Effect of fertilizers and meliorants on the value of soil acidity of sod-podzolic light loamy soil, yield and chemical composition of the green mass of spring rapeseed (according to laboratory and vegetation experience)

Full Text

Введение

В лаборатории мелиорации почв АФИ (г. Санкт-Петербург) с 1998 г. проводят опыты, направленные на установление влияния удобрений, мелиорантов и отходов промышленности на формирование химического состава ярового рапса [1–8].

Установлено, что регулирование пищевой ценности рапса с помощью средств химизации является перспективным агрохимическим приемом. Яровой рапс относится к экологически пластичным видам растений, на формирование которого оказывает влияние химическая обстановка в почве [5].

Известкование оказывает комплексное воздействие на почвы: изменяется реакция среды, возрастает емкость катионного обмена, уменьшается подвижность одних и увеличивается подвижность других элементов. Находящиеся в составе удобрений и мелиорантов примеси макро- и микроэлементов, способны оказывать на формирование элементного состава рапса существенное влияние не только вследствие прямого поглощения, но и в результате сложных процессов адсорбции, комплексообразования, ионного обмена, соосаждения между отдельными элементами, в результате чего доступность их для растений будет меняться [5, 6].

Цель работы – в контролируемых условиях лабораторно-вегетационного опыта установить влияние мелиорантов различной химической природы на урожайность и химический состав растений ярового рапса.

В задачи исследования входило:

– выявить мелиоративные свойства известковых материалов карбонатной, гидроксидной и силикатной природы, используемых для выращивания растений на очень сильнокислой дерново-подзолистой супесчаной почве;

– получить сравнительные данные об удобрительной ценности использованных в опыте комплексных (азофоски и APAVIVA) минеральных удобрений;

– установить особенности формирования элементного состава зеленой массы ярового рапса сорта Лексус при использовании различных видов комплексных удобрений и мелиорантов.

Методика исследования

Исследование проводили в 11-вариантом вегетационном опыте, заложенном в климатостате в сосудах емкостью 1 кг почвы.

В опыте использовали очень сильнокислую дерново-подзолистую супесчаную почву со следующими физико-химическими показателями: рН_KCl 3.75, Н_г – 11.8 ммоль(экв)/100 г почвы, содержание гумуса –3.02%, частиц <0.01 мм – 18.6 мм. Валовой химический и гранулометрический составы почвы приведены в табл. 1, 2. Схема опыта представлена в табл. 3.

 

Таблица 1. Гранулометрический состав супесчаной дерново-подзолистой почвы

Размер фракций, мм	1–0.25	0.25–0.05	0.05–0.01	0.01–0.005	0.005–0.001	< 0.001	<0.01
Содержание, %	1.77	58.14	21.50	5.95	7.04	6.86	18.6

 

Таблица 2. Валовый химический состав почвы, %

Потеря при прокаливании	SiO2	R2O3	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	SO3	∑
6.15	81.1	9.28	1.19	7.97	0.44	0.47	0.11	0.51	101

 

Таблица 3. Влияние различных видов мелиорантов на величину почвенной кислотности, урожайность и химический состав растений рапса

Вариант	рНKCl	Урожайность,  г/сосуд	Ca, %	Mg, %	Zn,  мг/кг	Mn,  мг/кг	Fe, мг/кг
1. Контроль (без удобрений)	3.98	6.53	0.93	0.225	18.1	233	54.4
2. APAVIVA NPK(S) (фон)	3.65	10.39	1.07	0.250	19.5	348	68.6
3. Азофоска	4.05	8.66	0.82	0.222	7.6	216	93.7
4. Фон + КМ по 0.7 Нг	4.38	13.39	1.51	0.299	4.7	182	71.2
5. Фон + ДИМ по 0.7 Нг	4.38	9.83	1.76	0.367	6.3	207	76.8
6. Фон + ДМ по 0.7 Нг	4.29	8.73	1.58	0.624	14	245	190
7. Фон + Гидрокарбонат Mg (кат. Б) по 0.7 Нг	3.80	7.57	1.33	0.517	65	315	203
8. Фон + ОЩ по 0.7 Нг	4.43	9.57	1.45	0.539	38	228	206
9. Фон + ДШ по 0.7 Нг	4.30	9.44	1.60	0.494	51	289	278
10. Фон + Гидрокарбонат Mg (кат. С) по 0.7 Нг	3.82	6.09	1.37	0.454	75	301	134
11. Фон + Гидрокарбонат Mg (кат. А) по 0.7 Нг	3.89	6.66	1.27	0.573	66	324	121
НСР05		1.8	0.25	0.047	13	51	71

