Химические характеристики наиболее изучены и широко применяются для оценки плодородия почв. Показателем доступности химических элементов растениям и их способности мигрировать в почвенном профиле служит подвижность элементов и их соединений в почвах.
Подвижность химических элементов — это их способность переходить из твердой фазы почвы в жидкую.
Химические аспекты почвенного плодородия включают оценку запасов элементов питания, описание баланса элементов питания в естественных и культурных ландшафтах, характеристику химических механизмов их доступности растениям и рекомендации по регулированию питательного режима почв. Исходя из потребностей древесных пород в минеральных элементах одним из важных показателей плодородия почвы служат содержание в ней азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы, железа, марганца и др.
Азот
Этот элемент поступает в почву с атмосферными осадками, вымывающими из воздуха NH3 и NO3—, а также путем азотфиксации (связывания молекулярного азота воздуха) свободноживущими микроорганизмами и клубеньковыми бактериями в почвах.
Источником азота служат остатки животных и растений. Все более возрастает доля техногенного азота, поступающего в виде удобрений и в форме отходов.
Преобладающая часть азота в почве представлена органическими соединениями. В гумусовых горизонтах почв на органические соединения приходится 93—99 % всего азота. Главным источником и резервом этого элемента служат гумусовые кислоты. Роль гуминовых кислот и фульвокислот в различных почвах неодинакова. В дерново-подзолистых почвах в составе фульвокислот содержится почти вдвое больше азота, чем в гуминовых. В чернозёмах общие запасы азота несравненно выше, чем в других почвах.
Биохимическая трансформация гумуса, в результате которой образуются доступные растениям соединения азота, называется мобилизацией азота. В органической части почв главные соединения азота представлены четырьмя группами.
Содержание различных соединений азота в почвах в слое 0—20 см, кг/га (по Д. С. Орлову и др., 2005)
| Группа | Дерново-подзолистая почва | Типичный чернозём |
| Весь азот | 3560 | 9 890 |
| Азот аминогрупп | 425 | 1 010 |
| Аммонийный азот | 500 | 1 040 |
| Азот аминосахаров | 400 | 670 |
| Негидролизуемый азот | 1 080 | 4 340 |
Соотношение различных соединений азота в почвах довольно устойчиво. Во всех почвах преобладает негидролизуемый азот, на долю которого приходится от 30 % в дерново-подзолистой почве до 40—45 % в чернозёмах. Доля азота аминосахаров не высока. Аммонийный и аминный азот находятся в почвах примерно в равных соотношениях.
Минеральные соединения азота в почвах кроме аммония представлены нитратами и нитритами. В доступных растениям минеральных соединениях находится около 1—3% общего количества азота в почве. В лесных почвах содержание минеральных форм азота сильно колеблется в течение вегетационного периода. Поэтому режим азотного питания деревьев в почвах является важной характеристикой актуального почвенного плодородия.
На баланс и доступность азота растениям в почвах влияют следующие процессы:
- фиксация атмосферного азота свободноживущими клубеньковыми бактериями;
- превращение азотсодержащих соединений органических остатков в гумусовые кислоты;
- аммонификация органических азотсодержащих соединений;
- процессы нитрификации;
- денитрификация и потери азота в атмосферу;
- фиксация иона NH4+ глинистыми минералами;
- вымывание различных соединений азота с внутрипочвенным стоком.
Совокупность этих превращений, составляющих круговорот азота, показана на рисунке ниже.
Круговорот азота в природе (по Д. С. Орлову и др., 2005)
Аммонификация — это процесс разложения содержащих азот органических веществ. Он протекает с участием аммонифицирующих микроорганизмов и приводит к образованию NH3 и NH4+. Ион аммония почвенного раствора может быть потерян в результате вымывания или необменного поглощения почвенно-поглощающим комплексом. Необменное поглощение NH4+ связано с присутствием в почве трехслойных глинистых минералов.
Наибольшей способностью к поглощению катионов NH4+ обладает вермикулит. Монтмориллонит во влажном состоянии не связывает прочно ион NH4+. Каолиниты относятся к группе не-фиксирующих катионы минералов.
