4.2. Активность ионов кальция и водорода в мощном черноземе
Изучение динамики активности ионов кальция в черноземах с кальциевым классом водной миграции позволяет ближе подойти к установлению закономерных связей между свойствами почвы и жизнью культурного растения при соответствующих воздействиях со стороны человека.
Выяснение динамики активности кальция в черноземах ценно не только потому, что он играет ведущую роль в жизни растений и почв, но и потому, что кальций в черноземных почвах является типоморфным элементом, поведение которого во многом определяет важнейшее свойство почвы – ее плодородие.
Физиолого-агрохимическая роль кальция в системе «почва - растение - внешняя среда» чрезвычайно многообразна. Кальций относится к одному из пяти основных элементов минерального питания растений, необходимых для нормальной жизнедеятельности их. Он входит в состав практически всех органов растений и играет существенную роль в процессах обмена и превращения веществ.
В процессах жизнедеятельности растений кальций, калий, магний входят в систему регулирования свойств и состояний ионных растворов, пронизывающих живую плазму клеток и участвующих в изменениях ее состояния, в особенности ее оводненности, а также на создание физиологически уравновешенного почвенного раствора и регулирование кислотно-щелочного равновесия как в растениях, так и в почвенных растворах. Кальций является элементом повышения устойчивости растений при неблагоприятных и повреждающих условиях внешней среды.
Не меньшее влияние кальций оказывает и на почвы. Создание почвенной структуры, устойчивой буферной реакции среды, благоприятных условий для жизнедеятельности аэробных и анаэробных микроорганизмов, хороших водно-физических свойств почвы, а также накопление в почвах органических и минеральных веществ, т. е. повышение уровня потенциального плодородия почв, во многом связаны с кальцием.
Таким образом, и как элемент питания растений, и как почвоулучшающее средство, кальций почти во всех случаях оказывает главным образом положительное влияние на рост и развитие растений. Что же касается его физиологической роли в жизни растений, то она проявляется уже при наличии кальция в почвенном растворе (концентрация которого может колебаться в широких пределах) и не может быть све- дена только лишь к потреблению и содержанию его в растениях или в их отдельных органах.
Как было показано (Иванов, 1971), кальций оказывает наибольшее влияние на растения и почвы в том случае, когда он находится в почвенном растворе в виде Са-ионов. При этом интенсивность и направленность различных воздействий на растения и почвы под влиянием кальция определяются не общей концентрацией ионов кальция в почвенном растворе, а в соответствии с законом действующих масс, его активностью. Кроме того, содержание в почвенном растворе Са-ионов может значительно колебаться в зависимости от содержания в нем углекислоты, которая способна смещать условия карбонатного равновесия в ту или иную сторону.
Определение активности ионов кальция и водорода (рСа и рН) производилось на потенциометре «ЛПМ-60М». Для определения рСа нами была использована гетерогенная сульфокатионитовая мембрана марки «МК-40». Для определения рН использовали стеклянный водородный электрод марки «ЭСЛ-41Г-04».
Активность кальция и водорода определялась по методике, разработанной сотрудниками Украинского научно-исследовательского института почвоведения и агрохимии (Крупский, Александрова, Губарева, 1962; 1967; 1969). Сущность ее сводится к тому, что измерение рСа и рН производится в почвенных пластах при разведении почвы водой 1:0,5 или же при увлажнении почвы до границы текучести, контролируемой балансирным конусом Васильева. Мы измеряли рСа и рН в почвенной пасте, увлажненной до границы текучести (Васильев, 1953). С нашей точки зрения, определение активнотей ионов целесообразно в стандартных условиях при влажности, максимально приближающейся к полевой, в целостной ненарушенной системе «почва - почвенный раствор».
Для измерения электродвижущей силы в стандартных и почвенных растворах в качестве внутреннего электрода и электрода сравнения использовался хлорсеребряный электрод, т. е. измеряемая цепь составлялась по схеме:
Ag |
AgCl |
KCl насыщенный |
Исследуемый раствор, паста, или суспензия |
Мембрана МК-40
|
CaCl2 0,1 М |
AgCl |
Ag |
Математическая обработка результатов измерения рСа и рН в мощных черноземах показывает, что относительная точность потенциометрического метода при измерении рСа составляет 0,25%, а при измерении рН - 0,06%. Относительная точность применительно к полевым условиям уменьшается. Для величины рСа она составляет 0,71 %, а для величины рН - 0,37%. Весь цифровой материал, относящийся к величинам рСа, рН и рН-0,5 рСа (известковый потенциал), на основании которых сделаны выводы, обработан графически.