 

Повторность опыта четырехкратная. Для проведения эксперимента использовали мелиоранты карбонатной, силикатной и гидроксидной природы. Химический состав мелиорантов представлен в табл. 4.

 

Таблица 4. Химический состав мелиорантов

Мелиорант	Массовая доля, %
	CaO	MgO	SiO2
Конверсионный мел (КМ)	50.7	1.7	–
Доломитизированная известняковая мука (ДИМ)	44.7	4.3	–
Доломитовая мука (ДМ)	30.4	21.0	–
Доменный шлак (ДШ)	39.7	19.7	38.5
Гидроксид Mg (категория A)	3.08	59.9	4.7
Гидроксид Mg (категория B)	5.05	58.5	6.32
Гидроксид Mg (категория С)	11.4	49.7	5.12
Отсев доломита	46.1	38.4	–

 

Конверсионный мел – карбонат кальция синтетический (ККС) – отход производства азотных удобрений, получается в результате азотнокислого разложения апатитового концентрата. Обладает тонкодисперсным гранулометрическим составом [9]. Мелиоративные свойства ККС АО “Акрон” (г. Великий Новгород) приведены в работах [10, 11]. Экологические аспекты использования конверсионного мела описаны в [12].

Доломитовая мука (ДМ) произведена из доломита (месторождение Республики Беларусь, г. Витебск). Содержит в своем составе углекислые соли кальция и магния (CaCO₃ + MgCO₃).

Доменный шлак (ДШ) – отход производства черных металлов. В опыте использовали ДШ Череповецкого металлургического комбината. Шлак относится к известково-силикатным удобрениям. Сравнительный анализ удобрительной ценности и мелиоративных свойств ДМ и ДШ дан в работах [13, 14].

Отсев производства щебня из карбонатных пород (ОЩ). При производстве щебня из карбонатных пород в отвалы отсеиваются фракции размером <10 мм. Химический состав отсева месторождения Елизаветино (Гатчинский р-н, Ленинградской обл.) приведен в табл. 4. Удобрительная ценность и мелиоративные свойства отсева описаны в работах [15, 16].

Мелиоранты гидроксидной природы представлены в опыте гидроксидами магния с различным содержанием и соотношением Mg : Ca. Гидроксид магния является цитратрастворимым удобрением. Вэксперименте использовали 3 категории мелиоранта (А, B, C).

Перед внесением в почву все мелиоранты измельчали и пропускали через сито с диаметром отверстий 0.25 мм. Дозы мелиорантов выравнивали по нейтрализующей способности. Необходимое количество мелиорантов для известкования устанавливали из расчета устранения гидролитической кислотности по 0.7 Н_г. Пересчет вели на массу пахотного слоя 3 млн кг.

В сосуды высевали по 6 растений ярового рапса сорта Лексус. Световой день был равен 15 ч. Уборку растений проводили спустя 45 сут после появления всходов. В опыте использовали лампы UnionPowerStar-40W-T, длина волны диодов: синий (450 нм), красный (660 нм). Влажность почвы в процессе выращивания растений поддерживали на уровне 60% ППВ.

В качестве вариантов сравнения использовали почву без применения средств химизации (вариант 1), а также почву, удобренную азофоской (NPK = 16 : 16 : 16) и препаратом APAVIVA (варианты 2 и 3) по 0.2 г д. в./кг почвы. В мелиорированных вариантах в качестве фона применяли удобрение APAVIVA.

APAVIVA (NPK = 15 : 15 : 15) производится ПАО “ФосАгро”. Азот в удобрении представлен в форме NH₄, 90% фосфатов составляют водорастворимые формы. Содержит в своем составе 10% серы и 0.3– 1.0% MgO.

