Почва является важнейшим звеном природного ландшафта и биосферы в целом.
Изучение закономерностей распределения микроэлементов в почвах позволяет установить значение почвенного покрова в геохимической истории элементов и выявить взаимосвязи между их содержанием и почвенным плодородием. Эти материалы служат основой при разработке научно обоснованной системы мероприятий по регулированию круговорота микроэлементов в системе биогеохимических пищевых цепей путем рационального применения микроудобрений и нормирования наиболее благоприятного сочетания недостающих химических элементов для растений, животных и человека.
Изучением содержания микроэлементов в почвах. Установлено, что микроэлементы в почвах могут находиться в составе кристаллических решеток первичных и вторичных минералов — в труднодоступной для растений форме, в соединении с органическим веществом почвы — в доступной для растений форме после минерализации органического вещества, в поглощенном (сорбированном) состоянии на поверхности коллоидных частиц и в составе истинных растворов в воднорастворимой, т. е. доступной, форме. Микроэлементы образуют комплексные соединения с гуминовыми кислотами. Гуминовые кислоты торфяных почв сильно удерживают медь, марганец, молибден, цинк и кобальт и делают их малодоступными для растений. Некоторыми исследованиями показано, что в минеральных почвах 20—37% меди и 4,4% цинка связано с органическим веществом и 70—86,4% данных элементов находится в составе первичных и вторичных минералов, а также оклюдировано окислами железа. Медь в почвах поглощается в форме сложных гидро-аква-комплексных ионов. Почвы, богатые органическим веществом, связывают этот элемент хемосорбционно, причем около 70% его соединено с фракцией фульвокислот. Кобальт в значительной степени поглощается в почве в легкоподвижной ионообменной форме и удерживается в виде соединений с гуминовыми кислотами и веществами твердой органо-минеральной части почвы.
Растения могут поглощать из почвы воднорастовримые, растворимые в слабых кислотах и обменносорбированные формы микроэлементов. Однако содержание их невелико. По данным ряда исследователей, количество доступного растениям бора в разных типах почв составляет 0,1—4,7%, меди — 2,4—40%, марганца — 3—39%, молибдена — 4—20%, кобальта — 3—45%, цинка — 0,2—6%. При этом установлено, что подвижность микроэлементов определяется типом почвы, количеством органического вещества, кислотностью и другими факторами. Так, отмечено, что в торфяных и высокогумусированных почвах бор, марганец, цинк и кобальт более подвижны, чем в минеральных.
Имеющиеся в литературе сведения о содержании микроэлементов в почвах разных регионов страны свидетельствуют о значительных колебаниях как валового их количества, так и подвижных форм. В почвах Северо-Западного региона и ряда прилегающих областей содержание валовой меди колеблется в пределах от 1 до 98,3 мг/кг, подвижной — от 0,3 до 21,8 мг/кг, бора — соответственно от 1 до 67 мг/кг и от 0,02 до 1,8 мг/кг, марганца — от 20 до 3200 мг/кг и от следов до 363 мг/кг, молибдена — от 0,34 до 3,2 мг/кг и от 0,01 до 1,92 мг/кг, кобальта — от 2,5 до 71 мг/кг и от следов до 3,5 мг/кг, цинка — от 6,5 до 125 мг/кг и от 0,07 до 4,8 мг/кг. В пойменных аллювиальных и торфяных почвах наблюдается, как правило, более высокое содержание меди, бора, валового марганца и подвижного кобальта, по сравнению с дерново-подзолистыми почвами.
По сведениям зарубежных авторов в почвах Польши, Германии, Швеции и ряда других европейских стран содержание валовой меди составляет 6,63—94,8 мг/кг, подвижной — 1,7—11 мг/кг, бора — соответственно 19—124 мг/кг и 0,04—4,67 мг/кг, марганца — 30— 1050 и 114—202 мг/кг, молибдена — 0,2—4 и 0,03—0,69 мг/кг, цинка — 18,4 и 0,13—59 мг/кг и валового кобальта 3,23 мг/кг. Приведенные данные свидетельствуют о более высоких показателях в содержании подвижного цинка и валового бора в почвах некоторых европейских стран по сравнению с почвами Северо-Западной зоны РФ.
