Разные биогенные элементы, попадая в почву с удобрениями, претерпевают существенные превращения. Одновременно они оказывают значительное влияние на плодородие почвы.
Да и свойства почвы, в свою очередь, могут оказывать на вносимые удобрения как позитивное, так и негативное влияние. Эта взаимосвязь удобрений и почвы является весьма сложной и требует глубоких и обстоятельных исследований. С превращениями удобрений в почве связаны и различные источники их потерь. Эта проблема представляет собой одну из основных задач агрохимической науки. Р. Kundler et al. (1970) в общем виде показывают следующие возможные превращения различных химических соединений и связанные с ними потери питательных элементов путем вымывания, улетучивания в газообразной форме и закрепления в почве.
Вполне понятно, что это лишь некоторые показатели превращения различных форм удобрений и питательных элементов в почве, они еще далеко не охватывают многочисленные пути превращения различных минеральных удобрений в зависимости от типа и свойств почвы.
Поскольку почва является важным звеном биосферы, она прежде всего подвергается сложному комплексному воздействию вносимых удобрений, которые могут оказывать следующее влияние на почву: вызывать подкисление или подщелачивание среды; улучшать или ухудшать агрохимические и физические свойства почвы; способствовать обменному поглощению ионов или вытеснять их в почвенный раствор; способствовать пли препятствовать химическому поглощению катионов (биогенных и токсических элементов); способствовать минерализации или синтезу гумуса почвы; усиливать или ослаблять действие других питательных элементов почвы или удобрений; мобилизовать или иммобилизовать питательные элементы почвы; вызывать антагонизм или синергизм питательных элементов и, следовательно, существенно влиять на их поглощение и метаболизм в растениях.
В почве может быть сложное прямое или косвенное взаимовлияние между биогенными токсичными элементами, макро — и микроэлементами, а это оказывает значительное влияние на свойства почвы, рост растений, их продуктивность и качество урожая.
Так, систематическое применение физиологически кислых минеральных удобрений на кислых дерново-подзолистых почвах повышает их кислотность и ускоряет вымывание из пахотного слоя кальция и магния и, следовательно, увеличивает степень ненасыщенности основаниями, снижая почвенное плодородие. Поэтому на таких ненасыщенных почвах применение физиологически кислых удобрений необходимо сочетать с известкованием почвы и нейтрализацией вносимых минеральных удобрений.
Двадцатилетнее применение удобрений в Баварии на иловатой, плохо дренированной почве в сочетании с известкованием под травы привело к повышению pH с 4,0 до 6,7. В поглощаемом комплексе почвы обменный алюминий заменился кальцием, что привело к значительному улучшению свойств почвы. Потери же кальция в результате выщелачивания составили 60—95% (0,8—3,8 ц/га в год). Как показали расчеты, ежегодная потребность в кальции составила 1,8—4 ц/га. В этих опытах урожай сельскохозяйственных растений хорошо коррелировал со степенью насыщенности почвы основаниями. Авторы пришли к выводу, что для получения высокого урожая необходимы pH почвы >5,5 и высокая степень насыщенности основаниями (V = 100%); при этом удаляется обменный алюминий из зоны наибольшего размещения корневой системы растений.
Во Франции выявлено большое значение кальция и магния в повышении плодородия почв и улучшении их свойств. Установлено, что выщелачивание приводит к обеднению запаса кальция и магния
в почве. В среднем ежегодные потери кальция составляют 300 кг/га (200 кг на кислой почве и 600 кг на карбонатной), а магния — 30 кг/га (на песчаных почвах они достигали 100 кг/га). Кроме того, некоторые культуры севооборота (бобовые, технические и др.) выносят значительные количества кальция и магния из почвы, поэтому следующие за ними зерновые культуры часто обнаруживают симптомы недостаточности этих элементов. Не нужно забывать также, что кальций и магний выполняют роль физико-химических мелиорантов, оказывая благоприятное влияние на физические и химические свойства почвы, а также на ее микробиологическую деятельность. Это косвенно влияет на условия минерального питания растений другими макро — и микроэлементами. Для поддержания плодородия почвы необходимо восстановление уровня содержания кальция и магния, потерянных в результате выщелачивания и выноса из почвы сельскохозяйственными культурами; для этого ежегодно следует вносить 300—350 кг CaO и 50—60 кг MgO на 1 га.