Химический состав зеленой массы ярового рапса определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре после озоления в муфеле при температуре 550°C.

Результаты и их обсуждение

Исследование показали, что величина рН в почве варианта без средств химизации после уборки растений осталась в той же группе кислотности (очень сильнокислая почва – 3.98 ед. рН) (табл. 4). Применение азофоски привело к снижению почвенной кислотности (величина рН_KCl стала соответствовать 4.05 ед. рН – сильнокислому уровню). Величины рН почвы при использовании удобрения APAVIVA зафиксировано на уровне 3.65 ед. рН.

Использование мелиорантов карбонатной природы (ККС, тонкоизмельченного ОЩ, ДМ и ДИМ) способствовало нейтрализации почвенной кислотности. Эффект от их внесения мало отличался друг от друга (рН_KCl менялся от 4.29 до 4.48 ед.). Аналогичным образом на величину рН_KCl повлиял ДШ (рН_KCl 4.3).

Незначительный мелиоративный эффект, достигнутый в результате известкования мелиорантами карбонатной и силикатной природы спустя 45 сут после применения, объясняется невысокой их скоростью растворения. В работах [17–19] было показано, что процесс полного разложения известковых материалов в почвах не заканчивается даже спустя 1 год после применения. Остаточное количество неразложившейся извести в почвах фиксируется даже спустя 3 года после применения.

Гидроксиды магния (кат. A, B, C) мелиоративного эффекта не оказали. pH_KCl почвы осталась на уровне показателя до закладки опыта.

Следовательно, использование средств химизации в дозе 0.7 Н_г на очень сильнокислой дерново-подзолистой почве при выращивании ярового рапса повлияло на величину почвенной кислотности по-разному. Применение удобрения APAVIVA в чистом виде способствовало некоторому подщелачиванию почвы. При использовании азофоски ни подкисления, ни подщелачивания почвы не произошло. Известкование гидроксидом магния также не привело к росту рН солевой суспензии в течение вегетации рапса. Эффект от применения мелиорантов карбонатной и силикатной природы спустя 45 сут был незначителен и мало различался между собой.

Минимальный урожай зеленой массы растений (табл. 4) в сосудах опыта отмечен в варианте без использования удобрений и мелиорантов (6.49 г/сосуд). Применение комплексных минеральных удобрений способствовало повышению продуктивности вегетативной массы рапса. Рост урожая в варианте опыта с удобрением APAVIVA (10.4 г/сосуд) составил 159% к контролю. Эффект от внесения азофоски оказался меньше – 133% к контролю. Различия между вариантами, удобренными комплексными удобрениями, были достоверными.

Таким образом, использование на сильнокислой дерново-подзолистой супесчаной почве удобрения APAVIVA в эквивалентном с азофоской количестве имело преимущество перед азофоской. Выявление причин этого явления требует постановки специальных опытов.

Мелиоранты карбонатной и силикатной природы также способствовали повышению урожая зеленой массы рапса. Максимальная эффективность установлена в варианте с применением КМ. Урожай зеленой массы рапса в вариантах с использованием доломитизированной ИМ, ДМ и отсева щебня был достоверно меньше. Эффективность ДШ оставалась на уровне мелиорантов карбонатной природы. Гидроксиды магния положительного влияния на продуктивность рапса не оказали.

Большинство сильно- и среднекислых почв Северо-Западного региона РФ характеризуется недостаточным содержанием доступных для растений форм кальция. Проявление кальциевого голодания растений на бедных поглощенными основаниями кислых подзолистых почвах может быть следствием прямого дефицита в них кальция, а также результатом антагонистического действия вносимых с удобрениями катионов NH₄⁺, K⁺ и Mg²⁺, блокирующих как поступление его в растения, так и участие во внутрипочвенных процессах [20].

Минимальным накоплением кальция в вегетативной массе рапса характеризовались варианты без известкования. Изменения концентраций кальция в тканях составили от 0.82 до 1.07%. Выявленные различия были недостоверными.

