Формы фосфатов в почвах саванн Мали

В основу наших исследований была положена идея выявления корреляцонных связей между генетическими особенностями почв саванн Мали и формами соединений фосфора.

Сама идея научного поиска слагалась в процессе признания следующих аспектов проблемы фосфора в почвоведении и минеральном питании растений.

Во-первых, за вегетационный период растения потребляют фосфор от 20 до 60 кг Р2О5 с 1 га. Потребление идет главным образом в виде анионов Н2РО4- (или НРО4″) из солей ортофосфорной кислоты (Н3РО4), а также из солей полифосфорных кислот (после их гидролиза). Поступивший в растения фосфор включается в состав различных органических соединений. Фосфор входит в нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды, участвующие в построении цитоплазмы и ядра клеток. В растительной клетке фосфор играет исключительно важную роль в энергетическом обмене, особенно велика его роль в углеводном обмене, в процессах фотосинтеза, дыхания и брожения. При недостатке фосфора нарушается синтез белка и уменьшается содержание его в растенииэтим определяется тесная связь между азотным и фосфорным питанием растений. При недостатке фосфора в растениях снижается урожай и ухудшается его качество.

Растения наиболее чуствительны к недостатку фосфора в самом раннем возрасте, когда их слаборазвитая корневая система обладает низкой усваивающей способностью. Отрицательные последствия от недостатка фосфора в этот период не могут быть исправлены последующим (даже обильным) фосфорным питанием, хотя наибольшее поглощение его просходит в период интенсивного роста вегетативных органов.

Содержание фосфора в расчёте на Р2О5 в почвах колеблется от 0,03 до 0,2%, а общий запас его в пахотном слое почвы на одном гектаре — от 1500 до 6000 кг (Смирнов П.М., Муравин Э. А., 1984). Но основная масса фосфора находится в форме минеральных и органических соединений, недоступных для растений. В почвообразующих породах он содержится чаще в виде фторапатита Са5р (РСи)з и гидроксилапатита Са50Н (Р04)з, при разрушении которых образуются вторичные минеральные соединения фосфора, представленные различными солями ортофосфорной кислоты (Ван Везер Д. Р, 1962; 1977).

В кислых почвах образуются алюмо — и феррофосфаты — А1РО4 и РеРС>4, а также основные соли железа и алюминия — Ее2(0Н)зР04, АЬ (ОН)з РО4, которые характеризуются очень слабой растворимостью и доступносью для растений (Гантимуров И.И., Орлов и др. Д970).

Во всех почвах в очень незначительном количестве присутсвуют хорошо растворимые в воде однозамещённые фосфаты кальция и магния, а также одно — и двухзамещённые фосфаты калия, натрия и аммонияони быстро используются растениями и микроорганизмами (Кудеяров А.Ю., 1978).

В почвах накапливаются также органические соединения фосфора, входящие в состав растительных остатков и микроорганизмов. На долю органических фосфатов приходится от 10 до 50% общего количества фосфора в зависимости от особенностей почв различных зон (ГринбергА.А., 1971; Гульрандсен Р. А., 1977; Добровольский В. В., 1971;1977; Зырин Н.Г.1964). Растения могут усваивать органические фосфаты только после их минерализации.

Недоступные для растений минеральные и органические соединения фосфора переходят в усвояемые очень медленно. Поэтому, несмотря на большие общие запасы фосфора, его усвояемых соединений в почве содержится обычно мало. Тем более, что значительная часть усвоенного растениями фосфора вместе с зерном и другой товарной продукцией отчуждается ежегодно из почв хозяйств.

Во — вторых, изучение фосфатного режима занимает значительное место в познании и управлении плодородием ферраллитных (аллитных) почв тропической зоны. Этот аспект проблемы осложняется несколькими обстоятельствами, главными из которых на наш взгляд являются следующие:

Традиционный консерватизм в понимании особенностей тропического почвообразования, заключающийся в факте признания, что оно характеризуется исключительно быстрым темпом, а почвы — высоким содержанием железа и алюминия (Карманова Л.А., 1978; Кауричев И. С., Шишова B.C. 1967; Shils C.W., Parfit R.L., Lee R.1983). В основе этого тезиса лежит принципиально верная формула функциональной взаимосвязи ряда природных фактов. В условиях высоких температур и отсутствия зимней паузы, обильного промывания атмосферными осадками и большой ёмкости биологического круговорота происходит быстрое и глубокое преобразование почвообразующих пород. В тематических разделах нашей диссертации будут приведены материалы, свидетельствующие о том, что этот тезис не может быть универсальным, а значит и не может корректно объяснить «региональные» особенности природы и свойств почв и почвенного покрова саванн Мали.