Показатели активности ионов кальция в профиле целинных черноземов (табл. 8) свидетельствует о резкой дифференциации активности кальция по профилю почвы. Для целинной степи активность кальция имеет два максимума. Первый приходится на приповерхностный горизонт 0-10 см. Этот максимум хорошо выявляется при различных метеорологических условиях и сохраняет свое значение на протяжении всего вегетационного периода с весны до глубокой осени. Величина рСа для названного горизонта укладывается в пределы 2,32-2,63. Второй максимум активности кальция приходится на нижнюю часть почвенного профиля, начиная с глубины 150 см до 2 м. На этой глубине величина рСа составляет 2,01–2,27, т. е. активность кальция в этих горизонтах (карбонаных), примерно на 0,5 рСа выше.
Для целинных черноземов ярко выражен горизонт минимальных значений активности ионов кальция, который приходится на глубину 20-40 см. При этом величина рСа составляет в крайних пределах 2,40-2,76, что свидетельствует о резко выраженном снижении активности кальция (табл. 8).
Такое распределение активности кальция указывает на резкую дифференциацию профиля чернозема и обособление в его пределах двух областей высокой активности кальция. Приповерхностный максимум активности ионов кальция, видимо, обусловлен биогенным высвобождением кальция и его биологическим круговоротом в системе «почва - растение». Литогенная область максимума активности кальция связана с наличием в ней значительного количества карбонатов.
Наличие резко выраженного минимума активности ионов кальция свидетельствует о разобщенности верхней и нижней части почвенного профиля. Абсолютные величины минимальных значений активности кальция, обычно приходящиеся на осенний период, составляют величину порядка 2,70-2,80 и устойчиво повторяются по годам. Можно с достаточным основанием считать, что эти значения величины рСа определя- ются в основном бескарбонатной твердой фазой почвы. Горизонт 20-40 см в отношении активности кальция особенно динамичен и объясняется наряду с изменением гидротермического режима почв расходом кальция на питание растений. Книзу от этого горизонта активность кальция нарастает постепенно.
Таблица 8. Сезонная и годовая динамика активности ионов кальция в профиле
мощных черноземов Стрелецкой степи и Курской опытной станции
Глубина, см |
1968 год |
1969 год |
1970 год |
||||||
весна |
Лето |
осень |
весна |
лето |
осень |
весна |
лето |
осень |
|
Стрелецкая степь |
|||||||||
0- 10 |
2,36 |
2,46 |
2,43 |
2,35 |
2,63 |
2,25 |
2,32 |
2,48 |
2,44 |
10- 20 |
2,41 |
2,52 |
2,55 |
2,57 |
2,73 |
2,40 |
2,49 |
2,56 |
2,69 |
20- 30 |
2,42 |
2,50 |
2,67 |
2,59 |
2,69 |
2,42 |
2,54 |
2,50 |
2,73 |
30- 40 |
2,47 |
2,55 |
2,51 |
2,60 |
2,76 |
2,40 |
2,52 |
2,57 |
2,72 |
40- 50 |
2,48 |
2,47 |
2,59 |
2,57 |
2,76 |
2,42 |
2,52 |
2,57 |
2,80 |
50- 60 |
2,44 |
2,49 |
2,59 |
2,53 |
2,67 |
2,36 |
2,50 |
2,49 |
2,70 |
60- 70 |
2,38 |
2,41 |
