Agroecological evaluation of interrelationships of soil properties in time and space

Взаимосвязи между свойствами почв в значительной степени определяют их агроэкологическое состояние и являются индикатором генезиса и классификационной принадлежности почв. Их изучению посвящено значительное количество исследований (Безуглова и др., 2000; Воробьева, 1986; Гришин, 1998; Полуэктов, 1993; Фрид, 2008) . Однако эти взаимосвязи отличаются не только для типов почв, но и для таксономических единиц более низкого иерархического уровня. Во взаимосвязях нескольких свойств почв проявляются эффекты синергизма и антагонизма. К сожалению, эти вопросы изучены недостаточно.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы Московской области, развитые на покровных суглинках (Духанин и др., 2006; Замараев и др., 2005) , и обыкновенные глинистые карбонатные черноземы Краснодарского края (Гукалов и др., 2015; Гукалов и др., 2019) .

Методика исследования состояла в определении физикохимических и агрохимических свойств почв методами, рекомендованными агрохимической службой (Замараев и др., 2005; Кула- ковская, 1998) , оценка взаимосвязей между свойствами почв (Безуглова и др., 2000; Воробьева, 1986; Гришин, 1998; Полуэктов, 1993; Седых и др., 2014) осуществлялась с вычислением уравнений парной корреляции, уравнений регрессии. Принятый уровень вероятности – 0.95.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Свойства почв взаимосвязаны друг с другом, и при изменении одного свойства почвы изменяются и другие. Эти закономерности характерны для отдельных типов почв и более мелких таксономических единиц почв. Пример информативной оценки таких взаимосвязей приведен в таблице 1.

Таблица 1. Влияние рН среды на содержание водорастворимых Fe, Mn, Zn в дерново-подзолистых почвах, n = (43–111) · 10^-5 моль/л

Table 1. Effect of pH on the content of water-soluble Fe, Mn, Zn in sod-podzolic soils, n = (43–111) · 10^-5 mol/L

рН (Н 2 О)	Fe	Zn	Mn
5.7 ± 0.3	24.5 ± 5.9	0.10 ± 0.03	3.6 ± 0.7
7.3 ± 0.01	7.3 ± 1.6	0.05 ± 0.01	1.0 ± 0.3

Как видно из представленных данных, при увеличении рН почв уменьшается содержание подвижных форм железа, цинка, марганца, что необходимо учитывать при расчете доз извести.

Взаимосвязи между свойствами почв отличаются не только для разных типов почв, но и для разных хозяйств (Духанин и др., 2006). Так, для почв Московской области с преобладанием в хо- зяйствах дерново-подзолистых почв величина ΔР2О5/ΔрН составляла при рН = 4.6–5.6 и содержании гумуса 1–2% в одном хозяйстве 72.3, в другом – 150.1. При рН = 5.5–6.2 – соответственно 316.7 и 79.4.

С нашей точки зрения, целесообразно рассчитывать дозы извести не только для изменения рН, но и для оптимизации содержания в почвах биофильных элементов, микробиологической активности и т. д.

Отличие взаимосвязей свойств почв в пределах катены

Почвы катены любой почвенно-климатической зоны существенно отличаются на плато, склоне и в депрессиях. Это определяет и отличие взаимосвязей почв в отдельных элементах катены. Иллюстрацией данного заключения являются и полученные нами данные, представленные в таблице 2.

На отдельных элементах катены отличаются и коэффициенты корреляции содержания подвижных форм тяжелых металлов и свойств почв. Так, для катены обыкновенных черноземов корреляция подвижных форм тяжелых металлов с гумусом колебалась от 0.88 ± 0.02 в аккумулятивном рельефе до 0.68 ± 0.10 – на южном склоне. Корреляция содержания тяжелых металлов с физической глиной колебалась от -0.48 ± 0.06 на северном плато до -0.04 ± 0.02 – на северном склоне.