Известкование положительно сказалось на содержании кальция в растениях. Во всех мелиорируемых вариантах концентрация этого элемента в тканях рапса была достоверно больше, чем в вариантах без известкования. Значимых различий в накоплении кальция растениями из сосудов, известкованных мелиорантами карбонатной природы и доменным шлаком, не установлено. Рост концентрации кальция в тканях в вариантах с гидроксидом магния по сравнению с вариантами без известкования был отмечен в качестве хорошо выраженной тенденции.

Таким образом, мелиоранты карбонатной и силикатной природы оказали существенное влияние на переход кальция в растения рапса уже она первых этапах выращивании. Отрицательное влияние недостатка кальция для растений рапса при известковании устранялось. Следовательно, действие известкования не может быть сведено только к нейтрализации почвенной кислотности. Роль извести как кальциевого удобрения была показана также в работах [21–24].

Полученные результаты подтвердили ранее сделанный вывод о том, что на формирование элементного состава рапса влияет химическая обстановка в почве [5]. Например, разница в содержании кальция в тканях рапса в варианте без применения средств химизации и в варианте, удобренным APAVIVA на фоне известкования доломитизированной ИМ, составила 1.89 раза.

Недостаток магния, тормозящий рост растений, возможен на легких почвах при низких величинах рН [20]. В России около 20 млн га пахотных почв имеет низкое содержание магния, половина таких почв расположена в Нечерноземной зоне страны [25]. Площадь почв, нуждающихся в первоочередном внесении магния в России, составляет ≈7 млн га [26]. В настоящее время, в связи с прекращением поставок магнийсодержащих удобрений сельскохозяйственному производству России, магнийсодержащие отходы промышленности и мелиоранты являются основным источником пополнения запасов магния в почвах.

Данные содержания магния в тканях рапса приведены в табл. 3. Концентрация магния в вегетативной массе растений, установленная в варианте без применения удобрений и мелиорантов, была минимальной (0.225%). Содержание магния в тканях при использовании в опыте комплексных минеральных удобрений возросла до 0.234%. Выявленные различия были недостоверными.

Рост концентрации магния в зеленой массе рапса отмечен в вариантах, мелиорированных магнийсодержащими удобрениями. Чем больше была концентрация магния в известковых удобрениях карбонатной природы, тем больше магния накапливал рапс. Например, в сосудах опыта с ККС, содержащих 1.7% Mg, концентрация магния в тканях рапса составила 0.299%, а в варианте с доломитовой мукой возросла до 0.624%. Тем не менее, следует отметить, что концентрация магния в растениях рапса в варианте с применением ККС была лишь незначительно больше, чем в контроле (0.225 и 0.299%), а урожай зеленой массы почти в 2 раза превосходил последний. Следовательно, в варианте с ККС уровень содержания магния в тканях способствовал нормальному развитию растений рапса.

Расширение соотношения MgO : CaO в гидроксиде магния способствовало уменьшению содержания магния в массе рапса. Изменения составили от 0.497 до 0.440%.

В целом, использование мелиорантов, содержащих в своем составе магний, приводило к обогащению почвы доступными для растений соединениями этого элемента и вызывало рост содержания этого элемента в рапсе.

Известно, что кислотность почвы резко увеличивает подвижность некоторых микроэлементов – марганца и цинка, в сильнокислых почвах – железа. Физиологическая роль марганца связана с его участием в окислительно-восстановительных процессах. В качестве элемента, входящего в состав ферментов, он задействован в процессах дыхания, азотном и нуклеиновом обменах [24]. Известкование в целом приводит к осаждению в почвах доступных для растений соединений марганца [27–29]. Максимальное снижение содержание подвижного марганца отмечено при рН_KCl в почвах 6.5–7.2. Этот уровень реакции соответствует образованию в почвах нормального увлажнения оксидов Mn₂O₃ и MnO, которые обладают малой растворимостью [24].

В проведенном эксперименте в условиях очень сильнокислой реакции почвы известкование на начальном этапе выращивания растений рапса не привело к снижению содержания марганца в его зеленой массе. Изменения концентрации марганца в вегетативной массе укладывались в диапазон 201–348 мг/кг. Связи между концентрацией кальция и магния в биомассе рапса и концентрацией марганца в растениях не выявлено.

