Коллоидно-химические свойства основных типов почв россии и факторы их определяющие
На правах рукописи
ШЕВЧЕНКО Александра Александровна КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ РОССИИ И ФАКТОРЫ ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ Специальность 03.02.13 – почвоведение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва - 2011
Работа выполнена на кафедре физической и органической химии Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор БЕЛОПУХОВ Сергей Леонидович
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор САВИЧ Виталий Игоревич доктор биологических наук ЛУКИН Сергей Михайлович
Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии, г. Москва
Защита диссертации состоится «19» декабря 2011 г. в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д220.043.02 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.
Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева Автореферат разослан «18» ноября 2011 г., размещен на сайте универси тета www.timacad.ru и направлен по адресу в ВАК [email protected]
Ученый секретарь диссертационного совета, доцент С.Л. Игнатьева
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Работа проводилась в соответствии с программой науч но-исследовательских работ кафедры физической и органической химии РГАУ МСХА имени К.А. Тимирязева и является продолжением исследований, проводимых в последние десятилетия на кафедре и факультете почвоведения, агрохимии и эколо гии по изучению электрокинетических и физико-химических свойств различных ти пов почв. Проведено изучение различных типов почв, отобранных из разных регио нов страны, при этом к почве как объекту исследования применены подходы физи ческой и коллоидной химии, позволяющие описать процессы массопереноса компо нентов почвенной системы и их превращения в различных условиях. Для характери стики почв использована их физико-химическая поглотительная способность, кото рая определяется коллоидно-химическим составом и свойствами почвенно поглощающего комплекса (ППК) с учетом того, что агрономические свойства и пло дородие почв в значительной степени зависят от размеров коллоидов (1,0*10-9– 1,0*10-6 м) с их большой удельной поверхностью (до 800 м2/г), кислотности, щелоч ности, буферных свойств, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), электрокинетического потенциала () и ряда других показателей.
Природа почвенного плодородия связана с количеством и физико-химическим состоянием почвенных коллоидов, основной характеристикой которых является ве личина -потенциала. В работе уделено внимание засоленным почвам, которые в России занимают около 33 млн. га. Из них солончаки занимают 1,45 млн. га, солоди – 1,96 млн. га, солонцы – 10,4 млн. га, солонцеватые и солончаковатые почвы - 8, млн. га и комплексы засоленных почв с зональными почвами – около 9,6 млн. га. Для таких почв величина -потенциала является мерой солонцеватости и может приме няться для расчета дозы мелиоранта.
Цель и задачи исследования. Целью нашего исследования явилось изучение коллоидно-химических свойств некоторых типов почв России – подзолистых, дерно во-подзолистых, серых лесных, каштановых зональных и засоленных, черноземов, солонцов, солончаков с использованием современных физико-химических методов анализа и оценка влияния этих свойств на почвенное плодородие.
В работе решались следующие задачи:
- дать комплексную количественную оценку физико-химических (рН водной и солевой вытяжки, количество минерального и органического вещества, содержание ионов Na+, K+, Mg2+, Ca2+, SO42-, PO43- и т.д.) и коллоидно-химических свойств (вели чина и знак электрокинетического потенциала, коэффициент фильтрации, средний радиус пор, набухание, ОВП, коэффициента диффузии, показателей кинетики массо переноса почвенных частиц и др.) разных типов почв нашей страны;
- оценить возможность и эффективность применения используемых методов фи зико-химического анализа при оценке коллоидно-химических свойств почвы и ис пользования полученных показателей в почвенно-экологическом мониторинге раз личных типов почвы;
- установить влияние приемов обработки почвы в опыте точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на изменение коллоидно-химических свойств дерново-подзолистой почвы.
Исследования проводили с образцами почвы, предоставленными кафедрой почвоведения, геологии и ландшафтоведения, кафедрой земледелия и агрометеороло гии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Омским ГАУ и Ярославской ГСХА.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведен комплекс ный анализ коллоидно-химических свойств, прежде всего, электрокинетических свойств различных типов почв России, включая дерново-подзолистую почву опыта точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. Показана возможность экспрессной оценки количественного состава минеральной и органической части ве щества почвы и воды с применением термоаналитического метода анализа и метода ближней инфракрасной спектроскопии.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработаны методиче ские рекомендации по оценке качественного и количественного химического опреде ления минеральной, органической составляющих почв и воды на термоаналитиче ском комплексе, проведено определение комплекса показателей физико-химических и коллоидно-химических свойств различных типов исследуемых почв, предложен способ оценки дзета-потенциала различных образцов почв, коэффициентов диффузии и подвижности частиц почвы с учетом диффузионной и электрической составляю щих. Полученные данные могут найти применение для оценки уровня плодородия почвы.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на научно технической конференции, посвященной 75-летию кафедры физической и коллоид ной химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2008), Всероссийской на учно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Курск, 2009), Международной научно-технической конференции молодых ученых Иркут ской ГСХА (Иркутск, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «По вышение конкрентоспособности льняного комплекса России в современных услови ях» (Вологда, 2009), Научно-технической конференции молодых ученых РУДН (Мо сква, 2009), Научно-технической конференции молодых ученых Уральской ГСХА (Екатеринбург, 2009), Международной научно-практической конференции «Безопас ность городской среды» (Ярославль, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях (Ижевск, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 ста тьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций.
Структура работы. Диссертация написана на 152 страницах, включает введе ние, обзор литературы (глава I), описание объектов и методов исследования (глава II), изложение результатов (главы III-IV), выводы, список литературы, приложение, со держит 30 таблиц и 17 рисунков.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В экспериментах, проводимых в 2008-2011 гг. использованы почвы: подзол по лугидроморфный, дерново-подзолистая среднеподзолистая (Московская область), дерново-подзолистая (Ярославская обл.), светло-каштановая типичная, светло каштановая слабосолонцеватая, солонец полугидроморфный лугово-каштановый (Волгоградская обл.), солончак автоморфный (Астраханская область), чернозем обыкновенный среднемощный (Воронежская обл.), темно-серая лесная среднемощ ная (Рязанская обл.), лугово-черноземная глубокосолонцеватая, солонец лугово степной (Омская обл.). Для характеристики свойств исследуемых почв измерены:
рНКCl pHH2O – потенциометрически (ГОСТ 26483-85);
гидролитическая кислотность по Каппену (ГОСТ 26212-91);
обменный натрий – по методу ЦИНАО (1977) (ГОСТ 26950-86);
сумма поглощенных оснований – по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821 88);
степень насыщенности основаниями – расчетным способом по гидролитической кислотности и сумме обменных оснований;
качественный состав гумуса по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой (Орлов, 1969);
максимальную гигроскопичность - по методу А.А. Николаева;
коэффициент фильтрации по ГОСТ 25584-90;
величина набухания - по А.М. Васильеву в модификации С.Н. Алешина (Алешин, 1967);
определение качественного состава методом спектроскопии и ближней инфракрасной области;
ОВП - по Сердобольскому И.П. (1967);
щелочность – потенциометрическим титрованием по методу А, ГОСТ Р 52963-2008;
фосфат ионы–фотометрическим методом (ПНД Ф.14.1:2.112.-97, ред.2004г.);
влажность почвы – термостатно-весовым методом (Вадюнина, 1986);
подвижный фосфор и об менный калий – по В.Ф.Чирикову из одной вытяжки (ГОСТ 26204-91);
-потенциал - методом потенциала протекания с учетом поверхностной проводимости и методом электрофореза;
качественный и количественный состав почв- методом термического и термогравиметрического анализа на модернизированном термоаналитическом комплексе на базе дериватографа Q-1500 и Д-102.
