ДОСТУПНОСТЬ КАЛИЯ ПОЧВЫ РАСТЕНИЯМ

Способность растений усваивать калий из сильноразбавленных растворов выработалась на протяжении многих тысячелетий их эволюционного развития. Эта особенность корневой системы имеет для растений важное значение, так как концентрация калия в почвенном растворе в естественных условиях не бывает высокой. Выращивание различных сельскохозяйственных культур на питательных средах при непрерывном перемешивании раствора для возмещения калия по мере его потребления растениями позволило установить, что растения довольно хорошо росли даже при концентрации К+ 0,1 мг/л. Снижение концентрации калия в питательных растворах до 0,05 мг/л вызывало замедление роста и развития растений, поэтому ее можно считать критической для большинства сельскохозяйственных культур.

Концентрация К+ в почвенном растворе хорошо окультуренных почв значительно выше критической и в большинстве случаев колеблется в пределах 2—8 мг/л, что составляет примерно 2—10 кг/га. Однако на слабоокультуренных суглинистых и глинистых почвах концентрация К+ в почвенном растворе чаще всего находится в пределах 0,5—1,0 мг/л и редко превышает 2 мг/л. На полях, занятых сельскохозяйственными культурами, содержание калия в почвенном растворе в зависимости от интенсивности потребления его растениями подвержено значительным колебаниям и, как правило, ниже, чем в парующей почве. При внесении высоких доз калийных удобрений на песчаных почвах концентрация калия в почвенном растворе может временно возрастать в десятки раз (до 20—40 мг/л).

Содержание калия в почвенном растворе обычно несоизмеримо мало по сравнению с выносом его растениями за период вегетации. Поэтому, чтобы растения могли на протяжении всего периода вегетации потреблять необходимое им количество калия из почвенного раствора, он должен постоянно пополняться калием из твердой части почвы. А поскольку равновесное содержание калия в почвенном растворе поддерживается в основном за счет наиболее активной части обменного калия, поглощение его растениями из почвенного раствора приводит к избирательному удалению из П П К прежде всего более подвижного калия. Отсюда следует, что по мере уменьшения содержания обменного калия в почве снижаются его способность переходить в почвенный раствор и доступность растениям.

Если бы обменный калий, наряду с небольшим количеством калия почвенного раствора, являлся единственным источником калийного питания растений, то в конце их вегетации следовало ожидать снижения его содержания в почве, соответствующее его выносу растениями. Однако результаты многочисленных полевых опытов и систематического агрохимического обследования полей показывают, что даже при длительном (с 1990 г.) отрицательном балансе калия в почвах России снижение содержания в них обменного К+ далеко не соответствует выносу его сельскохозяйственными культурами.

Это убедительно доказывает, что количество обменного калия в почвах постоянно восполняется за счет менее доступных его форм, не извлекаемых экстрагентами, используемыми в агрохимической практике. Механизмы процессов компенсации обменного калия, потребляемого растениями, еще далеко не ясны. Можно полагать, что в этих процессах почвенный раствор выступает в роли активного агента минерализации калийсодержащих минералов (первичных и вторичных) и в качестве среды передислокации иона калия от мест его высвобождений к ППК и корневой системе.

Если бы компенсационное равновесие между необменным и обменным калием ППК не соблюдалось, то количества обменного калия в пахотном слое окультуренной почвы было бы достаточно не более чем на 5—10 лет, а с учетом подпахотного горизонта — на 15— 25 лет даже при отчуждении его теми невысокими урожаями, которые стали характерны для России в последние годы.

Поэтому в агрономическом аспекте рост и развитие растений лимитируются не только общим уровнем содержания обменного калия в почве, но и в значительной мере интенсивностью процессов компенсации его содержания в ППК в период активного потребления. Если равновесие между отдельными формами калия в почве устанавливается довольно медленно, то вынос калия растениями в этот период их роста может быть равным снижению содержания обменного калия в почве.

Отсюда следует, что требования к уровню содержания обменного калия в почве и скорости его восполнения должны быть различны в зависимости от динамики потребления калия растениями и их продуктивности.

Агрохимическая практика показывает, что в результате потребления обменного калия растениями его содержание в почве от всходов до уборки растений снижается, особенно при высоких урожаях на фоне NP-удобрений, а осенью вновь восстанавливается во влажной почве, в то время как в сухой почве остается на предуборочном уровне, что следует учитывать при отборе образцов почвы для анализа. Переход части необменного калия в обменную форму в осенневесенний период практически полностью восстанавливает его убыль в ППК, обусловленную предшествующей культурой. Установлено, что содержание обменного калия в образцах слабо- и среднеокуль- туреной почвы, отобранных в сухой осенний период, как правило, на 10-15% ниже, чем в образцах почвы, взятых для анализа весной.

