Оценка свойств, процессов и режимов кислотно-основного состояния дерново-подзолистых почв

В работе предлагается оценка кислотно-основного состояния почв с учетом взаимосвязей свойств протекающих процессов и режимов. Показана информативность оценки фракционного состава кислотно-основных систем, кинетики протекающих процессов, суспензионного эффекта, буферной емкости в разных интервалах рН, депонирующей способности почв к ионам, определяющим их кислотно-основное состояние.

Предлагается оценка оптимальных показателей кислотно-основного состояния почв с использованием принципов обратной связи: введение элементов в суспензию почв - анализ ответной реакции растений, развивающихся на этой суспензии, по параметрам фотосинтеза - поиск экстремума.

Показано, что изменение кислотности почв в значительной степени обусловлено процессами комплексообразования, эффектами протонирования и гидратообразования комплексов органических лигандов и поливалентных катионов. Показана целесообразность использования водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков для повышения растворимости СаСОз и целенаправленного изменения констант обмена Н+, Fе²⁺, Мп²⁺, А1³+ из ППК на ион Са²+.

Показано, что усиление дернового процесса почвообразования приводит к подтягиванию в Ап почв Са, Мg, К и переходу их из необменного состояния в обменное, что позволяет увеличить сроки между повторными турами известкования дерновоподзолистых почв.

Ключевые слова: кислотность почв, свойства, процессы, режимы почв

Введение

Повышенная кислотность дерново-подзолистых почв в значительной степени снижает биопродуктивность угодий, урожай с/х культур, является фактором, обусловливающим ряд последовательных реакций, приводящих к деградации почв и к ухудшению экологического состояния компонентов биогеоценозов. Однако взаимосвязи кислотно-основного состояния почв и их окислительно-восстановительного состояния с трансформацией свойств почв изучены недостаточно. К сожалению, в настоящее время при оценке кислотно-основного состояния почв не учитывают взаимосвязи свойств, процессов и режимов почв, что снижает эффективность известкования почв.

В проводимых исследованиях не учитывается кинетика процессов, определяющих кислотно-основное состояние почв, депонирующая способность почв к кислотноосновным компонентам, влияние рН на взаимосвязи свойств почв.

Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы Московской области разной степени окультуренности, развитые на покровных суглинках [1].

Методика исследования состояла в оценке агрохимических и физико-химических свойств почв рекомендуемыми методами [2], в компостировании почв в течение различного времени при избытке воды и определении в почвах фракционного состава кислотно-основных систем, буферной емкости, суспензионного эффекта, депонирующей способности почв, кинетики процессов, содержания в почвах положительно и отрицательно заряженных соединений методом химической автографии на основе электролиза, анализа инфракрасных спектров почв [1, 3-5].

1. Кислотно-основные свойства дерново-подзолистых почв

В проведенных исследованиях доказывается, что кислотно-основное состояние почв наиболее полно характеризуется взаимосвязями их свойств, процессов и режимов. При этом свойства почв характеризуются фракционным составом кислотно-основных систем почв, кинетикой протекающих процессов, депонирующей способностью почв, определяющей их кислотно-основное состояние, суспензионным эффектом почв в кислотно-основном интервале, буферной емкостью почв в кислотно-основном интервале [1, 6].

По полученным данным, фракционный состав кислотно-основных систем почв целесообразно характеризовать количеством титранта, необходимого для изменения рН в разных интервалах рН, и количеством титранта, необходимого для нейтрализации функциональных групп ППК с разной величиной рКа. Так, для изучения дерновоподзолистых среднесуглинистых почв для нейтрализации функциональных групп с рКа = 2,5 необходимо 0,4 мг-экв./100 г почв, для оттитровки с рКа = 4,0 - необходимо 4,8 мг- экв/100 г., для оттитровки с рКа = 7,1 требуется 3,2 мг-экв./100 г почв [1, 7].

Кислотно-основное состояние почв характеризуется определенной скоростью протекающих реакций, что оценивается уравнениями внешнедиффузионной, внутридиффузионной и химической кинетики разных порядков [6]. Так, при взаимодействии пахотного горизонта дерново-подзолистых почв с водой в течение 5 минут и 5 суток величина рН изменилась с 6,9 до 7,0, Еh - от 327 до 239 мв по ХСЭ, содержание водорастворимого калия - от 11,1 до 23.3мг/л.

