Некоторые особенности миграции калия в агроландшафте
Калий принадлежит к числу элементов, необходимых человеку, животным, растениям и микроорганизмам. В растительных организмах калий оказывает влияние на такие процессы, как поглощение питательных веществ и воды, синтез углеводов и белков, фотосинтез. Оптимальное питание сельскохозяйственных культур калием положительно влияет на их здоровье, предупреждает или снижает поражение грибковыми и бактериальными заболеваниями, растения лучше удерживают воду, легче переносят кратковременные засухи. При этом в их тканях происходит интенсивное накопление углеводов, способствующее повышению качества урожая: увеличивается содержание крахмала в картофеле, прочность волокна льна. Одновременно повышается и устойчивость культур к слабым заморозкам. Когда содержание калия в растениях уменьшается в три-пять раз (по сравнению с нормальным), проявляются внешние признаки калийного голодания — сначала в пожелтении, а затем и в побурении краев листьев, что приводит к потере урожая и снижению качества продукции. Востребованность этого элемента у растений и микроорганизмов оказывает существенное влияние на его миграцию в ландшафте. В земной коре калий содержится в существенных количествах (больших, чем фосфор и азот вместе взятые). Кларк (доля от массы литосферы) калия такой же, как у натрия — 2,5%, но он значительно биофильнее, а потому дефицитнее. В золе многих растений содержание калия более 10%, им богаты картофель, подсолнечник, лен, клевер, тимофеевка, гречиха, зернобобовые. Вынос калия с нетоварной частью урожая обычно больше, чем с товарной. Наиболее богаты по содержанию элемента тяжелые по гранулометрическому составу черноземы, темно- и светло-каштановые почвы. В глинистых и суглинистых почвах содержание общего калия колеблется в пределах 2–3% от массы почвы, в песчаных и супесчаных почвах его содержится меньше. Минимальными его количествами (0,03–0,15%) отличаются торфяные почвы.
Различные сельскохозяйственные культуры поглощают неодинаковое количество калия, но, как правило, значительно больше, чем фосфора, и несколько меньше, чем азота. Калий своим присутствием в почвенном растворе способствует активизации механизма синергизма при поглощении ряда ионов, как и антагонизма отдельных катионов. В присутствии калия скорость поглощения растениями кальция и магния уменьшается в два раза.
Калий прежде всего входит в состав минералов, находящихся в тонкодисперсном состоянии, как правило, в виде глин. Большая часть содержащегося в почвах калия приходится на нерастворимые и малоусвояемые растениями соединения. По мнению В.Н. Якименко, разделение форм калия на калий водорастворимый (почвенного раствора) и калий почвенно-поглощающего комплекса довольно условное, так как между двумя этими фазами происходит непрерывное взаимодействие. Связанный с гумусом калий органической части почвы (в силу очень небольших величин) имеет в основном теоретическое значение. Значительную роль в мобилизации калия играют микроорганизмы.
По мере увеличения мобильности калия происходит усиление его механической подвижности в связи с эрозией почвы. По средним многолетним данным, с вынесенным мелкоземом ежегодно теряется 68,5 кг/га обменного калия. На подвижность и интенсивность поглощения его различных форм существенное влияние оказывает влажность почвы. Резкий дефицит этого элемента в большинстве агроландшафтов вызвал необходимость применения калийных удобрений. Отмечено, что даже чернозем без внесения калийных удобрений характеризуется низкой обеспеченностью этим элементом. Огромные количества калия стали извлекаться из недр и рассеиваться в виде удобрений, мигрируя на сотни и тысячи километров. Однако, в отличие от азота и фосфора, калий сосредоточивается, как правило, в нетоварной части урожая, что способствует возврату его в почву с навозом и отходами растениеводческой продукции.
По своей химической природе калий является активным водным мигрантом, однако интенсивное поглощение живым веществом способствует концентрации его на биогеохимических барьерах, что является одним из механизмов его удержания в зоне гипергенеза.
В настоящее время интенсивно развивается ландшафтная геохимия, позволяющая изучить и оптимизировать потоки калия в биосфере. Ландшафтная агрохимия, как наука, делает первые шаги, однако на ее основе в будущем могут быть разработаны мероприятия по экологической и экономической оптимизации применения калия в растениеводстве.
Важнейшими вопросами ландшафтной агрохимии являются выявление миграционных путей элементов питания растений в сельскохозяйственных ландшафтах и нахождение методов управления процессами их трансформации агротехническими и адаптационными приемами для оптимизации продукционного процесса культур и повышения экологической устойчивости агрогеосистем. Немалый интерес представляет проблема выявления характера влияния способов использования природных комплексов на потери калия из пахотного горизонта почв.
