 9—21%, а на нейтральных (рН=6,9) —6—19% и находилось в пределах ошибки аналитических измерений. Дозы фосфора и калия 120 кг/га д. в. существенного влияния на содержание и подвижность микроэлементов на всех изучаемых почвах не оказывали. С увеличением доз удобрений их действие на микроэлементный состав почв усиливается.
Разные формы фосфорных удобрений также неодинаково влияли на изменение содержания микроэлементов в почвах. Оно более существенно при внесении суперфосфата по сравнению с фосфоритной мукой, что связано с более слабой растворимостью последней.
Фосфорные и калийные удобрения оказывают разностороннее действие на поступление микроэлементов в растения. Под их влиянием наблюдается снижение концентрации бора, меди, марганца в растениях. Для кобальта и цинка эта закономерность выражена слабо. Содержание молибдена под действием данных удобрений несколько возрастает.
Однако влияние удобрений неравнозначно и зависит от их вида, дозы и характера сельскохозяйственной культуры. Слабая зависимость между изменениями концентрации микроэлементов в растениях и вносимыми удобрениями имеет место при применении последних в сравнительно низких дозах. Так, при внесении 1,5 т/га фосфоритной муки или суперфосфата и хлористого калия в дозе по 120 кг/га действующего вещества изменялось содержание микроэлементов в кукурузе, ячмене и озимой ржи на 10—15%.
Применение более высоких доз удобрений усиливает влияние на поступление микроэлементов в растения. Так, 4,5 т/га фосфоритной муки, 480 кг/га фосфора или калия, внесенных в виде суперфосфата и калия хлористого, изменяли содержание микроэлементов в изучаемых культурах более чем на 25—40%. При этом суперфосфат оказывал более сильное влияние на изменение концентрации микроэлементов в растениях по сравнению с фосфоритной мукой.
Несмотря на то, что содержание большинства микроэлементов в растениях снижается при внесении фосфорных и калийных удобрений, их вынос урожаем, как правило, выше, чем на контроле. Последнее связано с тем, что удобрения, улучшая условия корневого питания растений, способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных культур, и значительная часть микроэлементов выносится из почв с дополнительным урожаем.
С увеличением доз удобрений повышается общий вынос микроэлементов растениями и при высоком уровне минерального питания может возрасти в 1,6—2,3 раза по сравнению с вариантами без удобрений.
Таким образом, минеральные удобрения, даже в высоких дозах, оказывают слабое действие на содержание и подвижность микроэлементов в почвах, поэтому уже достигнутый и ожидаемый уровень применения средств химизации на перспективу обеспечивает рост урожайности сельскохозяйственных культур и повышает вынос микроэлементов из почвы, что может усилить дефицит ряда элементов для растений и предопределяет актуальность систематического внесения микроудобрений.
Одним из важных приемов окультуривания почв является внесение органических удобрений. Отмечая большое влияние процессов окультуривания почв на содержание и подвижность микроэлементов, многие авторы указывают на увеличение в них количества элементов питания, гумуса, улучшение физических свойств и усиление микробиологических процессов.
По сведениям ряда авторов органические удобрения являются дополнительным источником поступления микроэлементов в почву. По их данным, в 1 кг сухого навоза содержится от 53 до 868 мг марганца; 4—40 мг меди; 1—3,8 мг кобальта; 10—24 мг бора; 0,4—2,5 мг молибдена и от 82 до 96 мг цинка.
Как показали наши исследования, в 1 кг навоза крупного рогатого скота натуральной влажности (около 80%) в среднем содержится: 2—6 мг бора; 0,8—5 мг меди; 10—90 мг марганца; 0,08—0,3 мг молибдена; 0,2—8 мг кобальта и 8—26 мг цинка. В среднем с 40—50 т навоза на каждый гектар вносится 80—300 г бора; 30—250 г меди; 400-1300 г цинка. Однако не все вносимое с навозом количество микроэлементов может использоваться растениями. Большая их часть находится в прочно связанном с органическим веществом состоянии. По данным Ковальского В. В., Андриановой Г. А. (1970), содержащиеся в органических удобрениях микроэлементы могут быть доступны для растений только после минерализации органического вещества. Приводимые в литературе сведения о роли органических удобрений в изменении содержания микроэлементов в почвах противоречивы. Некоторые авторы показали, что при внесении органических удобрений в почвах увеличивается содержание меди, кобальта и молибдена. Однако при этом указывается, что доступность микроэлементов и поступление их в растения значительно снижается.
