Исследование коллоидно-химических свойств зональных и солонцовых почв Омской области

Полная исследовательская публикация ___ Шнее Т.В., Кончиц В.А., Шевченко А.А. и Белопухов С.Л.

Размещено на http://www.allbest.ru/

76 _______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2010. Vol.21. No.7. P.74-77.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование коллоидно-химических свойств зональных и солонцовых почв Омской области

Продуктивность земледелия может быть повышена за счет применения более совершенных агротехнологий, прогрессивных приемов обработки почвы, а также новых подходов к мелиорации земель. Наиболее нуждающимися в химической мелиорации являются солонцы. Экологически обоснованные мелиоративные работы позволяют одновременно решить задачи повышения продуктивности слабомелиорированных земель, экономические вопросы снижения дозы вносимого мелиоранта, а также вопросы охраны и улучшения окружающей среды.

В работе проведено исследование коллоидно-химических свойств зональных (чернозем лугово-карбонатный) и солонцовых (солонец лугово-степной корковый, многонатриевый) почв Голубковского стационара Омской ГСХА.

Для направленного воздействия на засоленные почвы, с целью улучшения их свойств и повышения плодородия необходимо хорошо представлять коллоидные свойства их почвенных систем.

Неблагоприятные свойства солонцов, такие как: высокая степень дисперсности почвенной массы, слабая фильтрационная способность, высокая механическая прочность в сухом состоянии, высокая щелочность и др. К.К. Гедройц связывал с повышенным зарядом и гидратацией поверхности почвенных частиц [1]. В работах ученых последующих поколений было установлено более высокое значение электрокинетического потенциала почвенных коллоидов засоленных почв по сравнению с зональными почвами, что и обусловливает различия коллоидно-химических свойств этих почв [2, 3].

Почвенные коллоиды по своей химической природе относятся к гидрофобным коллоидным системам [4]. Мерой устойчивости любой гидрофобной коллоидной системы является величина электрокинетического потенциала. Критической величиной электрокинетического потенциала, при котором коллоидная система почв коагулирует, является величина 18-23 мВ [4]. Применительно к солонцовым почвам в процессе коагуляции уменьшается степень дисперсности почвенных агрегатов, увеличиваются фильтрационные свойства почвы, а, следовательно, повышается ее плодородие.

Нами были изучены такие параметры для зональной и солонцовой почв как - рН водной вытяжки, удельная электрическая проводимость почвенного раствора (ж), содержание поглощенных катионов кальция, магния и натрия, величина электрокинетического потенциала (о), коэффициент фильтрации (Т) и средний радиус пор (R). Результаты представлены в таблице.

химический чернозем многонатриевый коллоидный

Коллоидно-химические свойства исследуемых почв

Примечание: * - коэффициент фильтрации; ** - средний радиус пор.

Зональной почвой изучаемого региона является чернозем лугово-карбонатный, имеющий практически нейтральную реакцию среды в верхних горизонтах рН = 6.24-7.70. Вниз по профилю увеличивается щелочность и рН достигает значений 8.30-8.52. В составе поглощенных оснований присутствуют ионы кальция и магния, причем в верхних горизонтах содержание магния почти в два раза больше, чем кальция. Вниз по профилю содержание кальция увеличивается, а магния уменьшается. В составе поглощенных оснований присутствует натрий, наибольшее содержание его отмечается в горизонтах B₁ и В₂ на уровне 4.28-6.58% от ЕКО. При незначительном содержании поглощенного натрия величина электрокинетического потенциала невелика и достигает величин в 10-13 мВ, что значительно ниже критического значения (18-23 мВ). При таких значениях дзета-потенциала коллоидная система почв находится в состоянии геля, т.е. почвенные частицы объединены в крупные агрегаты, создавая хорошую структуру и фильтрационные свойства почвы. Коэффициент фильтрации зональных почв 8.26-6.06·10¹⁰ см²/с, вниз по профилю коэффициент фильтрации уменьшается почти в 2 раза.

Солонцы изучаемого региона имеют крайне неблагоприятные в агрономическом отношении свойства: обладают низкой фильтрационной способностью, повышенным содержанием воднопептизируемого ила, малым радиусом пор, низкой водопроницаемостью. В увлажненном состоянии почвы сильно набухают и расплываются, образуя гомогенную массу, плохо пропускающую воду и воздух. В сухую погоду весь солонцовый горизонт ссыхается, делается очень прочным. Исследуемые солонцы имеют сильно щелочную реакцию среды - рН верхних гори-зонтов 9.25-9.60 и только в горизонте В/С значение рН уменьшается, но остается еще достаточно высоким - 8.90, что соизмеримо с рН этого горизонта для зональной почвы.

