Агроэкологическая оценка гумусового состояния дерново-подзолистой почвы при помощи дериватографического метода анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Агроэкологическая оценка гумусового состояния дерново-подзолистой почвы при помощи дериватографического метода анализа

Ускова Н.В., Черников В.А., Белопухов С.Л.

РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Аннотация

В настоящее время происходит активное антропогенное вмешательство в почвообразовательный процесс, которое ведет к изменению качественного состава гумусовых веществ. Поэтому было бы ошибочным сводить все исследования только к накоплению органического вещества, важно также проводить исследование его качественного состава. Достаточно информативными в данной области исследований являются дериватографические методы анализа, основанные на термическом разрушении исследуемого образца и условном выделении центральной и периферической частей гумусовых веществ по способности деструкции в низко- и высокотемпературных областях. Отношение долей этих частей может служить важнейшим показателем стабильности структуры почвенного органического вещества.

Было проведено исследование влияния длительного применения различных систем удобрения на количественный и качественный состав гумуса, а именно: при помощи метода дериватографического анализа было определено количество компонентов в центральной и периферической частях органического вещества по их способности к деструкции в низко- и высокотемпературных областях.

Также были определены энергии активации деструкции компонентов почвенного органического вещества. Было выявлено, что при бессменном возделывании картофеля внесение извести повышает температуру разрушения периферической части, но при этом в известкованных вариантах количество компонентов и прочность центральной части ниже, чем в вариантах без внесения извести. Известкование способствует накоплению большего количества гигроскопической воды в почве. Содержание органического вещества, определенное термографическим методом, выше, чем определенное по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, и является более точным для определения содержания органического вещества в почве.

Ключевые слова: дериватографический метод исследования, дерново-подзолистая почва, длительный полевой опыт, качественный состав гумуса, энергия активации.

агроэкологический органический почва

Введение

В условиях химизации сельского хозяйства необходимо обращать большое внимание на гумусовое состояние почв. Контролирование состояния органического вещества почвы является одним из важнейших факторов управления плодородием [1]. Для полноценной характеристики плодородия почв важно определять не только содержание гумуса в почве, но и давать оценку его качественному составу. Именно при изучении структуры гумусовых веществ появляется возможность регулировать состав и свойства гумусовых соединений [2]. Для решения вопросов, относящихся к структуре гумусовых веществ, широко применяются физико-химические методы анализа [3].

Дериватографический метод анализа основан на зависимости свойств вещества от температуры с получением термограмм, на которых изображены 4 типа кривых: температурная (Т), дифференциально-термическая (ДТА), термогравиметрическая (ТГ) и дифференциально-термогравиметрическая (ДТГ) [3, 4]. При исследовании почвы методом дериватографического анализа основой является зависимость строения и прочности гумусовых веществ от температуры. При интерпретации результатов анализа термические эффекты разделяют на низко- и высокотемпературную области, которые соответствуют периферической и центральной частям гумусовых веществ. По величине температуры термоэффектов в этих областях судят о прочности связей в структуре гумусовых веществ, а по количеству эффектов - о количестве компонентов в периферической и центральной частях.

Цель работы: дать количественную и качественную оценку почвенного органического вещества при помощи дериватографического метода анализа в длительном полевом опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Задачи

1. Провести исследование почвенных образцов дериватографическим методом.

2. Интерпретировать полученные термограммы, рассчитать относительные доли центральной и периферической частей гумусовых веществ.

3. Рассчитать соотношение центральной и периферической частей гумусовых веществ и дать экологическую оценку влияния различных систем удобрения на значение этого показателя.

4. Рассчитать энергии активации реакций термодеструкции и оценить влияние на них длительного применения систем удобрения.

5. Определить содержание органического вещества методом Тюрина в модификации ЦИНАО.

6. Сравнить дериватографический метод и метод Тюрина в модификации ЦИНАО как методы для определения содержания органического вещества в почве.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования был выбран длительный полевой опыт РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (рис. 1). Он был заложен А.Г. Дояренко в 1912 году.