Цель работы — описание влияния природных и агротехнологических особенностей в различных частях агроландшафта конечно-моренной гряды на характер миграционных потоков калия.
Материалы и методы исследования
Основным методом исследования миграционных потоков калия в агроландшафте был долговременный (1996–2020 гг.) мониторинг его содержания в пахотных горизонтах почв объекта исследований (агрополигона Губино ВНИИМЗ), расположенного в 4 км к востоку от Твери (Россия). Агрополигон Губино размещен в пределах конечно-моренного холма московского возраста с относительной высотой 15 м. Холм состоит из следующих геоморфологических элементов: двух межхолмных депрессий (северной и южной), двух пологих склонов (северного — крутизной два-три градуса и южного — крутизной три-пять градусов) и плоской слабодренированной вершиной. Почвообразующие породы на агрополигоне — двучленные отложения разной мощности. Южная часть полигона (депрессия, склон и южная часть вершины) сложена мощными и среднемощными двучленами, образованными поверхностным горизонтом песчаных и супесчаных флювиогляциальных отложений толщиной 1–1,5 м, подстилаемых легко- и среднесуглинистой завалуненной карбонатной мореной. В северной части полигона господствуют маломощные двучлены, в которых глубина залегания морены ≈ 0,6 м. В межхолмной депрессии на севере полигона морена местами выходит на поверхность. Почвенный покров агрополигона — пестрый, представлен вариацией-мозаикой дерново-подзолистых глееватых и глеевых почв. Почвы на мощных двучленах, как правило, характеризуются более легким (песчано-супесчаным) гранулометрическим составом, чем в местах с близким к поверхности залеганием морены, где они супесчано-легкосуглинистые.
Ландшафтное картирование урочища конечно-моренной гряды, в пределах которого расположен агрополигон Губино, показало наличие в нем подурочищ нескольких типов: а) транзитно-аккумулятивных (Т-А) местоположений в пределах межхолмных депрессий, где наряду с процессами транзита химических элементов наблюдается их частичная аккумуляция из грунтовых и намывных вод; б) транзитов (Т) в пределах центральных частей склонов, характеризующихся энергичным латеральным перемещением веществ с поверхностным и внутрипочвенным стоком; в) элювиально-транзитных (Э-Т) подурочищ верхних частей склонов, в которых на фоне латерального тока веществ наблюдается их вертикальное перемещение вниз по почвенному профилю; г) элювиально-аккумулятивного (Э-А) природного комплекса плоской вершины, в условиях которого происходит не только интенсивное вымывание питательных веществ из пахотных горизонтов в иллювиальные слои и далее в грунтовые воды, но и их локальное накопление в микропонижениях.
Следует отметить, что, несмотря на типологическую близость геохимического статуса микроландшафтов, каждый из них весьма индивидуален. Так, межхолмные депрессии различаются по гранулометрическому составу почв и близостью к местному базису эрозии, транзиты на разных склонах различаются степенью проявления эрозионных процессов вследствие дифференциации по физическим параметрам почв и крутизне и т. д. Всё это определяет особенности миграции калия в каждом из выделов.
В 1996 году на площади 52 га был проведен уравнительный посев ячменя (Hórdeum) сорта Гонор, в пределах которого был выполнен первый тур агрохимического обследования почв по сетке 40 х 40 м. В 1997 году на участке уравнительного посева был проложен физико-географический профиль-трансекта — узкий, длинный севооборотный массив, пересекающий все основные микроландшафтные позиции конечно-моренного холма. Вначале трансекта состояла из 7 продольных параллельных полос (со временем их количество возросло до 10), каждая из которых соответствовала конкретной культуре плодосменного севооборота. Ширина полосы — 7,2 м, длина — 1300 м. В пределах полосы все антропогенные воздействия были одинаковыми и единовременными, вследствие чего пространственная вариабельность урожайности культур в наибольшей степени отражала влияние на нее природных факторов. Исследования проводились в режиме экстенсивного земледелия — удобрения при выращивании растений, кроме подкормки зерновых в дозе 100 кг/га аммиачной селитры (30 кг д. в. азота), не применялись.
За четверть века каждое поле вследствие экономических, технологических и научно-исследовательских причин приобрело индивидуальные черты по степени специализации и антропогенного воздействия. На основе этого возникла возможность изучить влияние антропогенных и природных условий на динамику потерь элементов питания растений при экстенсивном выращивании культур.
Изучение состояния почв (обменный калий по ГОСТ Р 54650-2011) проводилось в 30 точках опробования, регулярно расположенных по каждому полю на расстоянии 40 м друг от друга. На полях постоянно проводилось агрохимическое обследование почв, что позволяет судить о процессе трансформации их плодородия.
В работе использованы показатели потерь калия, определенные как разница между значениями его содержания в почвах в 1996 г. и 2020-м.
