Основной задачей при хозяйственном освоении почв солонцового комплекса является рассоление и рассолонцевание солонцов. Для этой цели на Джаныбекском стационаре Института лесоведения РАН в 1950-х гг. были разработаны методы, включающие плантажную вспашку для вовлечения в пахотный слой гипса и рассолонцевания солонцов, посадку лесных кулис, собирающих дополнительное количество снега для рассоления почв. Эти мероприятия, необходимые для выращивания с/х культур и лесных насаждений [1] без дополнительного орошения, приводят к перераспределению питательных веществ в почвенном профиле [2; 3] и изменению их подвижности. Калий необходим в различных биохимических процессах, способствующих адаптации растений к засухе и засолению почв: участвует в процессах открытия и закрытия устьиц, поглощения влаги корневыми клетками. Калий конкурирует с натрием в процессе поглощения растениями. Дефицит калия в почве может приводить к усилению потребления натрия, что сопровождается инактивацией ферментов и нарушением метаболизма. Для характеристики калийного состояния почв недостаточно исследование экстенсивных показателей – содержания различных форм элемента в почве. Для оценки доступности растениям калия важным показателем является буферная способность почв по отношению к калию (ПБСк). Величина ПБСк представляет собой отношение фактора емкости к фактору интенсивности (ΔКо/АRо) и характеризует способность почвы поддерживать в равновесном растворе определенный уровень соотношения аК+/vа(Cа2+ + Мg2+) при снижении количества калия за счет потребления его растениями и участия в реакциях обмена [4].
Цель работы заключалась в оценке калийного состояния целинных и мелиорированных солонцов: буферности почв по отношению к калию, запасам необменного, обменного и легкообменного калия.
Район исследований находится в глинистой полупустыне Северного Прикаспия. Почвенный покров характеризуется комплексностью. Солонцы занимают от 40 до 50 % площади межпадинной равнины [5]. Солевой режим целинных и мелиорированных солонцов подробно исследован [6; 7]. Освещены особенности состояния и динамики нативных экосистем солонцового комплекса [8].
Материалы и методы исследования
Объектами исследования были почвы под естественными растительными ассоциациями и почвы Государственной защитной лесной полосы Чапаевск – Владимировка (1951 г. посадки). Однорядные кулисы из вяза приземистого (Ulmus pumila L.) разделяются 18-метровым межкулисным пространством, которое практически не использовалось под сельскохозяйственные культуры, но ежегодно вспахивалось для сокращения потерь влаги и поддержания процессов рассолонцевания. Мелиорированные почвы находятся как под влиянием агролесомелиоративных приемов, так и под воздействием самих лесных культур, так как корневые системы деревьев распространяются как минимум на 10 м от края кулисы.
Определяли необменный калий по методу Пчёлкина, обменный – по методу Масловой в образцах из верхних генетических горизонтов шести целинных солонцов и девяти мелиорированных (в шести, находящихся в межкулисном пространстве, и трёх – под кулисой вяза приземистого). Легкообменный калий определяли в 0,2 н CaCl2 вытяжке, ПБСк – по методу Беккета в образцах из генетических горизонтов трёх целинных и трех мелиорированных солонцов межкулисного пространства и одного солонца под кулисой вяза.
Результаты исследования и их обсуждение
Запасы разных форм калия в исследуемых солонцах
Процесс биогенного накопления калия охватывает верхнюю 30–40 см толщу, в которой находится основная масса корней растений.
К микроповышениям, занятым солонцами, часто приурочены сусликовины, верхняя часть некоторых микроповышений сложена из перемешанного материала более нижних горизонтов [9]. Поэтому солонцы отличаются большим разнообразием свойств верхней части профиля, в частности, характеризуются пестрыми значениями содержания необменного калия (от 11 до 35 ммоль экв/кг в верхней 40 см толще). В условиях агролесомелиорации эта пестрота нивелируется.
Достоверных изменений в накоплении необменных форм калия в пахотных горизонтах межкулисных солонцов относительно соответствующих им по глубине целинных горизонтов не обнаруживается. Запасы необменного калия под кулисой вяза приземистого на всех исследуемых глубинах существенно выше, чем на других участках (табл. 1).