Результаты исследований Изучение минералогического состава исследуемых почв Подзолы и дерново-подзолистые почвы. По данным термического анализа под золистых почв в них отмечено низкое содержание как органического вещества, так и минеральной части. Эндотермические эффекты низкотемпературной области харак терны для минералов монтмориллонитовой группы гидрослюд и связаны с выделени ем гигроскопической воды. По всему профилю данные эффекты невелики, содержа ние гигроскопической воды увеличивается вниз по профилю и в горизонте С состав ляет 2.43%. Органическое вещество сгорает при 290-315С, его содержание довольно низкое – в верхнем горизонте оно составляет 0.5%, в горизонте А1 -1.62%.
Минеральная часть представлена кварцем (535С), его содержание в горизонте А1–2.75%. По всему профилю отмечаются небольшие сглаженные эндоэффекты, ха рактерные для гидроокислов алюминия и железа. Эндотермический эффект при 433С свидетельствует о присутствии гиббсита. Глинистые минералы представлены минералами группы монтмориллонита и гидрослюд. Содержание глинистых минера лов увеличивается вниз по профилю и в горизонте С составляет 1.73%.
Для дерново-подзолистых почв в низкотемпературной области отмечаются два эндотермических эффекта - интенсивный при 100С, свидетельствующий о дегидра тации и небольшой сглаженный эндоэффект при 150С – потеря низкотемпературной (молекулярной) воды, характерный для вермикулитов. Содержание гигроскопической влаги составляет 1.11%. В высокотемпературной области регистрируются еще два эндоэффекта, характерные для вермикулитов: 850С и 950С – выделение гидро ксильной воды, сопровождающееся распадом кристаллической решетки вермикули та и частичное плавление минерала. При температуре выше 300С сгорает органиче ское вещество. На кривой ДТА отмечается интенсивный экзоэффект при 330С и не большой сглаженный экзоэффект при 420С, что свидетельствует о разнокачествен ном состоянии органического вещества почвы. В области этих температур происхо дит термическое разрушение боковых алифатических цепочек, отщепление функцио нальных групп и частичное окисление образовавшихся продуктов, то есть происхо дит разрушение структурных компонентов входящих в состав периферической части молекул гумусовых кислот. По кривым ДТГ и ТГ для верхнего горизонта дерново подзолистой почвы рассчитано содержание органического вещества 1.07%.
Эндоэффекты в области 500-600С связаны с удалением конституционной гид роксильной воды и частичной аморфизацией вещества, характерные для гидрослюд и глинистых минералов. На кривой ДТА 2 эндоэффекта при 530С и 700С, указыва ют на присутствие Al-монтмориллонита – эффекты сдвинуты в сторону более низких температур по сравнению с монтмориллонитами, насыщенными другими катионами, содержание глинистых минералов 0.43%. На кривой нагревания дерново-подзолистой почвы отмечается интенсивный эндоэффект при 580С, обусловленный присутствием кварца, его содержание в исследуемой почве составляет 0.55%.
Таким образом, минералогический состав подзолистой и дерново-подзолистой почв представлен, в основном, такими первичными минералами как кварц и гидро окислами Al и Fe. В дерново-подзолистой почве присутствует вермикулит. Глини стые минералы выражены слабо и представлены гидрослюдами и Al-монтмориллонитом.
На кривых ДТА дерново-подзолистой почвы (Ярославская обл.) имеется два эндоэффекта в низкотемпературной области: интенсивный эндоэффект при 115-125С (вниз по профилю температура эндоэффекта возрастает), свидетельствующий о вы делении гигроскопической влаги (1,09-1,77%) и характерный для минералов групп гидрослюд и монтмориллонита. Небольшая остановка при температуре 220С для горизонта А1А 2 и 180С – для горизонта В1 свидетельствует о вхождении ионов каль ция в состав ППК исследуемых почв. Органическое вещество сгорает при достаточно низких температурах – экзоэффекты при 287-302С, характерны для органического вещества, представленного структурными компонентами, входящих в состав перифе рической части молекул гумусовых кислот. Содержание органического вещества не сколько выше, чем у дерново-подзолистых почв -2.03-2.25%. Во всех горизонтах ис следуемых почв отмечается эндоэффект при 537-547С, определяющий наличие кварца, вниз по профилю содержание кварца уменьшается. Глинистые минералы представлены слабо – эндоэффекты при 840С указывают на присутствие минералов монтмориллонитовой группы, содержание которых менее 1.0%.
Светло-каштановые почвы. На кривых ДТА каштановых почв, в том числе и засоленных, отмечается интенсивный эндоэффект в низкотемпературной области – выделение межслоевой молекулярной воды, характерный для минералов гидрослюд и монтмориллонитов. Для светло-каштановой и светло-каштановой слабосолонцеватой почв этот эффект отмечается при 110С, для солонца – при 140С. На кривых ДТА и ДТГ светло-каштановой почвы отмечается небольшая остановка при температуре 260С, что свидетельствует о вхождении ионов Са в ППК почвы. Для засоленных почв этот эффект отмечается только на кривой ДТГ и при более низкой температуре 215С. Эндоэффекты низкотемпературной области более объемные по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, гигроскопическая влага 4.07% - для светло каштановой почвы, 5.15 % - для слабо-солонцеватой и более 9% для солонца и со лончака. Наиболее гигроскопичный горизонт солонцовой почвы -иллювиальный, где содержание выделяемой влаги 9.23%, что свидетельствует о накоплении мелкодис персной фракции, т.е. о формировании солонцового горизонта. Органическое веще ство светло-каштановой почвы сгорает при более низких температурах по сравнению с засоленными – два экзоэффекта при 350-450С, причем второй экзоэффект менее выражен. Содержание органического вещества 2.65%. В верхних горизонтах засолен ных почв содержание органического вещества практически не отличается от зональной почвы.
Во всех исследуемых почвах присутствует кварц, небольшая остановка при температуре 510-530С, обусловлена обратимым полиморфным превращением кварца в -кварц. Этот эффект для каштановых почв выражен слабее, чем в дерно во-подзолистых и серых лесных почвах. Эндоэффекты в области 540-610С связаны с удалением конституционной гидроксильной воды, характерной для минералов мон тмориллонитовой и каолинитовой групп. Эндотермический эффект при 810-820С связан со структурной перестройкой минералов монтмориллонитовой группы. В маг незиальных разностях почти вся конституционная вода выделяется в этой области.
Таким образом, минералы группы монтмориллонита для исследуемых почв, пред ставлены сапонитами, а с увеличением засоления эти эффекты становятся более объем ными. Так солонцовые почвы в иллювиальном и В/С горизонтах содержат этого минерала 5-6%.
На всех кривых ДТА исследуемых почв отмечается экзоэффект, характерный для минералов каолинитовой группы - 860-940С, но эти эффекты менее выраженные по сравнению с минералами монтмориллонитовой группы. Содержание глинистых минералов колеблется от 6.40% для светло-каштановой почвы и более 12% для со лонца. Особенно оно велико в иллювиальном горизонте – 12.2%. Во всех образцах присутствуют карбонаты магния – эндоэффекты при 720- 740С, в солонцовой почве этот эф фект менее выражен по сравнению с зональной почвой, где он составляет 1.32% от потери массы.