Задача заключается не только в восполнении потерь этих элементов вследствие выщелачивания и выноса сельскохозяйственными культурами, но и в восстановлении плодородия почвы. В этом случае нормы внесения кальция и магния зависят от первоначального значения pH, содержания в почве MgO и фиксирующей способности почвы, т. е. прежде всего от содержания в ней физической глины и органического вещества. Подсчитано, что для повышения pH почвы на одну единицу нужно внести извести от 1,5 до 5 т/га, в зависимости от содержания физической глины (<10% — >30%), Чтобы повысить содержание магния в пахотном слое почвы на 0,05%, нужно внести 200 кг MgO/га.
Очень важно установить правильные дозы извести в конкретных условиях ее применения. Этот вопрос не настолько прост, как часто его представляют. Обычно дозы извести устанавливают в зависимости от степени кислотности почвы и насыщенности ее основаниями, а также разновидности почвы. Эти вопросы требуют дальнейшего, более глубокого изучения в каждом конкретном случае. Важен вопрос о периодичности внесения извести, дробности внесения в севообороте, сочетании известкования с фосфоритованием и внесением других удобрений. Установлена необходимость в опережающем известковании как условии для повышения эффективности минеральных удобрений на кислых почвах таежно-лесной и лесостепной зон. Известкование существенно влияет на подвижность макро — и микроэлементов внесенных удобрений и самой почвы. А это сказывается на продуктивности сельскохозяйственных растений, качестве продуктов питания и кормов, а следовательно, на здоровье человека и животных.
М. Р. Sheriff (1979) считает, что о возможном переизвестковании почв можно судить по двум уровням: 1) когда продуктивность пастбищ и животных не повышается при дополнительном внесении извести (это автор называет максимальным экономическим уровнем) и 2) когда известкование нарушает баланс питательных веществ в почве, и это отрицательно сказывается на продуктивности растений и здоровье животных. Первый уровень на большей части почв наблюдается при pH около 6,2. На торфяных почвах максимальный экономический уровень отмечается при pH 5,5. Некоторые пастбища на легких вулканических почвах не обнаруживают каких-либо признаков отзывчивости на известь при их природной величине pH 5,6.
Необходимо строго учитывать требования возделываемых культур. Так, чайный куст предпочитает кислые красноземы и желтоземно-подзолистые почвы, известкование угнетает эту культуру. Внесение извести отрицательно влияет на лен, картофель (подробности удобрения картофеля) и другие растения. Наиболее хорошо отзываются на известь бобовые культуры, которые угнетаются на кислых почвах.
Проблема же продуктивности растений и здоровья животных (второй уровень) чаще всего возникает при рН = 7 и более. Кроме того, почвы различаются по скорости и степени отзывчивости на известь. Например, согласно М. Р. Sheriff (1979), чтобы изменить pH с 5 до 6 для легких почв, ее требуется около 5 т/га, а для тяжелой глинистой почвы в 2 раза большее количество. Важно учитывать также содержание карбоната кальция в известковом материале, а также рыхлость породы, тонину ее помола и т. д. С агрохимической точки зрения весьма важно учитывать мобилизацию и иммобилизацию макро — и микроэлементов в почве под действием известкования. Установлено, что известь мобилизует молибден, который в избыточных количествах может отрицательно влиять на рост растений и здоровье животных, но одновременно наблюдаются симптомы недостаточности меди у растений и скота.
Применение удобрений может не только мобилизовывать отдельные питательные элементы почвы, но и связывать их, превращая в недоступную для растений форму. Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что одностороннее использование высоких доз фосфорных удобрений часто значительно снижает содержание подвижного цинка в почве, вызывая цинковое голодание растений, что отрицательно сказывается на количестве и качестве урожая. Поэтому применение высоких доз фосфорных удобрений часто вызывает необходимость внесения цинкового удобрения. Больше того, внесение одного фосфорного или цинкового удобрения может не дать эффекта, а совместное их применение привести к значительному положительному их взаимодействию.
