4.3. Кальций и фосфаты в почвах и растениях

Основные запасы минерального фосфора, принимающего участив в питании растений, в черноземных почвах представлены преимущест­венно соединениями, связанными с кальцием (вторая группа по Чирикову). Роль кальция в снабжении растений фосфором по данным различных исследователей весьма противоречива. Большинство исследо­вателей (Чириков, 1919; Рыдкий, 1938; Чириков Малюгин, 1944; Hebert, 1951; Чурилина, 1967) отмечают, что кальций связывает фосфаты почвы и за­трудняет использование их растениями. Другие авторы (Клечковский, Жердецкая, 1951; Hang, Chu, 1964) указывают на отсутствие специфической роли кальция в сорбции фосфат-ионов. При этом авторы считают, что основная масса фосфора закрепляется в почве в виде фосфатов железа и алюминия или же удерживается на поверхности коллоидных частиц почвы. Данные Schachtschabel (1967) также показывают, что в тяжелосуглинистых почвах с высокой насыщенностью почвенно-поглощающего комплекса кальцием повышается степень обес­печенности почвы подвижными фосфатами.

Задачей наших исследований было изучение сезонной динамики фос­фатов почвы в зависимости от динамики активности кальция и водорода в целях характеристики режима фосфорного питания растений.

Учитывая, что физико-химическое равновесие в почвах, а также ин­тенсивность и масштабы различных превращений в почвах согласно за­кону действующих масс определяются не общими концентрациями ионов, а их активностями, для характеристики почвенных растворов особую актуальность приобретает активность соответствующих ионов. В отно­шении подвижности почвенных фосфатов активность ионов кальция и водорода в почвенных растворах представляет наибольший интерес.

Для изучения динамики фосфатов почвы и режима фосфорного пи­тания растений были поставлены полевые опыты на мощных слабовыщелоченных тяжелосуглинистых черноземах Курской опытной станции. Был выбран участок площадью 144 м², на котором до 1963 г. удобрения вносили эпизодически. С 1963 г. этот участок используется под моно­культурой озимой пшеницы без применения удобрений. Исследования на этом участке проводили в 1968-1969 гг. Отбор почвенных образцов производили с помощью бура из каждого 10-сантиметрового слоя почвы до глубины 1 м в шестикратной повторности. Образцы почвы отбирали весной (в апреле), летом (в конце июля - начале августа) и осенью (в конце октября или начале ноября). Кроме того, в указанные сроки оп­ределяли влажность почвы и измеряли ее температуру.

В образцах почвы определяли активность ионов кальция (рСа) и ак­тивность водорода (рН) по методикам, разработанным Украинским научно-исследовательским институтом почвоведения и агрохимии (Крупский, Александрова, Губарева,1969). Содержание в почве подвижного фосфора определяли по методу Чирикова. В растениях общий азот, фосфор и калий определяли из одной на­вески по методике Гинзбург и Щегловой, кальций - весовым оксалатным методом.

Влажность почвы устанавливали весовым методом в трехкратной повторности. Температуру почвы измеряли на глубине 25, 50, 75 и 100 см. В летний период температуру почвы верхнего слоя 0-25 см измеряли набором термометров Саввинова.

Определение влажности почвы в указанные сроки показало, что она была существенно выше в весенне-летний и осенний период и значительно ниже - в конце июля или начале августа. Наименьшее ко­личество влаги в почве содержалось в летний период.

Температура почвы в летний период была значительно выше осенних и весенних ее значений. Характерно также, что весной температура в метровом слое почвы постепенно уменьшается книзу, а осенью, наоборот, возрастает.

Сезонные изменения гидротермического режима мощного чернозема являются одним из факторов, определяющих активность ионов почвен­ного раствора. Следует заметить, что активность ионов почвенного рас­твора в существенной мере зависит от состава и свойств самой почвы, а также от содержания в ней углекислоты.

Результаты измерения активностей ионов кальция и водорода в те­чение двух лет обобщены и представлены на рис. 1 и 2 в сезонной дина­мике. Величина известкового потенциала (рН-0,5 рСа) в динамике представлена на рис. 3. Известковый потенциал выражает наиболее общее состояние активностей ионов кальция и водорода в почвах и яв­ляется также фактором, характеризующим растворимость фосфатов почвы (Синягина, 1966).