Чернозем. На кривых ДТА и ДТГ чернозема отмечаются два интенсивных эн доэффекта низкотемпературной области, природа которых аналогична описанному выше. Однако эти эффекты по своей интенсивности превышают подобные эффекты подзолистых, серых лесных и каштановых почв, содержание гигроскопической воды для верхних горизонтов 3.46%. Объемный эндоэффект при 250С свидетельствует о достаточно большом содержании ионов кальция в составе ППК данного чернозема.
Для органического вещества характерны три экзоэффекта при 400, 440 и 610С, что свидетельствует о разнокачественном содержании органического вещества. Экзоэф Примечание [Т1]:
фект при 400С преобладает над двумя другими, т.е. органическое вещество данной почвы представлено гуминовыми кислотами периферической части с большим со держанием боковых алифатических цепочек, периферической части молекул гуму совых кислот. Экзоэффект при 610С свидетельствует о присутствии органо минерального комплекса в составе чернозема. При данных температурах происходит разрушение более устойчивых алифатических цепей, предполагается соединение ме жду собой ароматических колец, отщепление более устойчивых функциональных групп, а также отдельных циклов и ароматических колец, для разрушения которых требуется больше энергии. При температуре свыше 600оС может происходить дест рукция конденсированной ароматики, выделение углерода и его окисление Данный эффект отмечается только для исследуемых почв черноземной зоны. Содержание ор ганического вещества составляет 6.68%.
Небольшая остановка при температуре 530С свидетельствует о наличие кварца в составе исследуемой почвы. Эндотермические эффекты –720 и 800С характеризу ют наличие карбонатов магния и кальция. Интенсивный эндоэффект при 540С и два эндотермических эффекта высокотемпературной области (850 и 940С) указывают на наличие глинистых минералов группы монтмориллонита и каолинита. Содержание минералов монтмориллонита 3.01%;
группы каолинита 2.39%.
Черноземные почвы и солонцы Западной Сибири. Для этих почв выделение межслойной воды происходит при 160-185°С, причем, для зональных почв данные эндоэффекты отмечаются при более низких температурах. Отметим также, что тем пература данного эффекта выше, чем в почвах Европейской части России. На кривых ДТА и ДТГ чернозема отмечается небольшая остановка при 200°С, свидетельствую щая о вхождении ионов Са в состав ППК данной почвы. На кривых ДТА солонцов этого эффекта не наблюдается.
Содержание адсорбционной воды в зональных почвах 4.42%, в солонцах 5.34%. В иллювиальном горизонте солонца эндоэффект при 185°С более объемный, потеря массы почти в 2 раза превышает эту величину в надсолонцовом горизонте, достигая 9.84%, что может свидетельствовать о накоплении мелкодисперсной гидро фильной фракции, т.е. о формировании солонцового горизонта. В изучаемых почвах Европейской части России величина гигроскопической влаги не достигает таких величин.
На всех кривых нагревания (ДТА) исследуемых черноземных почв отмечаются интенсивный экзотермический эффект при 350°С, менее интенсивный при 445°С и небольшая остановка при 500°С;
для иллювиального горизонта солонца данные эф фекты отмечается при температуре 400 и 525°С. Несколько экзотермических эффек тов в области 300-600°С указывают на разнокачественное состояние органического вещества, причем эффекты в области 350-400°С более объемные, что указывает на содержании в составе органического вещества большего количества периферических частей гумусовых кислот.
Для чернозема содержание органического вещества 6.79%. В верхнем гори зонте солонцовой почвы органического вещества меньше - 2.86%, в иллювиальном горизонте 5.15%, что возможно за счет связывания гуминовых и фульвокислот иона ми натрия и выведении их солей в нижние горизонты, т.е. о накоплении органических коллоидов в солонцовом горизонте. Содержание органического вещества, рассчитан ное по данным термоанализа, коррелирует с данными содержания гумуса по Тюрину.
Во всех образцах чернозема присутствует в небольших количествах кварц, гли нистые минералы монтмориллонитовой группы и каолинита. На кривые нагревания монтмориллонита оказывает значительное влияние изоморфное замещение алюминия железом и магнием в октаэдрических слоях решетки минерала. Железо способствует понижению, а магний повышению температуры эндотермического эффекта выделе ния конституционной воды и разрушения минерала. В магнезиальных разностях (са понитах) почти вся конституционная вода выделяется в интервале температур 800 900°С. Необходимо учитывать влияние на характер термограмм различия в обменных ионах ППК. Обменные катионы влияют на интенсивность, температуру и форму тер мических эффектов, как в области низких (20-200°С), так и в области более высоких температур (850-1000°С), когда происходит формирование новых кристаллических фаз и продуктов распада изучаемых минералов. Для зональных почв на кривой ДТА отмечается дополнительный перегиб при температуре 200°С, свидетельствующий о вхождении ионов кальция и магния в обменное состояние. Для солонцов в области этих температур эндоэффект не имеет дополнительных перегибов, что говорит о том, что обменными ионами являются ионы натрия.
По результатам термоанализа зональных и солонцовых почв Западной Сибири можно сделать вывод о том, что они в своем составе содержат сильно набухающие трехслойные глинистые минералы монтмориллонитовой группы и двухслойные ми нералы группы каолинита. Причем, содержание глинистых минералов в зональной почве 2.58-2.35 %. В солонце содержание глинистых минералов возрастает почти вдвое и в иллювиальном горизонте составляет 5.62%.
Коллоидно-химические свойства исследуемых почв Изучение и усовершенствование метода электрофореза для почвенных суспензий Величина заряда почвенных частиц определяется величиной термодинамиче ского потенциала мицелл почвенных коллоидов. В настоящее время не представляет ся возможным измерить эту величину, но достаточно просто определить величину потенциала, являющегося составной частью полного () потенциала коллоидных частиц почвы. Для исследований были выбрали две методики определения дзета потенциала: потенциал протекания с учетом поверхностной проводимости и метод электрофореза на приборе ПАН-1.
Применение метода потенциала протекания, кроме величины -потенциала, по зволяет определить коэффициент фильтрации и средний радиус пор исследуемых почв. При использовании метода электрофореза происходит постоянное механиче ское перемешивание почвенных частиц, в связи с чем, значительная часть почвенно го материала находится во взвешенном состоянии, что позволяет сохранять кинети ческую устойчивость почвенных коллоидов.
В работе использовали две среды: почва - вода и почва - 0.001 М раствор КС1, изучали величину переноса частиц под действием электрического поля разной вели чины и без него. Установлено влияние среды на количество массы переносимых час тиц. Особенно заметен этот процесс в подзолистых и серых лесных почвах, где раз личия в массе перенесенных частиц могут составлять 6-10 раз, например, для гори зонта А1 подзолистой почвы в водной среде и КС1;
также для горизонта А2В. В ос тальных горизонтах подзолистой почвы не наблюдается существенных различий при использовании различных сред. Для серой лесной почвы в верхних горизонтах коли чество перенесенных частиц практически равно, но в нижнем горизонте количество перенесенных частиц в водной среде выше. В черноземных почвах среда практически не оказывает влияния на массу переноса частиц. В засоленных почвах это соотношение, за ис ключением горизонта А2 солончака, сохраняется.
Перенос без электрического поля осуществляется за счет теплового или бро уновского движения частиц под действием градиента концентрации, т.е. в данном случае можно говорить о диффузионной составляющей в процессе переноса частиц.