2. Неупорядоченность методологии, базирующейся на классических генетических представлениях европейской школы почвоведеия, согласно которым ферраллитные (аллитные) почвы и соответствующие им коры выверивания являются результатом ортоэлювиального педогенеза, а латерит (конкреции, кирасы) — почвенногеохимического накопления железа, плинтит и белая глина — гироморфного почвообразования и выветривания (Соколов И.А., 1997).

3. Разночтение фактического материала и интерпретирующих его текстов в связи с неопределённой таксономической принадлежностью исследуемых почв.

4. Фрагментарность или отсутствие комплексных исследований почв тропической зоны как сложных биогеохимических систем. Наибольшей популярностью пользуются исследования, фиксирующие только фактическую сторону вопроса или гипотетические факторные связи. Принимая во внимание всё вышесказанное, нами была поставлена цель провести полный корреляционный анализ связей между особенностями почв саванны Мали и формами соединений фосфора.

Реализация цели осуществлялась в следующих направлениях.

1. Изучение и обобщение опубликованных и фондовых фактических материалов, относящихся к особенностям условий тропического педои литогенеза.

2. Изучение и анализ материалов по вопросам особенностей педо — и литогенеза в саваннах Республики Мали.

3. Изучение и анализ опубликованных и фондовых материалов по вопросам фосфорного режима почв тропической зоны и саванн Мали.

4. Химико — аналитическая характеристика главных типов почв саванн Мали, включающая следующие анализы и методы выполнения (табл.1).

5. Выявление корреляционных связей между главнейшими свойствами почв и подвижностью почвенных фосфатов.

Все химические анализы, за исключением валового состава, выполнены мною лично в лабораториях кафедры почвоведения, агрохимии и агроэкологии Российского университета дружбы народов, лабораториях Московского государственного университета и почвенного института имени В. В. Докучаева. Анализы минералогического и валового химического состава ила и почв выполняли в специализированных лабораториях Почвенного института имени В. В. Докучаева при техническом и методическом содействии доктора с.х.наук Н. П. Чижиковой.

В работе использованы также материалы приватных сообщений моего научного руководителя В. Г. Ларешина, работавшего в республике Мали по линии Министерства химической промышленности СССР по проблеме возможности и целесообразности разведки и разработки фосфоритных месторождений Томбукту и производства на их базе фосфорных удобрений с целю использования их в главных земледельческих центрах страны. Одновременно с «го согласия в отдельных разделах диссертации мною были использованы опубликованные и фондовые материалы по морфологической и химикоаналитической характеристике почв саванн Мали и Гвинеи с целью сравнительного анализа и оценки полученных мною результатов.

Таблица. 1.

N п/п Вид анализа Метод анализа Количество проанализированных образцов почв.

1 Минералогический состав ила По прописи почвенного института им. В. В. Докучаева 28.

2 Валовой химический состав почв Рентегенофлуоресцент-ный анализатор УКА- 30 28.

3 Несиликатные формы железа По Джексону 55.

4 Аморфное железо общее По Тамму 55.

5 Железо органо-минеральных соединений По Баскомбу 55.

6 Железо минеральных соединений По Баскомбу 55.

7 Нсиликатное По Джексону 55 кристаллизованное железо.

8 Силикатное железо По Джексону 28.

9 Гранулометрический состав Метод пипетки, подготовка с пирофосфатом натрия 55.

10 Содержание гумуса По И. В. Тюрину 55.

И Актуальная кислотность (рН водный) Потенциометрически 55.

12 Обменная кислотность (рН солевой) Потенцио метрически 55.

13 Обменный кальций Трилонометрия 55.

14 Обменный магний Трилонометрия 55.

15 Обменный водород По Соколову 55.

16 Обменный алюминий По Соколову 55.

17 Емкость катионного обмена Стандарт для ферраллитных почв 55.

18 Общий фосфор почв По Брей и Куртцу 55.

19 Подвижный фосфор почв По Брей и Куртцу 55.

20 Формы соединений минеральных фосфатов: Воднорастворимые, рыхлосвязанные Алфосфаты Рефосфаты Сафосфаты Окклюдированные оксидами железа Видоизмененная схема Чанга и Джексона. 0,5 Н N1^ ОДН МаОН 0,5Н Н2804 0, ЗН КазСбШОт + № 28 204 55.

На основании обобщений и комплексного анализа имеющейся информации были сформулированы положения, составляющие новизну исследований:

1. Впервые изучен минералогический состав красных и жёлтых ферраллитных (аллитных) и жёлтых кварц-аллитных почв саванны Мали. Установлено, что тонкодисперсная часть этих почв состоит преимущественно из несовершенных каолинитов с небольшой примесью талька, смешаннослойных образований, гиббсита, гетита и тонкодисперсного кварца.

