ГЛАВА II ФУНКЦИИ ПОЧВЫ, СВЯЗАННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО С ЕЕ ХИМИЧЕСКИМИ И БИОХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

К данной группе относятся следующие функции: почва как источник питательных элементов и соединений, депо влаги, эле­ментов питания и энергии, стимулятор и ингибитор ряда био­химических процессов.

Почвенный источник питательных элементов и соединений

Подавляющая часть растений одновременно обитает в двух средах: в почве и нижнем слое атмосферы. В связи с этим для них характерны два типа питания — воздушный и почвенный. Атмосфера является для растения главным поставщиком угле­рода и кислорода. Основным же источником других элементов и влаги оказывается почва, несмотря на то что частично эле­менты зольного и азотного питания могут поступать через листья: например, аммиак и окислы серы — из воздуха, соли— из дождевой воды.

Из почвы, помимо воды, растения получают различные ми­неральные вещества: азот (аммонийный и нитратный ионы), фосфор (моно- и дифосфаты), калий, кальций, магний, серу, железо, марганец, медь, молибден, бор, цинк и др.

Для понимания сущности процесса почвенного питания рас­тений необходимо прежде всего учитывать то, что подавляющая часть растительных организмов предъявляет вполне определен­ные требования к доступным для них пищевым ресурсам поч­вы. В результате в естественных экосистемах в ходе длительной эволюции произошла взаимная подгонка почв и поселяющихся на них фитоценозов в целях оптимизации миграции вещества. Как правило, иная картина наблюдается при выращивании большей части сельскохозяйственных культур.

Отчуждение с урожаем значительной или большей доли биомассы, а также возделывание многих растений на почвах, где они изначально не произрастали, ведет к тому, что пахот­ные земли при отсутствии специальных агротехнических при­емов по поддержанию их плодородия перестают справляться

со снабжением посевов необходи­мыми элементами. Поэтому для эффективного использования сель­скохозяйственных угодий необхо­димы постоянное регулирование почвенного плодородия и оптими­зация минерального питания рас­тений. Фундаментальные агрохими­ческие исследования Д. Н. Пря­нишникова, А. В. Соколова,

A. В. Петербургского, Н. С. Авдо­нина, Я. Ф. Пейве, Э. Рассела,

B. Г. МинееЬа и др. показывают, что для этого следует в первую очередь поддерживать в почве достаточное количество всех основных элементов питания в доступных для усвоения формах. Однако во многих случаях это не соблюдается. Часто культур­ные растения, отличающиеся специ­фическим требованием к почвенно­климатическим факторам, выращи­ваются на землях, которые по вод­ному и пищевому режиму близки к неокультуренным целинным. При этом может наблюдаться явное не­соответствие между доступным фон­дом элементов питания почвы и теми их количествами, которые не­обходимы для полноценного разви­тия посевов.

По среднему содержанию мак­ро- и микроэлементов в основных типах почв и в выращиваемых на них растениях (табл. 8, 9) можно наглядно убедиться в отсутствии химической «гармонии» между поч­вами и полевыми культурами (Ринькис, 1972). Так, в почвах кон­центрация азота (растворимых, а не валовых количеств) ниже почти в 500 раз, чем в культурных расте­ниях, фосфора и калия — прибли­зительно в 20 раз. В отношении других элементов наблюдается уже иная картина: концентрация маг­ния и кальция в почвах ниже, чем в растениях, в среднем в 3—4 раза, а железа — выше в 6 раз. Нерав­нозначно соотношение и микроэлементов. Концентрация цинка, молибдена и бора в почвах в среднем ниже, чем в растениях, марганца же и кобальта выше.

Явное несоответствие в содержании многих биофильных элементов в почвах и полевых культурах особенно наглядно об­наруживается при сравнении пределов колебания элементов в почвах и полевых растениях. Материалы (табл. 9) свидетель­ствуют о большой пестроте содержания элементов в почвах. Например, как по валовым, так и растворимым количествам кальция, магния, железа, меди, 'марганца одни почвы могут быть богаче других в сотни* и тысячи раз. Пределы же коле­бания в содержании кальция, магния, железа, меди и марган­ца в культурных растениях значительно меньше, чем в почвах: изменяются лишь в 10—30 раз. Это свидетельствует о том, что почвы как источник элементов питания оказываются очень не­равнозначными. В связи с этим возникает необходимость оп­тимизации пищевого, а также водного и теплового режима практически всех почвенных разностей с учетом их конкретных особенностей.

Одна из первоочередных задач оптимизации питания расте­ний заключается в значительном увеличении содержания дефи­цитных элементов в почвах — прежде всего азота, фосфора, калия. Кроме того, почвы нередко нуждаются в увеличении в них доступных форм кальция, (магния, серы, ряда микроэлемен­тов. В то же время возникает необходимость в снижении содер­жания подвижных форм тех элементов, которые обладают от­рицательным действием в случае высокой концентрации (Н, А1, С1, некоторые микроэлементы).