В литературе приведены пределы изменений содержания марганца в растениях, при которых осуществляется нормальное функционирование растительного организма [30]. Для представителей семейства капустных, к которым относится яровой рапс, они меняются от 50 до 600 мг/кг сухой массы. Пределы верхнего порога содержания при явлениях токсикоза варьируют от 760 до 2035 мг/кг. Таким образом, содержание марганца в растениях рапса в изученных вариантах укладывалось в диапазон концентраций, способных обеспечить нормальное функционирование растений.

Железо – необходимый элемент для роста и развития растений. Участие железа в процессах обмена веществ в растительном организме чрезвычайно обширно и отражается на активности и характере метаболизма потребляемых растениями элементов питания. Физиологическая роль железа – элемента, обладающего переменной валентностью, связана прежде всего с переносом электронов и его участием в окислительно-восстановительных реакциях, таких как окисление углеводов, восстановление сульфатов и нитратов. Большую роль играет железо в фотосинтезе растений, являясь незаменимым компонентом в составе хлоропластов, без него не образуется хлорофилл. Недостаток железа тормозит два важнейших процесса энергообмена растений – фотосинтез и дыхание.

Состояние железа в почвах изучено достаточно полно [31–33]. Степень подвижности железа возрастает от почв с щелочной реакцией к нейтральной и далее к кислым почвам, а максимальное снижение подвижности этого элемента отмечено при pH_KCl, соответствующим показателям от 6.5 до 7.2 ед. рН [24].

Концентрация железа в тканях рапса зависела от применения средств химизации. Минимальное содержание было характерно для контрольного варианта. Применение минеральных удобрений, КМ и доломитизированной ИМ не привело к достоверному росту концентрации железа в рапсе. Изменения его содержания укладывались в диапазон 68.6–93.7 мг/кг сухой массы растений.

Достоверный рост содержания железа в зеленой массе растений установлен в вариантах, в которых почву мелиорировали ДМ, ОЩ, ДШ и гидроксидом магния. Вероятно, это в какой-то степени было связано с наличием железа в самих мелиорантах. Например, содержание Fe₂O₃ в доменном шлаке составляло 0.6, в гидроксидах магния – 0.3%.

Изменение концентраций железа в тканях рапса при использовании мелиорантов на фоне применения удобрения APAVIVA укладывались в диапазон от 121 до 278 мг/кг и были достоверно больше, чем в варианте без использования средств химизации.

Указанное содержание железа в тканях рапса, выращенного в опыте, укладывалось в диапазон концентраций, позволяющим нормально развиваться растениям [30].

Цинк играет важную роль в азотном, углеводном и фосфорных обменах. Он способствует синтезу нуклеиновых кислот и белка. При недостатке цинка в растениях накапливаются редуцирующие сахара, небелковые соединения азота, органические кислоты, нарушается синтез белка. Дефицит цинка приводит также к нарушению фосфорного обмена. При недостатке этого элемента в листьях подавляется скорость деления клеток мезофилла, что приводит к морфологическим изменениям листьев [30]. Возрастание pH_KCl почвенного раствора, а также увеличение содержания в почве обменных соединений кальция и магния способствует снижению содержания цинка в растениях.

Из всех изученных элементов цинк характеризовался наименьшим накоплением в растениях рапса. В зависимости от варианта опыта концентрация цинка в тканях рапса менялась от 4.69 до 75.1 мг/кг абсолютно сухой массы растений, т. е. изменялась в 16 раз. Минимальной концентрацией характеризовались варианты, удобренные комплексными минеральными удобрениями и мелиорантами карбонатной природы. В вариантах опыта с применением гидрокарбонатов магния и ДШ концентрация цинка в растениях резко возрастала. По-видимому, это объяснялось присутствием Zn в самих мелиорантах.

В целом проведенное исследование показало, что на формирование химического состава ярового рапса существенное влияние оказывала химическая обстановка в почве, а применение удобрений и мелиорантов было фактором, позволившим регулировать элементный состав растений на начальном этапе возделывания рапса.