Можно привести немало примеров, свидетельствующих о положительном и отрицательном взаимодействии макро- и микроэлементов. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии изучали влияние минеральных удобрений и известкования почвы доломитом на поступления радионуклида стронция (90Sr) в растения. Содержание 90Sr в урожае ржи, пшеницы и картофеля под влиянием полного минерального удобрения снижалось в 1,5—2 раза по сравнению с неудобренной почвой. Наименьшее содержание 90Sr в урожае пшеницы было в вариантах с высокими дозами фосфорных и калийных удобрений (N100P240K240), а в клубнях картофеля — при внесении высоких доз калийных удобрений (N100P80K240). Внесение доломита снизило накопление 90Sr в урожае пшеницы в 3—3,2 раза. Внесение полного удобрения N100P80K80 на фоне известкования доломитом уменьшало накопление радиостронция в зерне и соломе пшеницы в 4,4—5 раз, а при дозе N100P240K240 — в 8 раз по сравнению с содержанием без известкования.
Ф. А. Тихомиров (1980) указывает на четыре фактора, влияющие на размеры выноса радионуклидов из почв урожаем растений: биогеохимические свойства техногенных радионуклидов, свойства почвы, биологические особенности растений и агрометеорологические условия. Например, из пахотного слоя типичных почв европейской части СССР выводится в результате миграционных процессов 1—5% содержащегося в нем 90Sr и до 1 % 137Cs; на легких почвах скорость удаления радионуклидов из верхних горизонтов существенно выше, чем на тяжелых. Лучшая обеспеченность растений питательными элементами и их оптимальное соотношение снижают поступление радионуклидов в растения. Культуры с глубоко проникающими корневыми системами (люцерна) меньше накапливают радионуклидов, чем с поверхностными корневыми системами (райграс).
На основе экспериментальных данных в лаборатории радиоэкологии МГУ научно обоснована система агромероприятий, реализация которых существенно снижает поступление радионуклидов (стронция, цезия и др.) в продукцию растениеводства. Эти мероприятия включают: разбавление поступающих в почву радионуклидов в виде практически невесомых примесей их химическими аналогами (кальций, калий и др.); уменьшение степени доступности радионуклидов в почве внесением веществ, переводящих их в менее доступные формы (органическое вещество, фосфаты, карбонаты, глинистые минералы); заделка загрязненного слоя почвы в подпахотный горизонт за пределы зоны распространения корневых систем (на глубину 50—70 см); подбор культур и сортов, накапливающих минимальные количества радионуклидов; размещение на загрязненных почвах технических культур, использование этих почв под семенные участки.
Эти мероприятия могут быть использованы и для снижения загрязнения сельскохозяйственной продукции и токсическими веществами нерадиоактивной природы.
Исследованиями Е. В. Юдинцевой и др. (1980) также установлено, что известковые материалы снижают накопление 90Sr из дерново-подзолистой супесчаной почвы в зерне ячменя примерно в 3 раза. Внесение повышенных доз фосфора на фоне доменных шлаков снижало содержание 90Sr в соломе ячменя в 5—7 раз, в зерне — в 4 раза.
Под влиянием известковых материалов содержание цезия (137Cs) в урожае ячменя снижалось в 2,3—2,5 раза по сравнению с контролем. При совместном внесении высоких доз калийных удобрений и доменных шлаков содержание 137Cs в соломе и зерне снижалось в 5—7 раз по сравнению с контролем. Действие извести и шлаков на уменьшение накопления радионуклидов в растениях более резко выражено на дерново-подзолистой почве, чем на серой лесной.
Исследованиями ученых США установлено, что при использовании для известкования Ca(OH)2 токсичность кадмия снижалась в результате связывания его ионов, применение же для известкования CaCO3 было неэффективным.
В Австралии изучали влияние двуокиси марганца (MnO2) на поглощение свинца, кобальта, меди, цинка и никеля растениями клевера. Установлено, что при добавлении в почву двуокиси марганца сильнее снижалось поглощение свинца и кобальта и в меньшей степени никеля; на поглощение же меди и цинка MnO2 оказывала незначительное влияние.
В США также были проведены исследования по влиянию различного содержания свинца и кадмия в почве на поглощение кукурузой кальция, магния, калия и фосфора, а также на сухую массу растений.