Рис. 1. Длительный полевой опыт РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

В опыте изучаются 3 фактора: севооборот, удобрение и известкование. Общая схема опыта представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема и план размещения культур в длительном полевом опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева [5]

Образцы для исследования были отобраны в слое 0-20 см с делянок, занятых бессменно возделываемым картофелем. Для исследования были выбраны 4 системы удобрения: органоминеральная (навоз 20 т/га, N - 100 кг/га, Р - 150 кг/га, К - 120 кг/га), органическая (навоз 20 т/га), минеральная (N - 100 кг/га, Р - 150 кг/га, К - 120 кг/га) и контрольный вариант (без удобрений). Образцы были отобраны с известкованных и неизвесткованных участков.

В качестве методов исследования применялись дериватографический метод и метод определения содержания органического вещества по Тюрину в модификации ЦИНАО. Данные об опыте и свойствах почв приведены в работе [5].

В рамках термографического метода исследования был проведен совмещенный термогравиметрический и дифференциальный термический анализ с использованием дериватографа системы Паулик - Паулик - Эрдей. Данный прибор представляет собой комплексное термоаналитическое устройство, при помощи которого у одной и той же пробы измеряется температура (Т), изменение массы (ТГ), скорость изменения массы (ДТГ) и изменение содержания тепла (ДТА) [4].

В результате проведения термографического анализа были получены термограммы, которые представлены на рис. 3-10 по вариантам для картофеля, возделываемого бессменно.

Рис. 3. Термограмма почвенного образца для варианта «контроль без извести»

Рис. 4. Термограмма почвенного образца для варианта «контроль по извести»

Рис. 5. Термограмма почвенного образца для варианта «NPK без извести»

Рис. 6. Термограмма почвенного образца для варианта «NPK по извести»

Рис. 7. Термограмма почвенного образца для варианта «навоз без извести»

Рис. 8. Термограмма почвенного образца для варианта «навоз по извести»

Рис. 9. Термограмма почвенного образца для варианта «NPK + навоз без извести»

Рис. 10. Термограмма почвенного образца для варианта «NPK + навоз без извести»

По полученным термограммам были определены термические эффекты, которые были разделены на 3 группы: удаление адсорбционной воды, периферической части гумусовых веществ и центральной части гумусовых веществ. По каждому из термических эффектов была определена массовая доля данного компонента в образце, а также рассчитано соотношение массовых долей периферической и центральной частей (Z) [3, 6]. Данные, полученные в результате анализа, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты термографического анализа для вариантов

*

Термические реакции, связанные с удалением гигроскопической влаги достигают максимальной скорости при температуре 68-108 ?.

В контрольных вариантах (по извести и без нее) содержание гигроскопической влаги находится примерно на одном уровне. Но полученные данные свидетельствуют о том, что известкованный вариант более устойчив к разрушению, т.к. температура разрушения связей на 7° выше, чем в неизвесткованном варианте.

Наименьшее количество гигроскопической влаги содержится в варианте навоз + известь - 7,3%, почти в 3 раза меньше, чем в контрольных вариантах. Этот же вариант характеризуется наименьшей температурой удаления: 68° (почти на 20°С ниже контрольного варианта) и является наименее прочно связанным.

Наибольшей температурой удаления гигроскопической влаги характеризуется вариант NPK + навоз без извести, наибольшим количеством гигроскопической воды (почти 20%) характеризуется вариант контроль + известь.

Разброс значений потери массы по вариантам оказался в достаточно широком диапазоне: от 7,3% от навески для органической системы удобрения с известкованием до 19,7% в контрольном варианте с известкованием. При этом по всем вариантам, за исключением контрольного, адсорбционной воды больше в известкованных вариантах.

В структуре периферической части гумусовых веществ по всем вариантам наблюдается одна фракция. Ее трансформация происходит в диапазоне температур от 280єС в контрольном варианте без известкования до 338єС в варианте с органоминеральной системой удобрения и известкованием. При этом во всех вариантах, за исключением органической системы удобрения, наблюдается положительное влияние извести на прочность периферической части гумусового вещества, т.к. температура эффекта при разрушении периферической части выше в известкованных вариантах. Периферическая часть в общей структуре гумусовых веществ занимает примерно третью часть от всего органического вещества (от 27 до 35 %).

В контрольных вариантах центральная часть представлена двумя компонентами. Первый компонент известкованного варианта трансформируется при температуре на 25° более высокой по сравнению с контролем без извести. Второй компонент центральной части является более устойчивым. В количественном отношении преобладает первый компонент центральной части.

В минеральной системе удобрения по извести также содержится 2 компонента центральной части. Под влиянием минеральных удобрений устойчивость первого компонента увеличивается на 13°.