Имеющиеся в литературе многочисленные данные о содержании микроэлементов в почвах РФ, Белоруссии, Польши и Прибалтики обобщены. Эти данные свидетельствуют о значительной вариации в содержании микроэлементов в почвах отдельных регионов и областей, что, несомненно, связано с разнообразием условий почвообразования, неодинаковостью почв по геоморфологическим признакам, составу почвообразующих пород, агрохимическим свойствам и др.
Вместе с тем имеют место специфические закономерности распределения микроэлементов в почвах. Так, почвы Белоруссии и Прибалтики характеризуются более низким содержанием как валового количества, так и подвижных форм микроэлементов по сравнению с почвами Нечерноземной зоны РФ. Содержание некоторых микроэлементов в почвах Польши соизмеримо с их количеством в почвах Белоруссии и стран Прибалтики.
Сведения о фактическом содержании микроэлементов в почвах позволяют дать оценку степени обеспеченности последних необходимым количеством элементов для нормального роста и развития растений. Приводимые в литературе данные об обеспеченности разных типов почв микроэлементами противоречивы. По данным Ковальского В. В., Андриановой Г. А. (1970), почвы таежно-лесной Нечерноземной зоны, Литвы, северной части Эстонии и Латвии недостаточно обеспечены медью, кобальтом, бором, молибденом и валовым цинком. По количеству марганца они являются недостаточно или среднеобеспеченными. Повышенное содержание подвижного цинка в этих почвах авторы связывают с его значительной подвижностью в условиях реакции среды.
Другие авторы отмечают недостаточную обеспеченность дерново-подзолистых почв медью, марганцем, цинком, молибденом и кобальтом или среднюю и низкую обеспеченность медью дерново-подзолистых почв Псковской области, а также высокую обеспеченность бором и марганцем дерново-подзолистых глееватых почв.
Многие авторы отмечают высокую аккумуляцию бора, меди, цинка и марганца в пойменных почвах. В то же время Джурко М. С. (1970), наоборот, показал, что пойменные почвы бедны микроэлементами.
Противоречивы литературные данные и об обеспеченности микроэлементами органогенных почв. Так, Дубиковский Г. П., Алисеевич М. К. (1975); Белицына Г. Д. (1981) установили достаточную обеспеченность торфяно-болотных и органогенных пойменных почв бором, марганцем, кобальтом и некоторыми другими элементами. Антонова Г. Г. и др. (1972) показали, что торфяно-болотные почвы Эстонии богаты и среднеобеспечены подвижными формами бора, молибдена, марганца, меди и цинка.
Однако большинство исследователей указывает на низкую обеспеченность торфяных почв как валовыми, так и подвижными формами микроэлементов.
Разные авторы приводят граничные числа содержания микроэлементов в почвах, ниже которых наблюдается их дефицит для растений. Так, по данным Власюка П. А. (1975), граничными числами содержания подвижных форм марганца является 40 мг/кг почвы, цинка и бора — 0,3 мг/кг, молибдена — 0,2 мг/кг, кобальта — 2,5 мг/кг, меди при pH 7,0—10 мг/кг, а при pH 5,0—7 мг/кг. По сведениям Ковальского В. В., Андриановой Г. А. (1970), нижняя пороговая граница содержания микроэлементов в почвах составляет для меди 6—15 мг/кг, кобальта — 2—7 мг/кг, цинка — до 30 мг/кг, марганца до 400 мг/кг, молибдена до 1,5 мг/кг, бора — 3—6 мг/кг.
Для количественной оценки обеспеченности почв микроэлементами в литературе разными авторами приводятся градации. Так, для почв Прибалтики разработаны градации по обеспеченности подвижными формами микроэлементов Пейве Я. В. и Ринькисом Г. Я. (1965).
Представленные градации во многом сочетаются с граничными числами содержания подвижных форм микроэлементов и отличаются более высокими пороговыми значениями цинка и более низкими — меди.