Из данных таблицы видно, что кадмий оказывал негативное влияние на поступление всех элементов в 24-дневные растения кукурузы, а свинец замедлял поступление магния, калия и фосфора. Кадмий также отрицательно влиял на поступление всех элементов в 31-дневные растения кукурузы, а свинец оказывал положительное действие на концентрацию кальция и калия и отрицательное — на содержание магния.
Эти вопросы имеют важное теоретическое и практическое значение, особенно для земледелия в индустриально развитых районах, где увеличивается накопление ряда микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов. В то же время возникает необходимость в более глубоком изучении механизма взаимодействия различных элементов на поступление их в растение, на формирование урожая и качество продукции.
В университете штата Иллинойс (США) также изучали влияние взаимодействия свинца и кадмия на поглощение их растениями кукурузы.
У растений отмечена определенная тенденция повышать поглощение кадмия в присутствии свинца; почвенный кадмий, наоборот, снижал поглощение свинца в присутствии кадмия. Оба металла в испытанных концентрациях подавляли вегетативный рост кукурузы.
Представляют интерес выполненные в ФРГ исследования по влиянию хрома, никеля, меди, цинка, кадмия, ртути и свинца на поглощение фосфора и калия яровым ячменем и перемещение этих питательных элементов в растении. В исследованиях были использованы меченые атомы 32Р и 42К. Тяжелые металлы в питательный раствор добавляли в концентрации от 10-6 до 10-4 мол/л. Установлено значительное поступление тяжелых металлов в растение с повышением их концентрации в питательном растворе. Все металлы оказывали (в разной мере) ингибирующее действие как на поступление фосфора и калия в растения, так и на перемещение их в растении. Ингибирующее действие на поступление калия проявлялось в большей мере, чем фосфора. Кроме того, перемещение обоих питательных элементов в стебли подавлялось сильнее, чем поступление в корни. Сравнительное действие металлов на растение происходит в следующем нисходящем порядке: ртуть → свинец → медь → кобальт → хром → никель → цинк. Этот порядок соответствует электрохимическому ряду напряжений элементов. Если действие ртути в растворе отчетливо проявлялось уже при концентрации 4∙10-7 мол/л (= 0,08 мг/л), то действие цинка — только при концентрации выше 10-4 мол/л (=6,5 мг/л).
Как уже отмечалось, в индустриально развитых районах происходит накопление в почве различных элементов, в том числе тяжелых металлов. Вблизи крупных автострад Европы и Северной Америки весьма ощутимо влияние на растения соединений свинца, поступающих в воздух и почву с выхлопными газами. Часть соединений свинца попадает через листья в ткани растений. Многочисленными исследованиями установлено повышенное содержание свинца в растениях и почве на расстоянии до 50 м в сторону от автострад. Отмечены случаи отравления растений в местах особенно интенсивного воздействия выхлопных газов, например елей на расстоянии до 8 км от крупного Мюнхенского аэропорта, где производится около 230 вылетов самолетов в день. В хвое ели содержалось свинца в 8—10 раз больше, чем в хвое в незагрязненных районах.
Соединения других металлов (меди, цинка, кобальта, никеля, кадмия и др.) заметно влияют на растения вблизи металлургических предприятий, поступая как из воздуха, так и из почвы через корни. В таких случаях особенно важно изучение и внедрение приемов, предотвращающих избыточные поступления токсических элементов в растения. Так, в Финляндии определяли содержание свинца, кадмия, ртути, меди, цинка, марганца, ванадия и мышьяка в почве, а также салате, шпинате и моркови, выращиваемых вблизи промышленных объектов и автострад и на чистых участках. Исследовали также дикорастущие ягоды, грибы и луговые травы. Установлено, что в зоне действия промышленных предприятий содержание свинца в салате колебалось от 5,5 до 199 мг/кг сухой массы (фон 0,15—3,58 мг/кг), в шпинате — от 3,6 до 52,6 мг/кг сухой массы (фон 0,75—2,19), в моркови — 0,25—0,65 мг/кг. Содержание свинца в почве составило 187—1000 мг/кг (фон 2,5—8,9). Содержание свинца в грибах достигало 150 мг/кг. По мере удаления от автострад содержание свинца в растениях снижалось, например, в моркови с 0,39 мг/кг на расстоянии 5 м до 0,15 мг/кг на расстоянии 150 м. Содержание кадмия в почве менялось в пределах 0,01—0,69 мг/кг, цинка — 8,4—1301 мг/кг (фоновые концентрации соответственно были 0,01—0,05 и 21,3—40,2 мг/кг). Интересно заметить, что известкование загрязненной почвы снижало содержание кадмия в салате с 0,42 до 0,08 мг/кг; калийные же и магниевые удобрения не оказывали на него заметного влияния.
