Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Химические свойства, состав почв и растений и их использование в диагностике почвенного плодородия 14
1.1. Представления о химии почв и доступности веществ почвы растениям — 14
1.2. Специфические особенности торфяных почв - 22
1.3. Особенности химического состава растений и условий их жизнедеятельности 35
1.3.1. Основные органические и минеральные компоненты в составе растений 36
L3.2. Внешние условия жизнедеятельности растений 52
1.4. Современное состояние почвенно-растительной диагностики плодородия почв 72
Глава 2. Объекты и методы исследований 80
2.1. Характеристика исследованных торфяных почв Нечерноземья России — 80
2.1.1; Морфологические признаки почв — 80
2.1.1.1. Низинные торфяные почвы 80
2Л. 1.2. Верховые и переходные торфяные почвы -: 81
2ЛЛ .3. Почвы выработанных торфяных месторождений 82
2.1.2. Физические, физико-химические и химические свойства почв 83
2.2. Дополнительные объекты исследования 95
2.3. Характеристика произрастающих сельскохозяйственных культур 98
2.4. Методы исследований Ї 03
2.4.1. Полевые определения показателей в естественных условиях на опытных и.производственных полях 103
2.4.2. Лабораторные, методы определения химического состава и свойств почв, растений, почвенно-грунтовых и поверхностных вод; экспериментальные работы 112
Глава 3. Результаты применения методов ионометрии и определения изменений фотохимической активности хлоропластов (оифхах) при обследовании природных объектов 120
3.1. Принципы методов ионометрии и ОИФХАХ и их использование в диагностике 121
3.2. Условия, обеспечивающие достоверность получаемых результатов 127
3.3. Сравнительная оценка исследования почв, вод и растений с использованием различных методов анализа 135
Глава 4. Сорбционно-десорбционная способность торфя ных почв различного генезиса и ее значение для мине рального питания растений 148
4.1. Кинетика сорбции ионов и факторы, ее определяющие 148
4.2. Избирательное поглощение компонентов удобрений нативными торфами 159
4.2.1. Сорбция катионов и анионов в статических условиях 159
4.2.2. Поглощение катионов и анионов в динамических условиях 171
4.3. Механизмы взаимодействия растворов солей с торфяными почвами 181
4.3.1. Характер связи ионов с почвами 181
4.3.2. Константы селективности обмена компонентов удобрений с ПК торфяных почв 188
Глава 5. Изменение свойств, химического состава торфя ных почв и вегетирующей растительности под влияни ем гидромелиорации, удобрений и известкования 193
5.1. Влияние гидромелиорации на свойства торфяных почв 193
5.2. Влияние внесения удобрений и известкования на свойства, химический состав торфяных почв и возделываемых сельскохозяйственных культур 204
5.2.1. Исходная характеристика окультуриваемой торфяной мезотрофной почвы 204
5.2.2. Влияние удобрений на свойства агроторфяной мезотрофной почвы и на выращиваемые культуры картофеля и овса 207
5.2.3. Роль извести и удобрений в изменении свойств кислых торфяных почв и химического (ионного) состава вегетирующей растительности 214
5.3. Влияние удобрений и извести на урожай сельскохозяйственных культур и его качество 233
5.4. Выявление причин снижения урожаев картофеля и овса 239
5.5. Относительная устойчивость физико-химических свойств торфяных почв различного генезиса в процессе их сельскохозяйственного использования — 246
Глава 6. Показатели ионного состояния почв и растений в периоды вегетации и их использование в почвенно-растительной диагностике - 254
6.1. Динамика физико-химических показателей агроторфяной эутрофной карбонатно-железистой почвы и клеточного сока различных сельскохозяй ственных культур 254
6.1.1. Изменение физико-химических показателей при возделывании картофеля 254
6.1.2. Показатели ионного состояния в условиях выращивания капусты 263
6.1.3. Изменения физико-химических показателей в период возделывания моркови 271
6.2. Динамика физико-химических показателей агроторфяной олиготрофной слаборекультивированной и агроторфяной мезотрофной почв и клеточ ного сока органов растений картофеля, выращиваемого на этих почвах в годичных и многолетних циклах наблюдений 281
6.2.1. Изменения физико-химических показателей при возделывании картофеля на агроторфяной олиготрофной слаборекультивированной почве 281
6.2.2. Динамика физико-химических показателей при выращивании картофеля на агроторфяной мезотрофной почве 289
6;3. Физико-химические показатели агроторфяных мезотрофных почв по многолетним наблюдениям и филогенез картофеля — 296
6.4. Диагностика оптимизации свойств почв различного генезиса для созда ния высокопродуктивных агроценозов 299
6:4.1. Предпосевная оценка состояния почвы по предшественникам 299
6.4.2. Почвенно- растительная диагностика по общим показателям для почв с хорошо развитыми растениями и почв с растениями, испытывающими угнетение в росте и развитии 300
6.4.3. Почвенно- растительная диагностика по результатам сравнительного сопряженного анализа с показателями высокопродуктивных агроценозов — 305
6.5. Оценка и оптимизация питания сельскохозяйственных культур по ион
ному состоянию почв и растений 314
Выводы-— 323
Научно-практические рекомендации 328
Список литературы
- Особенности химического состава растений и условий их жизнедеятельности
- Физические, физико-химические и химические свойства почв
- Условия, обеспечивающие достоверность получаемых результатов
- Сорбция катионов и анионов в статических условиях
Введение к работе
Проблемам взаимосвязи растений с почвами и повышения плодородия почв уделяется все большее внимание, особенно при стремлении получать программируемые урожаи сельскохозяйственных культур и продукции высокого качества, максимально сохраняя экологическое равновесие в природе. В почвы преднамеренно или по небрежности вносится большое количество инсектицидов, фунгицидов, гербицидов, стимуляторов и репрессантов роста растений, радиоизотопов, тяжелых металлов, ядов и самых разнообразных отходов, что ставит исследователя в тупик при их обследовании, так как необходимо знать, как вышеперечисленные компоненты химических веществ (загрязнители) влияют на качество дренажных, почвенно-грунтовых, грунтовых и поверхностных вод и как они могут воздействовать на растения и животных, которые вынуждены их потреблять. К тому же, почвы слишком гетерогенны, большинство процессов, происходящих в них, весьма динамичны, а поведение растений слишком сложно в каждой конкретной обстановке.