Азотные, фосфорные и известковые удобрения, повышая урожайность сельскохозяйственных культур и вынос калия, способствуют тем самым более быстрому истощению в почве калия в обменных формах. При этом более интенсивная транспирация удобренных растений иссушает почву, что препятствует диффузии и установлению равновесия между формами калия, в том числе восполнению обменного калия.

В парующей почве содержание обменного калия довольно стабильно в течение всего вегетационного периода. Результаты длительных опытов убедительно свидетельствуют о том, что в парующей почве все формы калия находятся в постоянном динамическом равновесии. Например, в длительном опыте РГАУ-МСХА, заложенном в 1912 г. по инициативе Д.Н.Прянишникова, за 100-летний период парования дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы содержание практически всех форм калия (обменного и необменного) без внесения калийных удобрений поддерживается на одном и том же уровне, в том числе обменного К20 — 75—80 мг/кг (Сафонов, 2012).

Убыль обменного калия в окультуренной почве под растениями вызывает довольно быстрое его освобождение из необменных форм, однако этот процесс почти прекращается спустя некоторое время после уборки растений или когда они перестают поглощать калий по мере созревания.

В бедных почвах содержание лабильных форм калия может снижаться до такой степени, что они больше не в состоянии поддерживать равновесный уровень калия в ПИК. В этих условиях содержание обменного калия поддерживается главным образом благодаря разложению первичных и вторичных калийсодержащих минералов и длительное время (десятки лет) может оставаться на постоянно низком, минимальном для данной почвы уровне (40—60 мг К70/кг) независимо от последующего отчуждения калия из почвы урожаями (Замараев, 2005). При внесении даже небольших доз минеральных, органических удобрений или растительных остатков содержание в почве доступного растениям калия всегда выше минимального, обусловливаемого деструкцией кристаллических минералов почвы. Важно отметить, что в нетоварной части сельскохозяйственных культур (например, соломе) находится большое количество калия и возврат его в почву с растительными остатками оказывает определенное положительное действие на калийный режим почвы.

Так как на химическое выветривание калийсодержащих минералов оказывают большое влияние водный и температурный режимы почвы, можно ожидать, что при повышении температуры и влажности почвы ее калийобеспечивающая способность на определенное время возрастает.

Большое значение в питании растений играет также калий подпахотных горизонтов почвы. Содержание обменного калия в подпахотных горизонтах почвы обычно ниже, чем в пахотном, вследствие перераспределения его с растительными остатками. Однако на полях, не удобрявшихся длительное время, содержание обменного калия в пахотном слое почвы может быть ниже, чем в подпахотном, вследствие систематического отчуждения его урожаем.

Об уровне равновесного содержания разных форм калия в почвообразующих породах можно судить по состоянию калия в нижележащих горизонтах почв. Подпахотные горизонты почвы содержат такое количество обменного и растворимого калия, которого достаточно, чтобы в силу динамического равновесия приостановить дальнейшее разрушение калийсодержащих минералов и переход калия из необменной формы в обменную. Однако это характерно не для всех почв. Торфяные и песчаные почвы, которые практически не содержат слюд и глинистых минералов, не в состоянии поддерживать обменный фонд калия за счет его необменной формы.

Доступность калия растениям из фракций разного гранулометрического состава. Определение источников (резерва) пополнения обменного калия в почве имеет важное теоретическое и практическое значение. Исследованиями установлено, что разные фракции, входящие в гранулометрический состав почвы, принимают далеко не одинаковое участие в калийном питании растений. Наибольшей калийо- беспечивающей способностью обладают илистые фракции почвенных минералов. Принимая за 100% способность илистых частиц обеспечивать растения калием, сопоставимое по массе участие других гранулометрических фракций можно расположить в следующей последовательности: коллоидные частицы — 50—70%; мелкая, средняя и крупная пыль — 40—50, 10—20 и 5—10% соответственно; фракции песка — 2—5 % (Роуэлл, 1998).

Хотя калийобеспечивающая способность илистой фракции намного выше, чем фракции пыли, высвобождение калия из фракций пыли протекает значительно быстрее, что, несомненно, имеет большое значение в период интенсивного потребления калия растениями. Высокая подвижность калия во фракции пыли повышает ее роль в питании растений. По данным П. Арнольда (1986), из общего количества калия, потребляемого растениями от всходов до уборки урожая, около 30—35% поступает из предколлоидной и коллоидной фракций с диаметром частиц < 0,1 мкм, примерно 45—50% — из илистой фракции с размером частиц 0,1-1,0 мкм и остальные 15— 20% — из фракции пыли крупнее 1,0 мкм. При этом на первые две фракции в сумме приходилось 25% общего калия почвы и на другие фракции — 75%.

Доступность растениям калия из разных минералов. Основным резервом восполнения обменного калия в почвах являются первичные минералы. Изучение структуры и состава калийсодержащих минералов позволяет судить о степени их устойчивости к химическому выветриванию, а следовательно, их способности высвобождать калий в почвенный раствор. Для понимания сущности процесса высвобождения необменного калия можно ограничиться рассмотрением двух групп наиболее распространенных первичных минералов почвы — полевых шпатов и слюд.