Таблица 1. Константы скоростей переноса частиц почвы Горизонт Вода КС Почва Диффузионная Электр. со- Диффузионная Электр. со составляющая ставляющая составляющая ставляющая А2 -0.36 - 0.34 -0.36 -0. Дерново подзолистая, А2В -0.49 -0.23 -0.54 -0. Московская В/С -0.66 -0.69 -0.72 -0. обл. С -0.36 -0.67 -0.38 -0. Дерново А1 -0.53 -0.31 -0.53 -0. подзолистая А1А2 -0.38 -0.40 -0.83 -0. Ярославская В/С -0.35 -0.42 -0.52 -0. обл.
А1 -0.52 -0.37 -0.58 -0. Темно-серая В1 -0.55 -0.39 -0.55 -0. лесная В2 -0.41 -0.32 -0.43 0. А1 -0.51 -0.41 -0.45 -0. Солонец В2 -0.49 -0.28 -0.49 -0. полугидро В2 -0.89 -0.36 -0.57 -0. морфный В/С -0.48 -0.43 -0.57 -0. А1 -0.50 -.053 не опр. Не опр.
Солончак ав А2 -0.36 -0.18 0.45 -0. томорфный В1 -0.44 -0.28 -0.44 0. В вариантах опыта под действием электрического поля количество перенесен ных частиц значительно увеличивается. Нами были исследованы различные значения силы тока от 0.3 до 3 мА, причем увеличение силы тока более 2.5 мА не оказывает существенного значения на массу переноса частиц. Перенос частиц под действием электрического поля осуществляется под действием электростатических сил притя жения и может быть назван электростатической составляющей.
Для исследования кинетики переноса веществ в модельных средах мы приме няли однокамерную модель, где концентрация вещества во всех точках постоянного объема камеры считается одинаковой (Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. 1999). В соот ветствии с законом действующих масс dm/dt = - ke m, или m = m0 exp[-ke t], где m – масса вещества в камере (ячейке), ke – константа скорости перехода вещества. Чем больше ke, тем выше скорость переноса частиц. Константы скорости переноса частиц почвы с учетом диффузионных и электростатических составляющих представлены в таблице 1.
При исследовании кинетики переноса частиц, просеянных через разные сита, показано, что в переносе, в основном, участвуют частицы размером менее 0,1 мм.
При этом скорости переноса частиц в электрическом поле увеличиваются в 1,5 раза.
Полученные результаты позволяют оценить вклад диффузионной и электростатиче ской составляющей в перенос частиц почвы: вклад в скорость переноса частиц за счет градиента концентраций достаточно высок и составляет в воде около 45-55% для об разцов серых лесных почв и засоленных почв каштановой зоны. Для других образцов этот вклад составляет менее 30%, но все-таки достаточно весомый, и его необходимо учитывать при последующих расчетах. В системе с водным раствором хлорида калия диффузионная составляющая на уровне 30-45%. Следовательно, необходимо учиты вать данные факторы при оценке коллоидно-химических свойств почвенных частиц, в т.ч. при расчете дзета-потенциала.
Изучение электрокинетических свойств почв различных регионов страны Результаты измерения коллоидно-химических свойств почв представлены в табл.2. Отмечено, что подзолистые, дерново-подзолистые почвы характеризуется низкими значениями рН. Для верхних горизонтов эта величина составляет 3.70-4. для подзолистой и около 5.0 – для дерново-подзолистой, вниз по профилю величина рН увеличивается, но остается кислой. Емкость катионного обмена исследуемых почв невелика и составляет 6.80 -5.00 мг-экв/100 г почвы для подзолистых почв и 16.4-10, мг-экв/100 г почвы, по профилю почвы эта величина колеблется незначительно. Со держание гумуса в верхнем горизонте дерново-подзолистой почвы составляет 2.14%, вниз по профилю резко уменьшается – 0.65-0.21%. Для подзолистой почвы этот пока затель еще ниже. Минералогический состав влияет на содержании коллоидной фрак ции почв, которая является одной из основных единиц ППК. Вследствие высокого содержания ионов Н+ и Al3+ величина -потенциала и самого ППК невысока 3.7 11.97мВ (подзолистая почва), 12-13 мВ (дерново-подзолистая). Ионы Н+ и Al3+ в со ставе ППК данных почв занимают места, которые могли бы в иных условиях зани мать ионы Са и Mg, обеспечивая почве лучшие физико-химические свойства.
Таблица 2. Некоторые коллоидно-химические свойства почв России.
Т*10-10, *10-4, Почва Горизонт, рН ЕКО, мг- Na, % - R см2 сек 10- глубина, см экв/100г от потенциал, См/м ЕКО (-) мВ /г* Cм** Подзол А0(0-2) 3.7±0.12 нет 1.28 3.7 10. полу- 5.01±0.38 10. 2. 4.13±0.12 А1 (2- гидро- 7.54±0.30 9. - 1. А2(22-32) 4.65±0. морф- 10. - 1.89 11.97±0. А2В(46-56) 4.25±0. ный 6.00±0.15 11. 2. В/С(68-78) 3.34±0.11 8. - 1.75 3.47±0. С(78-98) 3.45±0. 2. 1.8 12.25±0.58 1. нет Дерново- Апах 0-28 5.01±0.10 14. 14.15±0.60 1.10 0. 2. подзоли- А2/В 28-34 10.90 4.97±0. 14.97±0.61 0.91 1. 12.00 - 2. стая, В1 34-57 5.31±0. 15.00±0.55 0.88 1. Моск. 13.90 - 1. В2 57-90 5.12±0. 1.13 1. 1.7 13.67±0. обл. 13. С 90 - 5.42±0. 13.75±0. 18.71 Нет 1. Дерново- А1 (5-27) 6.19±0. 15.79±0. - 2. подзол- А1А2(46-56) 6.26±0.12 16. 1.91 13.10±0. 15.93 стая, В1(73-83 5.88±0. Яросл.
Обл.
22.61 6. 8.40±0. Нет 2. Светло- Апах 0-32 7.28±0.12 37. 6.25 2. 17.33±0. 25.2 0.8 3. кашта- В1 33-42 7.36±0. 3.56 2. 16.25±0. 24.1 1.12 3. новая В/С55-65 8.65±0. 6. 2.93 18.26±0.85 19. Апах 0-25 7.38±0.11 28.7 5. Светло 2.15 1. 3.90 23.93±0. 34.1 6. каштано- В1 26-41 7.78±0. 1. 4.41 18.45±0.70 2. 4. В/С52-62 8.65±0.10 31. вая слабо солонце ватая 38.74±1.25 1.82 1. 22.1 3. Солонец А1 0-10 8.06±0.06 47. 0.95 0. 47.81±1. 54.1 30.7 4. полугид- В1 10-27 8.34±0. 0.81 0. 31.1 3.90 46.54±1. роморф- В/С 62- 8.72±0.08 42. ный Не опр.