Содержание ионов в почвенном растворе и рН среды характеризуются эффективными произведениями растворимости имеющихся осадков, эффективными константами ионного обмена и эффективными константами нестойкости имеющихся в почве комплексов. Это интенсивные параметры, которые не полностью характеризуют содержание подвижных форм ионов в твердой фазе почв [1, 6]. Общее содержание подвижных и водорастворимых форм ионов в твердой фазе почв характеризуется депонирующей способностью почв [1, 6]. По полученным данным, депонирующая способность почв к К+, Са²⁺, Мg²⁺, Н+ была выше в черноземе, по сравнению с дерновоподзолистой почвой, и выше для почв более тяжелого гранулометрического состава.

Величина рН почв и почвенных растворов отличается от рН фильтрата. Для кислых почв она в растворе ниже, чем в фильтрате. Это идентифицируется как суспензионный эффект почв [1]. По полученным данным, величина суспензионного эффекта по рН характеризует генезис и плодородие почв. Важное практическое значение имеет буферная емкость почв в кислотно-основном интервале - способность почв противостоять изменению рН при добавлении к почве кислоты или щелочи. Эта величина отличается не только для разных почв, но и для отдельных горизонтов почвенного профиля. Так, по полученным данным, ДрН при добавлении к почве 1 мл 0,1н №ОН составляло для горизонта Ап - 1,9±0,1, а для горизонта А2В - 1,6±0,1; при добавлении 1 мл 0,1н НС1, соответственно, - 2,4±0,1 и 2,9±0,5.

2. Процессы, определяющие кислотно-основное состояние дерново-подзолистых почв

Агроэкологическая характеристика почв определяется не только кислотноосновными свойствами, но и протекающими процессами: изменением рН в прикорневой зоне растений при внесении в почву удобрений и мелиорантов, изменением кислотноосновных свойств почв во времени и в зависимости от погодных условий. Так, при увеличении продолжительности избыточного увлажнения почв изменяется не только Е^ но и рН, и содержание водорастворимых форм N03. Это иллюстрируют данные таблицы 1.

Таблица 1. Влияние анаэробных условий на свойства дерново-подзолистых почв

Примечания: 1 и 15 недель компостирования при избыточной влажности

При внесении удобрений в почву подвижность в ней биофильных элементов закономерно изменяется при волновом распространении реакции от центра внесения удобрения. Так, при внесении в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву N^N03 содержание К мг/л в 6 см от зоны внесения составляло 28,1±4,5 мг/л (П:Ш0 =1:2), а в 12 см - 12,2±1,9; содержание Fе, соответственно, - 44,4±17,8 мг/л и 4,9±1,9 мг/л.

При наличии в почвах водорастворимых органических веществ при изменении рН при кислых реакциях среды протекают процессы протонирования образовавшихся комплексов, а при щелочной реакции - процессы гидратообразования поливалентных катионов, входящих в состав комплексов [8-11].

3. Режимы, определяющие кислотно-основное состояние дерново-подзолистых почв

Кислотно-основные режимы в почвах определяются изменением кислотноосновных свойств и процессов во времени и в пространстве. Эти изменения отличаются для отдельных типов и более мелких таксономических единиц почв, для почв плато, склонов, выположенных по рельефу участков. При избыточном увлажнении почв и промывном типе водного режима происходит подкисление почв, при непромывном типе водного режима - подщелачивание дерново-подзолистых почв. Так, по полученным данным, при компостировании почв в условиях оптимальной влажности содержание водорастворимого железа составляло 1,6 мг/л, при компостировании почв затем в условиях избыточного увлажнения содержание водорастворимого железа составляло 74,4 мг/л, а после последующего компостирования в условиях оптимальной влажности снова уменьшилось до 19,1 мг/л. При этом при чередовании режимов увлажнения и иссушения, изменении температуры наблюдается гистерезис изменения физико-химических и агрохимических свойств почв [10]. Степень разомкнутости петли гистерезиса соответствовала степени неравновесности состояния почв.