Такое высокое значение рН солонцов обусловлено значительным содержанием в них соды (Na₂CО₃). Содержание ионов натрия, особенно в верхних горизонтах составляет 17.54-19.52 мг-экв/100 г. почвы (или 44-49% от ЕКО), что в десятки раз выше по сравнению с зональной почвой. Вниз по профилю содержание ионов натрия несколько уменьшается, содержание катионов кальция и магния увеличивается и в горизонте В/С становится практически таким же, как в зональной почве. Следует отметить, что в катионном составе как зональной, так и солонцовой почв преобладает ион магния. Вниз по профилю соотношение катионов становится практически равным. Исследуемые солонцы характеризуются высоким значением электрокинетического потенциала - 28.5-42.2 мВ. Наибольшее значение этого показателя отмечается в иллювиальном горизонте солонца.

Такое высокое значение величины электрокинетического потенциала объясняется тем, что в результате высокой щелочности, обусловленной присутствием соды, потенциалопределяющими ионами для почвенных коллоидов являются двухвалентные карбонат-ионы, которые создают высокий заряд почвенным коллоидным частицам (ш-потенциал). Этот заряд компенсируют ионы натрия, входящие в состав противоионов коллоидных частиц почвы. Ионы натрия обладают наименьшей коагулирующей силой, т.е. менее других обменных ионов снижают заряд почвенно-поглощающего комплекса (ППК). В итоге создаются условия для повышенного значения электрокинетического потенциала данной коллоидной системы. Таким образом, электрокинетический потенциал будет являться частью термодинамического, проявляющегося после взаимодействия его с обменными ионами почвенного раствора.

В зональной почве преобладающими ионами являются катионы кальция и магния, их коагулирующая сила, как двухвалентных ионов, в десятки раз выше коагулирующей силы ионов натрия, вследствие этого величина электрокинетического потенциала составляет 10-13 мВ, что в 3-4 раза ниже, чем в солонцах.

При высоком значении электрокинетического потенциала повышается степень дисперсности почвенных частиц, коллоиды почвы находятся во взвешенном состоянии (состояние золя), не объединены в агрегаты, что, в первую очередь, отрицательно сказывается на фильтрационных свойствах почвы. Средний радиус пор солонцовых почв в 5-6 раз меньше, чем в зональных. Для горизонта В₁ он составляет 3.10 и 0.58х10^-5см для зональной и солонцовой почв соответственно.

При таком низком значении среднего радиуса пор и фильтрация незначительна. Коэффициент фильтрации солонцов колеблется в очень узком интервале 0.26-0.34·10^-10 см²·с/г. Поэтому солонцы очень медленно фильтруют воду, что, в первую очередь, отрицательно сказывается на водно-физических свойствах этих почв.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что солонцовые почвы, имея высокое значение электрокинетического потенциала, обладают повышенной степенью дисперсности, малым радиусом пор, низкой фильтрационной и сорбционной способностью и при прочих равных условиях с зональными почвами обладают низким плодородием.

Такие свойства почвы, как емкость поглощения, набухание, фильтрационная способность, количество недоступной растениям воды, в значительной степени определяется минералогическим составом почвы. Поэтому нами было проведено исследование минералогического состава почв дифференциальным термическим и термогравиметрическим методами. Исследовалась вся минеральная часть почв без разделения ее на фракции [5].

В зональных почвах и солонцах отмечается интенсивный эндотермический эффект при температуре 160°С, причем для зональных почв данные эндоэффекты менее выражены, чем на солонце. Эндотермические эффекты низкотемпературной области (100-300°С) связаны с выделением адсорбционной и межпакетной воды в составе глинистых минералов, поэтому по ним можно судить о гидрофильности почвенных агрегатов. В зональных почвах содержание адсорбционной воды несколько ниже, чем в солонцах, а в иллювиальном горизонте солонца этот эндоэффект наиболее выражен, что может свидетельствовать о накоплении мелкодисперсной гидрофильной фракции, т.е. о формировании солонцового горизонта.

При температуре выше 350-400°С сгорает органическое вещество. На всех кривых нагревания (ДТА) исследуемых почв отмечается интенсивный экзотермический эффект при 330-370°C; для солонцовой почвы данный эффект отмечается при более низкой температуре, чем у зональной почвы - 330°С. В данной температурной области отмечаются небольшие сглаженные экзоэффект при температурах 430-480°С. Несколько экзотермических эффекта в области 400-600°С указывает на разнокачественное состояние органического вещества.