2,53 |
2,49 |
2,63 |
2,41 |
2,43 |
2,46 |
2,56 |
70- 80 |
2,36 |
2,43 |
2,47 |
2,51 |
2,67 |
2,50 |
2,40 |
2,46 |
2,62 |
80- 90 |
2,38 |
2,43 |
2,45 |
2,50 |
2,43 |
2,40 |
2,39 |
2,45 |
2,48 |
90-100 |
2,33 |
2,37 |
2,37 |
2,43 |
2,47 |
2,41 |
2,37 |
2,43 |
2,47 |
100-110 |
2,31 |
2,33 |
2,37 |
2,39 |
2,31 |
2,40 |
2,35 |
2,43 |
2,48 |
110-120 |
2,26 |
2,24 |
2,32 |
2,28 |
2,32 |
2,32 |
2,28 |
2,46 |
2,45 |
121-130 |
2,19 |
2,18 |
2,21 |
2,26 |
2,30 |
2,32 |
2,22 |
2,40 |
2,41 |
130-140 |
2,05 |
2,15 |
2,16 |
2,36 |
2,27 |
2,31 |
2,20 |
2,37 |
2,40 |
140-150 |
2,04 |
2,14 |
2,15 |
2,31 |
2,30 |
2,39 |
2,15 |
2,26 |
2,36 |
150-160 |
2,07 |
2,10 |
2,06 |
2,27 |
2,25 |
2,27 |
2,13 |
2,15 |
2,23 |
170-180 |
2,02 |
2,07 |
2,03 |
2,20 |
2,19 |
2,28 |
2,11 |
2,10 |
2,20 |
190-200 |
2,01 |
2,04 |
2,02 |
2,06 |
2,21 |
2,25 |
2,03 |
2,19 |
2,21 |
Курская опытная станция |
|||||||||
0- 10 |
2,34 |
2,45 |
2,49 |
2,49 |
2,55 |
2,46 |
2,32 |
2,38 |
2,58 |
10- 20 |
2,32 |
2,47 |
2,49 |
2,43 |
2,55 |
2,46 |
2,30 |
2,40 |
2,54 |
20- 30 |
2,23 |
2,43 |
2,46 |
2,44 |
2,53 |
2,44 |
2,29 |
2,43 |
2,51 |
30- 40 |
2,18 |
2,44 |
2,37 |
2,39 |
2,47 |
2,40 |
2,22 |
2,44 |
2,44 |
40- 50 |
2,16 |
2,46 |
2,37 |
2,34 |
2,44 |
2,34 |
2,20 |
2,42 |
2,56 |
50- 60 |
2,18 |
2,42 |
2,35 |
2,30 |
2,40 |
2,47 |
2,20 |
2,42 |
2,56 |
60- 70 |
2,16 |
2,38 |
2,35 |
2,33 |
2,41 |
2,41 |
2,17 |
2,37 |
2,55 |
70- 80 |
2,18 |
2,38 |
2,36 |
2,40 |
2,43 |
2,47 |
2,19 |
2,44 |
2,56 |
80- 90 |
2,17 |
2,36 |
2,28 |
2,31 |
2,38 |
2,38 |
2,18 |
2,38 |
2,58 |
90-100 |
2,19 |
2,36 |
2,26 |
2,27 |
2,33 |
2,38 |
2,19 |
2,36 |
2,52 |
100-110 |
2,14 |
2,35 |
2,18 |
2,28 |
2,32 |
2,30 |
2,18 |
2,31 |
2,49 |
110-120 |
2,12 |
2,28 |
2,15 |
2,26 |
2,35 |
2,27 |
2,16 |
2,26 |
2,52 |
120-130 |
2,15 |
2,29 |
2,14 |
2,23 |
2,27 |
2,29 |
2,15 |
2,27 |
2,50 |
130140 |
2,11 |
2,29 |
2,14 |
2,16 |
2,30 |
2,32 |
2,13 |
2,25 |
2,46 |
140-150 |
2,03 |
2,21 |
2,11 |
2,14 |
2,25 |
2,25 |
2,08 |
2,17 |
2,42 |
150-160 |
2,01 |
2,14 |
2,10 |
2,09 |
2,22 |
2,22 |
2,05 |
2,19 |
2,30 |
170-180 |
2,01 |
2,05 |
2,07 |
2,04 |
2,19 |
2,20 |
2,03 |
2,14 |
2,22 |
190-200 |
2,04 |
2,04 |
2,02 |
1,98 |
2,21 |
2,02 |
2,03 |
2,10 |
2,13 |
Таблица 9. Сезонная и годовая динамика активности ионов водорода в профиле
мощных черноземов Стрелецкой степи и Курской опытной станции
Глубина, см |
1968 год |
1969 год |
1970 год |
|||||||||||
весна |
Лето |
осень |
весна |
лето |
осень |
весна |
лето |
осень |
||||||
Стрелецкая степь |
||||||||||||||
0- 10 |
6,01 |
6,26 |
6,10 |
5,82 |
5,86 |
6,23 |
5,70 |
5,78 |
6,14 |
|||||
10- 20 |
5,79 |
6,10 |
6,40 |
5,88 |
5,87 |
6,22 |
5,82 |
5,46 |
5,89 |
|||||
20- 30 |
5,76 |
6,02 |
6,20 |
5,89 |
5,84 |
6,32 |
5,80 |
5,55 |
5,79 |
|||||
30- 40 |
5,84 |
6,03 |
6,14 |
5,96 |
5,89 |
6,27 |
5,90 |
5,68 |
5,80 |
|||||
40- 50 |
5,92 |
5,97 |
6,29 |
5,98 |
5,91 |
6,05 |
5,94 |
5,67 |
5,79 |
|||||
50- 60 |