Градации по обеспеченности почв подвижными формами микроэлементов с учетом разного уровня их содержания в минеральных и органических разновидностях были предложены Дубиковским Г. П. (1975) для почв Белоруссии. Эти градации разработаны на основании обобщения собственного экспериментального материала и литературных данных.
Наиболее подробные градации с учетом растений с разной способностью к выносу микроэлементов представлены Важениным И. Г. (1976) на основе обобщения литературного материала.
Приводимые разными авторами градации по обеспеченности почв микроэлементами, несмотря на кажущуюся точность и универсальность, несут в себе элементы условности и не отражают комплекс факторов, которые приходится учитывать в практике сельскохозяйственного производства при применении микроудобрений.
Научные разработки по изучению распределения микроэлементов в почвах для целей рационального применения микроудобрений в сельском хозяйстве ведутся с 1968 года на Калининградской областной проектно-изыскательской станции химизации сельского хозяйства. Исследования показали значительную пестроту микроэлементного состава разных типов почв области, о чем свидетельствуют высокие значения коэффициентов варьирования.
Уровень варьирования содержания микроэлементов в разных типах почв неодинаковый; он более значительный в дерново-подзолистых почвах, по сравнению с другими типами почв. Это объясняется, по-видимому, специфическими особенностями дерново-подзолистых почв, их существенными различиями по ряду основных агрохимических признаков, среди которых важное место занимают гранулометрический состав, гумусированность, кислотность и др.
Характерной особенностью распределения микроэлементов в почвах области является менее значительное варьирование их валового количества по сравнению с подвижными формами. По-видимому, более или менее постоянный минералогический состав, обусловленный рыхлыми водно-ледниковыми отложениями, участвующими в почвообразовательном процессе, явился одной из главных причин относительно невысокого колебания валового содержания микроэлементов как в разных типах почв, так и в пределах данного почвенного типа.
В целом, содержание микроэлементов в почвах Калининградской области ниже, чем в почвах РФ и приближается к количеству последних в почвах Белоруссии, Прибалтики и Польши.
Одной из существенных особенностей содержания микроэлементов в почвах области является их неодинаковая подвижность (отношение подвижных форм к валовым), определяемая характером элементов, типом почвы, ее гумусированностью и другими факторами. Полученные нами данные во многом согласуются с литературными данными. Однако по бору, меди, марганцу приближаются к верхнему, а по кобальту и цинку — среднему пределу литературных данных.
Подобная особенность обусловлена высокой гумусированностью рассматриваемых почв по сравнению с их аналогами в Европейской части Российской Федерации, Белоруссии, Прибалтики.
Установлено, что с увеличением содержания органического вещества в почвах возрастает подвижность бора, меди, кобальта и цинка, что и определяет аномально высокий процент подвижности форм данных элементов к валовым в аллювиальных и осушаемых торфяных почвах.
Специфические условия почвообразования на территории области, а также особенности минералогического состава почвообразующих пород обусловили характерную мозаику обеспеченности почв валовыми формами микроэлементов. В целом почвы области слабо обеспечены валовым марганцем и молибденом, слабо или достаточно обеспечены медью и кобальтом, средне — или высокообеспечены бором и цинком.
Однако для прогнозирования и последующего регулирования уровня микроэлементного питания растений важное значение имеет характеристика обеспеченности почв подвижными (доступными растениям) формами микроэлементов. Оценка данных фактического содержания подвижных форм микроэлементов в почвах области по приводимым в литературе градациям по обеспеченности ими почв Белоруссии и Прибалтики показывает, что в целом рассматриваемые почвы высокообеспечены марганцем, низкообеспечены молибденом, кобальтом и цинком, среднеобеспечены бором и медью.
Дерновые глеевые и глееватые почвы отличаются от дерново-подзолистых более высокой обеспеченностью цинком. Значительное сходство по обеспеченности микроэлементами имеют аллювиальные почвы с дерновыми и отличаются от последних средней обеспеченностью кобальтом.