Статистическая обработка данных мониторинга осуществлялась с помощью пакетов программ STATGRAPHICS Centurion XVI.II. (Statgraphics Technologies, Inc., США), 2019 и Excel-2019 (Microsoft, США). Степень влияния ландшафтных факторов на урожайность овса вычислялась на основе метода Н.А. Плохинского путем деления частной факториальной суммы квадратов на общую. Статистический анализ предусматривал расчет среднего значения признака (Х) и его стандартной ошибки (Sх). Значимость различий была установлена на уровне р < 0,05. STATGRAPHICS.
Результаты и обсуждение
Изучение истории полей на трансекте показало, что за четверть века они приобрели индивидуальные черты (табл. 1).
Поля в пределах трансекты существенно различаются по степени и характеру антропогенного воздействия. Так, поля 1, 9 и 10, включенные в трансекту позднее, находились гораздо меньше в состоянии севооборота, чем остальные, зато гораздо больше под залежью. Существенны различия между полями и по характеру чередования культур. Эти обстоятельства позволяют изучить влияние антропогенных особенностей эксплуатации полей в различных ландшафтных условиях на характер потерь калия из пахотных горизонтов почв.
В ходе агрохимического мониторинга определены уровни потерь калия из пахотных горизонтов за время наблюдения (табл. 2).
Из таблицы 2 видно, что средние потери калия за 25 лет эксплуатации массива составили ≈ 11 мг / 100 г почвы, вследствие чего обеспеченность почв калием снизилась на несколько категорий — с повышенной (средняя по трансекте ≈ 20 мг / 100 г почвы) до слабой (≈ 9 мг / 100 г почвы). В пространстве агроландшафта значения потерь колеблются в широких пределах. Общей тенденцией является снижение потерь вниз по склонам холма. Максимальные потери зафиксированы на верхней части южного склона, что объясняется сравнительно легким гранулометрическим составом почв, в результате чего калий слабо удерживается их поглощающим комплексом, а также значительной выраженностью элювиальных процессов, вымывающих этот элемент в грунтовые воды. Гранулометрический состав вершины холма несколько тяжелее, что наряду с локальной аккумуляцией питательных веществ способствует некоторому уменьшению потерь калия. Минимальные потери калия наблюдаются в верхней части северного склона, относительно тяжелые почвы которого развиваются на маломощных двучленах, что снижает интенсивность элювиальных процессов.
В целом по агроландшафту разница потерь калия между полями не столь велика. Минимальные потери отмечены нами в полях № 1, 9, 10 и 5, максимальные — в полях № 8, 6, 2, 3 и 7. На основе результатов дисперсионного анализа можно сказать, что достоверное влияние на миграцию калия в агроландшафте оказывают только условия подурочищ (НСР0,05 = 5,27 мг / 100 г), они определяют около 81% пространственной вариабельности потерь.
Влияние особенностей полей на характер потерь калия, как в целом по агроландшафту, так и по подурочищам, определяли с помощью корреляционного анализа (табл. 3).
Анализ таблицы 3 показывает, что в целом по агроландшафту достоверное влияние на динамику потерь калия оказывает характер землеустройства. Наличие залежей позволяет существенно сократить потери этого элемента. Увеличение количества пахотных и сенокосных угодий способствует истощению почв. Культивирование многолетних трав разного возраста приводит к снижению запасов калия в почве.
В пределах различных подурочищ антропогенное влияние на миграцию калия существенно различается. Наиболее заметно оно в межхолмной депрессии на юге агрополигона — здесь на снижение запасов калия влияют, кроме перечисленных причин, также и возделываемые яровые зерновые культуры, особенно с подсевом многолетних трав. Транзит южного склона по характеру миграции калия существенно не отличается от депрессии, однако ее интенсивность здесь несколько слабее и чистые посевы яровых уже не оказывают негативного воздействия. Описанные явления объясняются, на наш взгляд, легким гранулометрическим составом почв, способствующим слабому удержанию калия поглощающим комплексом и сильно выраженными транзитными процессами, усиленными близостью к местному базису эрозии, приводящими к обеднению почв калием. Изменение характера антропогенного воздействия на эти ландшафты позволяет управлять миграционными потоками калия.
Особенности сельскохозяйственного использования вершины холма и верхних частей склонов, как правило, не сказываются на характере миграции калия (кроме значительного его отчуждения с урожаем картофеля в верхней части северного склона), что можно объяснить господством элювиальных процессов, на фоне которых антропогенное влияние не столь заметно.