47.34±1.10 Нет Солон- А1 (0-5) 1050±0.05 94. Не опр 37.26±1.20 Нет чак ав- А2(5-25) 9.52±0.10 70. 0. 32.55±1.0 0. томорф- В1(25-35) 10.76±0.15 60. 0. 30.80±1.10 0. ный В2(35-45) 9.58±0.14 38. 1. 37.20±1.15 1. В/С 8.45±0.15 32. 3.44 16.14±0. Нет Черно- А1 (5-25) 6.89±0.08 53. 17.24±0. 54.72 - 3. зем А1 (5-25) 6.62±0. обык- залежь 4.26 19.34±0. новен- В1 (35-45) 6.68±0.00 37. ный Темно- А1 (2-30) 6.17±0.04 Нет 3.24 15.54±1. серая В1 (43-53) 5.62±0.07 - 3.74 15.31±1. лесная В2(65-75) 5.85±0.05 - 2.88 18.45±1. *- Т- коэффициент фильтрации;
** R- средний радиус пор.
Ca2+ и Mg2+ по своим коагулирующим свойствам уступают Н+, и при их незна чительном количестве, не оказывают большого влияния на заряд почвенных коллои дов и всего ППК в целом. Невысокий заряд коллоидной фракции, обеспечивает поч вам бесструктурность а низкое значение рН - к разрушению небольшого количества коллоидов, вследствие кислотного гидролиза, тем самым, создаются условия для не высоких в агрономическом отношении свойств подзолистых и дерново-подзолистых почв.
Дерново-подзолистые почвы Ярославской области имеют рН = 6.19-6.26. В данных почвах увеличивается количество органического вещества, гумус верхнего горизонта составляет 3.90%, в составе обменных оснований отсутствуют ионы Н+ и Al3+ (кроме нижних горизонтов);
количество ионов Са и Mg увеличивается и состав ляет 11.9 -14.3 мг-экв/100 г кальция и 2.4-5.8 мг-экв/100 г магния. Обменными ио нами ППК становятся ионы Cа и Mg, по своим коагулирующим способностям усту пающие ионам водорода и алюминия. Вследствие этого заряд почвенных коллоидов серых лесных почв увеличивается по сравнению с подзолистыми почвами. Несколько изменяется минералогический состав серых лесных почв, увеличивается содержание глинистых минералов и как следствие, количество коллоидов в составе почвы. Орга ническое вещество серых лесных почв вследствие слабокислой реакции среды, более диссоциировано. Таким образом, изменения в свойствах серых лесных почвах отра жается на величине -потенциала, его значения составляют 13.75-15.79 мВ. Вследст вие этого увеличивается поглотительная способность почвы, почвы становятся более структурными, увеличивается коэффициент фильтрации и средний радиус пор 6.30 7.00 10-10 см3 с/г и 7.15- 8.54 10-5 см соответственно. Таким образом, с увеличе нием заряда почвенных коллоидов изменяются свойства почвы.
Светло-каштановая почва – зональная почва региона, наиболее плодородная.
рН верхних горизонтов – нейтральный – 7.28-7.36, вниз по профилю увеличивается и в горизонте В/С становится щелочным, равным 8.65. Емкость катионного обмена увеличивается по сравнению с дерново-подзолистой почвой в 2-3 раза и составляет в верхнем горизонте 37.0 мг-экв/100 г почвы, в нижних горизонтах – 24.1-25.2 мг экв/100 г почвы. Также увеличиваются и значения удельной электрической проводи мости, что указывает на повышение концентрации почвенного раствора. В составе обменных катионов появляются ионы натрия. В верхнем горизонте его практически нет, в горизонте В1 его содержание 0.8% от ЕКО, в горизонте В/С – 1.12%.
Электрокинетический потенциал светло-каштановой почвы находится в преде лах его критических значений, что можно объяснить более высокой концентрацией почвенного раствора и состоянием органических коллоидов в нейтральной среде. В горизонте В1 -потенциала 17.33 мВ, вниз по профилю его величина увеличивается, так же как рН, удельная электрическая проводимость.
Светло-каштановая почва обладает хорошими фильтрационными свойствами.
При таких значениях электрокинетического потенциала коллоиды почвы коагулиру ют, объединяясь в крупные агрегаты, создавая хорошую почвенную структуру. Об этом свидетельствуют коэффициенты фильтрации и среднего радиуса пор, которые вниз по профилю понижаются, но остаются достаточно высокими. Зона каштановых почв находится в регионе, где создаются условия для образования солонцового про цесса – повышенная минерализация грунтовых вод, при значительной концентрации солей натрия, выпатной почвенный режим и т.д.
В солонцах рН равновесных растворов примерно на единицу выше, чем соот ветствующих горизонтов зональной светло-каштановой почвы, почти в 2 раза по сравнению с зональной почвой увеличивается ЕКО, отмечается высокое содержание ионов натрия, поэтому данные почвы можно отнести к многонатриевым. Значение удельной электрической проводимости также увеличивается по сравнению с зональ ной почвой. Увеличение щелочности в солонцовой почве обусловлено высоким со держанием содовых солей натрия. Высокое содержание карбонат и бикарбонат– ионов в почвенном растворе уменьшает концентрацию ионов кальция и магния, т.к.
карбонаты кальция и магния мало растворимы в воде, увеличивает долю натрия в со ставе ППК. Карбонат-ионы адсорбируются твердой поверхностью СаСО3 (в нашем случае MgСО3, как преобладающий ион в составе ППК) в качестве потенциалопреде ляющих, создают повышенный термодинамический потенциал почвенных частиц. В щелочной среде повышается диссоциация кислотных групп органического вещества, приводящая к повышению ионизации. Все это приводит к повышению плотности за ряда поверхности коллоидных частиц солонца, т.е. термодинамического потенциала, а повышенное содержание ионов натрия, имеющих наименьшую коагулирующую силу, приводит к повышению электрокинетического потенциала. Величина электро кинетического потенциала солонцовых почв увеличивается по сравнению с зональ ной светло-каштановой почвой практически в 2.5-3 раза. При такой величине потенциала почвенные коллоиды из-за электростатического отталкивания ионов на ходятся в устойчивом состоянии (золя), обладая высокой степенью дисперсности.
Лучшими, в агрономическом отношении, изучаемыми нами почвами являются черноземы. Богатство черноземов органическими и минеральными соединениями, глинистыми и коллоидными частицами обуславливают высокую емкость поглоще ния. В составе обменных оснований черноземных почв преобладают ионы кальция и магния. Высокая насыщенность ППК основаниями и высокое содержание гумуса обуславливает рыхлое сложение гумусового горизонта, хорошую воздушно- и водо проницаемость, высокую влагоемкость. Таким образом, черноземы обладают лучши ми, чем другие почвы, физико-механическими и физико-химическими свойствами и отличаются высоким естественным плодородием. Изучаемые почвы характеризуют ся: высоким содержанием гумуса – 6-8.55%;
нейтральной или слабо-кислой реакцией среды;
в составе обменных оснований преобладают ионы кальция, их содержание со ставляет 33.7-41.2 мг-экв/100 г;
в составе глинистых минералов находятся высоко дисперсные минералы группы монтмориллонита и гидрослюд. Концентрация поч венного раствора по данным удельной электрической проводимости выше, чем в дру гих почвах. Все перечисленные параметры создают данным почвам определенное со стояние коллоидной фракции.
Органические коллоиды в нейтральной среде находятся в диссоциированном состоянии, повышая тем самым заряд поверхности частиц. Двухвалентные ионы Са и высокая концентрация почвенного раствора приводят к коагуляции почвенных кол лоидов. Именно при таком значении - потенциала – 20-24 мВ, коллоиды почвы пе реходят в состояние необратимых гелей. Такая величина заряда коллоидов приводит к тому, что почвенные частицы объединяются в более крупные агрегаты, создавая тем самым хорошую структуру и фильтрационную способность почв. Так коэффи циент фильтрации черноземных почв в несколько раз выше, чем в почвах других зон и составляет 39-42*10-10 см3 сек/г (табл.3).