Таблица 1
Запасы разных форм калия в солонцах, кмоль/га (показаны доверительные интервалы *при n = 6, ɑ ≤ 0,05, ** при n = 3, ɑ ≤ 0,05)
|
Глубина, см |
0–3 |
3–20 |
20–40 |
0–40 |
|
|
необменный |
|||||
|
Целинные* |
10,8 ± 2,2 |
60,8 ± 19,3 |
61,1 ± 10,9 |
132,6 ± 32,7 |
|
|
мелиорированные |
А* |
10,2 ± 0,9 |
58,5 ± 4,7 |
63,7 ± 6,4 |
132,4 ± 11,0 |
|
В** |
13,2 ± 1,7 |
87,7 ± 6,7 |
102,1 ± 2,7 |
203 ± 10,5 |
|
|
обменный |
|||||
|
Целина* |
4,3 ± 0,5 |
16,4 ± 1,7 |
15,6 ± 2,5 |
36,2 ± 1,9 |
|
|
мелиорированные |
А* |
2,4 ± 0,1 |
13,7 ± 1,0 |
15,1 ± 0,7 |
31,1 ± 1,7 |
|
В** |
4,2 ± 0,7 |
23,5 ± 1,7 |
25,8 ± 2,1 |
53,5 ± 4,5 |
|
|
легкообменный |
|||||
|
Целина** |
0,6 ± 0,1 |
1,3 ± 0,5 |
0,7 ± 0,5 |
2,6 ± 0,2 |
|
|
мелиорированные |
А** |
0,1 ± 0,1 |
0,9 ± 0,5 |
0,9 ± 0,5 |
2,0 ± 0,8 |
|
В |
0,5 |
2,8 |
3,3 |
6,7 |
|
Примечание. А – солонцы межкулисного пространства, В – под лесной кулисой.
В верхнем слое целинных солонцов мощностью 40 см запасы обменного калия составляют в среднем 36,2 кмоль/га (табл. 1). В мелиорированных солонцах межкулисного пространства эта величина ниже, уменьшение достоверно для слоев 0–3 и 3–20 см. В солонце под кулисой запасы обменного калия в слое 0–40 см в 1,7 раза выше, чем на целине, увеличение достоверно для глубин 3–20 и 20–40 см (табл. 1). Слой аккумуляции обменных форм калия в солонцах соответствует мощности надсолонцового и солонцового горизонтов 0–28 (30) см. Содержание обменного калия в мелиорированных солонцах и в солонцах под целинной растительностью составляет в этом слое от 6 до 10 ммоль экв/кг, что, учитывая тяжелосуглинистый гранулометрический состав почв, позволяет отнести их к оптимально обеспеченным по калию [10].
Достоверных различий в запасах легкообменного калия в 40 см слое мелиорированных солонцов межкулисного пространства и целинных солонцов не обнаруживается, а под кулисой вяза они в 2,6 раза выше (табл. 1).
Термодинамические показатели калийного состояния солонцов
Изотермы обмена, полученные для изучаемых почв, состояли из двух прямолинейных участков, с несколько различающимися углами наклона к оси абсцисс (рисунок), лишь одна изотерма имела прямолинейную форму (горизонт В2tСа). Для расчета термодинамических параметров пользовались несколькими показателями буферности почв. Линейную буферность рассчитывали по линейному уравнению для всех точек изотермы прямолинейной формы или для точек верхнего отрезка изотермы в случаях, когда изотермы состояли из двух отрезков.
А
1
2
3 4
Б
1
2 3
Изотермы обмена К+ – Са 2+в солонцах. А – в целинных солонцах: 1 – в гумусовых горизонтах, 2 – в солонцовых горизонтах, 3 – в горизонте В3Са Сs2 , 4 – в горизонте В3Са2Сs2. Б – в мелиорированных солонцах: 1 – в пахотных горизонтах, 2 – в горизонтах В3Са , 3 – в горизонтах В3Са Сs2
Тангенциальную буферность рассчитывали по линейному уравнению для нижних отрезков изотерм, состоящих из двух прямолинейных участков.
Значения ARotg и АRо. Показатель АRо [АRо = (aК+/v(аСа2+ + aМg2+)] в растворе, из которого почва не поглощает и в который не отдает калий [4], определяли как отрезок, отсекаемый продолжением верхней части изотермы на оси абсцисс; показатель ARоtg – как отрезок, отсекаемый нижней частью изотермы на оси абсцисс. В целинных солонцах в гумусовых горизонтах наблюдаются максимальные значения ARo и ARotg, что связано с накоплением калия в органических остатках. Значения ARotg здесь изменяются от 2х10-3до 4,2х10 -3 (моль)1/2 (табл. 2).