При современном уровне развития производства минераль­ного сырья для удобрений в ряде стран с развитым сельским хозяйством эта проблема уже решена. Однако задачи оптими­зации функции почвы как источника элементов питания не ис­черпываются устранением дефицита необходимых питатель­ных веществ и ликвидацией токсических концентраций некото­рых элементов.

Не менее важным оказывается также создание благоприят­ных условий поступления необходимых элементов в организм растения. Установлено, что наиболее легкое и полное усвоение растениями элементов питания происходит тогда, когда их по­глощение корнями идет непосредственно из свободных водных растворов, в которых они находятся в растворенном подвиж­ном состоянии (табл. 10). Но в естественных условиях основ­ная часть элементов, попавших в почвенный раствор из удоб­рений, как правило, адсорбируется на поверхности частиц мел­козема и становится значительно менее подвижной и доступ­ной. В опытах 3. И. Журбицкого (см. табл. 10) показано, что при выращивании на песчаном субстрате поступление элемен­тов в растение снижается в несколько раз по сравнению с их поглощением из чистых водных растворов.

Осложняется и поступление в растения ряда элементов в случае значительных изменений pH почвы. Так, по данным Г. Я. Ринькиса (1972), при сильном снижении кислотности в условиях опыта происходило заметное уменьшение поглощения растениями марганца, кобальта и цинка, в меньшей мере — калия и магния. Однако на поглощение растениями азота из­менение кислотности субстрата существенно не влияло. С уве­личением pH субстрата содержание кальция и молибдена в растениях увеличивается. Ряд уменьшения влияния возрастаю­щей величины pH субстрата на поглощение элементов расте­ниями выглядит так:

Имеются также данные о связывании ряда элементов пита­ния органическим веществом, которое может снижать их по­ступление в растения. В опытах отмечено заметное уменьшение поглощения растениями фосфора, кальция, магния, меди, цин­ка, марганца, кобальта, молибдена, бора в случае увеличения содержания гидроокисей железа и алюминия в субстрате. При­чем такое уменьшение происходило как при нейтральной и ще­лочной реакциях субстрата (pH 7,0—8,4), так и при средне­кислой (pH 4,8—6,2).

Оценивая общее значение факторов, которые могут ограни­чить поступление питательных веществ в растения, необходимо подчеркнуть, что их действие заключается не только в ослабле­нии потока элементов в системе почва — растительные орга­низмы. Положительная роль в формировании урожая органиче­ского вещества и тонкодисперсного материала почвы общеиз­вестна, однако и в отношении этих компонентов необходимо учитывать все возможные формы их воздействия на доступ­ность растениям элементов питания.

Кроме того, приходится обращать постоянное внимание на то, что на одно и то же воздействие разные компоненты почвы и разные растения могут реагировать неодинаковым образом» Так, еще Д. А. Сабинин (1923) отмечал, что подкисление сре­ды, окружающей корни, приводит к увеличению поглощения в основном анионов и снижению доступности катионов, а подще­лачивание может стимулировать поступление катионов и огра­ничивать поток анионов.

Важным фактором оптимального питания растений оказыва­ется также благоприятное соотношение доступных элементов в почве. Многочисленными исследованиями установлена тесная взаимосвязь между концентрациями элементов в почве и их количествами, поступающими в растения. Яркий пример взаи­модействия элементов при их поступлении в растения — сни­жение содержания молибдена в кормовых культурах, накапли­вающегося нередко в токсических для животных дозах, путем

Взаимодействие макро- и микроэлементов (Ринькис, 1972)

применения медных удобрений (Gammon, Fiskel, Mourkindes, 1955).

Взаимодействие элементов в процессе минерального пита­ния, обусловливаемое как физико-химическими, так и биоло­гическими явлениями, может идти по типу антагонизма ил§ си­нергизма. Антагонизм имеет место, когда увеличение концент­рации одного элемента тормозит поступление другого. Если же увеличение концентрации одного элемента способствует накоп­лению другого элемента в растении — такое явление называ­ется синергизмом. В табл. 11 даны примеры антагонизма и си­нергизма между различными парами элементов. Стрелка между взаимодействующими элементами указывает направление дейст­вия. Например, А->Б при антагонизме означает, что увеличение содержания первого элемента в среде снижает концентрацию второго в растениях.

Между парами элементов, как в случае антагонизма, так и синергизма, могут существовать не только односторонние, но и двусторонние /влияния.