Режимы кислотно-основного состояния почв характеризуют и протекание почвообразовательных процессов: оглеения, оподзоливания, дернового процесса. По полученным нами данным, для оптимизации плодородия почв необходимо регулирование не только свойств почв, но и скорости и интенсивности протекания почвенных процессов и режимов.

4. Оценка оптимальных параметров кислотно-основного состояния почв

В проведенных исследованиях показана перспективность оценки оптимальных свойств почв с использованием принципов обратной связи [12]. В таблице 2 приведены данные о влиянии на параметры фотосинтеза внесения в суспензию кислой дерновоподзолистой почвы Са (ОН)2.

Таблица 2 Влияние внесения в почву Са(ОН)2 на фотосинтез растений, развивающихся на дерново-подзолистой почве

Как видно из представленных в таблице 2 данных, при добавлении в суспензию почв Са (ОН)2 содержание СО2 в межклетниках и устьичное сопротивление уменьшились, интенсивность фотосинтеза и транспирация возросли.

5. Пути оптимизации кислотно-основного состояния дерново-подзолистых почв

Важное агроэкологическое значение имеет разработка новых способов оптимизации кислотно-основного состояния почв.

По полученным нами данным, это может быть достигнуто внесением в почву органических лигандов, образующих комплексы с Са из СаСОз и Бе²+, Мп²⁺, А1 из ППК. По полученным ранее данным (Савич В.И.), положительное влияние на развитие растений на кислых почвах оказывала и внекорневая подкормка их Са-ДТПА.

Развитие подзолообразования, временного избыточного увлажнения приводят к подкислению почв. Развитие дернового процесса почвообразования способствует нейтрализации почв. Проведенные нами расчеты показали, что при правильном севообороте, грамотной обработке и оптимальной системе удобрений на дерновоподзолистых почвах при отрицательном балансе по К, Са, Мg величина рН стабилизируется.

Усиление интенсивности развития дернового процесса обусловлено подтягиванием корневой системой трав Са, Мg, К из нижних горизонтов в Ап, усилением биохимического выветривания в Ап и переходом Са, Мg, К из необменного в обменное состояние [1, 2, 9].

почва суспензия растение кислотный

Заключение

Проведенными исследованиями показано, что для более полной агроэкологической оценки почв необходима совместная характеристика окислительно-восстановительного и кислотно-основного состояния почв с учетом их свойств, процессов и режимов. Предлагаются методики оценки фракционного состава кислотно-основных систем почв, кинетики протекающих процессов, депонирующей способности почв к кислотноосновным компонентам, буферной емкости почв к Н⁺, ОН^- компонентам. Установлены отличия рассматриваемых параметров для дерново-подзолистых почв разной степени увлажнения и гидроморфизма.

Доказана необходимость оценки взаимосвязей рН, Еh и подвижности биофильных элементов в почвах ДУ/ДрН,ДЕh для более полной агроэкологической характеристики почв.

Предлагается информационная оценка кислотно-основного состояния почв. Так, в дерново-подзолистой почве через 1 и 15 недель компостирования при избыточной влажности величина Еh составляла 233 и 166 мв по ХСЭ, рН - 7,3 и 8,2, содержание N03 мг/л -10^-3 - 5,6 и 0,4.

Предлагается энергетическая оценка кислотно-основного состояния почв, с учетом положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений ионов в почвах, содержания в испарениях из почв положительно и отрицательно заряженных аэроионов по содержанию оксидантов и антиоксидантов в почвенных растворах с использованием метода газоразрядной визуализации. Так, в черноземе содержание антиоксидантов (мкг/г в пересчете на кварцетин) составляло 5,2±1,0, а в дерново-подзолистой почве - 2,1±1,3.

Доказывается необходимость агроэкологической оценки кислотно-основного состояния почв с учетом не только свойств почв, но и протекающих кислотно-основных процессов и режимов. Так, по полученным данным, развитие восстановительных условий и оглеения увеличило отношение водорастворимых Fе/Мп в дерново-подзолистой почве от 0,002 до 0,01; рN0з - от 2,3 до 2,5; в черноземе рN0з - от 1,7 до 2,9.