Как видно из представленных данных, зависимость содержания подвижного цинка (в вытяжке СН 3 СООNН 4 с рН = 4.8) от свойств почв отличается в почвах разных элементов катены. Положительная зависимость от Р 2 О 5 больше в почве северного водораздела. Положительная зависимость подвижного цинка от содержания гумуса больше в почве южного водораздела, положительная зависимость от физической глины больше в почвах северного и южного водоразделов (Гукалов и др., 2015) .

Свойства почв и взаимосвязи между ними отличаются в эродированных и намытых почвах, что иллюстрируют данные таблицы 3.

Таблица 2. Зависимость содержания подвижного цинка от сочетания свойств почв обыкновенного чернозема в пределах катены

Table 2. Dependence of the content of mobile zinc on the combination of properties of soils of ordinary chernozem within сatena

Элемент катены	Уравнение регрессии	r	F
южный водораздел	Zn = 57.0 + 4.0X 1 + 0.16X 2 – 0.7X 3 + 0.45X 4 + 0.12X 5	0.86	2.4
северный водораздел	Zn = 66.8 + 1.1X 1 + 0.2X 2 – 1.1X 3 + 0.03X 4 +0.62X 5	0.99	5.2
южный склон	Zn = 2.4 + 0.2X 1 + 0.01X 2 + 0.02X 3 – 0.02X 4 + 0.05X 5	0.96	10.8
северный склон	Zn = 1.4 + 0.4X 1 + 0.03X 2 + 0.02X 3 – 0.04X 4 + 0.03X 5	0.99	62.7
балка	Zn = 5.4 + 0.1X 1 – 0.03X 2 + 0.17X 3 – 0.2X 4 + 0.02X 5	0.99	15.5

Примечание. X 1 – гумус, %; Х 2 – содержание частиц <0.1 мм; Х 3 – NО 3 ; Х 4 – NН 4 ; Х 5 – содержание подвижных форм Р 2 О 6 .

Таблица 3. Отличие взаимосвязей между свойствами почв в смытых и намытых дерново-подзолистых почвах (А п )

Table 3. Distinction of interrelations between soil properties in eroded and accumulated sod-podzol soils in plough layer (А п )

Почва	рН	S мг-экв/ 100 г	V, %	Гумус, %	Р 2 О 5 , мг/100 г	К 2 О, мг/100 г
cредне-смытая	4.3	9.2	69.2	1.8	12.5	5.0
намытая	5.1–5.2 6.1	16.6 16.8	88.6 94.9	2.2 2.0	25.0 2.5	2.5 10.0

Отличие взаимосвязей в отдельных горизонтах как индикатор генезиса и плодородия почв

Свойства почв существенно отличаются в отдельных горизонтах почвенного профиля, что важно учитывать при разработке приемов оптимизации плодородия почв (Гукалов и др., 2020; Гу-калов и др., 2019). Так, по полученным нами данным, в дерново- подзолистых почвах в Ап величина рН была 5.2 ± 0.2, содержание подвижных фосфатов – 16.8 ± 1.9, содержание обменного калия – 9.9 мг/100 г; а в подпахотном слое рН = 3.8 ± 0.1; содержание Р2О5 – 8.2 ± 0.6 мг/100 г, К2О – 5.4 ± 0.5 мг на 100 г.

Как видно из представленных данных, подпахотные слои резко отличаются по рН от пахотного слоя. Кислая реакция среды подпахотного слоя неблагоприятна для развития растений и приводит к резкому уменьшению содержания подвижных фосфатов и обменного калия в этом слое по сравнению с А п . В ряде стран принято известкование подпахотного горизонта.

В намытых почвах величина рН в А п составляла 5.2 ± 0.3, содержание подвижных фосфатов – 16.8 ± 5.3 мг/100 г, в подпахотном слое величина рН составляла 4.2 ± 0.2, содержание подвижных фосфатов – 13.5 ± 1.8 мг/100 г. В намытых почвах уменьшение содержания Р 2 О 5 в подпахотном слое, по сравнению с пахотным, наименее резко выражено, чем в автоморфных почвах.