5,89 |
6,09 |
6,18 |
5,98 |
6,92 |
6,03 |
5,98 |
5,70 |
5,77 |
|||||
60- 70 |
6,03 |
6,07 |
6,17 |
6,00 |
5,96 |
6,06 |
6,00 |
5,70 |
5,74 |
|||||
70- 80 |
6,14 |
6,10 |
6,14 |
6,07 |
6,00 |
6,31 |
6,02 |
5,69 |
5,93 |
|||||
80- 90 |
6,22 |
6,21 |
6,11 |
6,10 |
6,02 |
6,57 |
6,05 |
5,78 |
5,83 |
|||||
90-100 |
6,22 |
6,25 |
6,11 |
6,10 |
6,04 |
6,70 |
6,07 |
5,90 |
5,74 |
|||||
100-110 |
6,17 |
6,28 |
6,14 |
6,21 |
6,59 |
7,13 |
6,10 |
5,99 |
5,82 |
|||||
110-120 |
6,29 |
6,31 |
6,21 |
6,97 |
6,65 |
7,58 |
6,18 |
6,01 |
5,88 |
|||||
120-130 |
6,34 |
7,31 |
6.28 |
7,58 |
6,62 |
7,72 |
6,21 |
6,04 |
5,94 |
|||||
130-140 |
7,09 |
7,73 |
6,37 |
7,61 |
7,64 |
7,67 |
6,40 |
6,05 |
5,96 |
|||||
140-150 |
7,66 |
7,84 |
7,68 |
7,77 |
7,73 |
7,68 |
6,97 |
6,21 |
6,04 |
|||||
150-160 |
7,85 |
7,81 |
7,87 |
7,80 |
7,71 |
7,59 |
7,58 |
6,40 |
6,74 |
|||||
170-180 |
7,83 |
7,81 |
7,92 |
7,67 |
7,75 |
7,62 |
7,77 |
7,61 |
7,60 |
|||||
190-200 |
7,85 |
7,74 |
7,81 |
7,50 |
7,76 |
7,69 |
7,67 |
7,62 |
7,71 |
|||||
Курская опытная станция |
||||||||||||||
0- 10 |
6,03 |
6,08 |
6,25 |
5,91 |
6,22 |
6,18 |
5,90 |
5,94 |
6,02 |
|||||
10- 20 |
6,02 |
6,06 |
6,20 |
5,89 |
6,17 |
6,23 |
5,86 |
5,94 |
5,93 |
|||||
20- 30 |
6,04 |
6,12 |
6,21 |
5,86 |
6,23 |
6,19 |
5,82 |
5,90 |
5,94 |
|||||
30- 40 |
6,19 |
6,32 |
6,38 |
5,92 |
6,47 |
6,15 |
5,90 |
6,02 |
6,06 |
|||||
40- 50 |
6,29 |
6,30 |
6,43 |
5,93 |
6,53 |
6,34 |
5,94 |
6,06 |
6,19 |
|||||
50- 60 |
6,31 |
6,27 |
6,44 |
5,97 |
6,63 |
6,38 |
5,99 |
6,12 |
6,07 |
|||||
60- 70 |
6,41 |
6,32 |
6,53 |
6,01 |
6,69 |
6,39 |
6,01 |
6,07 |
6,11 |
|||||
70- 80 |
6,49 |
6,35 |
6,65 |
6,07 |
6,81 |
6,25 |
6,04 |
6,17 |
6,07 |
|||||
80- 90 |
6,42 |
6,31 |
6,76 |
6,06 |
6,73 |
6,29 |
6,06 |
6,18 |
6,01 |
|||||
90-100 |
6,47 |
6,36 |
6,88 |
6,06 |
6,79 |
6,31 |
6,09 |
6,15 |
5,98 |
|||||
100-110 |
6,44 |
6,33 |
6,93 |
6,11 |
6,80 |
6,43 |
6,12 |
6,17 |
6,03 |
|||||
110-120 |
6,52 |
6,34 |
7,31 |
6,17 |
6,86 |
6,58 |
6,19 |
6,21 |
6,10 |
|||||
120-130 |
6,63 |
6,38 |
7,79 |
6,29 |
6,88 |
6,73 |
6,32 |
6,26 |
6,11 |
|||||
130-140 |
6,74 |
6,43 |
7,81 |
6,36 |
7,12 |
6,75 |
6,38 |
6,23 |
6,13 |
|||||
140-150 |
7,09 |
6,39 |
7,90 |
6,50 |
7,40 |
7,17 |
6,52 |
6,24 |
6,10 |
|||||
150-160 |
7,27 |
6,48 |
7,87 |
6,57 |
7,68 |
7,57 |
6,60 |
6,22 |
6,13 |
|||||
170-180 |
7,90 |
7,52 |
7,93 |
7,52 |
7,72 |
7,58 |
7,49 |
7,53 |
6,39 |
|||||
190-200 |
7,92 |
7,59 |
7,90 |
7,67 |
7,72 |
7,54 |
7,69 |
7,74 |
7,64 |
|||||
В почвах постоянно протекают сложные специфические процессы, приводящие, с одной стороны, к связыванию и поглощению ионов кальция, а с другой стороны, к освобождению и накоплению свободных ионов кальция в почвенном растворе. Принимая во внимание специфику физико-химических свойств почвенного раствора, можно сказать, что активность кальция в почвенном растворе есть в подавляющем большинстве результирующая этих двух противоположных процессов, протекающих на фоне общих метеорологических и конкретных погодных условий. В более узком смысле активность кальция в почвенном растворе в большей своей части oбуcлoвлeнa состоянием карбонатного равновесия между поглощенным кальцием и карбонатным и зависит от содержания углекислоты в почвенном растворе.