При изменении в сезонной динамике влажности и температуры почв проявлялся гистерезис. Так, в дерново-подзолистой почве коэффициент корреляции Еh = f(W) составлял -0,39; а при запаздывании на 10 дней - -0,43; коэффициент корреляции Еh = Д!⁰) составлял -0,37; а при запаздывании на 10 дней -0,52.

Доказывается проявление при влиянии кислотно-основного состояния почв на отдельные показатели плодородия почв эффектов синергизма и антагонизма, изменяющихся в разных интервалах рН и Ек Так, в дерново-подзолистых почвах при увеличении рН от 4,5 до 6,0 содержание подвижных фосфатов возрастало, а при рН = 7-8, в связи с образованием Саз(Р04)2, - падало.

Предлагается для оценки оптимальных с агрономической точки зрения показателей кислотно-основного состояния почв использование систем обратной связи и, в частности, введение элементов в суспензию почв (изменение рН, Еh суспензии) - анализ ответной реакции растений, развивающихся на этой суспензии, по параметрам фотосинтеза. Так, при внесении в суспензию дерново-подзолистой почвы СаСО3 интенсивность фотосинтеза развивающихся на суспензии растений возросла от 0,9 до 1,6 ммоль/м² в сек, устьичное сопротивление уменьшилось от 54,9 до 40,1 сек/ом.

Показана целесообразность создания и применения для повышения урожая с/х культур, оптимизации кислотно-основного состояния почв комплексных соединений биофильных элементов с органическими лигандами разлагающихся растительных остатков.

Список использованных источников

1. Гукалов В.В., Савич В.И. Интегральная оценка кислотно-основного состояния почв таежно-лесной и лесостепной зон. - М.: ООО «Плодородие», 2019. - 408 с.

2. Гукалов В.В., Конах М.Д. Влияние дернового процесса на кислотно-основное состояние почв. В сб. «Экология России на пути к инновациям». - Астрахань, АГУ, 2018. - C. 7-11.

3. Вопросы известкования почв, под ред. Шильникова И.А., Акановой Н.И., М. Агроконсалт, 2002. - 292 с.

4. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. - С-Пб., 2005. - 252 с.

5. Шильников И.А., Сычев В.Г., Аканова Н.И., Федотова Л.С. Известкование как фактор урожайности и почвенного плодородия. - М.: ВННИА, 2008. - 340 с.

6. Савич В.И., Сычев В.Г., Балабко П.Н., Гукалов В.В. Энергетическая оценка систем земледелия // Международный с/х журнал. - 2015. - №5. - C. 12-14.

7. Гукалов В.В., Савич В.И., Тазин И.И., Бакланова А.А. Оценка оптимального кислотно-основного состояния в системе почва-растение по параметрам фотосинтеза растений // Плодородие. - 2019. - №1(106). - C. 35-37.

8. Белопухов С.Л., Гукалов В.В., Седых В.А. Влияние органо-минеральных компостов на свойства, процессы, режимы системы почва-растение // Вестник Казанского технолог. ун-та. - 2016. - Т. 19. - №11. - C. 178-181.

9. Гукалов В.В. Комплексообразование как фактор оптимизации кислотноосновного и окислительно-восстановительного состояния почв // Плодородие. - 2020. - №1. - C. 37-40.

10. Савич В.И., Торшин С.П., Белопухов С.Л., Гукалов В.В. Агроэкологическая оценка органо-минеральных и комплексных соединений почв, РГАУ-МСХА. - Иркутск: Мегапринт, 2017. - 228 с.

11 Савич В.И., Белопухов С.Л., Гукалов В.В., Подволоцкая Г.Б. Влияние эффектов протонирования и гидратообразования на вытеснение марганца за счет комплексообразования на дерново-подзолистых почвах // Бутлеровские сообщения. - 2017. - Т. 52. - №12. - С. 46-51.

12. Savich V.I., Borisov B.A., Gucalov V.V. Assessment of optimum soil features and plant compounds deficiency using the methods based on feedback principles // International 2018. - №2. Р. 30-42.

Размещено на Allbest.ru