Материал и методы исследований

Содержание.

Введение………………………………………………………………………. 3

1.Обзор литературы……………………………………………………………5

2.Материал и методика исследований………………………….....................28

Заключение

Список литературы……………………………………………………………36

Введение

Очень важное значение при корректировке рекомендуемых норм удобрений под сельскохозяйственные культуры имеет уровень эффективного плодородия, то есть содержание в почве подвижного фосфора, обменного калия, гумуса и других агрохимических показателей. Данные по этим показателям отражаются в агрохимических картограммах полей, которые через каждые 5 – 6 лет обновляются в результате полевых обследований, проводимых проектно-изыскательскими станциями химизации сельского хозяйства.

Калий является важным питательным элементом для растений и он необходим в больших количествах для правильного роста и репродукции растений. Калий занимает второе место после азота в системе питательных элементов, необходимых растениям, и обычно относится к «питательным элементам, влияющим на качество питательных элементов». Он влияет на форму растений, размер, цвет, вкус и другие показатели здоровых продуктов.

Фосфор также является важным макроэлементом, необходимым для питания растений. Он участвует в обменных процессах, таких как фотосинтез, передача энергии и расщепление углеводов.

Фосфор в почве содержится в органических соединениях и минералах. Однако количество легкодоступного фосфора очень невелико по сравнению с общим количеством фосфора, имеющегося в почве.

Учитывая складывающуюся ситуацию в сельском хозяйстве и в стране в целом, а именно когда речь идет о импортозамещении в производстве различной сельскохозяйственной продукции. Очень важны сведения о состоянии почвенного покрова и содержании в почвах основных элементов питания фосфор и калий. Поэтому данная работа имеет актуальное значение, так как в работе приводиться оценка состояния почвенного покрова восточной части области по содержанию этих элементов и динамика их изменения в период с 1965 по 2015 годы.

Тема: мониторинг почв по содержанию фосфора и калия восточной зоны Оренбургской области.

Цель: проанализировать эколого- химическое состояние почвенного покрова восточной зоны Оренбургской области за период с 1965 по 2015 гг.

Задачи:

1.Определить содержание фосфора в почве восточной зоны за изучаемый период;

2.Определить содержание калия в почве восточной зоны за изучаемый период;

3.Выявить зависимость содержания фосфора и калия восточной зоны от климатических явлений;

1.Обзор литературы

Фосфор в почвах и его значение

Физиологическая роль фосфора в питании растений

Фосфор — один из необходимых элементов питания. По выражению академика Ферсмана «Фосфор – элемент жизни и мысли». Без него невозможна жизнь не только высших растений, но и простейших организмов [25]. Фосфор входит в состав многих веществ, которые играют важнейшую роль в жизненных явлениях[28]. Его находят в нуклеиновых кислотах (РНК и ДНК), т.е. фосфор принимает участие в синтезе белков и в передаче наследственных свойств и биологической информации.

Очень важную роль играют макроэргические соединения, содержащие фосфор, например АТФ. Она является главным аккумулятором энергии и ее переносчиком для многих синтетических процессов. В частности, без АТФ не будут идти процессы фотосинтеза и дыхания[28].

Фосфор – спутник азота; там, где есть азот – присутствует и фосфор. В растениях он представлен минеральными и органическими соединениями. Минеральные фосфаты присутствуют в тканях растений чаще всего в виде кальциевых, калиевых, магниевых солей ортофосфорной кислоты. Несмотря на то, что они содержатся обычно в небольших количествах, они играют важную роль в создании буферной системы клеточного сока и служат резервом для образования органических фосфорсодержащих соединений[56].

В растениях преобладают и играют наиболее важную роль органические соединения. К ним относятся нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфопротеиды, фосфатиды, фитин, сахарофосфаты, макроэргические соединения и др. [38].

Среди них на первое место следует поставить нуклеиновые кислоты. Это сложные высокомолекулярные вещества, которые участвуют в самых важных процессах жизнедеятельности: РНК (рибонуклеиновая) - в синтезе специфических для данного организма белков, ДНК (дезоксирибонуклеиновая) - в передаче наследственных свойств и переносе биологической информации. Нуклеиновые кислоты с белками образуют сложные белки нуклеопротеиды, которые содержатся в эмбриональных тканях и клеточных ядрах [27].

Важной группой являются фосфопротеиды – соединения белковых веществ с фосфорной кислотой. Сюда относятся белки – ферменты, которые служат в качестве катализаторов многих биохимических процессов.

Фосфатиды или фосфолипиды играют очень важную биологическую роль. Они образуют белково-липидные молекулы, которые способствуют проницаемости в клетку различных веществ. Находятся фосфатиды в любой растительной клетке, но наиболее высоким их содержанием отличаются семена, особенно масличных и бобовых культур [29].

Важным соединением является фитин. Фитина много в молодых органах и тканях и, особенно – в семенах, в виде запасного вещества. При прорастании семян освобождается фосфорная кислота, которая используется молодым растением. В семенах бобовых и масличных культур фитин составляет 1—2% веса сухой массы, в семенах злаков — 0, 5 — 1, 0%.