Приведенные данные показывают, что активность водорода, кальция и величина известкового потенциала изменяются по сезонам. Значительным сезонным изменениям в мощных черноземах подвергается и содер­жание почвенных фосфатов (рис. 11). Подвижность почвенных фосфатов существенно возрастает весной, а к лету и осени количество подвижно­го фосфата в мощных черноземах снижается. Аналогичная закономер­ность в динамике подвижного фосфора для этих же черноземных почв отмечена Г.А. Поршневым, А.И. Лесогоровой и Е.Т. Музычкиным (1968).

В мощных черноземах наблюдается уменьшение подвижности фосфатов с весны к лету и осени. Возрастание подвижного фосфора происходит в зимне-ранневесенний период и достигает своего максимума весной, т.е. тогда, когда мы имеем в мощных черноземах самую высокую активность ионов кальция и водорода. К лету и осени активность кальция и водорода, а также подвижность почвенных фосфатов существенно снижаются, Сравнивая характер сезонных изменений величины известкового потенциала в метровом слое мощных черноземов с сезонными изменениями степени подвижности почвенных фосфатов, важно отметить, что возрастание величины известкового потенциала к лету и осени сопровождается снижением подвижности почвенных фосфатов. Отсюда следует, что в мощных черноземах возрастание активности ионов кальция и водорода и, следовательно, уменьшение величины известкового потенциала сопровождается возрастанием степени подвижности почвенных фосфатов.

Среди многочисленных причин, влияющих на подвижность почвенных фосфатов, большое влияние оказывает реакция среды. А.Т. Кирсанов (1933), Н.С. Авдонин (1936), К.В. Веригина (1948), И.И. Кобзева (1968) и др. исследователи отмечают, что подкисление почвенного раствора приводит не только к возрастанию подвижности фосфатов почвы, но и к увеличению использования их растениями. Поэтому весной, когда температура почвы достаточно низкая, а ее влажность поддерживается еще на высоком уровне, в результате подкисления почвенного раствора в мощных черноземах наблюдается возрастание содержания подвижных фосфатов при одновременном увеличении активности ионов кальция.

Объяснение подобным изменениям мы видим, согласно Н.С. Авдонину (1936), в том, что ионы кальция в почвенном растворе обычно снижают растворимость фосфатов, способствуют переводу растворимых соединений фосфатов в менее растворимые. При подкислении же растворимость фосфатов кальция увеличивается и приводит к одновременному возрастанию в почве ионов кальция и анионов фосфорной кислоты.

Объясняя сезонную и годовую динамику активности ионов кальция и водорода, а также подвижность фосфатов почвы, важно учитывать урожайность сельскохозяйственных растений. Погодные условия 1969 года, по сравнению с 1968 и 1970 годами, были не только благоприятными для роста и развития растений, но и для повышения активности ионов кальция и водорода, а также подвижности почвенных фосфатов. Однако в благоприятных погодных условиях 1969 года кажущаяся картина существенного изменения в динамике указанных величин сглаживается за счет усиленного потребления фосфора и кальция растениями.

Рис. 11. Динамика водорода, кальция, известкового потенциала

и подвижных фосфатов под озимой пшеницей

Так, общая урожайность надземной массы в Стрелецкой степи в 1968 году составляла 58,9 ц/га, а в 1969 году - 69,9 ц/га. Потребление же кальция растениями в 1968 году составило 37,5 кг/га СаО, а в 1969 году - 45,9 кг/га. На участке Курской опытной станции в 1968 году потребление кальция растениями составило 2,3 кг/га, а в 1969 году - 5,9 кг/га, или в 2,6 раза больше, чем в предшествующем году (табл. 14). В отно- шении потребления фосфора растениями следует отметить, что в 1969 году оно было в 5 раз выше по сравнению с 1968 годом. Поэтому правильно объяснить сезонную и годовую динамику элементов возможно лишь с учетом потребления их растениями.

Таблица 14. Потребление растениями азота, фосфора, кальция и калия

Фаза развития растений	Анализируемые части растений	Содержание, % на воздушно- сухое вещество				Урожай, ц/га
		N	P2O5	СаО	K2O
Озимая пшеница (1968 год)
Кущение Начало уборки » » » »	Листья Зерно Солома Целое растение	3,44 2,40 0,26 1,33	0,80 0,76 0,11 0,44	0,12 0,05 0,08 0,06	2,71 0,50 0,75 0,63	- 15,0 23,3 38,3
Яровая пшеница (1969 год)
Кущение Начало уборки » » » »	Листья Зерно Солома Целое растение	4,24 1,87 0,25 1,05	0,75 1,23 0,11 0,66	0,13 0,05 0,05 0,05	1,62 1,03 0,22 0,62	- 42,3 75,3 117,6