Таблица 2
Термодинамические показатели калийного состояния солонцов
|
Условия |
№ участка |
Глубина |
Параметры линейной буферности |
Параметры тангенциальной буферности |
ΔКх ммоль/ 100г |
КП |
|||||
|
ΔКо и ΔКо Ммоль/ 100 г |
ARo x 10-3 (моль)1/2 |
ПБСк |
ΔКL Ммоль/ 100 г |
ARotg x 10-3 (моль)1/2 |
ПВСкtg или ПБСк |
||||||
|
Целина |
1 |
0–6 |
0,37 |
4,11 |
90 |
0,50 |
4,25 |
120 |
0,13 |
2,37 |
|
|
6–28 |
0,14 |
0,26 |
536 |
– |
3,58 |
||||||
|
28–68 |
– |
– |
– |
0,21 |
1,17 |
179 |
– |
2,93 |
|||
|
68–140 |
– |
– |
– |
0,06 |
0,43 |
140 |
– |
3,36 |
|||
|
2 |
0–9 |
0,20 |
1,67 |
120 |
0,41 |
2,73 |
154 |
0,21 |
2,56 |
||
|
9–33 |
– |
– |
– |
0,16 |
0,27 |
629 |
– |
3,57 |
|||
|
3 |
0–9 |
– |
– |
– |
0,54 |
2,08 |
260 |
– |
2,68 |
||
|
9–28 |
– |
– |
– |
0,13 |
0,20 |
657 |
– |
3,70 |
|||
|
Мелиорация |
Межкулисное пр. |
4 |
0–31 |
0,10 |
0,33 |
299 |
0,55 |
0,94 |
544 |
0,45 |
3,02 |
|
31–40 |
– |
– |
– |
0,20 |
0,30 |
694 |
– |
3,52 |
|||
|
40–84 |
– |
– |
– |
0,17 |
0,38 |
448 |
– |
3,42 |
|||
|
84–134 |
– |
– |
– |
0,24 |
1,41 |
170 |
– |
2,85 |
|||
|
5 |
0–38 |
– |
– |
– |
0,32 |
0,89 |
360 |
– |
3,05 |
||
|
6 |
0–44 |
– |
– |
– |
0,13 |
0,27 |
488 |
– |
3,57 |
||
|
Кулиса |
7 |
0–43 |
– |
– |
– |
0,60 |
1,83 |
328 |
– |
2,74 |
|
|
43–77 |
– |
– |
– |
0,12 |
0,3 |
397 |
– |
3,52 |
|||
|
77–130 |
– |
– |
– |
0,29 |
0,54 |
537 |
– |
3,27 |
|||
Примечание. *Курсивом выделены показатели линейной буферности, рассчитанные для верхних прямолинейных участков изотерм. **Жирным шрифтом выделены показатели линейной буферности, рассчитанные для изотермы, имеющей прямолинейную форму.
В солонцовом горизонте целинных почв величины АRо или ARotg существенно понижаются, что может объясняться участием Na и Mg в реакциях обмена и более низкими значениями активности ионов К+ в солонцовых горизонтах, чем в гумусовом и подсолонцовых [11].
Некоторое повышение значений ARotg в горизонтах, содержащих гипс, может быть связано с осаждением гипса при введении хлорида кальция в систему, содержащую сульфаты натрия, и уменьшением в связи с этим активности ионов кальция. В пахотных горизонтах мелиорированных солонцов значения ARotg примерно соответствуют средним значениям ARotg в солонцовом и надсолонцовом горизонтах целинных почв. Исключение составляет участок под кулисой. Здесь на всю глубину пахотного горизонта соотношение аК+/vаСа2+ существенно выше, чем в других разрезах пахотных почв, что связано с накоплением калия.
В разрезе мелиорированного солонца участка 6 пахотный горизонт характеризуется такими же низкими значениями ARotg, как солонцовый горизонт целинных почв, что соответствует и значениям ΔКL в этом горизонте. Это может быть связано, в частности, с увеличением доли участия солонцового горизонта в формировании этого пахотного слоя.
Все значения калийного потенциала (КП) в солонцовых почвах рассчитывались по показателям ARotg, полученным при пересечении с осью абсцисс нижних участков изотерм обмена или их продолжений. Только в одном случае, когда изотерма обмена имела прямолинейную форму, использовалось значение АRо (табл. 2). На основе величины КП, вычисляемого как lgARo, возможна классификация почв по обеспеченности растений калием [4]. Значения КП, рассчитанные для гумусовых горизонтов (2,37–2,68), свидетельствуют о недостаточном уровне калийного питания растений в целинных солонцах. В мелиорированных солонцах условия снабжения растений калием ухудшаются, что подтверждается повышенными значениями калийного потенциала (2,74–3,03).