Большую роль в процессах фотосинтеза, дыхания и при взаимных превращениях углеводов (сахарозы, крахмала) играют сахарофосфаты. Содержание сахарофосфатов в растениях изменяется в зависимости от возраста растений, условий их питания и других факторов и составляет от 0, 1 до 1, 0% веса сухой массы.

Общее содержание фосфора в растениях много ниже, чем азота и колеблется от 0, 3 до 2% (азота – 1 – 5%). Богаты фосфором молодые растущие ткани; много его накапливается в товарной части урожая (в генеративных органах). Фосфор ускоряет созревание растений. Под его влиянием в листьях ускоряются процессы распада белков и переход продуктов распада в репродуктивные органы, в частности, в зерно. Так как фосфор играет большую роль в углеводном обмене, фосфорные удобрения способствуют накоплению сахаров в свекле, а в клубнях картофеля – крахмала. Хорошее фосфорное питание способствует лучшей перезимовке озимых культур, плодовых и ягодников.

Таким образом, фосфор принимает самое непосредственное участие во многих процессах жизнедеятельности растений, и обеспечение высокого уровня фосфорного питания — одно из важнейших условий получения больших урожаев сельскохозяйственных культур[38].

Источники фосфора для растений

Фосфор содержится в растениях в значительно меньших количествах, чем азот. В почве он встречается в минеральной и органической формах. Находящийся в органических соединениях фосфор становится доступным растениям только после минерализации (разложения) органического вещества[25].

Главным источником фосфорного питания служат соли ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ , хотя доказано, что растения могут использовать и соли других фосфорных кислот: метафосфорной, пирофосфорной и других.

Фосфорная кислота – трехосновная; она может отдиссоциировать три аниона:

Н₃РО₄ Н₂РО₄ ^- НРО₄^2- РО₄^3-

рН=5-6 рН=6-7 усваивается в щелочной среде

Наиболее благоприятный рН для доступности фосфора - от близкого к нейтральному до слабокислого. Почвы со слабощелочной реакцией обычно характеризуются обилием кальция. В таких условиях фосфор переходит в малорастворимые фосфаты кальция и обычно возникает недостаточность фосфора.

Доступность растениям различных солей фосфорной кислоты зависит от их растворимости. Наиболее растворимы в воде соли фосфорной кислоты с одновалентными катионами калия, натрия, аммония [27]. Они хорошо усваиваются растениями:

Н₂РО₄^- + К⁺= КН₂РО₄НРО₄^2-+ 2К⁺= К₂НРО₄РО₄^3-+ 3К⁺= К₃РО₄

С двухвалентными катионами образуются соли различной растворимости:

Н₂РО₄^- + Са²⁺ Са(Н₂РО₄)₂ - однозамещенный фосфат кальция (монофосфат Са); водорастворимое соединение (составляет основу суперфосфата)

НРО₄^2- + Са²⁺ СаНРО₄ - двухзамещенный фосфат кальция (дифосфат Са); нерастворимое в воде соединение, но растворимо в слабых кислотах, в том числе органических. Благодаря кислотности почвы и корневых выделений также является важным источником фосфорного питания (составляет основу преципитата)

РО₄^3-+Са²⁺ Са₃(РО₄)₂ – трехзамещенный фосфат кальция. Нерастворимое в воде и слабых кислотах соединение (составляет основу фосфоритноймуки). Это соединение может частично растворяться и усваиваться только в кислой (не насыщенной основаниями) почве.

С трехвалентными катионами (Аl, Fе) фосфаты образуют труднорастворимые соединения (АlРО₄, FеРО₄), доступные растениями только в свежеосажденном виде [27].

Количество растворенных фосфатов с увеличением влажности возрастает и, следовательно, увеличивается обеспеченность растений фосфором. Так, например, почвы тяжелого гранулометрического состава удерживают большее количество воды, чем легкие, и поэтому содержат больше фосфора в растворе. А. В. Соколов отмечает, что во влажные годы растения обнаруживают меньшую потребность в фосфоре и слабее отзываются на внесение фосфорных удобрений, чем в сухие годы. Большинство растений легче поглощает Н₂РО₄^-, чем НРО₄^2-.

Содержание и формы фосфора в различных почвах

Разные почвы различаются по содержанию в них фосфора. По содержанию подвижного фосфора в почве можно судить об ее окультуренности.На превращение фосфатов в почве оказывают влияние ряд факторов:

1) наличие глинистых минералов;

2)реакция среды,

3)полуторные окислы;

4) температура почвы

Таблица 1

Различие в содержании Р₂О₅ в зависимости от типа почвы и его механического состава

Содержание фосфатов очень тесно связано с механическим составом (табл 1.). Больше их в почвах тяжелых почвах.

В Западной Сибири, по сравнению с Европейской частью РФ, больше органических фосфатов, чем минеральных и 70 – 80% фосфора находятся в гумусе. Из-за небольшого количества осадков минерализация гумуса идет слабо, и это одна из причин недостатка фосфора в черноземных почвах Западной Сибири[32].