Отсюда нетрудно понять, что в гумусовом горизонте активность кальция почвенного раствора является в основе своей производной почвенно-поглощающего комплекса. В литогенной части почвенного профиля часть ионов кальция в почвенном растворе обусловлена также наличием в нем карбонатов. Поэтому в гумусовом горизонте активность кальция будет ниже по сравнению с карбонатным.
В ходе распашки и превращения целинного чернозема в пахотную почву происходит глубокая трансформация почвенного профиля. Это выражается в разрушении горизонта минимума активности ионов кальция и свидетельствует о сквозной циркуляции почвенных растворов из литогенной области (в отношении кальция) до поверхности и формировании сквозного нисходящего потока.
Черноземы Курской опытной станции, используемые под пашню, обнаруживают в корне отличный характер изменений рН по профилю почвы, по сезонам и годам. Абсолютные значения рН в гумусовом горизонте пахотных черноземов в отличие от целинных смещаются в нейтральную сторону. Видимо, это связано с большим содержанием углекислоты в опаде на целине (степной войлок).
В черноземах пашни нет столь резкого выделения области высоких рН по сравнению с целиной. Переход от значений, близких к рН = 6,0, к значениям, свойственным карбонатным горизонтам (7,7-7,9), происходит постепенно (табл. 9).
В целинных черноземах в литогенной области профиль разделен на две четко выраженные половины: верхнюю, с преобладающими значениями рН порядка 6,0-6,2 и вторую - глубже 130 см, с преобладающими значениями порядка 7 и 8 рН. Между этими двумя горизонтами находится переходный слой мощностью 20-30 см. На этом протяжении происходит скачок значений рН от 6,2 до 7,8, т. е. активность ионов водорода изменяется на величину 1,6 рН.
Следует отметить весьма интересные изменения на глубине слоя скачка величины рН. Эти изменения составляют величину 10-15 см по сезонам и большую амплитуду по годам. Например, в 1968 году скачок значений рН приходится на глубину 110-120 см, в 1969 году на 80-120 см, а в 1970 году — на глубину 130-150 см (табл. 9).
Для самого верхнего горизонта, где имело место повышение активности ионов кальция, наблюдается возрастание величины рН, т. е. снижение активности ионов водорода и смещение реакции среды в нейтральную сторону. Горизонт пониженных активностей кальция, о котором упоминалось выше, в целинных черноземах степи характеризуется некоторым подкислением почвы на глубине 20-40 см. Таким образом, горизонты изменений по активности ионов кальция в значительной мере аналогичны изменениям рН, хотя в более ослабленном виде.