Таблица 3. Некоторые коллоидно-химические свойства почв Западной Сибири Поглощенные основа потенциал, см2 сек /г* Горизонт, (водный) глубина, ния, Т 10-10, R 10- Na+, % (-) мВ 10-4, Cм** См/м рН м-экв/100г см от ЕКО Mg2+ Сa2+ Na+ Лугово- черноземная А1 6.81 41,2 0.76 6.12 1.66 5.89 17.15 42.6 6. В1 7.50 33,3 1.91 4.48 4.27 6.10 18.40 6.25 2. В/С 8.57 26,3 1.63 7.00 4.12 5.00 16.20 3.56 2. Солонец лугово-степной А1 8.75 13.3 15.4 2.51 50.1 1.04 25.5 1.82 1. В1 9.92 10.7 22.3 2..34 63.7 1.15 42.2 0.95 0. В/С 9.76 11.3 26.3 2.61 78.3 1.28 39.6 0.81 0. Удельная электропроводность водной вытяжки чернозема 5.89-6,1*10-4 См/м. В составе обменных катионов чернозема преобладают двухвалентные ионы кальция и магния, поэтому величина -потенциала черноземной почвы находится в нижнем пределе его критического значения -17.15-18.40 мВ. В связи с этим почвенные час тицы объединены в крупные агрегаты, средний радиус пор достигает величины 2,01 6,2110-5 см.т Все это, в конечном итоге сказывается на плодородии данных почв, ко торые являются лучшими почвами изучаемого региона.
Солонцы Западной Сибири характеризуются рядом особенностей, отличающих их от солонцов других зон. Наиболее характерными из них являются: присутствие карбонатов кальция;
высокая щелочность почвенного раствора, обусловленная гид ролизом карбоната натрия;
высокое содержание гумуса. Для солонцовых почв рН верхнего горизонта щелочной, вниз по профилю увеличивается практически до 10.
Активность карбонат-ионов увеличивается за счет гидролиза Na2CO3, что способст вует повышению заряда почвенных частиц и приводит к повышению величины дзе та-потенциала, который в иллювиальном горизонте составляет 42.2 мВ. В этом гори зонте отмечаются низкие значения коэффициента фильтрации и среднего радиуса пор. С увеличением дзета-потенциала увеличивается степень дисперсности почвен ной массы, уменьшается средний радиус пор, который составляет для иллювиального горизонта 0.8210-5 см. Для солонца отмечается очень низкая фильтрационная спо собность 1.81-0.8110-10 см2·сек/г. Солонцы стационара обладают низким плодороди ем, даже при одинаковых значениях таких параметров, как количество органического вещества и содержанием кальция почвенного раствора, данная почва переходит в разряд малопродуктивных.
Таким образом, на основании результатов наших исследований, можно сделать вывод, что все свойства почв, такие как рН, количество гумуса, емкость катионного обмена, состав ППК, концентрация почвенного раствора и др., прежде всего отража ются на состоянии почвенных коллоидов. Т.е. величина -потенциала в 20-24 мВ как и другие свойства, обеспечивают черноземным почвам хорошие в агрономическом отношении свойства. Ниже этой величины, как показано при исследовании серых лесных, дерново-подзолистых и подзолистых почв, коллоиды находятся в неустойчи вом состоянии, легко разрушаются при кислотном гидролизе, не создают хорошей почвенной структуры. Выше этой величины коллоиды почвы переходят в состояние устойчивых золей, определяя тем самым высокую дисперсность почв, плохую ост руктуренность почвенных агрегатов, низкую водопроницательность, что мы и на блюдали в засоленных почвах каштановой зоны.
Исследование набухаемости почв Набухание как свойство, отражающее степень дисперсности (коллоидность) почв зависит от минералогического, гранулометрического состава, состава обменных оснований. Тяжелые почвы, особенно насыщенные натрием, сильно набухают при увлажнении и «садятся» при высыхании. Эти свойства крайне неблагоприятны, т.к.
вызывают растрескивание почвы и разрыв корневой системы растений. Увеличение объема почвы происходит за счет оболочек связанной воды, которые формируют коллоидные частицы почвы. Эти оболочки уменьшают силы сцепления между части цами, раздвигают их и способствуют увеличению объема почвы. В работе изучались константа набухаемости (К), которая является мерой скорости набухания, показатель максимальной емкости набухания (Qm ). Эти показатели сравнивались с величиной электрокинетического потенциала коллоидов почв. Результаты исследования пред ставлены в таблице 4.
Таблица 4. Константы набухания и величины предельной набухаемости Qm, см3/г Показатели Гумус - потенциал, мВ K Дерново-подзолистая 92,6 0, Апах 2,01 12, 14,15 71,9 0, А2/В 0, 76,9 0, В1 0,38 14, Светло-каштановая 157 0, 13, Апах 2, 148 0, 17, В1 1, 0, Не опр. 16,4 С Солонец полугидроморфный Апах 2,34 38,7 238 0, В1 1,72 47,8 196 0, В/С Не опр. 46,5 167 0, НСР05 0,05 0,8 2,96 0, Для верхнего горизонта дерново-подзолистой почвы отмечается наибольшее значение величины емкости набухания и константы скорости набухания. Вниз по профилю емкость набухания уменьшается, т.к. резко снижается количество органи ческого вещества. Наименьшей скоростью набухания обладает горизонт В1, что мож но объяснить тем, что в нижних горизонтах содержание глинистых минералов стано виться больше, по сравнению с горизонтом А. Величины предельной набухаемости дерново-подзолистой почвы и скорости ее набухания небольшие, т.к. в ее составе со держится небольшое количество почвенных коллоидов, что коррелирует с невысокой величиной электрокинетического потенциала, т.е. почвенные коллоиды находятся в скоагулированном состоянии. При малом значении заряда коллоидов степень гидра тации их невелика, и это отражается на величине набухаемости.
Для почв каштановой зоны емкость набухания в 2-3 раза выше, чем в дерново подзолистых почвах, что объясняется и составом поглощенных оснований ППК этих почв и их минералогическим составом.
Сравнение предельной набухаемости верхних горизонтов светло-каштановой почвы и солонца показывает, что у солонца эта величина в полтора раза выше, что связано с более высокой степенью дисперсности. Величина -потенциала солонца выше, чем у светло-каштановой почвы. Коллоиды солонца находятся в состоянии зо ля, не объединены в агрегаты, тем самым имеют высокую степень дисперсности, что и отражается на величине набухаемости. Константа набухания у солонца вдвое меньше, чем у светло-каштановой почвы. В нижних горизонтах светло-каштановых почв значения емкости набухания соизмеримы, а скорость набухания возрастает вниз по профилю, что связано с возрастанием содержания хорошо набухающих глини стых минералов. В солонцовой почве отмечается наибольшее значение величины ем кости набухания. В горизонте В1, где величина электрокинетического потенциала наибольшая – 47.8 мВ, константа скорости – наименьшая - 0.024, что связано с боль шим содержанием высокодисперсных частиц, способных удерживать большее коли чество воды. Набухание нижних горизонтов солонцовых почв обусловлено преимуще ственно минеральной частью почвы.
При изучении набухания чернозема обыкновенного мы получили довольно вы сокие показатели емкости и скорости набухания – выше, чем в почвах других зон.