Соли фосфорной кислоты не вымываются и с глубиной идет резкое снижение содержания фосфора. Примечателен факт, что в пахотном слое больше фосфора, чем в материнской породе. Это связано с тем, что в нем сосредоточена основная масса корней, которые извлекают фосфор из нижележащих горизонтов. По мере отмирания корней идет накопление фосфора в пахотном слое.

Следует отметить, что фосфор в отличие от азота не только не вымывается, но и слабо передвигается в горизонтальном направлении (на 1 – 2 см.). Отсюда следует, что для уменьшения закрепления фосфора в малодоступной форме фосфорные удобрения следует вносить в слой постоянного увлажнения или локально.

Применение фосфорных удобрений на разных типах почв имеет свои особенности

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы.Фосфор в этих почвах в большей части связан с полуторными окислами, отсюда малая подвижность Р₂О₅в интервале рН 4, 0-5, 5 и необходимость внесения фосфорных удобрений. Для улучшения фосфатного режима подзолистых почв и уменьшения закрепления фосфора в малодоступной форме при внесении суперфосфата, рекомендуются следующие мероприятия:

- применение органических удобрений;

- известкование, которое проводится предварительно или одновременно с внесением суперфосфата;

- применение гранулированного суперфосфата;

- местное внесение порошковидного или гранулированного су­перфосфата;

- применение фосфоритной муки.

Эффективность фосфорных удобрений возрастает на богатых азотом почвах. Сбалансированным по азоту и фосфору в этих почвах считается питание, если на одну часть нитратного азота приходится от 8 до 10 частей подвижного фосфора

Черноземные почвы.Данные почвы характеризуются большим содержанием гумуса, высокой степенью насыщенности почв основаниями и реакцией почвы, близкой к нейтральной. Условия фосфатного режима здесь более благоприятны, чем на кислых почвах. Минеральные соединения фосфора являются большей частью солями кальция. Фосфор органических соединений составляет 50% и более от общего фосфора почвы. Поэтому чем активнее биологическая деятельность почвы, тем больше фосфора входит в доступные растениям формы. Поскольку с глубиной по профилю почвы резко снижается биологическая активность почвенных микроорганизмов, то и количество подвижного фосфора с глубиной уменьшается[21].

При систематическом внесении суперфосфата происходит значительное обогащение чернозема подвижным фосфором. Для этих почв вопрос о предотвращения закрепления суперфосфата почвой не является острым. В связи с невозможностью передвижения фосфора в почве и необходимостью расположения его ближе к корням растений, местное внесение суперфосфата (в рядки с семенами, в лунки, гнезда, борозды) актуально и на черноземных почвах. На черноземных почвах, имеющих большую величину гидролитической кислотности и пониженную степень насыщенности основаниями, применение фосфоритной муки эффективно. Действие фосфоритной муки на деградированных и выщелоченных черноземах близко в действию суперфосфата, на мощных черноземах - слабее, на обыкновенных и южных черноземах - отсутствует.

Трансформация соединений фосфора в почве связана с протеканием процессов минерализации органических фосфорсодержащих веществ, а также процессов иммобилизации, фиксации и мобилизации его неорганических соединений.

Минерализация – процесс превращения органических соединений фосфора в минеральные. Этот процесс протекает в почве в результате деятельности микроорганизмов. При этом под воздействием различных ферментов, например фитаз, происходит выделение из органических веществ остатков ортофосфорной кислоты. Последующие их превращения будут определяться свойствами почвенного раствора и составом твердой фазы почв[15].

Иммобилизация — превращение неорганических соединений фосфора в органические формы в процессе развития живых организмов. При этом фосфор переходит, например, в молекулы фосфолипидов или нуклеиновых кислот микробных клеток и в форме органических фосфорсодержащих соединений становится недоступным для других организмов.

Фиксация фосфора — переход растворимых фосфорных соединений в менее растворимое состояние за счет образования прочных связей с минеральными компонентами почвы. Фиксация протекает в результате образования трудно-растворимых минералов и в процессе хемосорбции фосфат-ионов из почвенного раствора. Хемосорбция осуществляется в результате связывания фосфат-ионов с ионами Al, Fe или Са, которые находятся на поверхности минералов. В случае взаимодействия фосфат-ионов с катионами железа, алюминия или кальция, присутствующими в растворе, возможно образование и выпадение малорастворимых соединений.

Мобилизация — увеличение подвижности соединений фосфора, связанное с превращением труднорастворимых соединений в более растворимые, или переход их в почвенный раствор. Для большинства почв главный путь мобилизации связан с переходом соединений кальция из ортофосфата в гидроортофосфат или дигидроортофосфат кальция:

Cа₃(РО₄)₂ → СаНРО₄ → Са(Н₂РО₄)₂.[17]

Эти превращения протекают в присутствии свободных кислот, образующихся, в частности, при трансформации компонентов почв. Для оценки возможного перехода фосфатов из твердой фазы почв в почвенный раствор на практике часто используют величину фосфатного потенциала почв (ФП).

Следует уточнить некоторые термины, широко применяемые в соответствующей литературе, но не имеющие точных определений, - «усвояемые», «доступные», «растворимые», «подвижные» фосфаты.