Аммонификация является первой стадией минерализации азотсодержащих органических соединений. Следующая стадия — нитрификация. При нитрификации аммиак окисляется до нитритов и нитратов. Нитрификация протекает в почве при окислительных условиях, когда ОВП близки к 400—500 мВ. Если аэрация почв затруднена, а ОВП падает ниже 350 мВ, нитрификация замедляется. При развитии восстановительных условий она прекращается и начинают преобладать процессы денитрификации, ведущие к газообразным потерям азота. До 15% вносимых азотных удобрений подвергается денитрификации.
Денитрификация осуществляется либо биологическим путем — бактериями-денитрификаторами, либо в результате химических реакций. Полная цепочка превращений при денитрификации включает кислородные соединения азота всех степеней окисления:
NO3— → NO2— → NO → N2O → N2
Биологическая денитрификация наиболее интенсивно развивается в плохо дренированных почвах при реакции почвенного раствора, близкой к нейтральной, достаточной обеспеченности почв органическим веществом и температурах около +25 °С. Денитрификация в корнеобитаемом слое снижает обеспеченность растения азотом. Газообразные потери азота за счет денитрификации только пахотными почвами России оцениваются ежегодно более чем в 1,5 млн т.
Эффективное плодородие почвы оценивается по соотношению в ней подвижных химических элементов: азота, фосфора, калия, кальция, серы, железа и марганца.
Все превращения азота в природе осуществляются прокариотами (бактериями). Азот, единственный из биофильных элементов, исходно отсутствует в материнских горных породах и появляется только в результате деятельности бактерий-диазотрофов. Только почвы из-за уникальности своих свойств могут накапливать азот в составе гумуса и поэтому являются единственным природным резервуаром и источником доступных для растений форм этого элемента.
Фосфор
В природе в виде минералов встречаются практически только производные ортофосфорной кислоты — ортофосфаты. Около 95 % всех природных фосфатов — это фосфаты кальция.
В почву фосфор поступает с растительными и животными остатками, а также удобрениями. Значительная часть его содержится в почвообразующей породе. Некоторая часть фосфора поступает с атмосферными осадками, космической и атмосферной пылью и техногенным путем, например, в результате применения инсектицидов и фунгицидов. Валовое содержание фосфора в почвах составляет 0,03—0,20 %, или 1—6 т/га.
В почве фосфор находится в форме минеральных и органических соединений. Минеральные соединения фосфора содержатся в почве в виде ортофосфатов кальция, магния, железа и алюминия; в поглощенном состоянии — в форме фосфат-иона; в составе минералов апатита, фосфорита и вивианита. В почвах с кислой реакцией преобладают фосфаты железа и алюминия. Значительная доля фосфатов в кислых почвах (при pH 5,5—6,5) связана с силикатами. Фосфаты кальция преобладают только в слабощелочных и щелочных (pH > 7,5) почвах степей и полупустынь.
Преобладающая часть неорганических фосфатов в большинстве почв представлена минералами апатитовой группы. В почвах фосфаты присутствуют в разных формах как в одном почвенном профиле, так и в профилях разных почв.
Содержание различных соединений фосфора (Р) в почвах в зависимости от pH (по Д.С. Орлову и др., 2005)
В слабокислых и кислых почвах (pH < 6,5) фосфаты связываются гидроксидами или ионами Fe и Аl и осаждаются. Как в сильнокислой, так и в щелочной средах доля усвояемых фосфатов понижена. Фосфор в составе органических соединений становится доступным после их минерализации с участием ферментов (фосфотаз, фосфолипаз и др.).
Мобилизация фосфора из минеральных соединений происходит в основном под действием кислот, продуцируемых микроорганизмами. Для усвоения фосфат-ионов растениями наиболее благоприятна слабокислая реакция среды (pH 6,0—6,5).
Для характеристики уровня обеспеченности почв подвижными формами фосфора при разных реакциях среды и содержаниях карбонатов используют различные вытяжки. Вытяжки — это химические растворы, которые используются для выделения из почвы тех или иных химических элементов.