Изменение взаимосвязей свойств почв в сезоннойдинамике

Свойства почв и взаимосвязи между ними существенно изменяются в сезонной динамике. Это иллюстрируют данные следующей таблицы (табл. 4).

Как видно из представленных данных, свойства почв в течение вегетационного периода существенно меняются (рН – от 4.2 до 8.5; Еh – от 534 до 759 мВ по ХСЭ). Это приводит к изменению других свойств почв. Максимальное значение Еh соответствует максимальному отношению N-NО 3 /N-NН 4 , максимальному содержанию N-NО 3 . Низкие значения Еh соответствуют максимальному значению Мn²⁺.

Синергизм и антагонизм взаимовлияния свойств почв при эффектахпоследовательных корреляций

При протекании последовательных реакций проявляется синергизм и антагонизм ионов в процессах комплексообразования, ионного обмена, осадкообразования в почвах и в корневых системах растений. Как правило, это сочетается с кинетическим и ста- тическим гистерезисом, зависящим от плотности заряда сорбционных мест и их конфигурации. При поглощении ППК одного иона происходит изменение плотности заряда других сорбционных мест – проявляется индуктивный и мезомерный эффект (Гукалов и др., 2019). В конечном счете протекание последовательных реакций определяется изменением состояния вещества, энергии и информации. Движущей силой процессов является как изменение ΔG, так и изменение ΔН и ΔS.

Таблица 4. Изменение содержания водорастворимых NO 3 , NH 4 , Mn, Fe от величины рН и Eh почвенных растворов в дерново-подзолистой почве в сезонной динамике (площадка 1)

Table 4. Changes in the seasonal dynamics of water-soluble NO 3 , NH 4 , Mn, Fe content depending on the pH value and Eh of soil solutions in sod-podzolic soil (experimental site 1)

s 5 Й м л к о И	> с\ eq 1	> ■ч- 2	> 1-Н 1-Н 3	> ^г 1-4 4	^ 1-Н eq 5	> IT) eq 6	> eq 7	1-Н 8	о 1-Н 9
Eh	659	629	661	759	744	687	565	581	534
rH 2	32.6	30.2	34.2	37.2	36.8	34.8	30.8	30.8	29.2
N-NH 4	4.0	5.8	10.2	15.4	2.2	0.2	0.7	1.4	0.9
N-NO 3	7.1	6.8	9.1	10.0	2.3	1.5	0.7	1.1	1.1
Mn2+	4.1	7.7	6.6	4.7	6.1	6.8	10.1	4.0	8.9
Fe 2 O 3	51.5	54.5	39.2	29.7	42.5	41.0	49.4	40.5	59.9
Fe3+/Fe2+	2.8	3.6	1.9	3.0	3.8	3.9	2.3	5.7	6.3
pH	4.9	4.2	5.5	6.5	5.6	5.6	5.7	5.4	5.4

Например, увеличение рН почв от 4.5 до 5.5 приводит к увеличению подвижности фосфатов, а при изменении от 6.0 до 8.0 – к уменьшению их подвижности. При этом увеличение рН почв от 4.2 до 5.5 сопровождается уменьшением содержания подвижных форм железа, марганца, алюминия, а также увеличением подвижности фосфатов, т. е. [Fe, Al, Mn] = f(pH)^-1, Р 2 О 5 в этом интервале = f(Fe, Al, Mn)^-1 (Никиточкин и др., 2015; Панов и др., 2014) .

Взаимовлияние проявляется не только между свойствами почв, но и между протекающими в почвах процессами и режимами (Никиточкин и др., 2015; Панов и др., 2014; Савич и др.,2019; Седых и др., 2014) .

Увеличение содержания в почве подвижных фосфатов уменьшает содержание подвижных форм железа, марганца, цинка, никеля. Так, по полученным нами данным, при содержании гумуса в дерново-подзолистых почвах 1.2% и Р 2 О 5 – 4.8 ± 1.5 мг/100 г содержание марганца в почвенном растворе составляло (0.3 ± 0.21) · 10^-5 моль/л; а при содержании Р 2 О 5 = 24.5 ± 1.8 мг/100 г – соответственно (0.03 ± 0.03) · 10^-5 моль/л.