Усвояемые, или доступные растениям, фосфаты - это те соединения в почве, фосфор которых поступает в растения во время их роста и развития. Они определяются анализом растений. Наиболее точно это можно сделать в вегетационном опыте, в котором всегда известно, из какого объема и веса почвы усвоено определенным количеством растений то или иное количество фосфора.

В настоящее время с помощью внесения радиоактивной метки в почву вегетационного сосуда можно установить по методу А. В. Соколова не только содержание фосфора, усвоенного растениями из почвы, но и общий запас усвояемого фосфора в почве.

Растворимыми, или подвижными фосфатами почвы называют те, фосфор которых переходит в растворы слабых кислот, щелочей и некоторых солей. Внося радиоактивную метку при получении вытяжки из почвы, можно с помощью того же метода Соколова ориентировочно установить и общий запас в почве растворимых в данном растворе фосфатов.

Естественно, что разные растворители извлекают различные количества фосфатов из одной и той же почвы и нельзя считать один из методов оптимальным для какого-нибудь типа почв на основании того, что применение его показывает наибольшее или наименьшее содержание фосфатов в почве. Только соответствие в показаниях аналитических данных, полученных химическим методом, с данными эффективности фосфорных удобрений на исследуемых почвах может послужить характеристикой метода. На основании таких сопоставлений определяются и так называемые предельные числа «лимиты», «индексы» для каждого химического метода, которые указывают, какое содержание в почве растворимых в данной вытяжке, или подвижных фосфатов определяет почву как нуждающуюся или не нуждающуюся в дополнительном внесении фосфорных удобрений. При использовании этих «предельных» чисел на почвах различных типов и разновидностей и под разные растения эти числа следует уточнять.

Содержание в почве растворимых подвижных фосфатов не всегда соответствует содержанию в ней усвояемых доступных растениям фосфатов. Лучшими методами определения подвижных фосфатов являются те, показания которых наиболее близко совпадают с данными содержания усвояемых фосфатов в той же почве [28].

Методов определения подвижных фосфатов в почве предложено много и оценка правильности применения того или иного из них может быть задана на основании сопоставления показаний анализа почвы, сделанного определенным методом, с данными усвояемости фосфора из той же почвы.

Основанием для применения того или иного метода при извлечении подвижных фосфатов из различных почв должен служить состав фосфорных соединений в изучаемых почвах и подбор наиболее подходящего растворителя для доступных растениям соединений фосфора.

Во время производства вытяжек происходит не только растворение, но и вторичное осаждение фосфатов. При расширении соотношения раствор: почва уменьшается вторичное осаждение фосфатов. Время экстракции также является одним из условий, которое позволяет регулировать вторичное поглощение фосфатов в процессе приготовления вытяжки. Учет размеров вторичного осаждения фосфатов может быть произведен при помощи добавления к раствору радиоактивной метки[17].

Для извлечения подвижных фосфатов из почвы в настоящее время применяют водные, кислотные и щелочные вытяжки. Водные вытяжки применяют редко, так как малые величины извлекаемых водой фосфатов аналитически трудно определить. На кислых подзолистых почвах и на черноземах применяют слабокислотные вытяжки, на сероземах - слабощелочные. При применении на сероземах и карбонатных черноземах кислых растворителей часть кислоты расходуется на взаимодействие с карбонатами, и только оставшаяся после реакции часть кислоты непосредственно идет на извлечение фосфатов. Таким образом, при разном содержании карбонатов в почвах вытеснение из них подвижных соединений фосфора будет происходить при разной степени кислотности и содержания ионов Са в равновесном растворе, и получаемые данные будут несравнимы между собой. Аналогичное явление имеет место при применении растворителей со щелочной реакцией на сильнокислых почвах. Буферность растворителя может до известной степени исправить это положение. Указанные обстоятельства следует учесть при выборе метода для определения растворимого подвижного фосфора в почвах различных типов.

Возникают трудности, если в одном и том же хозяйстве имеются почвы и подзолистого типа, и вскипающие с поверхности, т. е. почвы с содержанием различных форм фосфатов. Такие же трудности бывают при необходимости анализировать почву на содержание в ней подвижных фосфатов по профилю, так как в разных слоях почвы фосфор обычно тоже бывает в форме различных фосфатов, по-разному растворяющихся в различных растворителях.

Ниже приводится описание рекомендуемых в настоящее время методов определения содержания подвижных фосфатов в различных почвах. В качестве растворителя фосфатов применяют: для подзолистых почв - разбавленную соляную, уксусную или лимонную кислоту, а также раствор фторида аммония; разбавленную уксусную кислоту и фторид аммония применяют и для определения растворимых фосфатов в серых лесных почвах; для черноземов - буферный раствор разбавленной серной кислоты и сернокислого аммония, 0, 5 н. раствор уксусной кислоты или буферный раствор разбавленной уксусной кислоты и уксуснокислого натрия; для сероземов - воду, насыщенную углекислотой, 1%-ный раствор углекислого калия, 1%-ный раствор углекислого аммония или 0, 5 н. раствор бикарбоната натрия; для красноземов - 1%-ный раствор лимонной кислоты.