По кривым ДТГ и ТГ рассчитано количественное содержание органического вещества исследуемых почв. Для образца зональной почвы, содержание органического вещества составляет 7.65%. В верхнем горизонте солонцовой почвы содержание органического вещества снижается до 2.16%, а в иллювиальном горизонте достигает 4.87%, что может свиде-тельствовать о связывании гуминовых и фульвокислот ионами натрия и выведения их солей в нижние горизонты, т.е. о накоплении органических коллоидов в солонцовом горизонте.

Эндоэффекты в области 560-580°С связаны с удалением конституционной гидроксильной воды и частичной аморфизацией вещества, характерные для глинистых минералов монтмориллонитовой и каолинитовой групп. Эндотермический эффект при температуре 820-850°С связан со структурной перестройкой глинистых минералов монтмориллонитовой группы. Данные термоэффекты наблюдаются в зональной почве, причем вниз по профилю они практически одинаковы. В солонце эндоэффекты при температуре 820-835°С в нижних горизонтах В₃ и С более выражены по сравнению с верхними горизонтами.

Во всех образцах исследуемых почв присутствует кварц, а наблюдаемый эндоэффект при 550-570°С обусловлен обратимым полиморфным превращением б-кварца в в-кварц. Исследуемые почвы содержат карбонаты кальция и магния, о чем свидетельствуют эндоэффекты при 670-720°С.

В зональной почве по всем горизонтам отмечается интенсивный экзоэффект высоко-температурной области при 885-910°С, свидетельствующий о присутствии минералов каолинитовой группы, вниз по профилю экзоэффеты становятся более объемными, т.е. количество глинистых минералов данной группы увеличивается.

В верхних горизонтах солонцовых почв отмечается содержание минералов монтмо-риллонитовой группы и отсутствие экзоэффектов, характерных для группы каолинита. Вниз по профилю экзоэффекты, характерные для монтмориллонита сглаживаются, т.е. количество минералов этой группы уменьшается. В нижних горизонтах солонцов в высокотемпературной области преобладает экзотермический эффект при температуре более 900°С, характерный для минералов каолинитовой группы.

Таким образом, можно отметить идентичность состава первичных глинистых минералов в зональных и солонцовых почвах. В верхних горизонтах солонцовых почв практически отсутствуют минералы группы коалинита и преобладают трехслойные, высокодисперсные минералы группы монтмориллонита.

Выводы

1. Изученные зональные и солонцовые почвы омской области - чернозема лугово-карбонатного и солонца лугового-степного коркового, многонатриевого - идентичны по составу глинистым минералам. В верхних горизонтах солонцовых почв преобладающим минералом является монтмориллонит.

2. Солонцовые почвы омской области обладают неблагоприятными в агрономическом отношении свойствами - низкой фильтрационной способностью и малым радиусом пор, что обусловлено повышенным значением их электрокинетического потенциала.

Литература

химический чернозем многонатриевый коллоидный

[1] Гедройц К.К. Солонцы, их происхождение, свойства и мелиорация. Изд. Носовский сельскохозяйственной опытной станции. 1928. Вып.46. 76 с.

[2] Гурьева Н.А., Курбатов А.И. Электрокинетические свойства солонцов и солонцеватых почв Северного Казахстана». Известия ТСХА. 1971. Вып.6. С. 119-122.

[3] Кирюшин В.И., Окорков В.В. Об агрегативной устойчивости дисперсных систем солонцовых почв в связи с электрокинетическим потенциалом. Сб.: Общие вопросы методики проведения полевых и лабораторных опытов. Целиноград. Изд. ВНИИЗХ. 1979. С. 21-28.

[4] Курбатов А.И. Роль электростатического фактора в генезисе и мелиорации солонцов. Автореферат дисс. доктора биол. наук. М.: МСХА. 1992.

[5] Алешин С.Н., Болдырев А.И. Гумусовые соединения почвы и их определение. Известия ТСХА. 1964. №2. С. 117-123.

[6] Окорков В.В., Курбатов А.И., Алешин С.Н. Электрокинетические свойства некоторых типов почв. Известия ТСХА. 1974. Вып.6. С. 121-127.

[7] Шамеева Э.Н., Лаптедульче Н.К., Лаптев А.Г. Исследование сорбционных свойств торфов Татарстана. Бутлеровские сообщения. 2005. Т.6. №2. С. 75.

[8] Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф. Солонцовый процесс в постагрогенных и постмелиоративных условиях Каменной Степи. Почвоведение. 2009. №11. С. 106-115.

Размещено на Allbest.ru