Russian Federation
The aim of the study was to assess the dynamics of the phosphate regime of soil and to establish its dependence on the level of application of fertilizers and chemical ameliorants. The object of the study was arable soils of Volga region of the Republic of Tatarstan (RT), located on the right bank of the Volga River. This region occupies the north-eastern part of the Volga Upland and makes up about 15% of the republic’s area. Situated in the transition zone between the taiga-forest and steppe zones, Volga region of the republic is characterized by a wide distribution of gray forest soils and forest-steppe chernozems. The materials of the agrochemical service of the Republic of Tatarstan (FSBI CAS “Tatar”) for 1965-2022 are analyzed. Mobile phosphorus forms were determined by standard methods depending on typical soil characteristics: according to Kirsanov in the modification of TsINAO (GOST R 54650-2011), Chirikov (GOST 26204-91), Machigin (GOST 26205-91). It was found that according to the cycles of agrochemical survey, the content of phosphorus mobile forms in the arable soils of Volga region fluctuated significantly: if during the first period (1965-2000) there was a confident increase in mobile forms of phosphorus (from 93 to 161 mg / kg), then later (2000-2022) there was a decrease (from 161 to 137 mg/kg). All agrochemical techniques - the introduction of mineral and organic fertilizers, phosphoritization and liming had a positive effect on the accumulation of mobile forms of phosphorus. In terms of the significance of the positive impact on the average weighted content of mobile forms of phosphorus in the soils of Volga region, the studied agrochemical methods were arranged in the following descending order: application of mineral fertilizers, then liming, then phosphoritization, and finally application of organic fertilizers.
agrochemical soil survey, mobile phosphorus, correlation, mineral fertilizers, organic fertilizers, liming, phosphorization.
Фосфор – абсолютно необходимый макроэлемент для всех живых организмов, в том числе для высших растений. Фосфор принимает деятельное участие во всех жизненно важных обменных процессах веществ и энергии в организме растений и недостаток его очень часто становится лимитирующим фактором величины и качества урожая сельскохозяйственных культур [1]. Поэтому обеспеченность почв доступными формами фосфора является важнейшем критерием плодородия почв сельскохозяйственных земель как в целом РФ [2-5], так и РТ [6].
Общие запасы фосфора в пахотных слоях почв существенно меньше почвенных запасов азота и калия [5, 6]. Кроме того, «для питания растений важно содержание не валового, а подвижных форм фосфора, ибо именно они являются доступными растениям. К сожалению, основное количество общего почвенного фосфора малодоступно растениям» [6,7]. Для оценки обеспеченности почв различных типов и подтипов доступными формами фосфора агрохимическая служба страны в основном использует методы Кирсанова, Чирикова и Мачигина [8], которые «в основном адекватно отражают динамику содержания подвижных фосфатов при применении различных доз удобрений, позволяют правильно прогнозировать эффективность фосфорных удобрений и определить их потребность для получения планируемой урожайности сельскохозяйственных культур» [9].
«Содержание подвижных фосфатов в почве зависит от многих факторов, таких как типовое и подтиповое положение почв, гранулометрический состав, гумусированность, кислотность, водный и температурный режимы, содержание подвижных соединений железа и алюминия и др.» [10, 11]. Немаловажную роль в обеспечении растений подвижными формами фосфора играют многочисленные почвенные микроорганизмы [12]. Они, с одной стороны, поглощают минеральные формы фосфора и превращают их в органические вещества, которые непосредственно растения не поглощают. С другой стороны, минерализуя органические соединения, микроорганизмы делают фосфор доступным для растений [13]. Понятно, что активность микроорганизмов в огромной степени обуславливается температурным и водным режимами, поэтому эти режимы многими исследователями рассматриваются как фактор мобилизации почвенных запасов фосфора [14, 15].