О повышении содержания подвижного бора в почвах при внесении органических удобрений приводится в работах Турбас Э. и др. (1971); Нелюбовой Г. Л., Старовойтовой В. П. (1979); цинка — Майбороды Н. М. и др. (1974).
Другие исследователи отмечают снижение подвижности и содержания доступных растениям форм некоторых микроэлементов в почве при внесении навоза.
В условиях полевого опыта изучалось содержание элементов питания, в том числе микроэлементов в почвах под влиянием различных доз навоза крупного рогатого скота на фоне оптимальных доз РК.
Исследования подтвердили известное положение, что при внесении органических удобрений плодородие почв растет, повышается содержание питательных веществ, улучшаются водно-физические свойства, становится более благоприятной для растений реакция среды, увеличивается запас гумуса.
Внесение навоза в дозах 50 и 100 т/га в значительной степени изменяло содержание микроэлементов в почвах. Увеличение валового содержания микроэлементов за счет закрепления их подвижных форм и внесения последних с навозом не могло быть значительным. Несмотря на то, что на гектар площади с данными дозами навоза внесено 180—360 г бора, 140—280 г меди, 2—6 кг марганца, 10—20 г молибдена, 280—560 г кобальта и 1—2 кг цинка, в пересчете на 1 кг почвы их количество составляло 0,003—2 мг.
В эксперименте навоз был внесен в первый год под кукурузу, последующие два года на ячмене и озимой ржи изучалось его последствие. В год внесения навоза в дозах 50 и 100 т/га происходило снижение подвижности форм микроэлементов в почве соответственно на 8 и 20%. В последующие годы имела место тенденция к некоторому увеличению содержания подвижности форм микроэлементов, что связано с постепенной минерализацией органического вещества, освобождением химических элементов и вовлечением их в биологический круговорот. На второй год после внесения 50 т/га навоза содержание подвижности форм микроэлементов возросло на 14%, от дозы 100 т/га — до 20%. На третий год увеличение составило соответственно 19 и 30%.
Таким образом, направленность процессов и уровни изменения содержания микроэлементов в почвах при применении органических удобрений зависит от доз вносимых удобрений. Несмотря на уменьшение подвижности микроэлементов в год внесения органических удобрений, в последействии они способны значительно повысить уровень их содержания в почвах и усилить поступление в растения.
Результаты исследований показывают, что уровни снижения содержания микроэлементов в растениях в год внесения удобрений зависят от их дозы и при 50 т/га не превышали 10 относительных процентов. Более существенное влияние на поступление элементов в растения оказывала доза 100 т навоза на гектар. Здесь содержание микроэлементов в урожае кукурузы снижалось на 25—30%.
Подобное действие органических удобрений связано с повышением биогенной аккумуляции микроэлементов и увеличением содержания гумуса. На существенную роль данного фактора указывают также другие исследователи. Они отмечают особенно активную аккумуляцию микроэлементов в перегнойно-аккумулятивном горизонте почв.
Тормозящее действие органических удобрений на поступление микроэлементов в растения снижаются в последействии. Так, на второй год после внесения 50 т навоза на гектар оно практически не проявлялось, а 100 т/га колебалось в пределах 5,4—16,2%. Активная микробиологическая деятельность почв и минерализация органического вещества в процессе выращивания сельскохозяйственных культур приводят к освобождению химических элементов из малодоступного состояния. На третий год после внесения удобрений имеет место повышение содержания микроэлементов в урожае. Оно менее значительно при применении удобрений в дозе 50 т/га (в пределах 6,3—8,9%) и более существенно в более высокой дозе — 100 т/га (12,5—22,8%).
Однако, несмотря на разный характер закономерностей изменения содержания микроэлементов в растениях под действием органических удобрений, вынос элементов и в год их внесения, и в последующие годы был выше по сравнению с контрольным вариантом. Это связано с положительным влиянием органических удобрений на урожай сельскохозяйственных культур, который увеличивался от дозы 50 т/га навоза в 1,4—1,8, а 100 т/га — в 1,8—2,8 раза. Вынос микроэлементов урожаем повышался соответственно в 1,3—1,8 и 1,7—2,3 раза.