2. В связи с изучением проблемы поведения разных форм фосфора в главных типах почв саванн Мали проведена комплексная оценка их свойств и состава, позволившая корректно установить факторую зависимость подвижности фосфора.

Установление факторной зависимости подвижности фосфора имеет не только общенаучное и познавательное значение, но и является базой для корректировки методологии оценки почв саванн Мали и построения прогностических моделей агрохимического обеспечения.

Материалы диссертации были доложены на кафедре почвоведения, агрохимии и агроэкологии РУДН и на конференции в Санкт-Петербургском государственном университете в рамках Докучаевских молодёжных чтений «Почва. Экология. Общество».

Часть результатов исследований опубликована в 5 статьях, в том числе: в научных трудах Государственного университета по землеустройству (2 статьи) — в сборнике тезисов Докладов докучаевских молодёжных чтений 99 «Почва. Экология. Общество» (2 статьи), в Материалах IV Путинской конференции молодых учёных (Пущино, 1999) и Международной конференции «Ломоносов- 99» (Москва, МГУ, 1999).

Выявление корреляционных связей между главнейшими свойствами почв и формами соединений минеральных фосфатов проведено в коллекционных образцах почв, отобранных из 12 разрезов доктором сельскохозяйственных наук Уаном Амаду Ибрахимом и любезно предоставившим нам для исследований.

Изучение макроморфологии этих образцов и диагностика классификационной принадлежности их проведена на кафедре почвоведения и агрохимии РУДН в 1990 году доцентом Ларешиным В.Г.

Пользуясь случаем, хочу выразить искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой почвоведения, агрохимии и агроэкологии Ларешину В. Г., директоу Почвенного института имени В. В. Докучаева академику Шишову Л. Л., доктору сельскохозяйстевенных наук Уану Амаду Ибрахиму, декану сельскохояйстевенного факультета РУДН профессору Горчакову В. В., доктору биологических наук, профессору Карпачевскому Л. О., кандидату биологических наук, ст.н.с. МГУ Зубковой Т. А., заведующей лабораторией кафедры почвоведения, агрохимии и агроэкологии Мельниковой Н. М., доценту Ерошкиной А. Н. за консультации, методическую и техническую помощь, за постоянное внимание, проявляемое ко мне в период обучения в аспирантуре.

Общие выводы.

1. Развитие и эволюция кор выветривания и почвенного покрова саванн Мали тесно увязывается с изменением рельефа и климатическими условиями в последние геологические эпохи. В настоящее время здесь налицо наличие реликтовых аллитных, ферраллитных и латеритных кор выветривания и наложенных на них субтратов, представляющих собой, в зависимости от локальных условий, продукты выветривания и переотложения пород, образование которых было возможно только в аридных и засушливых условиях. Почвенный покров саванн представлен своеобразными почвами, занимающими промежуточное положение между красно-бурыми субаридными и ферраллитными почвами, соответствующие понятию Sols ferrugineux tropicaux и являющиеся элювиальными по отношению к железу.

2. Минералогический состав ила исследованных почв представлен преимущественно каолинитом с присутствием талькоподобных магнийсодержащих минералов и мелкодисперсного кварца.

По гранулометрическому составу почвы резко дифферецированы на две, неравные по мощности, толщи: верхнюю, супесчаную или легкосуглинистую, и нижнюю преимущественно среднеили тяжелосуглинистую, а часто — латеритную, представленную конкрециями или монолитными слоями.

Характерной особенностью всех изученных почв, независимо от их таксономической принадлежности, является высокое содержание в их составе как потенциальных первоочередных мигрантов — магния и калия, так и устойчивых элементов — свидетелей (титана, Si02 кварца), при очень сильной обеднённости мелкозема кальцием и железом. Эти данные нарушают стройную концепцию ферраллитного (аллитного) почвообразования в саваннах Мали.

3. Для всех изученных почв является характерным хорошо развитый гумусовый профиль при относительно широком диапазоне варьирования содержания гумуса в географической сети наблюдений. Физико-химические свойства почв по совокупности всех показателей очень близки между собой: низкое значение активной кислотности, относительно высокая обменная кислотность и сумма обменных катионнов, преобладание в составе обменных катионов водорода и алюминия, при преобладающей роли последнего, сильная и очень сильная ненасыщенность основаниями.

В исследованных почвах саванн Мали содержание железа варьирует не только в пространстве, но и по генетическим горизонтам. Сильное варьирование характерно также и для несиликатных форм его соединений. Диапазон латерального и радиального варьирования несиликатных форм железа составляет 17−98% от содержания валового железа. Несиликатное железо в своём преобладающем большинстве находится в аморфном состоянии и, за небольшим исключением, представлено минеральными соединениями.