Группировка почв по обеспеченности подвижными фосфатами зерновых культур (по содержанию P2O5 в 100 г почвы, мг)
| Обеспеченность | Дерново-подзолистая, серая (по Т. А. Кирсанову, 1930) | Чернозём (по Ф. В. Чирикову, 1947) | Чернозём, каштановая (по М. П. Мачигину, 1952) |
| Очень низкая | Менее 3 | Менее 2 | 1,0 |
| Низкая | Менее 8 | Менее 5 | 1,5 |
| Средняя | 8—15 | 5—10 | 1,5—3,0 |
| Высокая | Более 15 | Более 10 | Более 3 |
Важным резервом обеспечения растений фосфором являются его органические соединения. На их долю в почвах приходится от 10—20 до 70—80% всех запасов фосфора.
Соотношение органических и минеральных фосфатов в гумусных горизонтах различных почв (по содержанию P2O3 в 100 г почвы, мг) (по К.Е. Гинзбург, 1975)
| Почвы | Валовой фосфор | Органический фосфор | Доля органического фосфора от валового, % |
| Дерново-подзолистые супесчаные и легкосуглинистые | 105 | 27 | 25,7 |
| Дерново-подзолистые суглинистые | 117 | 32 | 27,4 |
| Серые лесные | 148 | 66 | 44,6 |
| Чернозёмы выщелоченные | 198 | 142 | 71,7 |
| Чернозёмы типичные | 172 | 79 | 45,9 |
| Чернозёмы южные карбонатные | 148 | 75 | 50,7 |
| Каштановые | 149 | 34 | 22,8 |
Соединения фосфора в почвах подвергаются различным превращениям. Наибольшее значение для генезиса и плодородия почв имеют минерализация органических соединений фосфора, изменение подвижности фосфорных соединений, иммобилизация фосфора, фиксация фосфатов.
Минерализацией фосфора называют превращение микроорганизмами его органических соединений в минеральные. Изменение подвижности фосфорсодержащих веществ (иногда употребляют термин «мобилизация») — это превращение труднорастворимых соединений в более легкорастворимые и переход их в почвенный раствор.
Калий
Содержание валового калия в пахотном слое почв составляет 0,5—3,0%.
Он входит в состав кристаллической решетки как первичных (полевые шпаты, слюды), так и вторичных (вермикулит, глауконит) минералов в труднодоступной для растений форме.
Источником доступных форм калия в почвах является обменный калий, всегда присутствующий в почвенно-поглощающем комплексе в небольшом количестве. Он составляет 0,5—2,5% валового. Другие важные источники калия в почве — относительно слабоустойчивые к выветриванию первичные минералы, главным образом слюды.
Для характеристики обеспеченности почв обменным калием разработана их группировка по его содержанию, которая используется при расчетах норм калийных удобрений.
Группировка почв по содержанию обменного калия (по Н.Ф. Ганжара, 2001)
Методы определения обменного калия дифференцированы по зонам в связи с разной реакцией среды и наличием карбонатов.
Оптимизация калийного питания достигается внесением органических и минеральных удобрений, химическими мелиорациями, мероприятиями, направленными на увеличение емкости катионного обмена.
Кальций
В кислых почвах возникают проблемы с обеспечением потребностей древостоя в доступном кальции.
Особенно это касается подзолистых почв на кислых почвообразующих породах. Преобладающие в составе гумуса таких почв фульвокислоты не закрепляют кальций, высвобождающийся в процессе минерализаций растительного опада и кислотного гидролиза. При промывном типе водного режима кальций является мигрантом и легко выносится за пределы корнеобитаемой зоны. Только часть его может перехватываться корнями растений и вовлекается в биологический круговорот веществ. Еще небольшая часть его закрепляется в почвенно-поглощающем комплексе и находится в обменном состоянии. Обменный кальций — важный источник питания растений. В карбонатных почвах древесные породы полностью обеспечены кальцием.
Сера
Этот элемент необходим для роста и развития растений, он входит в состав растительных белков.
В почвах сера представлена органическими и неорганическими соединениями. Их соотношение зависит от типа почвы.
В верхних горизонтах содержание серы колеблется от 0,01 до 0,40%. Наименьшие содержание и запасы серы характерны для малогумусных песчаных почв, наибольшие — для торфяных. В верхних гумусовых горизонтах на долю органических соединений серы приходится 70—80 % всех ее запасов. Доля минеральных соединений серы нарастает с глубиной по мере повышения минерализации почвенно-грунтовых вод и содержания в почве гипса.