В нынешних условиях острого дефицита промышленных фосфорных удобрений основными источниками фосфорного питания сельскохозяйственных культур стали местные фосфорсодержащие агроруды и запасы самой почвы [16]. Данное обстоятельство является ещё одним аргументом необходимости чрезвычайно внимательного изучения характера и темпов изменения подвижных запасов почвенного фосфора. Таким образом, можно констатировать, что обеспеченность почв сельскохозяйственных земель подвижными формами фосфора является важным агрохимическим показателем уровня почвенного плодородия и нередко становится лимитирующим фактором продуктивности сельскохозяйственных культур.
Цель исследования - оценка зависимости динамики фосфатного режима почв пахотных земель Предволжья Республики Татарстан от уровня применения минеральных и органических удобрений, а также химических мелиорантов.
Условия, материалы и методы. В работе обобщены результаты агрохимических обследований почв Предволжья Республики Татарстан, которые демонстрируют сопоставительную динамику изменения уровня применения агрохимикатов и содержания подвижных форм фосфора в пахотных почвах муниципальных районах региона за 1965-2022 гг.
Предволжье РТ расположено на правом берегу р. Волга и занимает северо-восточную часть Приволжской возвышенности [17]. Территория Предволжья равна 1014,3 тыс. га, что составляет около 15 % от площади Республики. От общей площади земель региона сельскохозяйственные угодья занимают 739,2 тыс. га, в т. ч. пашня - 565,3 тыс. га или 55,7 % [18].
Агрохимические анализы выполнены сотрудниками ФГБУ ЦАС «Татарский», используя общепринятые методы определения подвижных форм фосфора: в дерново-подзолистых и серых лесных почвах по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011); в некарбонатных чернозёмах – по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91); в карбонатных почвах – по методу Мачигина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205-91) [20-22].
Результаты и обсуждения. Материалы рис. 1 демонстрируют распределение площадей пахотных почв по обеспеченности почв подвижными формами фосфора в Предволжье РТ по циклам агрохимического обследования. Они свидетельствуют о том, что в начале анализируемого периода (1965-1970 гг.) обеспеченность почв исследуемого региона подвижными формами фосфора была наихудшей за весь период наблюдений. Как видно, 24 % пахотных почв имели низкую и очень низкую обеспеченность фосфором, менее половины (48 %) площадей – среднюю.
Во второй срок наблюдения (1971-1979 гг.) обнаружилось заметное улучшение обеспеченности почв подвижным фосфором: площадь почв, имеющих очень низкое и низкое содержание фосфора, уменьшилась на 5 % при одновременном увеличении на 4 % площади почв, обеспеченность которых оценивается как высокая и очень высокая. Увеличилась также доля почв, характеризующихся повышенным содержанием подвижных форм фосфора, что, возможно, произошло за счет сокращения доли среднеобеспеченных почв.
Особенно заметное обогащение пахотных почв подвижными формами фосфора произошло за годы третьего и четвёртого туров агрохимического обследования. Так, по результатам четвертого цикла обследования 2/3 почв пашни имели повышенное, высокое и очень высокое содержание подвижного фосфора.
За годы пятого и шестого туров обследования произошло дальнейшее улучшение обеспеченности пахотных почв Предволжья фосфором, о чем свидетельствует возрастание сегмента почв, имеющих повышенное, высокое и очень высокое содержание подвижных форм фосфора, соответственно до 76 и 83 % от общей площади пашни.
Рис. 1. Изменение обеспеченности пахотных почв Предволжья Республики Татарстан подвижными формами фосфора в 1965-2020 гг.
Таким образом, максимальная обеспеченность почв пашни исследуемой зоны республики была достигнута к концу XX века (1996-2000 гг.).
Результаты седьмого цикла обследования показали существенное ухудшение обеспеченности почв подвижными формами фосфора почти во всех группах. Буквально за пять лет суммарная доля почв, имеющих очень низкое, низкое и среднее содержание фосфора увеличилась в два раза (с 17 до 34 %). Одновременно в 1,6 раза уменьшился сегмент высоко и очень высоко обеспеченных фосфором почв (с 58 до 36 %). Лишь доля почв, отнесенных к повышенной группе обеспеченности, увеличилась на 5 %.
Обеспеченность почв подвижными формами фосфора, установленная по итогам восьмого цикла агрохимического обследования почв Предволжья, существенно не отличалась от результатов предыдущего цикла. Можно было заметить лишь переход незначительной части (1%) почв, имеющих повышенную обеспеченность, в группу очень высоко обеспеченных.
Результаты двух последних циклов обследований, проведенных в 2011-2020 гг., существенных изменений в обеспеченности пахотных почв подвижными формами фосфора не выявили: доли отдельных групп обеспеченности фосфором изменились в пределах не более 1-2 %.
Как известно, обобщающим показателем обеспеченности почв подвижными формами фосфора представляется его средневзвешенное содержание.
По итогам первого цикла агрохимического обследования средневзвешенное содержание подвижных форм фосфора составило 93 мг/кг, что соответствует средней степени обеспеченности (рис. 2). Линия тренда показывает, что с первого по шестые циклы обследования наблюдалось устойчивое повышение подвижного фосфора, благодаря чему по итогам VI цикла обследования средневзвешенное содержание фосфора достигло 161 мг/кг, то есть произошло 1,7 кратное повышение подвижного фосфора. Благодаря этим изменениям почвы пашни исследуемого региона в конце XX века (VI цикл, 1996-2000 гг.) перешли в категорию высокообеспеченных подвижными формами фосфора.
Однако такая степень обеспеченности фосфором продержалась недолго. Результаты VII цикла обследования показали резкое снижение содержания подвижных форм фосфора - до 141 мг/кг, что соответствует повышенной степени обеспеченности.
В 2005-2020 гг. средневзвешенное содержание фосфора в пахотных почвах осталось практически неизменным, ибо оно варьировало в пределах 141-143 мг/кг.
Данные последнего срока наблюдения (2022 г.) опять показали негативную тенденцию: за достаточно короткий период средневзвешенное содержание подвижных форм фосфора снизилось на 6 мг/кг почвы.
Характер изменения средневзвешенного содержания подвижных форм фосфора за весь период наблюдений хорошо описывался полиномиальным уравнением третьей степени (R2=0,8907). Если же рассмотреть общую динамику изменения содержания подвижных форм фосфора во времени разделив на два периода, то обнаруживается разнонаправленная динамика:
Рис. 2. Характер изменения в почвах пашни Предволжья республики средневзвешенного содержания подвижного фосфора в 1965-2022 гг.
Рис. 3. Характер влияния агрохимических факторов интенсификации земледелия на средневзвешенное содержание подвижного фосфора в почвах пашни Предволжья (1965-2020 гг.)
если в течение первого периода (1965-2000 гг.) происходило уверенное повышение подвижных форм фосфора (R2=0,9751), то в дальнейшем (2000-2022 гг.) - скачкообразное снижение (R2=0,538).
Зависимость средневзвешенного содержания подвижного фосфора (У, мг/кг почвы) от временного фактора (х, циклы агрохимического обследования почв) в течение 1965-2000 гг. описывалась линейным уравнением (1):
У=14,343∙х +75,8 (1)
Линии тренда средневзвешенного содержания подвижных форм фосфора в пахотных почвах исследуемой зоны от агрохимических факторов интенсификации земледелия указывают на главенствующую роль уровня применения минеральных удобрений (рис. 3). Корреляционная зависимость (r) средневзвешенного показателя подвижного фосфора от среднегодовой нормы внесения минеральных удобрений (кг д.в./га), рассчитанная исходя из коэффициента детерминации (R2=0,503), равнялась 0,71, то есть была высокой.
Регрессионная связь средневзвешенного содержания подвижного фосфора (У, мг/кг) от насыщенности пашни минеральными удобрениями (х, кг д.в./га) описывалась уравнением (2):
У = 0,569∙x + 95,806 (2)
Влияние уровня применения органических удобрений на содержание подвижных форм фосфора оказалось статистически недостоверным (R2=0,0008). Примерно аналогичное явление нами было обнаружено раннее в условиях Балтасинского муниципального района республики [23].
Значимое влияние на динамику подвижного фосфора почв пашни исследуемой зоны оказало известкование кислых почв. Коэффициент детерминации (R2) средневзвешенного содержания подвижного фосфора от интенсивности известкования (доля произвесткованных почв от общей площади кислых почв), равнялся 0,3544, что указывает на наличие заметной, согласно шкале Чеддока [24], парной корреляции (r=0,60). Данное обстоятельство является хорошей иллюстрацией того, что устранение избыточной кислотности почв способствует переходу фосфора почв и удобрений в подвижное состояние.
Положительное влияние на обеспеченность почв подвижными формами фосфора проявило также фосфоритование (R2=0,2307), однако сила воздействия этого агрохимического приема оказалась ниже действия интенсивности применения известковых и минеральных удобрений. Сравнительно слабое влияние фосфоритования на фосфатный режим почв, возможно, объясняется небольшой продолжительностью этого мелиоративного приема (1971-2000 гг.).
Выводы. Таким образом, в динамике содержания подвижных форм фосфора обнаружилось два периода, резко отличающиеся по направленности: если в течение первого периода (1965-2000 гг.) происходило уверенное повышение подвижных форм фосфора (R2=0,9751), то в дальнейшем (2000-2022 гг.) - скачкообразное снижение (R2=0,538). Все агрохимические приемы – внесение минеральных и органических удобрений, фосфоритование и известкование на накопление подвижных форм фосфора оказали положительное влияние. По значимости положительного влияния на средневзвешенное содержание подвижных форм фосфора в почвах Предволжья исследованные агрохимические приемы расположились в следующий убывающий ряд: внесение минеральных удобрений (R²=0,5030)> известкование (R²=0,3544)> фосфоритование (R²=0,2307)> внесение органических удобрений (R²=0,0008).
1. Shafran SA. [Contribution of mineral fertilizers to the formation of field crop yields (message 2). Phosphorus and potassium fertilizers]. Agrokhimiya. 2021; 8. 9-16 p. doi:https://doi.org/10.31857/S0002188121080123.
2. Titova VI, Varlamova LD, Dabakhova EV. [Study of phosphorus fertilizers and phosphate status of soils]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2011; 2. 3-6 p.
3. Ginzburg KE. Fosfor osnovnykh tipov pochv SSSR. [Phosphorus of the main types of soils of the USSR]. Moscow: Nauka. 1981; 244 p.
4. Ivanov AL, Derzhavin LM. Rukovodstvo po proektirovaniyu primeneniya udobreniy v tekhnologiyakh adaptivno-landshaftnogo zemledeliya. [Methodological guidelines for the design of fertilizer application in adaptive landscape farming technologies]. Moscow: RASKhN. 2008; 392 p.
5. Sychev VG. Sovremennoe sostoyanie plodorodiya pochv i osnovnye aspekty ego regulirovaniya. [Current state of soil fertility and the main aspects of its regulation]. Moscow: Rossiyskaya akademiya nauk. 2019; 328 p.
6. Davlyatshin ID, Lukmanov AA, Mametov MI. [Sources of phosphorus and assessment of their contribution to the mobile fund of this element in arable soils in the forest-steppe zone]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018; 32(4). 21-24 p. doi:https://doi.org/10.24411/0235-2451-2018-10404.
7. Vaulin AV, Kovalenko AA, Varlamov VA. [Changing the phosphate regime of sod-podzolic medium loamy cultivated soil without applying phosphorus fertilizers]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2013; 3. 8-10 p.
8. Koposov GF. Opredelenie v pochvakh soderzhaniya azota, fosfora i kaliya. [Determination of nitrogen, phosphorus and potassium content in soils]. Kazan: Izd-vo Kazanskogo un-ta. 2011; 362 p.
9. Adrianov SN. [Evaluation of methods for determining mobile phosphates in soil]. Plodorodie. 2008; 2. 14-17 p.
10. Kulakovskaya TN. Optimizatsiya agrokhimicheskoy sistemy pochvennogo pitaniya rasteniy. [Optimization of the agrochemical system of soil nutrition of plants]. Moscow: Agropromizdat. 1990; 218 p.