Объясняется это тем, что заряд почвенных частиц (величина -потенциал чернозема 22.35-21.45 мВ) у чернозема выше, чем в других изучаемых почвенных зонах С уве личением заряда частиц связано увеличение степени гидратации этих частиц, а, сле довательно, и набухания, что мы и видим по результатам наших исследований. Так же, чем выше заряд частиц, тем выше степень дисперсности и тем больше их удель ная поверхность. А с увеличением суммарной поверхности увеличивается и количе ство связанной воды, что в первую очередь отражается на увеличении объема, яв ляющегося мерой набухаемости почв.
Величина емкости набухания чернозема обыкновенного составляет 192 и м /см соответственно для верхнего горизонта и горизонта В2. Скорость набухания «К» - выше в горизонте А1 – 0.635, для горизонта В2 она составляет 0.112. По литера турным данным известно, что скорость набухания органического вещества выше по сравнению с минеральной частью. В горизонте А1 содержание гумуса составляет 8. %, что в 5.7 раз выше, чем в горизонте В2, т.е. верхний горизонт чернозема более гидрофилен, поэтому и скорость набухания у него выше.
Скорость набухания во многом зависит от минералогического состава почв. В черноземе обыкновенном содержание глинистых минералов намного выше, чем в почвах других изучаемых регионов. В составе минералов преобладают хорошо набу хающие трехслойные минералы группы монтмориллонита. Эти минералы более дру гих впитывают и удерживают воду, что и отражается на величине скорости и набуха ния чернозема.
Наивысших величин емкость набухания достигает в солонцах Западной Сиби ри. Емкость набухания солонца составляет 425, 405, 400 м3/см соответственно по ге нетическим горизонтам. Кроме высокого заряда частиц почвы (-потенциал = 42. мВ), солонцы Западной Сибири имеют высокое содержание гумуса, практически в раза выше, чем в каштановом солонце. Количество поглощенного натрия также вы ше, чем в каштановых солонцах. По составу глинистых минералов почвы обогащены минералами группы гидрослюд и монтмориллонита. Все это и сказывается на степе ни набухания солонцов Западной Сибири. Скорость набухания солонцов Сибири ни же, чем в черноземных почвах Европейской части России и практически соизмерима с каштановыми солонцами. Причем, скорость набухания в иллювиальных горизонтах обоих солонцовых почв меньше, чем в других горизонтах и величины -потенциала соиз меримы – 47.81 мВ в каштановых солонцах, 42.2 мВ в солонцах Сибири. Предельная набухае мость почв по данным многочисленных исследований, которые подтверждаются и нашими исследованиями, зависит от содержания органического вещества, а точнее его гидрофильности;
минералогического состава почв;
состава поглощенных катио нов;
общей удельной поверхности;
величины заряда почвенных частиц.
Нам представляется, что общим критерием набухаемости почв может служить величина электрокинетического потенциала, являющаяся комплексной характеристи кой физического и физико-химического состояния почв. В этой величине отражаются такие показатели как гранулометрический и минералогический составы почвы, структура ППК, содержание и состав органического вещества, концентрация поч венного раствора.
Таким образом, зональные почвы разных регионов, имеющие в своем составе разные по количеству и состоянию коллоидные частицы, обладают при этом и раз личной способностью к набуханию. Чем выше электрокинетический потенциал поч венных коллоидов, тем выше емкость набухания.
Определение удельной поверхности почвенных частиц, теплоты смачивания и влажности устойчивого завядания Результаты расчета удельной поверхности исследованных образцов почвы приведены в таблице 5. Минимальная поверхность и самые крупные частицы наблю дается для образцов дерново-подзолистой почвы. Удельная поверхность для остальных об разцов варьирует от 70,5 м2/г для дерново-подзолистых почв до 220,4 м2/г для чернозема.
Интегральной характеристикой величины и энергии поверхности почв при взаимодействии их с водой и определяющей их гидрофильность является теплота смачивания. Из результатов таблицы следует, что по величинам теплоты смачивания большинство исследованных образцов в отношении гидрофильности можно характе ризовать как активные и весьма гидрофильные (Q более 60 Дж/г), гидрофильным (Q=41-60 Дж/г) и умеренно гидрофильным (Q=21-41 Дж/г). Слабо гидрофильных почв с теплотой смачивания менее 12 Дж/г в наших образцах не имеется.
Таблица 5. Максимальная гигроскопичность, влажность устойчивого завядания, удельная поверхность и интегральная теплота смачивания изученных образцов почв Образец Максимальная гигро- Влажность ус- Удельная по- Интегральная те скопичность, % тойчивого завя- верхность поч- плота смачива вы, м2 /г дания, % ния, Дж/г Дерново-подзолистая, Московская обл.
А0(0-2) 0,73 1,10 7.9 24. А1(2-15) 3,30 4,94 90.7 59. А2 (22-32) 2,37 3,56 70.5 58. А2В (46-56) 6,73 10,10 153.0 63. В/С(68-78) 4,98 7,47 120.9 83. С(78-98) 0,62 0,93 3.1 25. Дерново-подзолистая, Ярославская обл.
А1(5-27) 3,51 5,26 90.6 68. А1А2(28-38) 5,43 8,14 142.3 70. В1(73-83) 5,92 8,88 139.0 65. Чернозем обыкновенный А1(5-25) 7,69 11,54 192.2 69. А1 (залежь) 11,78 17,67 204.8 93. В1(35-45) 8,66 12,99 220.4 72. Темно-серая лесная А1 (2-30) 6,87 10,30 146.2 86. В1(43-53) 6,41 9,62 152.6 62. В2(65-75) 6,92 10,38 157.1 48. Солонец полугидроморфный А1 (0-22) 9,58 14,37 108.1 71. В2(63-73) 9,94 14,91 199.7 65. Вк (89-99) 9,51 14,26 192.0 64. В/С 10,84 16,26 248.5 81. Солончак автоморфный А1 (0-5) 7,81 11,72 219,5 53, А2(5-25) 3,75 5,63 94.7 59. В1(25-35) 8,58 12,87 167.5 55. В2(35-45) 6,57 9,85 174.0 63. В/С 7,84 11,76 219.2 53. Исследование коллоидно-химических свойств почвы опыта ЦТЗ При исследовании дерново-подзолистой почвы опыта центра точного земледе лия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева нами были определены все показатели коллоидно-химических свойств, которые были отмечены ранее. Для выбора из боль шого массива образцов тех, для которых в последующем определены все показатели нами применена методика анализа БИК-спектров почв. Метод термоанализа позволил оценить в образцах количественное содержание органических и минеральных компо нентов для последующей привязке к местности.
Установлено, что исследуемые образцы имеют различные параметры изучае мых показателей: содержание гигроскопической воды во всех образцах находится в пределах 0,5-1,5%, при этом на поле №4 этот показатель самый низкий, вероятно, из за высокого водопотребления культуры (озимая пшеница). Органическое вещество разнокачественного состава соответствует нормам для данной почвы, «старое» орга ническое вещество преобладает по количеству над «молодым» - легкодоступным. Во всех образцах наблюдается достаточное высокое содержание кварца до 2,5%, что обуславливается различным минеральным составом материнской породы. Глинистые минералы представлены смешаннослойными минералами гидрослюды и каолинита, что является типичным для дерново-подзолистой почвы. Различие в коллоидно химических свойствах образцов, характеризующих различные поля с изучаемыми в опыте культурами (озимая пшеница и ячмень), различной основной обработкой (от вальная и минимальная) и интенсивностью технологии возделывания (традиционная и точная) вносит свой вклад в объяснение различия по урожайности культур.