Значения ΔК0 и ΔКL. Для изотерм, состоящих из двух участков, имеющих разный угол наклона к оси абсцисс, значения ΔКо соответствовали отрезку, отсекаемому на оси ординат продолжением верхнего прямолинейного участка изотермы обмена. Этот показатель характеризует резерв калия на неспецифических адсорбционных позициях [4]. Значения ΔКL для таких изотерм соответствовали отрезку, отсекаемому на оси ординат продолжением нижнего более крутого участка изотерм обмена. Показатель ΔКL (табл. 2) отражает содержание калия как на специфических, так и на неспецифических адсорбционных позициях.
Прямая форма изотерм свидетельствует об однородности обменных центров. Так как это суммарное количество обменного калия, переходящего в раствор с обменных позиций, то этот показатель мы назвали ΔКL, так же, как и показатель, характеризующий общее количество обменного калия для изотерм непрямолинейной формы.
В целинных почвах наибольшие значения ΔКL (0,4–0,54 мг экв/100 г почвы) приходятся на гумусовый надсолонцовый горизонт (табл. 2), в солонцовом и подсолонцовых горизонтах значения ΔКL уменьшаются (в среднем до 0,19 мг•экв/100 г), что связано с уменьшением притока биогенного калия на глубине и, возможно, с влиянием ионов Na+ и Mg2+ на адсорбцию калия. В условиях агролесомелиорации в пахотных горизонтах межкулисных солонцов значения ΔКL в среднем составляют 0,3 мг•экв/100 г; в два раза более высокие значения ΔКL в пахотном горизонте разреза под кулисой вяза приземистого объясняются теми же причинами, что и высокое содержание здесь других форм калия.
Ниже по профилю мелиорированного солонца значения ΔКL нигде не превышают 0,29 мг•экв/100 г почвы.
Значения ПБСк. Основная часть экспериментальных точек на графиках изотерм для всех горизонтов расположена над осью абсцисс, т.е. в процессе определения ПБСк в выбранном диапазоне соотношений активностей К+ и Са2+ почвы обладают способностью к поглощению калия.
Наименьшие значения буферности свойственны гумусовым горизонтам, а наибольшие значения – солонцовым горизонтам целинных почв (табл. 2). Первый факт объясняется наибольшим в профиле содержанием органического вещества в гумусовых горизонтах. Высокие значения ПБСкtg и ПБСк в солонцовых горизонтах целинных солонцов связаны с резким уменьшением значений ARotg и АRо по сравнению с гумусовыми горизонтами из-за уменьшения величин активности здесь иона К+, что, в свою очередь, вызвано снижением активности К+ в присутствии сульфат-иона и возможным участием в реакциях обмена Na и Mg. Ниже по профилю, в подсолонцовых горизонтах, значения ПБСк вновь снижаются в соответствии с увеличением значений ARotg в гипсовых горизонтах.
Значения ПБСкtg пахотных горизонтов выше, чем в гумусовых, и ниже, чем в солонцовых, что соответствует промежуточным значениям величин других показателей и объясняется участием надсолонцового и солонцового горизонтов в формировании пахотного слоя.
Выводы
Изученные солонцы характеризуются невысокими величинами ΔКL, ARotg и ARo по всему профилю. В солонцовых горизонтах значения фактора интенсивности (AR) минимальны по профилю, что связано с уменьшением активности ионов К+.
По всему профилю в мелиорированных солонцах значения буферности возрастают относительно целинных почв, а значения КП, рассчитанные по величинам ARotg и ARo, понижаются. В пахотных горизонтах уменьшаются запасы обменного калия. Это свидетельствует об ухудшении условий калийного питания растений по сравнению с солонцами целинных экосистем.
Лесомелиоративные мероприятия на почвах солонцового комплекса не оказывают заметного влияния на содержание и запасы необменных и легкообменных форм калия в межкулисном пространстве.
Отмечено отчетливое накопление исследованных форм калия непосредственно под кулисой вяза, что можно объяснить изменениями в биологическом круговороте, аккумуляцией кулисой органических остатков и пыли.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-04-00246).