Сульфаты магния и натрия, которые являются главными компонентами засоленных почв, отрицательно влияют на плодородие. В анаэробных условиях образование сероводорода ведет к снижению продуктивности почв.
Железо и марганец
Эти элементы также необходимы растениям в доступной форме. Они входят в состав ферментов и участвуют в образовании хлорофилла. Растениям доступен марганец водорастворимых солей и обменный марганец. Потенциально доступны соединения марганца, которые легко восстанавливаются и переходят в подвижные формы. Недостаток доступных железа и марганца влечет за собой так называемый хлороз — болезнь растений. Среднее содержание марганца в почвах колеблется от 0,01 до 0,20 %. К этим значениям близки содержания в почве фосфора, серы и титана.
Самое низкое содержание железа в почве составляет около 0,5 % и свойственно торфяным и песчаным почвам. В серых почвах лесостепи железа содержится около 3—4%., в буроземах — до 6%. Содержание и распределение железа и марганца в профиле почв отражают направление и особенности почвообразующих процессов.
Микроэлементы
Необходимые для жизнедеятельности растений и животных химические элементы, содержание которых в организме измеряется величинами порядка n·10-2 — n·10-5 %, называются микроэлементами.
Они являются инициаторами и активаторами биохимических процессов, участвуют в регуляции активности ферментов. К микроэлементам обычно относят B, F, Ti, Сr, Co, Ni, Сn, Zn, Se, Rb, Mo, Ag, Cd и др. Доля доступных для растений микроэлементов не превышает 10—25 % от их общего количества в почвах.
Содержание микроэлементов в почвах определяется составом почвообразующих пород, типом водного режима, агрогенными и техногенными факторами. Органические удобрения содержат практически весь набор микроэлементов в соотношениях, которые обеспечивают сбалансированное питание растений.
Недостаток или избыток микроэлементов в почве может вызвать не только снижение урожая, но и ряд заболеваний растений, животных и человека.
Потребности растений в минеральном питании
Для оценки пищевого режима почв как фактора плодородия необходимо учитывать потребности древесных пород в элементах питания. По потреблению элементов питания древесные породы располагаются в следующем порядке: ясень > вяз > клен остролистый > дуб > осина > липа > береза > ель и сосна.
Расположение древесных пород по степени потребления элементов питания не всегда совпадает с расположением по этому параметру насаждений соответствующих пород (Н. П. Ремезов и П. С.Погребняк, 1965). Наименьшее количество элементов питания берет из почвы сосновый лес. Далее в порядке возрастания потребления следуют ельники, дубняк, липняк, осинник, березняк. Смешанные хвойно-широколиственные леса берут из почвы больше элементов питания, чем чистые хвойные. С повышением продуктивности древостоя возрастает потребление элементов питания.
Хвойные породы (сосна, ель) и береза в наибольшем количестве берут из почвы азот, затем кальций. У широколиственных пород и осины на первом месте стоит потребность в кальции, а на втором — в азоте, у некоторых на третьем месте по потреблению находится калий. Особенно много калия потребляет береза. Дуб и сосна выделяются наиболее высоким потреблением кремния. Близко к ним по потребности в этом элементе находится ель. Следующее место в порядке уменьшения потребления химических элементов лиственными породами занимают фосфор, сера и магний. В небольших количествах древесные породы потребляют алюминий, в малых дозах — железо и в минимальных — натрий. В лесных почвах чаще всего наблюдается недостаток доступного азота, кальция, калия, фосфора, серы и реже магния.
Потребление элементов питания у многих древесных пород зависит от возраста. У сосны, ели и дуба наибольшее потребление происходит в возрасте 21—40 лет, у березы — 1—10 лет, у липы и осины равномерное потребление во времени. От степени обеспеченности элементами питания в период наибольшей потребности зависят продуктивность деревьев и их устойчивость к неблагоприятным условиям.
В течение вегетационного периода древесные породы предъявляют разные требования к почве по обеспечению их элементами питания. Эти требования максимальны в период создания листовой массы и наибольшего прироста побегов и ствола.