4. Содержание общего фосфора во всех исследованных почвах округов Махина, Кита и Колокони невысокое, изменяется как в пространстве, так и по генетическим горизонтам. Максимальное содержание его наблюдается в иллювиальных горизонтах, или в конкреционно-латеритных слоях почв. Наиболее обеднёнными фосфором являются пахотные и подпахотные слои почв.

5. Особенностью почв саванн округов Махина, Кита и Колокони является очень низкое содержание подвижных фосфатов, определяемых по методу Брейя-Куртца. Только определённая группа растений (арахис, фасоль, соя и рис) может быть удовлетворительно обеспечена почвенными фосфатами. Пшеница, сахарный тростник, маис, хлопчатник и сорго будут испытывать острый недостаток фосфора минеральных соединений, дефицит которого может быть частично компенсирован фосфором органических соединений.

6. В пахотных слоях исследованных почв саванн округов Махина, Кита и Колокони преобладающая часть экстрагируемых фракций фосфора приходится на железофосфаты. Фосфаты кальция и алюминия в составе валового фосфора составляют весьма низкую долю. Вниз по профилю количество фосфатов алюминия значительно возрастает, а количество фосфатов кальция, наоборот, уменьшается на фоне возрастающей доли фосфатов, окклюдированных оксидами железа. Конкреционные виды почв отличаются от неконкреционных более низким содержанием в составе валового фосфора фракции железофосфатов, при более значимой доли фосфатов, окклюдированных оксидами железа.

7. Исследованиями установлены существенные особенности в содержании и распределении фосфатов и их форм соединений на типовом уровне почв. В жёлтых ферраллитных и жёлтых кварцаллитных почвах саванн, в отличие от красных ферраллитных почв, более резко выражена радиальная дифференциация профилей по содержанию валовых фосфатов. При этом содержание валовых фосфатов в генетических горизонтах почв может различаться друг от друга в 3−4 раза, на фоне более ярковыраженного биогенно-антропогенного накопления их подвижных форм в пахотных слоях, а также и значительно меньшей роли фосфатов железа. Учитывая относительно низкую и мало изменяющуюся в пространстве и по профилю почв долю фосфатов алюминия и кальция, следует признать более значимую роль фосфора органических соединений и фосфора, окклюдированного оксидами железа.

8. Исследование связей между формами соединений фосфатов и рядом почвенных признаков методом линейной корреляции и регрессии выявило сущесвенные различия между почвами саванн округов Махина, Кита и Колокони на различных таксономических уровнях.

9. В красных ферраллитных типичных почвах отсутствует тесная корреляционная связь между содержанием общего фосфора и содержанием физической глины и ила. В конкреционных видах этих почв округа Кита обнаруживается сильная отрицательная связь между физической глиной, средняя отрицательная — с гумусомокруга Колокони — средняя отрицательная — со всеми исследованными признаками (физическая глина, ил, гумус). Исследование связи между подвижностью фосфатов выявило весьма значимую положительную роль гумуса в почвах округов Махина и Колокони, существенную отрицательную корреляцию с содержанием общего фосфора и валовым алюминием в почвах саванн всех округов. В конкреционных видах почв округа Кита отрицательная роль несиликатного железа, особенно аморфного, подтверждается высокими коэффициентами детерминации (0,91 и 0,72, соответственно). Не выявлено существенной связи между подвижностью фосфатов и их различными фракциями.

10. В жёлтых ферраллитных и жёлтых кварц-аллитных почвах совершенно очевидно существенное варьирование коэффициентов детерминации между содержанием валового фосфора с физической глиной, илистой фракцией и гумусом в зависимости от особенностей этих почв и их географического положения. В жёлтых ферраллитных почвах саванн округа Кита коэффициенты детерминации существенны только с илом, а в части почв округа Махина — с илом и гумусомв почвах округа Колокони коэффициенты детерминации между всем исследованными признаками низкие. В жёлтых кварц-аллитных почвах выявлена средняя отрицательная корреляция с гумусом, а в отдельных случаях — очень высокая положительная (К2=0,998), при очень высокой отрицательной корреляции с илом.

11. Исследование подвижности фосфатов в жёлтых ферраллитных и жёлтых кварц-аллитных почвах выявило преимущественно высокую положительную корреляцию с гумусом преобладающего большинства почв всех округов. Высокая отрицательная корреляция существует в почвах между подвижными фосфатами с валовым железом и, особенно, его аморфными формами. В ряде жёлтых ферраллитных и жёлтых кварц-аллитных почв саванн обнаруживается высокая отрицательная корреляция с валовым алюминием, с формами кальция, алюминия и железа, с обменным водородом и алюминием. В преобладающем большинстве исследованных почв высокая положительная корреляция существует между подвижными фосфатами и обменным кальцием.