Кроме того, есть методы, основанные на применении буферных растворов, которые авторами этих методов рекомендуются для почв и с кислой и с щелочной реакцией, т. е. для почв с различными формами фосфорных соединений в них. К таким относятся методы Эгнера-Рима, Бурриеля-Гернандо.

Калий в почвах и его значение

В земной коре его содержится 2, 14%. Не меньше его бывает в осадочных породах, которые являются материнскими для многих почв. Количество калия в почве в основном определяется ее гранулометрическим составом. В глинистых и суглинистых почвах его содержание достигает 2% и более – приложение Б. Это объясняется тем, что в тяжелых почвах он входит в состав минералов, представленных главным образом в глинистых частицах. Значительно меньше калия в песчаных, супесчаных и особенно в торфяных почвах. Количество его в этих почвах снижается до 0, 1%.

По мере увеличения дисперсности частиц гранулометрического состава почвы содержание калия в ней возрастает. Это можно показать на примере оподзоленной тяжелосуглинистой почвы Долгопрудной агрохимической опытной станции им. Д.Н. Прянишникова и обыкновенного суглинистого чернозема Института земледелия центрально-черноземной полосы им. В.В. Докучаева – таблица 2 [1].

Таблица 2

Содержание калия в отдельных фракциях гранулометрического состава почв, %

Калий илистой фракции наиболее доступен растениям, так как содержится преимущественно в обменном состоянии. Валовое содержание калия в почве редко характеризует обеспеченность им растений, так как в почве бывает лишь около 1% валовых запасов, доступных растениям. Поэтому об обеспеченности растений калием на разных почвах нужно судить не по общему процентному содержанию его в почве, а по соотношению между формами его соединений. Валовое содержание калия в подпахотном слое дерново-подзолистой почвы и переходных к ней часто бывает более высоким, чем в пахотном

Калий является одним из основных элементов питания, наряду с азотом и фосфором. Функция калия в растениях, как и других необходимых для них элементов, строго специфична[1].

Первые предположения о необходимости калия растениям высказал Соссюр в 1804 г. на основании анализа золы растений, в которой всегда присутствовал калий. Затем Либих сделал заключение о необходимости применения калийных удобрений. Первые экспериментальные данные об абсолютной необходимости калия растениям были получены Сальм-Горстмаром в 1846 г.

В отличие от азота и фосфора калий не входит в состав органических соединений в растениях, а находится в клетках растений в ионной форме в виде растворимых солей в клеточном соке и частично в виде непрочных комплексов с коллоидами цитоплазмы [9].

Калия значительно больше в молодых жизнедеятельных частях и органах растений, чем в старых. Около 80% калия находится в клеточном соке и может легко вымываться водой дождями и при поливе. Молодые органы растений содержат калия в 3-5 раз больше, чем старые: его больше в тех органах и тканях, где идут интенсивно процессы обмена веществ и деления клеток. При недостатке калия в питательной среде происходит отток его из более старых органов и тканей в молодые растущие органы, где он подвергается повторному использованию реутилизации.

Физиологические функции калия в растительном организме разнообразны. Он оказывает положительное влияние на физическое состояние коллоидов цитоплазмы, повышает их оводненность, набухаемость и вязкость, что имеет большое значение для нормального обмена веществ в клетках, а также для повышения устойчивости растений к засухе. При недостатке калия и усилении транспирации растения быстрее теряют тургор и вянут.

Калий положительно влияет на интенсивность фотосинтеза, окислительных процессов и образование органических кислот в растениях, участвует в углеводном и азотном обмене. При недостатке калия в растении тормозится синтез белка, в результате нарушается весь азотный обмен.

Недостаток калия особенно сильно проявляется при питании растений аммонийным азотом. Внесение высоких норм аммонийного азота при недостатке калия приводит к накоплению в растениях большого количества не переработанного аммиака, оказывающего вредное действие на растение. При недостатке калия задерживается превращение простых углеводов в более сложные олиго - и полисахариды [10].

Калий повышает активность ферментов, участвующих в углеводном обмене, в частности сахаразы и амилазы. Этим объясняется положительное влияние калийных удобрений на накопление крахмала в клубнях картофеля, сахара в сахарной свекле и других корнеплодах. Под влиянием калия повышается морозоустойчивость растений, что связано с большим содержанием сахаров и увеличением осмотического давления в клетках.

При достаточном калийном питании повышается устойчивость растений к различным заболеваниям, например у зерновых хлебов к мучнистой росе и ржавчине, у овощных культур, картофеля и корнеплодов к возбудителям гнилей. Значительно улучшает лежкость плодов и овощей. Калий положительно влияет на прочность стеблей и устойчивость растений к полеганию, на выход и качество волокна льна и конопли.

Содержание калия в клетках растения значительно выше, чем других катионов. Внутриклеточная концентрация калия в растениях в 100-1000 раз превышает его концентрацию в почвенном растворе.

Критический период в потреблении калия растениями приходится на первые 15 дней после всходов. Период максимального потребления совпадает с периодом интенсивного прироста биомассы. Поступление калия заканчивается у льна к фазе цветения, у зерновых и зернобобовых к цветению-молочной спелости. У других культур период поступления калия в растения более растянут, и проходит в течение всего вегетационного периода картофель, сахарная свекла, капуста.