Анализируя цифровой материал, представленный. в таблицах 8 и 9, можно в самом общем виде отметить, что активность кальция с весны к лету и осени в целинных и пахотных черноземах уменьшается. При этом самая высокая активность кальция наблюдается в весенний период. Характерно также, что активность ионов водорода с весны к лету и осени уменьшается, т.е. величина рН к концу вегетационного периода возрастает. Эти отличительные особенности в сезонной динамике активности ионов кальция и водорода относятся к верхней бескарбонатной части почвенного профиля. Что касается карбонатного горизонта, то здесь, в силу более стабильных условий температуры, влажности почвы и содержания в ней углекислоты, сезонная и годовая динамика активности ионов кальция и водорода, а также величины известкового потенциала выражена в меньшей степени по сравнению с верхними некарбонатными горизонтами.
Таблица 10. Суточные изменения температуры целинного чернозема, оС
Глубина, см |
Некосимая степь |
Косимая степь |
||||
Средняя суточная температура |
Суточные колебания температур |
Разность колебаний температур |
Средняя суточная температура |
Суточные колебания температур |
Разность колебаний температур |
|
0 |
16,5 |
9,4-25,8 |
16,4 |
21,6 |
7,0-35,8 |
28,8 |
5 |
13,7 |
11,5-16,7 |
5,2 |
15,9 |
12,0-19,7 |
7,7 |
10 |
13,9 |
12,5-15,2 |
2,7 |
15,0 |
13,0-17,2 |
4,2 |
15 |
12,7 |
11,8-14,0 |
2,2 |
14,7 |
13,0-16,4 |
3,4 |
20 |
12,2 |
11,5-12,8 |
1,3 |
14,1 |
13,1-15,2 |
2,1 |
50 |
10,1 |
10,0-10,2 |
0,2 |
11,9 |
11,8-12,0 |
0,2 |
75 |
9,4 |
— |
— |
10,8 |
10,8-10,9 |
0,1 |
100 |
8,8 |
— |
— |
10,1 |
— |
— |
200 |
6,6 |
— |
— |
7,2 |
7,2-7,3 |
0,1 |
300 |
5,6 |
5,6-5,7 |
0,1 |
6,2 |
6,0-6,3 |
0,3 |
+) |
12,2 |
— |
— |
14,2 |
— |
— |
+) условно-средняя температура трехметровой толщи
Таблица 11. Суточные изменения температуры окультуренного чернозема, оС
Глубина, см |
Озимая пшеница |
Клевер |
Пар чистый |
||||||
Среднесуточная температура |
Суточные колебания температур |
Разность колебаний |
Среднесуточная температура |
Суточные колебания температур |
Разность колебаний |
Среднесуточная температура |
Суточные колебания температур |
Разность колебаний |
|
0 |
18,7 |
13,0-25,5 |
12,5 |
22,7 |
10,6-43,0 |
32,4 |
21,3 |
10,2-37,8 |
27,6 |
5 |
17,2 |
14,4-20,0 |
5,6 |
20,4 |
14,7-27,0 |
12,3 |
19,5 |
14,8-24,2 |
9,4 |
10 |
17,1 |
15,0-19,0 |
4,0 |
19,7 |
16,2-23,0 |
7,2 |
19,2 |
16,0-22,0 |
6,0 |
15 |
16,4 |
15,0-17,7 |
2,7 |
19,3 |
17,0-21,5 |
4,5 |
— |
— |
— |
20 |
15,9 |
15,0-17,0 |
2,0 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
25 |
15,7 |
14,8-16,5 |
1,7 |
18,7 |
17,3-19,9 |
2,6 |
18,6 |
17,0-19,8 |
2,8 |
50 |
13,1 |
12,8-13,4 |
0,6 |
15,6 |
15,4-15,8 |
0,4 |
14,9 |
14,8-15,3 |
0,5 |
75 |
11,3 |
11,2-11,4 |
0,2 |
13,3 |
13,1-13,5 |
0,4 |
13,0 |
12,8-13,2 |
0,4 |
100 |
10,3 |
10,2-10,4 |
0,2 |
11,2 |
11,1-11,4 |
0,3 |
11,4 |
11,2-11,5 |
0,3 |
200 |
7,8 |
— |
— |
8,1 |
— |
— |
8,2 |
8,2- 8,4 |
0,2 |
300 |
6,7 |
— |
— |
6,5 |
6,5-6,6 |
0,1 |
6,6 |
6,6- 6,7 |
0,1 |
+) |
14,9 |
— |
— |
17,3 |
— |
— |
17,4 |
— |
— |
+) условно-средняя температура трехметровой толщи