Возрастание активности ионов кальция и водорода, а также содержание подвижных фосфатов в мощных черноземах в весенний период создают благоприятные условия для питания растений кальцием и фосфором в самый начальный период их роста и развития. Как показали исследования, весной происходит усиленное потребление из почвы растениями озимой и яровой пшеницы фосфора, азота, калия и кальция. Содержание этих элементов в растениях весной в среднем в 2-3 раза выше по сравнению с содержанием их в конце вегетационного периода. Это дает основание считать, что сезонная динамика почвенных процессов в мощных черноземах складывается благоприятно, т. к. в начале вегетационного периода создается не только потенциальный резерв элементов минерального питания растений, но и усиленное потребление их в начальный период роста и развития растений.

Таким образом, активность ионов кальция в почвах лесостепи является величиной динамичной и изменяется в связи с почвенными процессами на фоне общих климатических и конкретных погодных условий. Она существенно изменяется по профилю почвы; в гумусовом горизонте она значительно меньше, чем в карбонатном. При этом в гумусовом горизонте активность кальция возрастает на глубине 20-40 см. На этой же глубине отмечается возрастание активности ионов водорода. В используемых черноземах такой ярко выраженной картины не наблюдается, и связано это с нарушением естественного биологического круговорота веществ под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Активность ионов кальция в мощных черноземах проявляет хорошо выраженную сезонную динамику. Наибольшая активность ионов кальция имеет место в весенний период, а к лету и осени она снижается. При этом аналогичная тенденция изменений наблюдается и в отношении активности ионов водорода. Амплитуда сезонных изменений активности кальция и водорода в гумусовом горизонте выше по сравне- нию с карбонатным горизонтом и зависит от конкретных почвенных условий и характера окружающей внешней среды. В отдельных случаях активность ионов кальция, в связи с характером создавшихся условий, может повышаться в осенний период.

Активность кальция изменяется не только по сезонам, но и по годам. Характерно при этом, что повышенная активность кальция приурочена к более засушливым условиям года. Во влажные годы активность ионов кальция несколько снижается, что связано с усиленным потреблением его растениями.

В мощных черноземах, находящихся в сельскохозяйственном пользовании даже без применения удобрений, активность ионов кальция выше по сравнению с целинными черноземами. В условиях применения удобрений в системе севооборота активность ионов кальция в верхнем 50 см слое почвы выше по сравнению с черноземами пашни и целины. При этом активность ионов водорода снижается, т. е. реакция почвенного раствора смещается в нейтральную сторону.

Характер сезонных и годовых изменений величины известкового потенциала в профиле мощных черноземов степи и пашни, как показателя растворимости фосфатов почвы, напоминает аналогичные изменения величины рН с разницей лишь в их абсолютных величинах.

Подвижность фосфатов возрастает в весенний период. От весны к лету и осени подвижность фосфатов почвы существенно уменьшается. Уменьшение подвижности почвенных фосфатов к концу вегетационного периода сопровождается одновременным уменьшением активности ионов кальция и свидетельствует о процессах образования в мощных черноземах специфических соединений фосфорной кислоты с кальцием. С возрастанием же активности ионов кальция в весенний период подвижность фосфатов почвы в мощных черноземах возрастает.

Подвижность фосфора в мощных черноземах в вегетационный период уменьшается также в связи с падением активности ионов водорода и возрастанием величины известкового потенциала. С подкислением почвенного раствора и снижением величины известкового потенциала содержание в мощных черноземах подвижного фосфора возрастает.

Подвижность фосфатов в мощных черноземах пашни выше по сравнению с целинными черноземами Стрелецкой степи. При этом в используемых черноземах активность ионов кальция существенно преобладает над черноземами степи. Это объясняется изменением гидротермического режима почв и повышенной биологической активностью черноземов пашни.

Режим динамики активности ионов кальция и водорода, а также подвижности почвенных фосфатов в мощных черноземах является благоприятным для большинства сельскохозяйственных культур, т. к. в самый начальный период роста и развития растений происходит усиленное потребление из почвы азота, фосфора, калия и кальция.

Широкое применение кальцийсодержащих, а также декальцинированных удобрений на фоне кальцийсодержащих мелиорантов (гипс и дефекат) может повысить эффективность удобрений и урожайность выращиваемых культур. При этом особое значение приобретают высокий уровень агротехнических мероприятий и создание благоприятного режима влажности почв.