Относительное содержание элементов минерального питания в основной и побочной продукции разнообразных сельскохозяйственных культур определяется, прежде всего, их видовыми особенностями, но зависит также от сорта и условий выращивания. Содержание азота и фосфора значительно выше в хозяйственно ценной части урожая – зерне, корне- и клубнеплодах, чем в соломе и ботве. Калия же больше содержится в соломе и ботве, чем в товарной части урожая [10].

Калиелюбивые культуры сахарная и кормовая свекла, картофель, капуста и кукуруза потребляют этот элемент гораздо больше, чем зерновые и зернобобовые культуры, лен и травы. Также много калия потребляет подсолнечник.

Общий вынос калия с урожаем сельскохозяйственных культур сильно различается. Это обусловлено особенностями химического состава растений, колебаниями в уровне формируемого урожая и изменением его структуры.

Недостаток калия вызывает множество нарушений обмена веществ у растений. В итоге продуктивность растения падает, качество продукции снижается, растения начинают чаще поражаться различными болезнями.

Внешние признаки калийного голодания проявляются в побурении краев листовых пластинок – `краевом запале`. Края и кончики листьев приобретают `обожженный` вид, на пластинках появляются мелкие ржавые крапинки. При недостатке калия клетки растут неравномерно, что вызывает гофрированность, куполообразное закручивание листьев. У картофеля на листьях появляется также характерный бронзовый налет. Особенно часто недостаток калия проявляется при возделывании более требовательных к этому элементу картофеля, корнеплодов, капусты, силосных культур и многолетних трав. Зерновые злаки менее чувствительны к недостатку калия. Но и они при остром дефиците калия плохо кустятся, междоузлия стеблей укорачиваются, а листья, особенно нижние, увядают даже при достаточном количестве влаги в почве[9].

Чрезмерное калийное питание растений также негативно сказывается на их росте и развитии. Проявляется оно в возникновении между жилками листьев бледных мозаичных пятен, которые со временем буреют, а затем листья опадают. Поэтому оптимально разработанный план калийного питания растений в значительной мере будет влиять на продуктивность и качество урожая.

Содержание калия K₂О в разных почвах колеблется от 0.5 до 3% и зависит от механического состава. Больше содержится калия в глинистой фракции почвы. Поэтому тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче калием 2-3%, чем песчаные и супесчаные 1.5-2%. Очень бедны калием торфянистые почвы 0.03-0.05%. В большинстве суглинистых почв калия содержится 2-2.5%, т.е. значительно больше, чем азота и фосфора. Общий валовой калий содержится:

· в составе первичных и вторичных минералов не менее 91%,

· в обменно-поглощенном 0, 5-2% и необменно-поглощенном до 9% состояниях,

· в виде солей почвенного раствора 0.05-0.2%,

· в составе пожнивно-корневых остатков, микроорганизмов до 0.05%.

По доступности растениям все соединения калия в почве можно распределить на пять групп:

- калий различных минералов почвы, алюмосиликатов. В этой форме содержится наибольшее количество калия. Больше его в ортоклазе, меньше – в мусковите, биотите, глауконите, нефелине и лейците. Эта форма калия труднодоступна растениям. В 1947 г. были выделены из почвы бактерии, названные силикатными, способные разлагать ортоклаз. Некоторые исследователи считают, что они играют положительную роль в калийном питании растений. Есть предположение, что часть калия ортоклаза и лейцита как наиболее стойких к кислотам минералов может переходить в доступную форму благодаря микоризе некоторых многолетних культур[10].

Более доступен растениям калий мусковита, биотита и нефелина. Часть его переходит в усвояемое растениями состояние в результате обменного разложения с солями почвенного раствора. Некоторое количество калия этих минералов может переходить в доступное состояние в результате действия на них углекислоты и некоторых органических кислот, выделяемых корнями растений.

Таблица 3 - Содержание калия в пахотном и подпахотном слоях различных почв, %

В зависимости от типа почвы переход калия из необменных форм в обменные протекает с различной интенсивностью. На дерново-подзолистых почвах эти величины составляют ежегодно 15–30 кг/га, на выщелоченных черноземах – около 60 кг/га.

- калий почвенных коллоидов. Эта форма – главный источник калийного питания растений. В почве его может быть 5–30 мг/100 г. Количество его в почве в процентах от валового содержания зависит от типа и подтипа почвы, особенно ее гранулометрического состава. Например, на супесчаных почвах эта форма калия составляет лишь 0, 8%, на суглинистых – 1, 5, а на черноземах и сероземах – 1–3%.

Доля калия в сумме поглощенных оснований не может свидетельствовать о степени обеспеченности им растений. Например, по данным К.К. Гедройца (1935), в пахотном слое 0–20 см суглинистых черноземов Тульская обл. калия было 2, 7%, а в оподзоленном суглинке Смоленская обл. – 6, 1% от всей суммы поглощенных оснований. Емкость же поглощения в первом случае составила 54, 8, во втором – 6, 21 ммоль100г почвы. Поэтому обменного калия в черноземе было 70, 65, а в оподзоленном суглинке – только 17, 9 мг/100 г почвы.