Таблица 12. Запасы влаги в черноземе типичном мощном тяжелосуглинистом, мм
Глубина, см |
1968 год |
1969 год |
1970 год |
||||||
Весна |
Лето |
Осень |
Весна |
Лето |
Осень |
Весна |
Лето |
Осень |
|
Центрально-Черноземный государственный заповедник имени проф. В.В. Алехина |
|||||||||
0-50 |
167 |
76 |
150 |
160 |
97 |
94 |
165 |
67 |
163 |
50-100 |
92 |
94 |
96 |
124 |
104 |
93 |
111 |
80 |
111 |
100-150 |
107 |
121 |
98 |
104 |
107 |
111 |
107 |
100 |
85 |
150-200 |
128 |
137 |
125 |
116 |
127 |
129 |
122 |
122 |
109 |
0-200 |
494 |
428 |
469 |
504 |
435 |
427 |
505 |
369 |
468 |
Курская государственная сельскохозяйственная опытная станция |
|||||||||
0-50 |
145 |
77 |
140 |
176 |
73 |
124 |
159 |
64 |
147 |
50-100 |
83 |
79 |
92 |
113 |
72 |
70 |
102 |
68 |
74 |
100-150 |
90 |
98 |
94 |
96 |
84 |
87 |
93 |
83 |
77 |
150-200 |
113 |
116 |
114 |
121 |
124 |
113 |
117 |
116 |
107 |
0-200 |
431 |
370 |
440 |
506 |
353 |
394 |
471 |
331 |
405 |
Таблица 13. Температура почвы в периоды отбора почвенных проб, оС
Глубина, см |
1968 год |
1969 год |
1970 год |
||||||
Весна |
Лето |
Осень |
Весна |
Лето |
Осень |
Весна |
Лето |
Осень |
|
Центрально-Черноземный государственный заповедник имени проф. В.В. Алехина |
|||||||||
50 |
2,2 |
15,7 |
4,3 |
-0,5 |
17,6 |
4.6 |
4,0 |
17,3 |
5,6 |
75 |
1,6 |
14,7 |
5,5 |
-0,7 |
13,8 |
5,9 |
3,8 |
15,8 |
6,6 |
100 |
1,2 |
14,0 |
6,8 |
-0,7 |
12,2 |
6,2 |
2,8 |
15,6 |
6,8 |
200 |
2,0 |
10,9 |
9,4 |
1,3 |
8,8 |
8,9 |
2,6 |
11,9 |
9,4 |
300 |
3,8 |
8,6 |
9,6 |
3,0 |
6,8 |
8,9 |
4,4 |
8,2 |
9,4 |
Курская государственная сельскохозяйственная опытная станция |
|||||||||
25 |
5,9 |
17,6 |
2,6 |
4,5 |
26,0 |
2,6 |
7,3 |
19,8 |
1,5 |
50 |
5,6 |
16.9 |
3,3 |
4,2 |
15,9 |
3,6 |
7,2 |
19,2 |
2,6 |
75 |
5,2 |
15,9 |
5,3 |
3,8 |
14,7 |
4,7 |
6,5 |
17,6 |
3,9 |
100 |
4,0 |
14,7 |
6,7 |
3,3 |
14,2 |
5,7 |
5,4 |
16,0 |
5,2 |
200 |
2,9 |
12.,2 |
10,3 |
2,2 |
9,0 |
10,2 |
3,5 |
11,5 |
9,1 |
300 |
4,1 |
11,9 |
10,4 |
3,4 |
7,0 |
10,4 |
5,6 |
9,1 |
9,0 |
Возрастание активности ионов кальция и водорода весной обусловлено целым рядом причин. Определяющим фактором, при прочих равных условиях, являются температура и влажность почвы (табл. 10-13). Благоприятный режим температуры и влажности почвы в весенний период создает условия интенсивного развития микроорганизмов, жизнедеятельность которых к лету и осени снижается. В периоды интенсивного разложения органического вещества почвы, вследствие накопления углекислоты, реакция почвенных растворов становится слабокислой. При этом главными агентами химического выветривания силикатных и карбонатных пород являются вода и углекислота.
Весной, при достаточно высокой влажности почвы, ослабевает или прекращается диффузия СО2 в атмосферу, которая поступает в больших количествах в почвенный раствор. В это же время создаются благоприятные условия для жизнедеятельности группы нитрифицирующих бактерий с образованием азотной кислоты, которая вместе с угольной и другими органическими кислотами с одной стороны способствуют подкислению почвы, а с другой - возрастанию активности кальция в почвенном растворе.