Выводы

Величина рН_KCl в почве варианта без средств химизации после уборки растений рапса соответствовала очень сильнокислому состоянию – 3.98 ед. рН. При применении азофоски показатель рН почвы стал соответствовать сильнокислому уровню: рН_KCl = 4.05 ед. рН. Величина рН_KCl при использовании удобрения APAVIVA зафиксирована на уровне 3.65 ед. Эффект от использования ККС, ОЩ, ДМ и ДИМ мало отличался друг от друга. Изменения составили от 4.9 до 4.48 ед. рН. ДШ на величину рН_KCl повлиял аналогичным образом (рН_KCl 4.39 ед.). Гидроксиды магния мелиоративного эффекта не оказали, рН_KCl остался на уровне показателей до закладки опыта.

Минимальная урожайность растений в сосудах опыта была характерна для варианта без использования средств химизации (6.49 г зеленой массы/сосуд). Рост урожайности в варианте опыта с удобрением APAVIVA (10.4 г/сосуд) составил 159% к контролю, в варианте с азофоской – 133% к контролю.

Максимальная продуктивность растений в мелиорированной почве установлена в вариантах с применением ККС. Выход зеленой массы рапса в вариантах с использованием ДИМ, ДМ и ОЩ был достоверно меньше. Эффективность ДШ оставалась на уровне мелиорантов карбонатной природы. Гидроксид магния положительного влияния на продуктивность рапса не оказал.

Известкование положительно сказалось на содержании кальция в растениях. Во всех мелиорированных вариантах концентрация этого элемента была достоверно больше, чем в вариантах без известкования. Значимых различий в накоплении кальция растениями в вариантах, известкованных мелиорантами карбонатной природы и доменным шлаком, не установлено. Рост концентрации кальция в тканях в вариантах с гидроксидом магния по сравнению с вариантом без известкования отмечен в качестве хорошо выраженной тенденции. Концентрация магния в вегетативной массе растений в вариантах без применения минеральных удобрений и с их использованием менялась от 0.225 до 0.234%. Использование мелиорантов, содержащих в своем составе магний, приводило к обогащению почвы доступными для растений соединениями этого элемента и вызывало рост концентрации магния в рапсе. Чем больше концентрация магния в известковых удобрениях карбонатной природы, тем больше магния накапливал рапс. В варианте с ККС концентрация магния составила 0.299, в варианте с ДМ возросла до 0.624%, т. е. в 2.1 раза. Расширение соотношения MgO : CaO в гидроксиде магния способствовало уменьшению содержания магния в рапсе, изменения составили от 0.497 до 0.440%.

Известкование не привело к снижению содержания марганца в зеленой массе рапса. Изменения концентрации укладывались в диапазон от 201 до 348 мг/кг. Такое содержание укладывается в диапазон концентраций, способных обеспечить нормальное функционирование растений. Концентрация железа в тканях рапса зависела от применения средств химизации. Достоверный рост содержания железа в зеленой массе рапса установлен в вариантах, мелиорированных ДМ, ОЩ, ДШ и гидроксидом магния. Вероятно, это связано с наличием железа в самих мелиорантах.

Концентрация цинка в тканях рапса менялась от 4.69 до 75.1 мг/кг. Минимальной концентрацией элемента характеризовались варианты, удобренные комплексными минеральными удобрениями и мелиорантами карбонатной природы. В вариантах с применением гидроксида магния и ДШ концентрация цинка в растениях резко возрастала.

About the authors

A. V. Litvinovich

Agrophysical Research Institute; St. Petersburg State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: av.lavrishchev@yandex.ru
Russian Federation, 195220, St. Petersburg–Pushkin, Grazhdansky prosp. 14; 196601, St. Petersburg–Pushkin, Peterburgskoe shosse 2

K. M. Nelson

St. Petersburg State Agrarian University

Email: av.lavrishchev@yandex.ru
Russian Federation, 196601, St. Petersburg–Pushkin, Peterburgskoe shosse 2

A. V. Lavrishchev

St. Petersburg State Agrarian University

Email: av.lavrishchev@yandex.ru
Russian Federation, 196601, St. Petersburg–Pushkin, Peterburgskoe shosse 2

P. S. Manakov

St. Petersburg State Agrarian University

Email: av.lavrishchev@yandex.ru
Russian Federation, 196601, St. Petersburg–Pushkin, Peterburgskoe shosse 2

References

Supplementary files