Массовое обследование территории сельхозугодий на содержание подвижных форм микроэлементов и оценка полученных результатов по градациям обеспеченности ими почв позволили реально оценить обеспеченность почв области микроэлементами. В группу почв с недостаточным содержанием микроэлементов и нуждающихся в применении микроудобрений отнесены почвы с низкой и средней обеспеченностью ими. Таким образом, практически все почвы (т. е. 99,8—99,9%) имеют дефицит по молибдену, кобальту и цинку; 50,6% почв с недостаточным содержанием меди, 44,5% — бора и лишь 13,6% слабообеспечены марганцем.
В связи с тем, что содержание микроэлементов в почвах области колеблется в широких пределах, общая характеристика обеспеченности почв не позволяет дать более точную оценку нуждаемости отдельных типов почв и микроудобрениях. Для обсуждения данного вопроса проведен анализ обеспеченности основных типов почв микроэлементами.
Почвы разной генетической принадлежности, различающиеся по морфологическим и агрохимическим параметрам, имеют специфические особенности содержания и распределения микроэлементов в пахотном слое, а вместе с тем и характерные закономерности обеспеченности ими.
Так, дерново-подзолистые почвы отличаются от своих аналогов — почв Европейской части Российской Федерации, Белоруссии и Прибалтики слабо выраженными признаками подзолообразовательного процесса. Эти почвы преимущественно среднего и тяжелого гранулометрического состава с относительно высоким содержанием гумуса.
Качественный состав гумуса в дерново-подзолистых почвах области также весьма специфичен. Он отличается значительным преобладанием фульвокислот и относительно высокой подвижностью гумусовых кислот. Отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот колеблется в пределах 0,4—0,6. Высокая гидрофильность и дисперсность гумусовых кислот обусловливает склонность к образованию внутрикомплексных соединений с поливалентными катионами, в том числе и с катионами металлов — микроэлементов, способствуя их передвижению внутрь профиля на значительную глубину.
Недостаток кальция и магния в гумусовом горизонте рассматриваемых почв не обеспечивает полную нейтрализацию гумусовых кислот, чем объясняется сильное воздействие последних на минеральную часть почвы, а промывной режим способствует значительному вымыванию гумусовых соединений и усиливает процесс передвижения внутрикомплексных металлоорганических соединений по профилю.
По сравнению с дерново-подзолистыми почвами Европейской части РФ, Белоруссии и Прибалтики почвы Калининградской области характеризуются меньшим количеством как валовых, так и подвижных форм бора, молибдена, кобальта и цинка, а также соизмеримыми величинами содержания меди и марганца.
По обеспеченности подвижными формами микроэлементов данные почвы отнесены к почвам с очень низкой обеспеченностью молибденом, с недостаточной обеспеченностью бором, кобальтом и цинком, средней обеспеченностью медью и повышенной обеспеченностью марганцем. В целом практически все дерново-подзолистые почвы нуждаются в дополнительном внесении борных, молибденовых, кобальтовых и цинковых микроудобрений, около 80% почв — во внесении медных и лишь около 12% — марганцевых удобрений.
Характерным для дерновых и отличительным от дерново-подзолистых почв признаком является более высокое валовое содержание и количество подвижных форм микроэлементов. Однако данные почвы также слабо обеспечены молибденом, кобальтом и цинком. Несмотря на лучшую обеспеченность дерновых почв микроэлементами по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, значительная их часть нуждается в дополнительном внесении микроудобрений: борных около 60%, медных — 25%, молибденовых, кобальтовых и цинковых — 100%. При этом следует учесть, что борные, медные, цинковые и отчасти кобальтовые удобрения на данных почвах необходимо применять в меньших дозах по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, т. к. значительный процент дерновых почв относится к группе среднеобеспеченных указанными микроэлементами.
Аллювиальные почвы отличаются от дерновых более высоким содержанием подвижных форм микроэлементов, а также количеством валового кобальта и цинка. Данные почвы характеризуются достаточной или повышенной обеспеченностью бором и медью. Около 75% этих почв обеспечены марганцем и около 18% — цинком.