В зонах сильного загрязнения содержание цинка в травах было высокое — 23,7—212 мг/кг сухой массы; содержание мышьяка в почве 0,47—10,8 мг/кг, в салате — 0,11—2,68, шпинате — 0,95—1,74, моркови — 0,09—2,9, лесных ягодах — 0,15—0,61, грибах — 0,20—0,95 мг/кг сухого вещества. Содержание ртути в окультуренных почвах было 0,03—0,86 мг/кг, в лесных почвах — 0,04—0,09 мг/кг. Заметных различий в содержании ртути в разных овощах не обнаружено.
Отмечается действие известкования и затопления полей на снижение поступления кадмия в растения. Например, содержание кадмия в верхнем слое почвы рисовых полей в Японии составляет 0,45 мг/кг, а его содержание в рисе, пшенице и ячмене на незагрязненной почве соответственно 0,06 мг/кг, 0,05 и 0,05 мг/кг. Наибольшей чувствительностью к кадмию отличается соя, у которой снижение роста и массы зерен происходит при содержании в почве кадмия 10 мг/кг. Накопление же кадмия в растениях риса в количестве 10—20 мг/кг вызывает подавление их роста. В Японии ПДК кадмия в зерне риса — 1 мг/кг.
В Индии существует проблема токсичности меди вследствие большого накопления ее в почвах, расположенных около медных рудников в Бихаре. Токсичный уровень цитрат ЭДТА-Си > 50 мг/кг почвы. Ученые Индии изучали также влияние известкования на содержание меди в дренажной воде. Нормы извести были 0,5, 1 и 3 от требуемой для известкования. Исследования показали, что известкование не решает проблему токсичности меди, поскольку 50—80% выпавшей в осадок меди оставалось в доступной для растений форме. Содержание доступной меди в почвах зависело от нормы известкования, первоначального содержания меди в дренажной воде и свойств почвы.
Исследованиями установлено, что типичные симптомы недостаточности цинка наблюдались у растений, выращиваемых в питательной среде, содержащей этого элемента 0,005 мг/кг. Это приводило к подавлению роста растений. В то же время цинковая недостаточность у растений способствовала значительному увеличению адсорбции и транспорта кадмия. С повышением концентрации цинка в питательной среде поступление кадмия в растения резко снижалось.
Большой интерес представляет изучение взаимодействия отдельных макро — и микроэлементов в почве и в процессе питания растений. Так, в Италии изучали влияние никеля на поступление фосфора (32Р) в нуклеиновые кислоты молодых листьев кукурузы. Опыты показали, что низкая концентрация никеля стимулировала, а высокая подавляла рост и развитие растений. В листьях растений, выращиваемых при концентрации никеля 1 мкг/л, поступление 32Р во все фракции нуклеиновых кислот было более интенсивное, чем на контроле. При концентрации никеля 10 мкг/л поступление 32Р в нуклеиновые кислоты заметно снижалось.
Авторы предполагают, что одной из причин снижения удельной активности испытанных фракций нуклеиновых кислот при высокой концентрации никеля было повышение активности рибонуклеазы.
Из многочисленных данных исследований можно сделать вывод, что для предотвращения отрицательного влияния удобрений на плодородие и свойства почвы научно обоснованная система удобрения должна предусматривать недопущение или ослабление возможных негативных явлений: подкисления или подщелачивания почвы, ухудшения агрохимических ее свойств, необменного поглощения биогенных элементов, химического поглощения катионов, чрезмерной минерализации гумуса почвы, мобилизации повышенного количества элементов, приводящей к токсическому их действию и т. д.