Во всех известкованных вариантах мы видим, что центральная часть гумусовых веществ состоит всего из двух компонентов, первый из которых разрушается при 505-536 єС, а второй - при 659-922 єС, причем термоэффекты, наблюдаемые при температурах выше 900є, скорее, относятся к разрушению связи минеральной части почвы. Применение минеральных удобрений без извести увеличивает количество компонентов центральной части до 4. Таким образом, наиболее прочное органическое вещество характерно для минеральной и органоминеральной систем удобрения без известкования.

О более высокой прочности гумусового вещества в неизвесткованных вариантах говорит также величина энергии активации реакций термодеструкции: ее величина выше, чем в известкованных вариантах. При этом во всех неизвесткованных вариантах, за исключением контрольного, мы наблюдаем очень высокую температуру сгорания наиболее прочно связанного компонента. Это говорит о том, что центральная часть органического вещества в этих вариантах наиболее прочная и связана с минеральной частью почвы.

При помощи дериватографического анализа можно определить суммарное количество органического вещества в почве, причем результаты этого анализа отличаются от результатов, полученных при определении содержания органического вещества методом Тюрина (табл. 2).

Таблица 2. Содержание органического вещества в почве длительного полевого опыта по вариантам исследования

Величина коэффициента корреляции говорит о том, что оба метода приемлемы для отражения закономерностей накопления органического вещества почвы в зависимости от применяемой системы удобрения. Но нетрудно заметить, что количество органического вещества, определенное термографическим методом, по всем вариантам выше, чем определенное методом Тюрина в модификации ЦИНАО. Более точным является дериватографический метод анализа, так как в нем о количестве органического вещества судят по потере массы при воздействии температуры. Кроме того, по максимальной температуре разрушения можно определить прочность связи органического вещества, а также определить качественный состав гумуса, что делает дериватографический метод анализа более предпочтительным. Метод Тюрина показывает суммарную окисляемость гумусовых веществ при воздействии хромовой смеси на почву. К тому же, чтобы вычислить содержание гумуса, пользуются коэффициентом 1,724, исходя из того, что в гумусе содержится 58% углерода. Однако этот коэффициент варьирует в довольно широких пределах в зависимости от типа почвы и характера органического вещества. Выражение результатов в виде содержания углерода без перевода на содержание гумуса не меняет положения, поскольку окисляется не только углерод, а его содержание не обязательно равно 58% [7].

Выводы

1. Внесение извести положительно влияет на прочность связи периферической части гумусовых веществ, исключением стала органическая система удобрения.

2. Большая прочность и большее количество компонентов центральной части гумусовых веществ характерны для неизвесткованных вариантов, в них же наблюдается разрушение связей с минеральной частью почвы при нагревании выше 900°С.

3. Применение извести также способствует большему накоплению гигроскопической влаги в почве всех вариантов.

4. Содержание органического вещества, определенное дериватографическим методом, выше, чем определенное по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, и является более точным для определения содержания органического вещества в почве.

Список использованных источников

1.Черников В.А. Изменения гумусовых соединений почвы в длительном стационарном опыте ТСХА // Плодородие. - 2002, № 4. - С. 34-36.

2.Черников В.А. Комплексная оценка гумусового состояния почв // Известия ТСХА. - 1987, №6. - С. 83-94.

3.Хмельницкий Р.А., Черников В.А., Лукашенко И.М., Кончиц В.А. Использование инструментальных методов при исследовании структуры гумусовых соединений // Известия ТСХА. - 1977, №6. - С. 193-202.

4.Белопухов С.Л., Шнее Т.В., Дмитревская И.И., Маслова М.Д., Гришина Е.А., Калабашкина Е.В. Методические указания по проведению испытаний биологических образцов методом термического анализа / Под ред. проф. Белопухова С.Л. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. - 2014. - 87 с.

5.Длительный полевой опыт 1912-2012: Краткие итоги научных исследований / Под ред. академика РАСХН В.М. Баутина. М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. - 2012.

6.Черников В.А., Кончиц В.А. Кинетика пиролиза фульвосоединений некоторых типов почв // Известия ТСХА. - 1973, №1. - С.101-113.

7.Болатов А.А., Черников В.А., Лукин С.М. Дериватографический метод изучения гумусового состояния дерново-подзолистых супесчаных почв // Агрохимический вестник. - 2010, №3. - С. 38-40.

Размещено на Allbest.ru