Однако специфичным для данных почв является очень низкая обеспеченность молибденом, низкая или средняя обеспеченность кобальтом и цинком. В целом около 25% рассматриваемых почв нуждаются в дополнительном внесении марганцевых, около 80% — цинковых и 100% — молибденовых и кобальтовых микроудобрений. Учитывая, что в аллювиальных почвах значительный удельный вес занимают почвы со средней обеспеченностью марганцем, кобальтом и цинком, применение данных микроудобрений следует рекомендовать в небольших дозах.
По валовому содержанию микроэлементов осушаемые торфяные почвы занимают промежуточное положение между дерново-подзолистыми и дерновыми или аллювиальными почвами, а по количеству подвижных форм микроэлементов приближаются к последним. Это свидетельствует о высокой подвижности большинства микроэлементов в осушаемых торфяных почвах.
По обеспеченности подвижными формами микроэлементов осушаемые торфяные почвы характеризуются как почвы с достаточной обеспеченностью бором и медью, очень низкой обеспеченностью молибденом, кобальтом и цинком и в равной степени средней или повышенной обеспеченностью марганцем.
Природа поступления и аккумуляции микроэлементов в пахотном слое разных типов почв области различна. В дерново-подзолистых почвах с характерным для них низким уровнем почвенно-грунтовых вод главным фактором, определяющим уровень содержания микроэлементов в гумусовом горизонте, является их биогенная аккумуляция, интенсивность которой зависит от многих признаков, главными из которых являются активность почвенной микрофлоры и скорость разложения органических веществ, гранулометрический состав, количество гумуса, кислотность и другие.
В дерновых почвах, где уровень почвенно-грунтовых вод находится на глубине более метра, так же как и в дерново-подзолистых почвах, превалирует биогенная аккумуляция микроэлементов, которая более ярко выражена под густой луготравянистой растительностью. Аккумуляция усиливается за счет обогащения почв гумусом, это является одной из главных причин более высокого содержания микроэлементов в дерновых почвах по сравнению с дерново-подзолистыми.
Микроэлементы могут поступать в пахотный слой с почвенногрунтовыми водами при их высоком уровне. Пополнение микроэлементного состава верхних горизонтов за счет гидрогенной аккумуляции имеет место в аллювиальных и осушаемых торфяных почвах, где почвенно-грунтовые воды находятся на глубине 0,4—0,8 м, а в отдельные периоды поднимаются к поверхности, подтопляя пахотный слой.
В зависимости от степени гидрогенной аккумуляции и уровня грунтовых вод возможен самый разнообразный характер распределения микроэлементов: совпадение биогенного и гидрогенного распределения, преобладание той или иной формы аккумуляции на разных глубинах в почве. В горизонте испарения капиллярных токов от грунтовых вод происходит выпадение микроэлементов и их абсолютное или относительное накопление.
В почвах, подвергающихся периодическому затоплению паводковыми водами, имеет место механическая аккумуляция микроэлементов, которая накладывается на биогенную, увеличивая их концентрацию в пахотном слое. Особенно это относится к микроэлементам сравнительно подвижным, легко мигрирующим, таким как марганец, медь и кобальт.
Таким образом, аллювиальным и осушаемым торфяным почвам, в отличие от дерново-подзолистых и дерновых почв, характерны различные виды аккумуляции микроэлементов в пахотном слое (биогенная, гидрогенная, механическая). В отдельные периоды может превалировать тот или иной вид аккумуляции, но все они ведут к обогащению пахотного слоя микроэлементами. Аномально низкое содержание марганца в аллювиальных и осушаемых торфяных почвах, по-видимому, связано с сильной распаханностью данных почв и интенсивным их сельскохозяйственным использованием, т. к. данные почвы характеризуются высоким потенциальным плодородием.
Рассмотренные закономерности концентрации и распределения микроэлементов в пахотном горизонте и обеспеченность ими разных типов почв Калининградской области специфичны. Они определяются особенностями агроклиматических условий формирования и развития почв, спецификой окислительно-восстановительных процессов, типом гидрологического режима, производственной деятельностью человека и другими.