Большой теоретический интерес и практическое значение представляет установление зависимости между химическим составом растений и почв под влиянием факторов их окультуривания. Одним из биогеохимических показателей, вскрывающих эту взаимосвязь, является коэффициент биологического поглощения (Кбп), характеризующий процентное отношение содержания микроэлементов в урожае к запасу их подвижных форм в пахотном горизонте почв.
Приведенные данные показывают, что разные сельскохозяйственные культуры в неодинаковой степени склонны к накоплению микроэлементов. Сравнительно высоким поглощением элементов характеризуются ячмень и озимая рожь. Многолетние травы хорошо накапливают бор, медь, марганец и молибден, а силосные мешанки — бор и цинк. Относительно слабым поглощением микроэлементов характеризуется кукуруза.
Разным уровнем поступления в растения характеризуются и отдельные микроэлементы. Так, коэффициенты биологического поглощения цинка и бора разными культурами соответственно составляют 3,4—7,9 и 0,79—1,7, что характеризует их как элементы сильного накопления. Плохо накапливаются молибден и медь (Кбп = соответственно 0,35—0,82 и 0,13—0,35). Марганец, и особенно кобальт, следует отнести к элементам очень слабого захвата (Кбп =0,45—0,16 и 0,025—0,051).
Если расположить элементы по величине Кбп, то получим ряд биологического поглощения микроэлементов разными сельскохозяйственными культурами на дерново-подзолистых почвах: Zn > B > Mo > Cu > Co > Mn.
Производственная деятельность человека с высоким уровнем химизации земледелия оказывает существенное влияние на биологическую активность почв, уровни поступления микроэлементов в растения и их поглощение, что количественно выражается в изменении величин коэффициентов биологического поглощения элементов.
Известкование кислых почв в оптимальных дозах повышало величину коэффициента биологического поглощения бора силосными мешанками и многолетними травами соответственно до 1,34 и 1,78; меди — 0,43 и 0,36; марганца — 0,055 и 0,22; молибдена — 0,43 и 0,71; кобальта — 0,030 и 0,034; цинка — 5,1—5,7. Проведение известкования на дерново-подзолистых почвах позволяет повысить эффективность поглощения микроэлементов растениями в 1,2—1,7 раза.
Сравнение величин коэффициентов биологического поглощения микроэлементов разными сельскохозяйственными культурами при проведении комплекса агротехнических мероприятий позволяет количественно оценить влияние отдельных факторов на поступление элементов в растения. Подобный анализ проведен на трех культурах — кукурузе, ячмене и озимой ржи (величины Кбп приведены в скобках соответственно для каждой культуры) на дерново-подзолистой почве для наиболее оптимальных доз удобрений.
Ряд биологического поглощения микроэлементов при известковании имеет следующий вид: Zn (6,7; 9,7; 11,7); В (1,22; 2,31; 1,39); Мо (0,68; 1,0; 1,17); Cu (0,20; 0,41; 0,30); Mn (0,11; 0,21; 0,19); Со (0,039; 0,057; 0,085). На известкованном фоне рожь в большей степени накапливает цинк, молибден и кобальт, а ячмень — бор, медь и марганец. Низкими величинами Кбп отличается кукуруза.
При внесении фосфоритной муки биологический ряд микроэлементов принимает следующий вид: Zn (7,5; 10,8; 9,8); В (1,06; 2,04; 1,15); Со (0,034; 0,076; 0,072); Мо (0,65; 1,13; 1,05); Cu (0,18; 0,38; 0,25); Mn (0,10; 0,19; 0,16). Фосфоритование также усиливает поглощение микроэлементов растениями, при этом оно более высокое по всем микроэлементам у ячменя, менее значительное у ржи и минимальное у кукурузы. Величины Кбп по сравнению с контрольными вариантами выше в 1,2—1,5 раза, что также значительно, но несколько ниже, чем при известковании.
При внесении азотных удобрений значения Кбп микроэлементов изучаемыми культурами имели следующие величины: Zn (8,4; 14,8; 12,9); В (1,40; 2,77; 1,43); Мо (0,70; 1,36; 1,23); Cu (0,18; 0,49; 0,32); Mn (0,097; 0,25; 0,20); Со (0,036; 0,08; 0,078).
