Статья: Ксерофитно-лесные черноземы: природные резервы калия

Почвоведение и агрохимия № 1(50) 2013

-

68

1. Почвенные ресурсы и их рациональное использование

-

66

Институт почвоведения, агрохимии и защиты почв им. Н.А. Димо

КСЕРОФИТНО-ЛЕСНЫЕ ЧЕРНОЗЕМЫ: ПРИРОДНЫЕ РЕЗЕРВЫ КАЛИЯ

В.Е. Алексеев, В.В. Чербарь,

А.Н. Бургеля, Е.Б. Варламов

ВВЕДЕНИЕ

Калий (К) является одним из важнейших элементов для роста растений. Калийные удобрения широко используются в сельском хозяйстве во всем мире (около 28 млн т в 2006-2007 гг. в соответствии с ФАО [15]). В то же время известно, что запасы К в природных экосистемах ограничены [27].

В агрохимической практике при оценке обеспеченности почвы калием обычно руководствуются определением водорастворимого, обменного, необменного и реже валового калия [8]. Наряду с этим, существуют и другие подходы к оценке резервов калия в почве. Исследования в Западной Европе показали, что большой вклад в обеспечение сельскохозяйственных культур К принадлежит почвенным минералам [20]. Учет этого источника увеличивает возможность оптимизации использования питательных веществ.

Помимо решения теоретических вопросов, изучение ксерофитно-лесных черноземов предполагало оценку этих почв по резервам и доступности растениям заключенного в них калия на основании их минералогического состава.

МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучены 3 разреза ксерофитно-лесных черноземов южной части Молдовы. Они описаны в предыдущих статьях.

Определен состав первичных и глинистых минералов. Первичные минералы исследованы во фракции >1мкм, глинистые - во фракции <1 мкм. Фракционное разделение образцов проведено по методике [4]. Органическое вещество и карбонаты перед фракционированием образцов удалялись. Состав первичных и глинистых минералов изучен методом рентгеновской дифрактометрии. Качественный состав первичных и глинистых минералов установлен по известным рекомендациям [9, 10]. Количественный анализ проведен по методикам [3, 5] с некоторой их детализацией по [1]. Коэффициент вариации результатов анализа, установленный по стандартным калибровочным смесям минералов, в зависимости от содержания минералов в смеси характеризуется следующими параметрами (в %): кварц - 2,9-3,3; полевые шпаты - 3,8-8,9; слюды - 5-20; хлорит - 15-26; группа смектита -2,5-3,0; иллит - 2,2-2,6; хлорит (ил) - 12-25; каолинит (ил) - 15-25. Все расчеты произведены на минеральную и бескарбонатную части фракций и почвы.

На территории стран СНГ по минералогическим критериям, условно говоря, резервы почвенного калия было принято оценивать по Горбунову [6]. Согласно его концепции, к непосредственному резерву относится обменный калий (по Масловой). Во вторую категорию по доступности растениям, ближний резерв, входит калий, содержащийся в глинистых минералах. Этот калий, в применении к черноземам, заключен в таких минералах как иллит и смешаннослойный иллит-смектит. Наименее доступный или потенциальный резерв калия принадлежит грубодисперсным минералам размерности более 0,001 мм. Сюда относятся слюды и калиевые полевые шпаты. Вместе с тем расчет резервов калия по методике Горбунова ведется по результатам не минералогического, а химического анализа, поскольку на тот период проблема количественного минералогического анализа не была достаточно разработана, поэтому определялось валовое содержание калия в почве, содержание калия в илистой фракции и обменный калий. Последний относился к непосредственному резерву, калий ила - к ближнему резерву. По разнице между суммой непосредственного и ближнего резервов и валовым калием устанавливался его потенциальный резерв.

Исследования за рубежом показали, что важная роль как источника природного К принадлежит 2:1 глинистым минералам, среди которых указывается иллит, почвенный вермикулит, смешаннослойный иллит-смектит (13, 14, 17 и др.). Эти данные лежат в русле концепции Горбунова. Установлено также, что растения могут освобождать K из слоев иллита, что сопровождается расширением 1 нм иллитовых слоев до 1,4 нм вермикулитовых слоев (19, 21, 25 и др.). Напротив, иллитизация приводит к сокращению слоев вермикулита с 1,4 нм до 1 нм в результате поглощения ионов К (18, 23 и др.). Некоторые авторы отмечают смектизацию, проявляющуюся в увеличении количества смектитовых слоев в смешаннослойных иллит-смектитах в результате потери К (26, 28), и иллитизацию в тех же смешаннослойных иллит-смектитах при поглощении K (22, 24). Предпринимаются попытки количественной оценки участия различных К-содержащих минералов в питании растений [11, 12].