При большем содержании гумуса в почвах (1 .8%) отмечается аналогичная тенденция. Например, при содержании Р 2 О 5 4.6 ± 0.9 и 55.4 ± 20.1 мг/100 г содержание водорастворимого Мn составляло соответственно (1.4 ± 0.4) · ·10^-5 и (0.3 ± 0.2) · ·10^-5 моль/л.

Оглеение почв приводит к существенному изменению подвижности элементов в почвах. Согласно литературным данным, при Еh = 400 мВ Mn⁴⁺ переходит в Mn²⁺, а при 300 мВ – Fe³⁺ в Fe²⁺, что сопровождается увеличением подвижности Fe и Mn в почвах. Таким образом, полученные авторами данные свидетельствуют о том, что в автоморфной дерново-подзолистой почве содержание подвижных форм Fe и Mn (в вытяжке CH 3 COONH 4 c pH = 4.8) в А 2 , А 2 В + В составляло 7.7 ± 1.3, 7.0 ± 1.9 мг/л и 0.9 ± 0.2, 0.7 ± 0.1 мг/л соответственно. В оглеенной почве концентрация Fе в А 2 , А 2 В и в В составляла 40.2 ± 26.2 и 30.3 ± 14.9 мг/л; а Мn – 3.6 ± 0.3 и 2.7 ± 0.7 мг/л.

Степень взаимовлияния свойств почв зависит от удобренно-сти почв. Действительно, по результатам исследований (Гукалов и др., 2019) , в дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах без внесения NРК и при внесении NРК зависимость содержания гумуса от рН была представлена соответственно следующими коэффициентами корреляции – 0.43 и 0.64; зависимость содержания фосфора от рН – 0.49 и 0.75; зависимость содержания подвижного калия от рН – 0.13 и 0.7; зависимость подвижного фосфора от гумуса – 0.48 и 0.61; зависимость содержания обменного калия от гумуса – 0.32 и 0.47 соответственно.

Степень удобренности почв коррелирует и с зависимостью урожая от свойств почв. Например, по полученным экспериментальным данным, коэффициенты корреляции урожая озимой пшеницы на дерново-подзолистых почвах составляли для контроля и + NРК соответственно: У = f(рН) – 0.74 и 0.87; У = f(S) – 0.46 и 0.80; У = f(Р 2 О 5 ) – 0.63 и 0.71; У = f(К 2 О) – 0.37 и 0.83; У = f(гумус) – 0.15 и 0.20.

Реакция среды (рН) почв зависит от суммы поглощенных оснований и от содержания гумуса (%). Однако для дерновоподзолистых почв таежно-лесной зоны при большем содержании гумуса и С гк /С фк < 0.7 увеличение содержания гумуса приводит к более интенсивному развитию подзолообразования, но чаще в подпахотных слоях. Это подтверждают и полученные нами данные. В слабоокультуренной дерново-подзолистой почве рН = 0.035·S + 0.06·Г + 4.1, а в хорошо окультуренных – рН = 0.057·S – 0.15·Г + 5.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Взаимосвязи свойств почв во времени и в пространстве влияют на выбор оптимальных вариантов – составляющих систем земледелия (севооборотов, удобрений и обработки). Так, увеличение рН среды выше 6.0 в дерново-подзолистых почвах приводит к уменьшению подвижности микроэлементов – Fe, Zn, Mn. Зафос-фачивание почв также сопровождается уменьшением подвижности этих катионов. Взаимосвязи свойств почв изменяются по почвенному профилю, в пределах катены, в сезонной динамике и служат индикатором протекающих в почвах процессов и формирующихся режимов. Для повышения эффективности систем земледелия необходима оптимизация свойств почв не только пахотного, но и подпахотного слоев, корректировка приемов воздействия на почву с учетом взаимосвязей свойств почв и их изменения при антропогенном воздействии.