Снижение напряженности вертикального промывания почв и усиление транзитных процессов в пределах северного склона приводят к тому, что на характер потерь калия заметно влияют залежи и луга, степень вовлеченности территории в севооборот и доля в структуре посевных клеверотимофеечных травостоев. В межхолмной депрессии на севере агрополигона влияние антропогенных факторов на особенности формирования потерь калия недостоверно, что можно объяснить затуханием транзитных процессов и аккумуляцией калия из намывных вод.
Более полную картину влияния антропогенного фактора на миграцию калия в различных ландшафтных условиях дает регрессионный анализ, позволяющий определять совокупное воздействие нескольких предикторов на изучаемое явление. Все предикторы, указанные в таблице 1, невозможно рассмотреть в одной модели, так как их количество не должно превышать число дат (в данном случае количество полей).
В работе рассчитаны два вида моделей — модели влияния характера организации угодий на потери калия и модели влияния культур на миграцию этого элемента.
В целом по агроландшафту 50% пространственной вариабельности потерь калия определяется долей севооборота в пространстве. Зависимость прямо пропорциональная. То же самое можно сказать и о транзите северного склона, где доля севооборотов в ландшафте определяет 43,6% изменчивости потерь. Регрессионный анализ позволил выявить элементы землеустройства, препятствующие потерям калия, — это залежи. В нижней и средней частях склона южной экспозиции они определяют от 74,1 до 50,3% пространственной вариабельности потерь этого элемента.
Результаты второй модели представлены на рисунке 1. В целом по агроландшафту конечно-моренного холма увеличение потерь калия из пахотных горизонтов почв происходит при расширении посевов клеверотимофеечных трав 2 г. п., картофеля, яровых зерновых и промежуточных культур. Лён и в какой-то степени яровые с подсевом трав способствуют снижению потерь этого элемента. Старые клеверотимофеечные травостои являются важной причиной деградации калийного состояния почв в нижних и средних частях южного склона холма.
В южной депрессии отрицательную роль играет также и картофель, однако расширение посевов льна способно уменьшить потери калия в этом месте. На верхних гипсометрических отметках агроландшафта не обнаружено антропогенных факторов, влияющих на миграцию калия, кроме поглощения этого элемента картофелем в верхней части северного склона. В средней и нижней частях северного склона сложился набор культур, влияющих на миграцию калия — травы 2 г. п. и картофель способствуют потерям калия, а лен и посевы яровых с травами замедляют эти процессы.
Выводы
В ходе исследований установлено, что характер миграции калия в агроландшафте зависит от времени, особенностей природных условий поля и его истории. Выявлено, что в режиме экстенсивного выращивания культур при изъятии прямых и побочных продуктов растениеводства содержание калия в почвах существенно снижается — поле может перейти из разряда повышенной обеспеченности калием в разряд слабой обеспеченности. Следовательно, внесение калийных удобрений — необходимое агротехническое мероприятие для поддержания плодородия почв.
В пределах всего агроландшафта (урочища) достоверное влияние на пространственную динамику потерь калия оказывает пестрота почвенно-ландшафтных условий, тогда как характер истории полей сказывается на миграционных потоках только в пределах подурочищ.
К особенностям агроландшафта, интенсифицирующих потери калия почвами, относятся легкий гранулометрический состав и господство элювиальных процессов, а в геокомплексах с преобладанием транзитных и аккумулятивных процессов потери калия заметно ниже. Так, на вершине холма и в верхних частях склонов ежегодные потери калия составили 0,78 мг / 100 г почвы, а на средних и нижних — только 0,3 мг / 100 г почвы (на юге агрополигона — 0,38 мг / 100 г почвы, на севере — 0,23 мг / 100 г почвы).
Особенности истории полей заметным образом сказываются на миграционных потоках калия только в транзитных и транзитно-аккумулятивных ландшафтах, где их можно регулировать подбором культур и размещением залежей поперек склона. В элювиальных местоположениях (вершина и верхние части склонов) уменьшение потерь калия может быть осуществлено только с помощью земельных мелиораций на основе глинования и известкования почв и применения цеолитов.
Об авторах
Дмитрий Анатольевич Иванов, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий отделом мониторинга состояния и использования осушаемых земель, Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева», Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Москва, 119017, Россия
2016vniimz-noo@list.ru; https://orcid.org/0000-0002-2588-272X
Мария Владимировна Рублюк, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела мониторинга состояния и использования осушаемых земель, Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева», Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Москва, 119017, Россия
2016vniimz-noo@list.ru; http://orcid.org/0000-0001-5319-2614
Ольга Васильевна Карасева, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела мониторинга состояния и использования осушаемых земель, Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева», Пыжевский пер., д. 7, стр. 2, Москва, 119017, Россия
2016vniimz-noo@list.ru; http://orcid.org/0000-0002-8377-6386
УДК 631.5;631.6;911.2 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-74-79
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