Таблица 1

Элементный состав ксерофитно-лесного чернозема (гор. Ад, глубина 0-10 см) по данным минералогического анализа (весовой процент)

Расчет резервов калия осуществлен по результатам минералогического анализа. При этом мы руководствовались выводами в приведенных выше зарубежных исследованиях, согласно которым после обменного калия (непосредственный резерв) наиболее доступным растениям является калий, принадлежащий иллиту и иллит-смектиту (в нашем случае иллиту и иллит-смектиту с высокой нормой смектитовых пакетов, ближний резерв), наименее доступен калий калиевых полевых шпатов и мусковита (потенциальный резерв). В основе расчетов лежат данные по обменному калию (по Масловой), количеству в почвах соответствующих калийсодержащих минералов и содержанию калия в них согласно химическим формулам. Пример расчета приведен в таблице 1. В правой крайней графе представлены данные по содержанию в почве минералов и составляющих их оксидов. Жирным шрифтом выделены калийсодержащие минералы, содержание в них К₂О и их содержание в почве.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Общий резерв калия в форме К₂О в исследуемых ксерофитно-лесных черноземах по разрезам изменяется в узких пределах, что главным образом объясняется их близкими гранулометрическим и минералогическим составами. Общий резерв весьма высок: он находится в пределах 2215-2474 мг/100 г почвы, определенной закономерности изменения его содержания по профилю не обнаруживается. Иная ситуация складывается с другими резервами.

Таблица 2

Резервы калия (К₂О) в ксерофитно-лесных черноземах по данным минералогического анализа (мг/100 г)

Примечание. Н.о. - не определялся

Непосредственный резерв составляет от общего 1-3 % и максимальных ве личин достигает в верхних дерновых горизонтах (46-74 мг/100 г). Это значительно выше, чем в пахотных обыкновенных черноземах (около 20-25 мг/100 г [2]).

С глубиной содержание непосредственного резерва резко снижается.

Ближний резерв, заключенный в глинистых минералах (иллит, иллитсмектит), составляет 25-50 % от общего. Его содержание изменяется в широких пределах - 600-1200 мг/100 г. Вверх по профилю он увеличивается, что связано с увеличением в этом направлении содержания иллита, продукта главным образом физической диспергации обломочных слюд. Определенную роль в относительном накоплении в верхних горизонтах иллита играет фитоциклический калий, который необменно фиксируется высокозарядным смектитом с образованием иллитоподобных структур со слоями в 1 нм [2]. Это явление привлекает все большее внимание исследователей [16].

Потенциальный резерв калия в ксерофитно-лесных черноземах заключен в калиевых полевых шпатах и слюдах, преимущественно в мусковите. В отличие от ближнего резерва, потенциальный, напротив, вверх по профилю уменьшается: его размеры в полтора раза больше и составляют 1100-1700 мг/100 г. Калий этих минералов растениям малодоступен. Под влиянием процессов выветривания и почвообразования грубодисперсные калийсодержащие минералы верхних горизонтов подвергаются физической диспергации, пополняют собою глинистую часть почвы, и доступность из них калия возрастает. Большой общий резерв, а также повышенное содержание непосредственного и ближнего резервов калия в верхних горизонтах ксерофитно-лесных черноземов создают исключительно благоприятный фон в обеспечении растений этим важным элементом.

ВЫВОДЫ

ксерофитный лесной чернозем калий

Ксерофитно-лесные черноземы обладают большим общим резервом калия, достигающим 2500 мг/100 г почвы в форме К₂О. В сравнении с пахотными черноземами для них характерен высокий непосредственный резерв обменного калия в дерновых горизонтах (до 3 % от общего). Ближний резерв калия, заключенный в глинистых минералах, в этих почвах также увеличивается к верхним горизонтам. Его содержание измеряется в 600-1200 мг/100 г. Потенциальный резерв, связанный с первичными минералами, напротив, возрастает в направлении породы и по своему размеру существенно превышает ближний резерв калия, составляя до 1100-1700 мг/100 г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев, В.Е. Способ оценки минералогического состояния силикатной части черноземов / В.Е. Алексеев // Почвоведение. 2012. № 2. С. 189-199.