При претворении в жизнь программы оптимизации почвен­ного питания растений большое значение имеет решение мно­гих практических вопросов, связанных как со стратегией раз­вития сельского хозяйства, так и с соблюдением многих конк­ретных агротехнических рекомендаций. Нередко /возникают дискуссии о целесообразности дальнейшего увеличения произ­водства агрохимикатов с целью увеличения урожайности куль­тур и борьбы с вредителями. При этом справедливо указывает­ся на сложное действие соединений, вносимых человеком на поля (рис. 3, 4), многие из которых дают не только положи­тельный, но и отрицательный эффект.

Рис. 3. Общая зависимость между отдельными питательными веществами, или факторами, и интенсивностью роста растений (Рассел, 1955)

Рис. 4. Изменение продуцируемой массы в зависимости от концент­рации элементов в растениях (Ринькис, 1972)

Однако несмотря на сложности, возникающие при использо­вании агрохимикатов, они остаются и останутся еще на долгие годы решающим фактором повышения биологической продук­тивности угодий в большин­стве стран. Это, в частности, убедительно показано в моно­графии «Агрохимикаты в ок­ружающей среде» (Хайниш, Паукке, Нагель, Ханзен, 1979), где отмечается, что 50—60% сельскохозяйственной продук­ции в развитых странах полу­чают в результате применения минеральных удобрений. При­бавки урожая от химической защиты растений составляют 20—60% при затратах, равных лишь 1—5% общих издержек производства.

В настоящее время увели­чение применения удобрений— один из решающих факторов усиления функции почвенного

питания растений и повышения урожайности сельскохозяйствен­ных культур. Однако при этом необходимо разрабатывать ме­роприятия, устраняющие или снижающие до допустимых пре­делов побочные нежелательные эффекты, возникающие при использовании ряда агрохимикатов (Авдонин, 1969, 1979; Кук, 1970; Лебедева, 1976, 1984; Хайниш, Паукке, Нагель, Ханзен, 1979; Минеев, 1984; и др.). Это в связи со все более усилива­ющейся химизацией сельского хозяйства становится серьезной проблемой, от успешного решения которой зависит не только дальнейшее повышение урожая, но и улучшение его качества. Подсчитано, что повышение содержания белка® пшенице только на 1% на полях нашей страны позволит обеспечить белковой пищей 16 млн. человек в течение года.

Проблема усиления полноценного почвенного питания расте­ний с помощью удобрений смыкается с вопросами оптималь­ных форм удобрений, способов и сроков их внесения.

В отношении преимущества тех или иных видов удобрений до сих пор немало дискуссионного. Так, долгое время вёяся спор о том, какие удобрения лучше — органические или мине­ральные. Несмотря на все более возрастающее производство промышленных агрохимикатов, значение органических удобре­ний, и прежде всего навоза, в настоящее время не снижается. Д. Н. Прянишников (1965) писал, что было бы грубой ошиб­кой считать, что с ростом производства и применения минераль­ных удобрений роль навоза как одного из главных удобрений в какой-то мере снижается. Наоборот, при интенсивной хими-

зации значение навоза еще более возрастает. Особая роль на­воза в общей системе удобрений состоит в том, что его приме­нение составляет главное средство обратного вовлечения в круговорот тех количеств питательных веществ, которые были взяты растением из почвы и вносились раньше в почву с удоб­рениями.

Полагают, что из всего количества веществ, выносимых с урожаем, в навоз может переходить (через корма и подстилку) до 50% азота, 60% окиси калия и 40% окиси фосфора. Кроме того, навоз содержит и различные микроэлементы. В результа­те из всех органических удобрений навоз оказывается наиболее полноценным их видом (Кулаковская, 1970).

А. В. Петербургский приводит данные (табл. 12), свидетель­ствующие о близком эффекте навоза и минеральных удобре­ний. Небольшое преимущество минеральных удобрений, наблю­давшееся в поставленных опытах, не снижает ценность навоза, поскольку он представляет собой бесплатный отход, накапли­вающийся в каждом хозяйстве.

Гармоничное сочетание минеральных и органических удоб­рений определяется не только целесообразностью использова­ния всех удобных способов устранения дефицита элементов питания растений, но и необходимостью поддерживать на нуж­ном уровне окультуренность почв, которая существенно повы­шается при систематическом применении органических удоб­рений. Особенно это оказывается важным в случае почв с низким естественным плодородием, по отношению к которым применение всего комплекса рациональной системы удобрений является обязательным условием их эффективного использо­вания.

Исследованиями Н. С. Авдонина (1969, 1979), Л. А. Лебе­девой (1976, 1984) и др. показано, что широкому применению минеральных удобрений на слабоокультуренных дерново-под­золистых почвах должно предшествовать устранение их небла­гоприятных свойств. Одностороннее же длительное применение минеральных удобрений на слабоокультуренных кислых дер­ново-подзолистых почвах может не дать нужного эффекта и одновременно привести к частичному ухудшению их структуры. Эти удобрения — мощный фактор повышения урожайности, но для эффективного их систематического использования необхо­димо окультуривать дерново-подзолистые почвы, применяя для этой цели комплекс мероприятий — опережающее известкова­ние, широкое использование различных органических удобре­ний, посев сидератов и т. д.