Рис. 6. Годовая динамика активности кальция в профиле чернозема типичного
Стрелецкой косимой степи (1 – засушливый год; 2 – влажный год; 3 – сухой год)
Рис. 7. Сезонная динамика активности кальция в мощном черноземе
Курской сельскохозяйственной опытной станции (В – весна; Л – лето; О – осень)
Повышение температуры почвы к лету и осени при низкой ее влажности не вызывает увеличения концентрации СО2 в почвенном воздухе и тем более - в почвенном растворе. В некоторых случаях, когда в летний период наблюдается значительное повышение содержания в почвенном воздухе углекислоты, в силу неустановившегося равновесия между углекислотой почвенного воздуха и почвенным раствором, при относительно низкой влажности почвы, происходит уменьшение активности ионов кальция, а реакция почв смещается в щелочную сторону. При более или менее благоприятных условиях для жизнедеятельности микрофлоры в отношении температуры и влажности почвы, как это имело место в 1969 году в черноземах степи, активность кальция в почвенном растворе может повышаться в осенний период (рис. 6 и 7).
В условиях различного использования мощных черноземов в сельском хозяйстве наблюдаются существенные изменения активности ионов кальция, водорода и величины известкового потенциала. Так, в гумусовом горизонте мощных черноземов происходит возрастание активности ионов кальция и смещение реакции среды в нейтральную сторону в такой последовательности: некосимая степь, косимая степь, чернозем под монокультурой без применения удобрений, черноземы в системе севооборота с применением удобрений. В слое 0-50 см величина рСа изменяется по состоянию на лето 1970 года в указанной последовательности следующим образом: 1,65; 2,54; 2,41; 2,38. Для величины рН аналогичные изменения будут такими: 5,62; 5,63; 5,97; 6,06.
Экспериментальные данные М.И. Бондаренко-Зозулиной (1955), Е.Н. Мишустина (1956), В.Н. Былинкиной и А.Н. Перцевой (1953) и др. исследователей показывают, что в окультуренных черноземах существенно уменьшается количество грибов, возрастает общее количество микробов и биогенность органического вещества почвы. Следовательно, интенсивность биохимических превращений и высвобождение связанного кальция в используемых черноземах будет значительно выше по сравнению с черноземами целинными. Последнее обстоятельство, безусловно, накладывает свой отпеча- ток и на активность ионов кальция в мощных черноземах.
Рис. 8. Сезонная и годовая динамика известкового потенциала (рН-0,5рСа) в профиле чернозема типичного мощного тяжелосуглинистого Стрелецкой косимой степи
(В – весна; Л – лето; О – осень)
Что касается изменений величины известкового потенциала, то можно сказать, что изменения величины рН - 0,5 рСа, как по профилю почвы, так и в динамике, напоминают аналогичные изменения величины рН с разницей лишь в их абсолютных величинах. В условиях различного использования мощных черноземов средняя величина известкового потенциала в верхнем полуметровом слое почвы изменяется так: 4,29; 4,36; 4,77; 4,87. Таким образом, с окультуриванием мощных черноземов возрастает активность кальция, уменьшается активность ионов водорода и возрастает величина потенциала извести (рис. 8 и 9).
Величина известкового потенциала является важной характеристикой почв не только потому, что она, по мнению многих исследователей, наиболее полно отражает реакцию почвенного раствора и подвижность почвенных фосфатов, но и потому, что она более существенно, в отличие от ионов кальция и водорода, учитываемых в отдельности, характеризует степень окультуренности мощных черноземов (рис. 10).
Рис. 9. Динамика известкового потенциала в 2-х метровом слое чернозема
мощного окультуренного (В – весна; Л – лето; О – осень)
Динамика активности кальция и водорода в профиле мощных черноземов находятся в согласии с данными других авторов (С.П. Кравков, 1937; П.Г. Адерихин, 1939, 1963; Е.А. Афанасьева, 1947, 1966; И.В. Тюрин, 1948; Р.В. Пономарева, Т.А. Николаева, 1965 и др.), плученных с использованием классических методов определения кальция.
Рис. 10. Изменения активности кальция, водорода и величины известкового потенциала. На рисунке: Н – некосимая степь; К – косимая степь; П – пахотный используемый чернозем; О – окультуренный чернозем (Курская с.-х. опытная станция, 10-летний зерно-паро-пропашной освоенный севооборот)