Одна из важнейших задач агрохимии – установление степени участия обменного калия почвы в формировании урожая. Растения используют лишь часть обменного калия в процессе вегетации в зависимости от свойств почвы, биологических особенностей растений и погодных условий. Объективные данные о потребности растений в калийных удобрениях можно получить при использовании химических методов и постановке массовых полевых опытов в конкретных почвенно-климатических условиях. Небольшая часть калия (1–5 мг/кг почвы) находится в почвенном растворе в виде солей угольной, азотной, фосфорной, серной, соляной и других кислот.

- водорастворимый калий. Содержание этой формы элемента составляет 1/5–1/10 часть от количества К₂О, находящегося в почве в обменном состоянии. В пахотном слое черноземов его около 0, 02–0, 06 ммоль/100 г почвы, в солонцеватых почвах – 0, 08–0, 10, в дерновоподзолистых – 0, 04–0, 09 ммоль/100 г почвы. В почвенном растворе редко содержится более 0, 1 ммоль 4, 7 мг К₂О/100 г почвы. В неудобренной дерново-подзолистой почве ТСХА в течение весенне-летнего периода количество водорастворимого калия колебалось от 1, 5 до 5 мг/кг почвы, или 4, 5–18 кг/га.

Водорастворимый калий наиболее доступен для питания растений. Появляется он в почве главным образом вследствие химического и биологического воздействия на почвенные минералы, а также их гидролиза. Например, минералы могут разрушаться под воздействием корневых выделений растений, кислых продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, в том числе и азотной кислоты, накопляемой нитрифицирующими бактериями. Часть калия может переходить из обменного состояния в раствор в результате вытеснения его из поглощающего комплекса различными солями, в том числе и вносимыми в почву удобрениями.

- калий, входящий в состав плазмы микроорганизмов. В дерново-подзолистой почве количество его достигает 40 кг К₂О на 1 га. В доступную форму этот калий переходит лишь после отмирания микробов. Однако нельзя забывать, что наряду с процессом отмирания микроорганизмы интенсивно размножаются. А для этого требуются все питательные элементы, в том числе и калий. Поэтому трудно судить, какое количество калия выделяется при отмирании микроорганизмов и доступно растениям, а также поглощается в процессе их размножения. Эти вопросы пока слабо изучены. Калий содержится также в растительных, животных, корневых и пожнивных остатках, навозе и других органических веществах, попадающих в почву[13]. После их разложения он становится доступным растениям.

- калий, фиксированный почвой. В почве протекают не только процессы превращения калия из труднорастворимых форм в обменную и водорастворимую, но и процессы закрепления калия в необменном состоянии, т.е. фиксация его почвой. Этот процесс активно идет при переменном смачивании и подсушивании почвы. Почва тяжелого гранулометрического состава, содержащая большое количество тонкодисперсных фракций, отличается повышенной фиксацией калия. Особенно активно калий фиксируется при наличии в почве глинистых минералов группы монтмориллонитов и гидрослюд, которым свойственна внутрикристаллическая адсорбция катионов. Каолинитовая же группа глинистых минералов не обладает этим свойством.

Различные типы почв обладают неодинаковой способностью закреплять калий в необменном состоянии. Наиболее интенсивно калий фиксируется в солонцах. Предполагается, что пептизация, вызываемая подщелачиванием, увеличивает численность коллоидных частиц в глинистых минералах и тем самым способствует вхождению катионов калия внутрь их кристаллической решетки. Черноземы фиксируют калий лучше, чем дерново-подзолистые почвы.

Повышенное количество органического вещества в почве, а также известкование кислых почв усиливают закрепление калия в необменной форме. Систематическое внесение калийных удобрений снижает фиксацию калия почвой, так как фиксирующая способность почвы не беспредельна. Из всех катионов, имеющих значение в питании растений, фиксируются аммоний и калий. Фиксация одного из этих элементов предотвращает и даже исключает фиксацию другого[18].

Фиксирующая способность почвы проявляется до определенного предела. Фиксация калия почвой резко снижает коэффициент использования его из вносимых удобрений. Например, на маршевых наносных почвах Голландии фиксируется 21–59% вносимого на протяжении многих лет калия. В Канаде вследствие фиксации калия почвой растения использовали лишь 25–48% этого элемента, вносимого с минеральными удобрениями.

Больше всего фиксированного калия находится в пахотном слое почвы. Систематическое применение удобрений повышает содержание различных форм калия по сравнению с неудобренными вариантами. Однако характер превращения калия в значительной степени зависит от почвенных и климатических условий. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах заметно повышается количество обменного калия. Например, в почвах Долгопрудной агрохимической опытной станции за 36 лет оно увеличилось на 8–10 мг/100 г почвы. Содержание необменного калия возрастало незначительно, что объясняется отсутствием условий для его фиксации (избыточное увлажнение, низкая температура, кислая реакция и др.).