2. Алексеев, В.Е. Минералогия почвообразования в степной и лесостепной зонах Молдовы: диагностика, параметры, факторы, процессы / В.Е. Алексеев. Кишинев, 1999. 241 с.

3. Алексеев, В.Е. Способ количественного определения первичных ми нералов в почвах и породах методом рентгеновской дифрактометрии / В.Е. Алексеев // Почвоведение. 1994. № 1. С. 104-109.

4. Алексеев, В.Е. Методика супердисперсного фракционирования почв и пород при их минералогическом анализе / В.Е. Алексеев, К.Г. Арапу, А.H. Бургеля // Почвоведение. 1996. № 7. С. 873-878.

5. Глинистые минералы в лесных почвах Молдавии / В.Е. Алексеев [и др.] // Генезис и рациональное использование почв Молдавии. Кишинев: Штиинца, 1977. С. 23-41.

6. Горбунов, Н.И. Минералогия и физическая химия почв / Н.И. Горбунов. М.: Наука, 1978. 294 с.

7. Дурынина, Е.П. Агрохимический анализ почв, растений, удобрений / Е.П. Дурынина, В.С. Егоров. М.: Изд-во МГУ, 1998. 113 с.

8. Практикум по агрохимии / под ред. В.Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.

9. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов / под ред. Г. Брауна. М.: Мир. 1965. 599 с.

10. Рентгенография основных типов породообразующих минералов / редкол.: В.С. Власов [и др.]. Л.: Hедра, 1983. 359 с.

11. Assessing potassium reserves in northern temperate grassland soils: а perspective based on quantitative mineralogical analysis andaqua-regiaextractable potassium / Y. Andrist-Rangel [et al.] // Geoderma. 2010. № 158. Р. 303-314.

12. Mineralogical budgeting of potassiumin soil: a basis for understanding standardmeasures of reserve potassium / Y. Andrist-Rangel [et al.] // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2006. № 169. Р. 605-615.

13. Arkcoll, D.B. Traces of 2:1 layer silicate clays in oxisols from Brazil and their significance for potassium nutrition / D.B. Arkcoll, K.B.T. Goulding, J.C. Hughes // Journal of Soil Science. 1985. № 36. Р. 123-128.

14. Arnold, P.W. Nature and mode of weathering of soil-potassium reserves / P.W. Arnold // J. Sci. Food Agric. 1960. № 11. Р. 285-292.

15. Which 2:1 clay minerals are involved in the potassium reservoirs? Insights from potassium addition or removal experiments on three temperate grassland clay assemblages / P. Barre [et al.]. Geoderma. 2008. № 146. Р. 216-223.

16. Barre, P. Dynamic role of “illite-like” clay minerals in temperate soils: facts and hypothesis / P. Barre, B. Velde, L. Abbadie // Biogeochemistry. 2007. № 82. Р. 77-88.

17. Hinsinger, P. Potassium // Encyclopedia of Soil Science. New-York: Marcel Dekker, 2002.

18. Hinsinger, P. Root-induced release of interlayer K and vermiculitization of phlogopite as related to K depletion in the rhizosphere of ryegrass / P. Hinsinger, B. Jaillard // Journal of Soil Science. 1993. № 44. Р. 525-534.

19. Hinsinger, P. Rapid weathering of a trioctahedral mica by the roots of ryegrass / P. Hinsinger, B. Jaillard, E.D. Dufey // Soil Science Society of America Journal. 1992. № 56. Р. 977-982.

20. Application of the PRFILE model to estimate potassium release from mineral weathering in Northern European agricultural soils / J. Holmqvist [et al.] // European Journal of Agronomy. 2003. № 20. Р. 149-163.

21. Mojallali, M. Weathering of micas by mycorrhizal soybean plants / M. Mojallali, S.B. Weed // Soil Science Society of America Journal. 1978. № 42. Р. 367-372.

22. Soil mineralogy evolution in the INRA 42 plots experiment (Versailles, France) / A. Pernes-Debuyser [et al.] // Clays and Clay Minerals. 2003. № 51. Р. 577-584.

23. Ross, G.J. Transformation of vermiculite to pedogenic mica by fixation of potassium and ammonium in a 6-year field manure application experiment / G.J. Ross, P.A. Phillips, J.L.R. Culley // Canadian Journal of Soil Science. 1985. № 65. Р. 599-603.