ВЫВОДЫ 1. По данным термического и термогравиметрического анализа минералогиче ский состав почв регионой страны различен. В составе подзолистых и дерново подзолистых почв преобладают первичные минералы. В серых лесных почвах уве личивается количество вторичных минералов, в черноземах их количество наиболь шее. В иллювиальных горизонтах засоленных почв количество глинистых минералов в несколько раз выше, чем в зональных.
2. Установлено, что величина электрокинетического потенциала зависит от со става и содержания преобладающих минералов почвы. При невысоких значениях электрокинетического потенциала в почве присутствуют преимущественно первич ные минералы;
при повышении -потенциала увеличивается содержание глинистых минералов.
3. Измеряя величину электрокинетического потенциала, можно дать интерпре тацию химического состава ППК различных почв. Так, если величина дзета потенциала исследуемой почвы ниже критической величины, то в составе обменных ионов находятся 2-х и 3-х валентные катионы (Са2+, Al3+ или ион водорода). Если ве личина дзета-потенциала почвы выше его критического значения, то в составе ППК содержатся одновалентные катионы, например, Na+.
4. Физико-химические свойства почвы во многом зависят от состояния почвен ных коллоидов. Характеристикой состояния коллоидной системы почвы может слу жить величина электрокинетического потенциала. При оценке коллоидно химических свойств почв и расчете электрокинетического потенциала необходимо учитывать вклад диффузионной и электрической составляющей в перенос частиц почвы. Вклад в скорость переноса частиц за счет градиента концентраций в воде со ставляет 45-55% для дерново-подзолистых и засоленных почв каштановой зоны, для других почв - менее 30%, в растворе хлорида калия для всех исследованных почв 30-45%. Такую оценку рекомендуется проводить по усовершенствованной методике работы на приборе ПАН-1.
5. Поскольку критической величиной электрокинетического потенциала явля ется величина 18-23 мВ, то ниже этого значения, коллоиды почвы переходят в со стояние неустойчивого геля;
с увеличением последней, возрастает степень дисперс ности почвенных частиц, почвенные коллоиды переходят в состояние устойчивого геля, выше 23 мВ– в состояние устойчивого золя, что отражается на свойствах почвы.
6. С величиной электрокинетического потенциала связаны такие показатели состояния почвы, как средний радиус пор и коэффициент фильтрации, что, в первую очередь, отражается на водно-физических свойствах данной почвы. Четкая корреля ция наблюдается между величиной электрокинетического потенциала и показателями почвенно-гидрологических констант – максимальной гигроскопичности и влажности завядания. Такая же зависимость наблюдается и для удельной поверхности почвы.
7. Величина электрокинетического потенциала в засоленных почвах в 2.5- раза выше, чем в зональных, на основе которых они образуются.
8. Величину электрокинетического потенциала можно использовать для харак теристики почв и процессов в ней происходящих, наряду с другими общепринятыми показателями.
9. Показано, что для светло-каштановой почвы окислительно-восстанови тельный потенциал выше, чем для дерново-подзолистой, вниз по профилю его значе ние понижается. В засоленных почвах ОВП возрастает, в иллювиальных горизонтах солонца и солонцеватой почвы его значения максимальны, так же как и значение электрокинетического потенциала. ОВП всех изученных почв находится в пределах 200-700 мВ, что является благоприятным для роста и развития растений.
10. Показано, что для дерново-подзолистой почвы в опыте Центра точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева характеристикой пространственно го варьирования показателей плодородия почвы могут быть использованы результа ты БИК-анализа, термоанализа, в т.ч. энергии активации компонентов почвы, кото рые для полей №1, №2, №3 и №4 соответственно равны 22,5;
21,0;
9,8;
27,5 кДж/моль (для гигроскопической воды) и 665,9;
902,6;
636,1;
649,0 кДж/моль (для органическо го вещества). Установлено, что содержание гигроскопической воды находится в пре делах 0,5-1,5%, а «старое» органическое вещество преобладает по количеству над «молодым» и легкодоступным.
Список публикаций по теме диссертации 1. Шнее Т.В., Кончиц В.А., Шевченко А.А., Белопухов С.Л. Исследование колло идно-химических свойств зональных и солонцовых почв Омской области// Бутлеров ские сообщения, 2010, Т.21, №7.С.74-77.
2. Мамонтов В.Г., Кузелев М.М., Шевченко А.А., Кончиц В.А. Характеристика фракций гуминовых кислот обыкновенных черноземов по данным термического ана лиза // Плодородие, 2010, №2, С.36-37.
3. Шевченко А.А. Солонцы как лиофобные коллоидные системы Электронное из дание ФГУП НТЦ «Информрегистр», Рег. Св-во №20575 от 1 ноября 2010 г., № гос. ре гистрации 0321002212, «Сб. матер. Науч.-техн. конф, посвящ. 75-летию кафедры физиче ской и коллоидной химии, 17 декабря 2008 года», С.42-58.
4. Шнее Т.В., Шевченко А.А., Белопухов С.Л. Применение электрокинетического потенциала при анализе солонцов Матер. Всерос. науч.-практ. конф. «Аграрная наука – сельскому хозяйству», 27-28 января 2009.- Курск.- Курская ГСХА имени профессо ра И.И. Иванова, ч.2, С.156.
5. Шнее Т.В., Шевченко А.А., Белопухов С.Л. Применение физико-химических методов при анализе солонцовых почв Матер. Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых Иркутской ГСХА, Иркутск, май 2009.- Иркутская ГСХА.-С.85-86.
6. Шнее Т.В., Шевченко А.А., Захаренко А.В., Белопухов С.Л. Роль электрокине тических свойств почв в агротехнологиях возделывания льна, Матер. Всерос. науч. практ. конф. «Повышение конкурентоспособности льняного комплекса России в со временных условиях».- Вологда, 26 февраля -1 марта 2009, ЦНИИЛКА, С.187-188.
7. Шнее Т.В., Шевченко А.А., Белопухов С.Л. Солонцовые почвы и изменение электрокинетического потенциала Сб. докл. науч.-техн. конф. молодых ученых РУДН, М.: Изд-во РУДН, 2009, С.212-214.
8. Шевченко А.А., Шнее Т.В., Белопухов С.Л. Физико-химические методы анали за солонцовых почв Сб. докл. науч.-техн. конф. молодых ученых Уральской ГСХА, Екатеринбург, Уральская ГСХА, 2009, С.89-91.
9. Шевченко А.А., Шнее Т.В., Белопухов С.Л. Исследование городских почв тер моаналитическими методами и расчет их термодинамических характеристик Мате риалы междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность городской среды», Ярославль 12 13 окт 2010, С.132-133.
10. Белопухов С.Л., Шнее Т.В., Старых С.Э., Захаренко А.В., Шевченко А.А., Ме тодические указания по проведению испытаний биологических образцов методом термической гравиметрии и дифференциального термического анализа, М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 2010.- 46 с.
11. Белопухов С.Л., Шнее Т.В., Шевченко А.А., Термоаналитический комплекс.
Технические условия. ТУ 6630-001-00492931-2010, 16 с.
12. Шевченко А.А., Шнее Т.В., Белопухов С.Л. Сравнение влияния доз химических мелиорантов, рассчитанных различными способами, на коллоидно-химические свойства солонцовых почв// Матер. Всерос. науч.-практ. конф. «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях (15-18 февраля 2011 г.), Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА., 2011, Т.1., С.175-177.