Обменный калий при систематическом внесении удобрений на этих почвах накапливается не только в пахотном, но и в более глубоких слоях. На черноземах в связи с высокой насыщенностью двухвалентными катионами обменный калий почти не накапливается. Преобладает необменное поглощение калия, обусловленное благоприятными условиями его фиксации (составом глинистых минералов, отсутствием промывного режима, большим количеством органического вещества и др.). Увеличение количества необменного калия обычно наблюдается в пахотном и подпахотном слоях почвы, достигая значительных величин.

На сероземах систематическое внесение удобрений приводит к существенному увеличению содержания обменного и необменного калия. Орошение способствует накоплению обменного и необменного калия по профилю почвы до глубины 1 м.

Фиксация калия из удобрений на дерново-подзолистых почвах невелика и редко превышает 200 кг/га. В черноземах поглощение калия достигает значительных размеров и составляет 300–700 кг К₂О на 1 га. Чем меньше длительность применения удобрений и количество внесенного калия, тем больше его относительная фиксация. Очевидно, внесением высоких доз калийных удобрений на черноземах можно достичь полного насыщения их емкости фиксации и, не опасаясь закрепления калия, применять получивший в настоящее время признание способ периодического внесения калийных удобрений.

Между различными формами калия в почвах существует подвижное равновесие. Количество водорастворимых форм калия может пополняться за счет обменно-поглощенных, уменьшение которых через какое-то время может возмещаться за счет фиксированной формы. Следует иметь в виду, что при внесении водорастворимых калийных удобрений их трансформация может протекать в противоположном направлении. Часть калия теряется из корнеобитаемого слоя за счет инфильтрации (процесса просачивания и пропитывания) от 2% на тяжелых и до 5% на легких почвах от внесенного количества удобрений. Также потери могут происходить от водной или ветровой эрозии.

Следовательно, главным условием для поддержания оптимального баланса питательных веществ в почве, в том числе и калия, является компенсация расходов за счет применения минеральных и органических удобрений[19].

Все почвы, за исключением торфяных и рыхлопесчаных, характеризуются высоким валовым содержанием калия К₂О - 1, 2—2, 5%, или 35—75 т на 1 га пахотного слоя. Преобладающая часть калия связана с глинистыми частицами почвы. Поэтому существует прямая связь между механическим составом почв и содержанием в них калия. Чем больше в почве мелкодисперсных частиц, тем больше в ней калия. В пределах одного почвенного типа в зависимости от механического состава почвы количество калия изменяется следующим образом: песчаные и супесчаные почвы — 1, 2%. легкосуглинистые — 1, 77; среднесуглинистые — 2, 17; тяжелосуглинистые и глинистые—2, 33% [16].

Калий находится в почвах преимущественно в форме недоступных или малодоступных растениям минералов, таких, как ортоклаз, мусковит, биотит, нефелин. Из минералов, особенно трех последних, он может постепенно, но очень медленно переходить в растворимое состояние под влиянием химического и биологического выветривания, например под влиянием выделяемой корнями растений углекислоты. Если при низких урожаях процесс высвобож­дения калия из труднодоступных минеральных соединений может обеспечить потребность растений, то при высоких урожаях и большом выносе этого элемента из почвы доступного калия в ней оказывается недостаточно для питания растений. Основной формой доступного растениям калия в почве служит обменный калий, адсорбированный на поверхности почвенных коллоидов. Содержание его в дерново-подзолистых почвах колеблется от 4 до 25 мг К₂О на 100 г почвы, в черноземах и сероземах—до 50 мг. Соотношение различных форм калия в почвах приведено в таблице 4.[14]

Таблица 4.

Формы калия в подзолистых и черноземных почвах (в мг К₂О на 100 г почвы) (по В.У. Пчелкину)

В почве происходит и обратный процесс - фиксация, или закрепление, калия. Из обменной формы он может переходить в необменную. Фиксации подвержен и калий вносимых удобрений.

Для определения доступного калия принят также метод Кирсанова (фосфор и калий определяют в одной вытяжке 0, 2 н. НС1).

Применяется обычно следующая шкала обеспеченности почв доступным обменным калием.

Однако содержание в почве обменного калия не служит достаточным показателем обеспеченности растений доступным калием, так как, помимо обменного калия, растения используют часть необменного калия. Кроме того, количество обменного калия в почве по мере его расходования может восстанавливаться за счет необменного калия.

Материал и методы исследований

В основу проведения агрохимического обследования почв был положен комплекс определения интегральных показателей различных свойств почв и других факторов, от которых зависит урожайность сельскохозяйственных культур, при регулировании которых должно быть строгое соблюдение основных законов земледелия: автотрофности зеленых растений, физиологической равнозначимости и незаменимости факторов, ограничивающего фактора, совокупного действия факторов, возврата питательных веществ и энергии в почву, экологического соответствия между производством и окружающей средой [59].

Комплексное агрохимическое обследование почв сельскохозяйственных угодий проводится с целью контроля направленности и оценки изменения плодородия почв, характера и уровня их загрязнения под воздействием антропогенных факторов, создания банков данных полей (рабочих участков), проведения сплошной сертификации земельных (рабочих) участков почв [43].