Калийсодержащие полевые шпаты (ортоклаз, микроклин KAlSi3Og) являются наиболее устойчивыми алюмосиликатами. Изотропное каркасное строение их кристаллической решетки придает им повышенную устойчивость к физическому и химическому выветриванию. Калий в полевых шпатах прочно связан с окружающими его атомами кислорода и объемно включен в кристаллическую структуру минерала. Связи калия с кислородом в кристалле равнозначны во всех направлениях, благодаря чему при перепаде температур не возникает напряженности в кристаллической решетке и ограничивается внедрение в решетку каких-либо ионов из почвенного раствора. При начальном выщелачивании калия с поверхности минерала образующаяся алюмосиликатная пленка хорошо защищает ее от дальнейшего проникновения внутрь кристалла любого активного иона. Размолотые до 0,5—1 мкм калиевые полевые шпаты не могут служить удовлетворительным источником калия для растений. Даже в лабораторных условиях при обработке тонкоразмолотого ортоклаза кислотой выщелачивается лишь небольшая часть содержащегося в нем калия. В связи с высокой устойчивостью к выветриванию полевые шпаты встречаются главным образом во фракциях песка и крупной пыли и полностью отсутствуют в илистой и коллоидной фракциях.

Слюды (мусковит, биотит, флогопит и др.) относятся к алюмосиликатам (2 : 1), у которых слои кремнекислородных тетраэдров расположены с каждой стороны слоя алюмокислородгидроксидных октаэдров и образуют таким образом трехслойный пакет. Связь между отдельными пакетами слюд обусловливается межпакетными катионами (в основном калием) и довольно слабыми вандервааль- совыми силами. Поэтому слюды легко расслаиваются и легче подвергаются выветриванию. Калий в слюдах включен в кристаллическую трехслойную решетку и межпакетное пространство. В составе кристаллической решетки он компенсирует избыток отрицательных зарядов, возникающих при изоморфном замещении в кремнекислородных тетраэдрах Si4+ на А13+ и А13+ на Fe2+ и/или Mg2+ — в алюмо- гидроксидных октаэдрах. В межпакетных пространствах калий выполняет связующую функцию, благодаря чему пакеты прочно удерживаются вместе. Ионы калия изолированы от внешней среды, пока трехслойные пакеты слюды связаны между собой межпакетными катионами.

Наиболее слабой частью кристаллической структуры слюд является межпакетное пространство, о чем свидетельствует легкость, с которой отдельные слои слюды могут быть физически отделены друг от друга.

Изначально слюды не содержат воды в межпакетных слоях. Расстояние между отдельными трехслойными пакетами негидратиро- ванных слюд составляет около 10 А (1 нм). Несмотря на то что молекулы воды адсорбируются на поверхностях частиц слюды, ионы калия межпакетного пространства достаточно прочно удерживают вместе алюмосиликатные слои и тем самым не позволяют молекулам воды проникать между пакетами и увеличивать их межслойное расстояние, что сделало бы калий обменным, а слюды — набухаемыми. Однако, по мере того как ионы калия (и другие катионы), расположенные у краев минерала, гидратируются и переходят в почвенный раствор, вода и гидроксоний (НэО+) проникают между слоями и, расклинивая их, увеличивают расстояние между слоями пакетов в 1,5—2,5 раза.

Однако, несмотря на то что в течение тысячелетий слюды и гидрослюды подвергались химическому выветриванию в процессе почвообразования, они до сих пор составляют значительную часть калийсодержащих минералов почвы. Причина довольно высокой устойчивости слюд и гидрослюд к химическому выветриванию состоит в том, что калий межпакетного пространства, «цементирующий» трехслойные кристаллы от разрушения, связан электрова- лентно с кислородом алюмосиликата и может высвобождаться в почвенный раствор только в обмен на другие катионы:

Из этого следует, что повышение и уменьшение содержания обменного калия в почвенном растворе и ППК могут вызывать многочисленные изменения калийсодержащих минералов.

При удалении калия из почвы наблюдается серия постепенных переходов гидрослюд (иллитов) в калийненасыщенные глинистые минералы монтмориллонитовой и каолинитовой групп.

Обратимость процессов превращения иллитов в смектиты и сме- шанослойные минералы при потере калия и, наоборот, трансформация смектитов в иллиты при насыщении почвы калием отмечаются многими исследователями (Грим, 1967; Прокошев, Соколов, 1990 и др.).

Иллитизация — трансформация смектитовых минералов в почвах с непромывным водным режимом при внесении калийных удобрений, чем создаются условия для «роста» гидрослюд за счет присоединения из почвенного раствора к концевым атомам кристаллов кристаллической решетки ионов кремниевой кислоты, гидроксидов алюминия и железа.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >