Magnesium in soils and plants of a sloping agrolandscape in the south-east of West Siberia | Магний в почвах и растениях в условиях склонового агроландшафта на юго-востоке Западной Сибири

英语. The aim of the study. To carry out a comparative assessment of the magnesium status in soils, situated on the various hypsometric levels of sloped agrolandscape and with different soil organic matter content by measuring total, mobile (exchangeable) and water-soluble magnesium in soils and to compare different analytical methods for determining magnesium in soils and plants. Location and time of the study. The study site was located in the Cis-Salair drained plain in the south-east of West Siberia (55˚02΄20˝N; 83˚50΄00˝E), administratively being within the boundaries of the Toguchin district of the Novosibirsk region, Russia. Altitude increments were marked on the slope positions of the investigated plot of  225 hectares in area and 4 km in length: the upper part of the slope BCI (280-310 m a.s.l. ), the midslope BCII (260-280 m) and BCIII (220-260 m), and the lower slope BCIV (190-220 m) (see figure 1). Soil and plant samples were collected in July 2013. Materials and methods. Prevailing soils were podzolized and leached chernozems, dark-gray and gray-forest soils according to the classification of soils of the USSR (1977), which correspond to clayey-illuvial eluvialed and dark-tongue agrochernozems, agro-dark gray soils and agro-gray soils to according of the Russian soil classification (2004, 2008), or Luvic Greyzemic Chernozems, Haplic Chernozems, Luvic Greyzemic Phaeozems, Luvic Retic Greyzemic Phaeozems by WRB Soil Classification (2014) (see table 1, figure 1). Individual soil samples (n=55) were taken with a drill from 0-30 cm layer (ploughed horizon) according to an irregular grid. The aboveground phytomass stock of oat-pea mixture (n=38) was collected using the hay cutting method on the ​​0.25 m2 area. The geographical coordinates of the soil and plant sampling sites were determined using the geopositioning system (GPS, Garmin eTrex Vista).  The soil samples were analyzed for organic carbon content by dichromate digestion. Overall the studied soils were grouped according to soil organic matter (SOM) content into high-SOM (5-8%) and medium-SOM soils (3-5%). Total magnesium (Mgtot) was measured in dry powdered samples by atomic emission spectrometry; mobile (exchangeable) magnesium was measured by atomic absorption spectrometry using 1 M KCl, 1 M CH3COONH4, 0.1 M C4H4O5(NH4)2 and 0.5 M CH3COOH as extracting solutions. The same extracts were used to measure water-soluble magnesium atomic absorption spectrometry and capillary electrophoresis. The content of total magnesium in plants was determined by atomic absorption spectrometry using two methods of sample digestion, namely  wet ashing in a mixture of sulfuric and perchloric acids and dry ashing followed by quantitative transfer of the digest  with 1 M HCl. Magnesium content in soils and plants was presented per element and calculated on the air-dry mass basis. Statistical analyses (descriptive statistics, correlation analysis, calculation of student criterion and Mann-Whitney U-test) were performed using Microsoft Office Excel 2007 and Statistica v.6.1. Results. The average content of total magnesium in the slope soils varied from 0.79 to 0.88%. The proportion of mobile magnesium in its total content in soils averaged 3.3-6.0%, whereas that of water-soluble magnesium was 0.06-0.13%. In medium-SOM soils down along the slope the total magnesium content gradually decreased: agrochernozems → agro-dark gray soils → agro-gray soils (see table 2, figure 2). The similar pattern was revealed an earlier for the content of total phosphorus and total potassium in the slope soils. The average content of mobile magnesium in the high-SOM soils on the upper part of the slope (BCI) varied from 3.2 to 4.0 cmol(+)∙kg-1, depending on the extractant used. The medium-SOM soils (BCII-IV) contained 2.2 to 3.2 cmol(+)∙kg-1 of mobile magnesium. Atomic absorption spectrometry and capillary electrophoresis produced very close values water-soluble magnesium content in soils: on average, 0.06-0.08 and 0.04-0.09 cmol(+)∙kg-1, respectively. However, capillary electrophoresis proved to be more sensitive to the decreased content of water-soluble magnesium in the midslope medium-SOM soils. Magnesium content in aboveground phytomass of an oat-pea mixture, collected in the tillering phase of its cereal component, determined by dry ashing, averaged 0.21-0.26%, which corresponded to the optimal level of the element; estimated by wet ashing it was 1.3-1.6 times lower (see table 2). Conclusions. Under the conditions of the sloping agrolandscape of the Cis-Salair in the south-eastern part of West Siberia, high-SOM soils in the upper part of the slope are characterized by higher content of mobile magnesium as compared with the medium-SOM soils mid- and downslope. We believe that for assessing magnesium status of soils it is more expedient to use 1 M KCl or 1 M CH3COONH4 to determine mobile (exchangeable) magnesium. Moreover, these extractants can be used for simultaneous determination of other soil properties, i.e. exchangeable calcium and potassium content, pHsalt, etc.

俄语. Цель исследования: провести сравнительную оценку магниевого состояния сильно- и среднегумусированных почв, расположенных на разных гипсометрических уровнях эрозионно опасного склонового агроландшафта, по содержанию в пахотном горизонте валового магния, подвижной (обменной) и водорастворимой форм элемента, а также лабораторно-аналитических методов определения магния в почвах и растениях. Место и время проведения. Геоморфологически территория исследования относится к Предсалаирской дренированной равнине (Предсалаирье) на юго-востоке Западной Сибири (55˚02΄20˝ с.ш.; 83˚50΄00˝ в.д.), административно – к Тогучинскому району Новосибирской области. На участке пахотного угодья площадью 225 га и протяженностью 4 км условно выделили склоновые позиции на следующих высотных ступенях (абсолютные отметки высот): верхняя часть склона – ВСI (280-310 м), средняя – ВСII (260-280 м) и ВСIII (220-260 м), нижняя – ВСIV  (190-220 м). Отбор почвенных и растительных проб провели в июле 2013 г. Материалы и методы. Преобладающие почвы: черноземы оподзоленные и выщелоченные, темно-серые и серые лесные по классификации почв СССР (1977), что соответствует агрочерноземам глинисто-иллювиальным элювиированным и темноязыковатым, агротемно-серым и агросерым по классификации почв России (2004, 2008) или Luvic Greyzemic Chernozems, Нaplic Chernozems, Luvic Greyzemic Phaeozems, Luvic Retic Greyzemic Phaeozems по классификации почв WRB (2014). Отбор индивидуальных почвенных проб (n = 55) провели буром из слоя 0-30 см (пахотный горизонт) по нерегулярной сетке, запасы надземной фитомассы овсяно-гороховой смеси (n = 38) – методом укосов с учетной площади 0,25 м2. Координаты точек отбора почвенных и растительных проб определили с помощью системы геопозиционирования (GPS, Garmin eTrex Vista). Почвы проанализированы на содержание органического углерода с пересчетом на гумус в серно-хромовой смеси по Тюрину; валового магния (Mgвал) – в сухих порошкообразных образцах методом атомно-эмиссионной спектрометрии; подвижного (обменного) магния – методом атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием следующих экстрагирующих растворов: MgПФ1 – 1 М KCl, MgПФ2 – 1 М CH3COONH4, MgПФ3 – 0,1 М C4H4O5(NH4)2, MgПФ4 – 0,5 М CH3COOH; водорастворимого магния – двумя методами (из одной и той же вытяжки): Mgвод1 – атомно-абсорбционной спектрометрии, Mgвод2 – капиллярного электрофореза. Содержание валового магния в растениях (Mgраст) определили методом атомно-абсорбционной спектрометрии двумя способами пробоподготовки: Mgраст1 – мокрым озолением в смеси серной и хлорной кислот, Mgраст2 – сухим озолением и количественным переносом c 1 М HCl. Содержание магния в почвах и растениях представили на элемент и рассчитали на воздушно-сухую массу. Статистическую обработку данных провели методами описательной статистики, корреляционного анализа, расчетом t-критерия Стьюдента и U-критерия Манна-Уитни. Основные результаты. Среднее валовое содержание магния в почвах склона варьировало от 0,79 до 0,88%.  Доля подвижного магния от валового содержания элемента в почвах составила в среднем 3,3-6,0%, водорастворимого магния – 0,06-0,13%. В среднегумусированных почвах вниз по склону установлено постепенное снижение содержания валового магния в ряду агрочерноземы → агротемно-серые → агросерые, и подобная закономерность выявлена нами ранее по содержанию в почвах валовых фосфора и калия. Среднее содержание подвижного магния в сильногумусированных почвах в верхней части склона (ВСI) варьировало от 3,2 до 4,0 смоль(экв)∙кг-1 в зависимости от экстрагента, в среднегумусированных почвах вниз по склону (ВСII-IV) – от 2,2 до 3,2 смоль(экв)∙кг-1. Результаты по содержанию водорастворимого магния в почвах, полученные методами атомно-абсорбционной спектрометрии и капиллярного электрофореза, очень близки: в среднем 0,06-0,08 и 0,04-0,09 смоль(экв)∙кг-1. Однако более чувствительным к снижению содержания водорастворимого магния в среднегумусированных почвах в средней части склона оказался метод капиллярного электрофореза. Содержание магния в надземной фитомассе овсяно-гороховой смеси, отобранной в фазу кущения злакового компонента, методом сухого озоления составило в среднем 0,21-0,26% и соответствовало оптимальному уровню, мокрым озолением – было ниже в 1,3-1,6 раза. Заключение. В условиях склонового агроландшафта Предсалаирья на юго-востоке Западной Сибири сильногумусированные почвы в верхней части склона (5-8% гумуса, ВСI) характеризуются более высоким содержание подвижного магния, чем  среднегумусированные почвы в средней и нижней частях склона (3-5% гумуса, ВСII-IV). Для оценки магниевого состояния почв из рассмотренных вытяжек для определения подвижного (обменного) магния целесообразнее использовать 1 М KCl или 1 М CH3COONH4 с возможностью одновременного определения в одной и той же почвенной вытяжке других показателей (обменные кальций и калий, рН солевой и т.д.) в зависимости от экстрагента.