11. Volynkina OV. [Effect of phosphorus fertilizer application on variation in crop yield increases in the Trans-Urals region]. Agrokhimiya. 2023; 5. 27-33 p. doi:https://doi.org/10.31857/S0002188123050113
12. Chaykovskaya LA, Ovsienko OL. [Phosphate-mobilizing microorganisms: Biodiversity, influence on mineral nutrition of plants and their productivity]. Tavricheskiy vestnik agrarnoy nauki. 2021; 4 (28). 159-182 p. doi:https://doi.org/10.33952/2542-0720-2021-4-28-159-182.
13. Ahmed N, Shahab S. Phosphate solubilization: their mechanism genetics and application. The Internet Journal of Microbiology. 2011; Vol.9(1). 4408-4412 p. doi:https://doi.org/10.5580/2327.
14. Mineev VG, Rempe EKh. Agrokhimiya, biologiya i ekologiya pochvy. [Agrochemistry, biology and ecology of soil]. Moscow: Rosagropromizdat. 1990; 206 p.
15. Minikaev RV, Shaykhutdinov FSh, Manyukova IG. [Improving the soil cultivation system in the agrolandscapes of the middle Volga region]. Kazan: Izd-vo Kazanskogo GAU. 2021; 400 p.
16. Lukmanov AA. [Assessment of the contribution of factors to the soil phosphorus fund in forest-steppe chernozems of the Republic of Tatarstan]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2019; 5. 3-7 p. doi:https://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-10066.
17. Priroda i prirodnye resursy Respubliki Tatarstan: illyustrirovannaya entsiklopediya. [Nature and natural resources of the Republic of Tatarstan: illustrated encyclopedia]. Kazan: In-t tatarskoy entsiklopedii i regionovedeniya AN RT. 2019; 584 p.
18. Gosudarstvennuy doklad o sostoyanii prirodnykh resursov i ob okhrane okruzhayushchey sredy Respubliki Tatarstan v 2021 godu. [State report on the state of natural resources and environmental protection of the Republic of Tatarstan in 2021]. Kazan. 2022; 490 p.
19. Trofimov NV, Sochneva SV, Panasyuk MV. [Methodology for dividing the territory of the Republic of Tatarstan into agro-landscape regions based on zoning of its natural and climatic conditions]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; 4. 127-131 p. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-127-131
20. GOST R 54650-2011. Pochvy. Opredelenie podvizhnykh soedineniy fosfora i kaliya po metodu Kirsanova v modifikatsii TsINAO. [Soil. Determination of mobile phosphorus and potassium compounds by Kirsanov method as modified by TsINAO].
21. GOST 26204-91. Pochvy. Opredelenie podvizhnykh soedinenii fosfora i kaliya po metodu Chirikova v modifikatsii TsINAO. [Soil. Determination of mobile phosphorus and potassium compounds by Chirikov method as modified by TsINAO].
22. GOST 26205-91. Pochvy. Opredelenie podvizhnykh soedinenii fosfora i kaliya po metodu Machigina v modifikatsii TsINAO. [Soil. Determination of mobile compounds of phosphorus and potassium by Machigin method modified by TsINAO].
23. Gilyazov MYu, Lukmanov AA, Muratov MR. Dlitelnoe primenenie udobreniy i produktivnost pashni. [Long-term use of fertilizers and arable land productivity]. Kazan: Izd-vo Kazanskogo un-ta. 2016; 220 p.
24. Koterov AN, Ushenkova LN, Zubenkova ES, Kalinina MV, Biryukov AP, Lastochkina EM, Molodtsova DV, Vaynson AA. [Strength of connection. Message 2. Gradations of the correlation value]. Meditsinskaya radiologiya i radiatsionnaya bezopasnost. 2019; Vol.64. 6. 12-24 p. doi:https://doi.org/10.12737/1024-6177-2019-64-6-12-24