Под влиянием удобрений усиливается поглощение микроэлементов всеми культурами, однако оно более энергично по цинку, молибдену, марганцу и кобальту у ячменя и ржи, а также по бору и меди у ячменя. Рожь слабо накапливает бор. Сравнительно низкие величины Кбп характерны для кукурузы. В целом уровень поглощения микроэлементов изучаемыми культурами под действием азотных удобрений повышался в 1,4—1,9 раза.
Под влиянием оптимальных доз фосфорных удобрений, внесенных в виде суперфосфата, ряд биологического поглощения микроэлементов тремя культурами приобретает следующий вид: Zn (8,0; 9,7; 10,6); В (1,08; 2,42; 1,21); Мо (0,61; 1,20; 1,09); Cu (0,19; 0,46; 0,29); Mn (0,10; 0,22; 0,18); Со (0,03; 0,08; 0,08). Более высоким накоплением цинка характеризуется рожь, а бора, молибдена и меди — ячмень. Уровень поглощения марганца и кобальта данными культурами близок по значениям. У всех трех культур величины Кбп выше, чем на контроле в 1,2—1,6 раза.
Аналогичная закономерность наблюдается и при внесении калийных удобрений, где подобный ряд характеризуется следующими величинами: Zn (8,3; 9,5; 14,3); В (1,27; 2,52; 1,55); Мо (0,92; 1,24; 1,13); Cu (0,19; 0,43; 0,34); Mn (0,094; 0,24; 0,19); Со (0,05; 0,08; 0,09).
По значениям Кбп и закономерностям их распределения внутри ряда он близок к ряду биологического поглощения микроэлементов под влиянием фосфорных удобрений и отличается от последнего несколько более высоким накоплением в растениях бора и молибдена, а также цинка и меди у ржи и кобальта у кукурузы. Однако по сравнению с другими вариантами здесь величины Кбп у ржи и кукурузы возрастают по сравнению с контрольными вариантами соответственно в 1,4—1,8 и 1,4—2,1 раза, а у ячменя — в количествах, соизмеримых с другими вариантами.
При внесении органических удобрений величины Кбп имели следующие значения: Zn (8,6; 7,4; 12,1); В (1,27; 3,03; 1,80); Мо (0,71; 1,25; 1,15); Cu (0,24; 0,51; 0,34); Mn (0,12; 0,23; 0,20); Со (0,079; 0,042; 0,072).
Органические удобрения в последствии значительно усиливают поглощение микроэлементов растениями. По сравнению с контрольными вариантами поступление микроэлементов в растения возрастает в 1,4— 2 раза, причем более значительно у кукурузы и ржи, меньше — у ячменя.
Систематический учет количества микроэлементов, поступающих в почву при проведении различных агрохимических мероприятий, и ежегодных уровней их потерь в условиях интенсивной мелиорации земель позволил вскрыть закономерности баланса микроэлементов в земледелии области.
Расчеты, проведенные по усредненным данным, свидетельствуют о положительном балансе в почвах бора, меди и марганца и отрицательном — молибдена, кобальта и цинка. Познание закономерностей баланса микроэлементов в земледелии дает возможность не только контролировать средний уровень фактического их содержания в почвах, но и составить прогноз изменения микроэлементного состава почв на перспективу и на этой основе осуществлять научно обоснованное применение средств химизации и микроудобрений.
Данные по расчету баланса микроэлементов подтверждаются результатами анализа изменения их содержания в почвах региона за последние 25 лет.
Фактические данные показывают, что за 25 лет площади почв с недостаточной обеспеченностью бором снизились на 18,2%, медью — 11,3%, марганцем — 2,8%, а молибденом, кобальтом и цинком — возросли соответственно на 0,8; 0,9 и 8,1%. Таким образом, почв, нуждающихся в дополнительном внесении борных удобрений, — 44,5%, медных — 50,6%, марганцевых — 13,6% и практически все почвы имеют недоступную обеспеченность молибденом, кобальтом и цинком.
Эти данные с учетом прогноза их изменения на перспективу позволили определить потребность земледелия области в микроудобрениях и наметить мероприятия, позволяющие уменьшить имеющийся дефицит микроэлементов.
Ежегодная потребность в микроудобрениях для области с учетом предпосевного смачивания семян сельскохозяйственных культур следующая, в т: борной кислоты — 6, сульфата меди — 15, молибденовокислого аммония — 12, сернокислого цинка — 20 и сернокислого кобальта — 11.