Существенным моментом в эффективном усилении почвен­ной функции источника элементов питания оказывается соб­людение оптимальных сроков и способов внесения удобрений >и их дозировка с учетом изменчивости почв в пространстве и времени.

Эти факторы заметно влияют на общие результаты в полу-

Распределение питательных веществ в почве в момент полного капиллярного насыщения, мг/100 г абсолютно сухой почвы

(по данным А. С. Коржуева, А. Б. Пановой)

чении урожая и на действенность системы агротехнических ме­роприятий в целом (табл. 13, 14). Так, многое зависит от спо­собов приготовления удобрений. Например, показано, что при­бавка урожая на дерново-подзолистых почвах от гранулиро­ванного суперфосфата может быть © 2 раза выше, чем от по­рошковидного (Авдонин, 1969), а эффективность навоза на со­ломенной резке оказывается на 20—30% выше навоза, приго­товленного на соломенной подстилке.

Большое влияние на уро-

жай оказывает и способ вне­сения удобрений. Н. С. Ав­донин, проводивший опыты в лесной зоне с внесением суперфосфата под озимые и яровые в рядки и вразброс, показал большую эффектив­ность рядкового приема.

При внесении в рядки удо­брения располагаются ло­кально, поэтому благодаря меньшему контакту с поч­вой фосфор слабее ею по­глощается и, следовательно, полнее используется расте­ниями. Кроме того, удобре­ния находятся в непосредст­венной близости от расте­ний, что облегчает их использование в ранний период роста при небольшой корневой системе, которая не позволяет еще- извлекать элементы питания из большого объема почвы. Ис­пользование фосфора при внесении суперфосфата в рядки & 2—3 раза выше, чем при внесении его вразброс.

Однако вопрос о способах внесения различных удобрений не решается однозначно, так как имеется немало фактов по­

Использование питательных веществ минеральных удобрений (Авдонин, 1982)

вреждений — «ожогов» растений определенным видом удоб­рений, вызванных слишком высокой их концентрацией или очень близким их размещением к семенам или молодым рас­тениям (Кук, 1970). В опытах Уоррена и Джонстона (1961) поверхностное внесение больших доз хлористого калия (375 кг/га) подавляло развитие свеклы ко времени прорывки, в то время как глубокая заделка в почву была безопасной вдля данной культуры. Особенно значительным указанное негатив­ное действие удобрений может быть в условиях сухого климата, когда общее изначальное содержание солей в почве достигает значительных величин.

В системе рациональной оптимизации почвенного питания растений необходим постоянный учет неоднородности свойств почв и погодных условий во времени и пространстве. Эта неод­нородность весьма значительна и заставляет конкретизировать систему удобрений не только для различных районов, но и для разных полей одного хозяйства с учетом их истории, ©носить коррективы на сезонную и межгодичную изменчивость климата, учитывать изменчивость биологических, физических и других свойств одной и той же почвы в процессе ее эксплуатации, ме­нять сроки, дозы и способы внесения удобрения в зависимости от условий года и неоднородности почвенного покрова, своев­ременно устранять причины, препятствующие полноценному использованию питательных веществ (уничтожение сорняков и вредителей, регуляция водного режима и физического состоя­ния). При этом оказываются важными практически все виды мероприятий, создающих благоприятные условия для усвоения питательных веществ и образования высококачественного уро­жая.

Дж. Кук (1970), например, подчеркивает, что если своевре­менно не устранены болезни растений, то отзывчивость их на удобрения сильно снижается. Так, в опытах с пшеницей, пора­женной грибковым заболеванием и нематодами, было показа­но, что в случае уничтожения паразитов высокие урожаи дости­гаются при значительно меньших дозах удобрений. Этот иссле­дователь также обращает внимание на то, что при решении вопросов оптимизации минерального питания растений улучше­нию физических свойств почв должно уделяться не меньше внимания, чем контролированию химических параметров обра­батываемых земель.

В заключение характеристики важнейшей почвенной функ­ции источцика элементов питания необходимо подчеркнуть, что эта функция исключительно динамична и ее успешная реализа­ция в естественных экосистемах и особенно агроценозах зави­сит от многих факторов. Поэтому в ходе решения практических задач оптимизации почвенного питания растений особое зна­чение приобретает принцип дифференцированного и комплекс­ного подхода при осуществлении мероприятий по повышению и улучшению качества биологической продуктивности угодий.