До настоящего времени трудно связать в единое целое все процессы, которые имеют место при движении растворенных веществ через почву и при поглощении их пронизывающими ее корнями растений. Как было отмечено П.Х. Наем и П.Б. Тинкером (1980), агрохимики и физиологи растений долгое время не сотрудничали друг с другом в познании взаимосвязи почв и растений. Первые сосредоточили свои усилия на поиске экстр агента для извлечения "доступных" питательных веществ из почвы, а вторые, избегая такой сложной среды как почва, предпочитали устанавливать закономерности в питании на питательных растворах. Выводы подобных работ очень часто не моглибыть отнесены к реальным почвенным условиям. Поэтому, даже детальное понимание процессов переноса и их взаимосвязи не устраняет необходимости в полевых опытах и наблюдениях.
В то же время, исследования природных объектов с целью познания процессов взаимодействия растений с почвами и способов оптимального воздействия: на эти процессы для получения качественной с.-х. продукции, до сих пор сопровождаются нежелательными воздействиями и изменениями их исходных свойств и
состояний. В результате чего происходит искажение истины в познании собственно исследуемых объектов.
В настоящей работе особое внимание уделено изучению свойств торфяных почв, отражены их сорбционно-десорбционная способность в условиях с.-х. использования и геохимическое значение в природе. Показаны механизмы взаимодействия компонентов удобрений с поглощающим комплексом торфяных почв, определена кинетика сорбции и факторы, влияющие на процессы поглощения ионов. Рассчитаны константы селективности обмена компонентов удобрений с катионами ПК торфяных почв различного генезиса. В полевых условиях, в течение 5-21 вегетационных периодов (в зависимости от объекта), проводились подекадные наблюдения за динамикой Eh- потенциала, рН, активностью ионов Na+, К+, 1ЧШ+, Caz+, NCb- и Q- в почвах (почвенном растворе), в почвенно-грунтовых водах и пробах растений. Были выявлены роли гидротермического фактора, известкования и внесения удобрений на продуктивность агроценозов.
В общей площади оторфованных земель России (369 млн. га), 139 млн. га представлено торфяными почвами с глубиной торфа более 30 см (Вомперский и др., 1994). При интенсификации земледелия на основе его химизации и развития всех видов мелиорации торфяных почв происходят значительные изменения их свойств. В связи с этим возникают проблемы научно обоснованного контроля химического состояния почв и разработки теоретических основ его количественного описания и прогнозирования. Особенно актуальны диагносгические исследования плодородия торфяных почв с естественной влажностью, так как роль влаги в их эволюции и плодородии, по сравнению с другими типами почв; имеет приоритетное значение (Скрынникова, 1983).
Жидкая фаза почвы представляет собой один из наиболее изменчивых ее компонентов, но даже для мелиорированных торфяных почв она является преобладающей частью и составляет 60-80 % объема почвы (Скрынникова, 1983). Мобильность ее состава связана с активностью растворенных форм элементов, относительно незначительной их долей в сравнении с содержанием в твердой части и живом веществе, а также с большой.поверхностью соприкосновения водной фазы с другими компонентами почвы, обладающими высокой сорбционно-десорбционной способностью. Почвенный раствор - основная среда, через кото-
рую происходит взаимодействие всех остальных составляющих почвы. Основными процессами, регулирующими потоки веществ между твердой и жидкой частями почв, являются адсорбция, ионный обмен, растворение - осаждение. Состав жидкой фазы определяется как многокомпонентностью почвы, так и различными внешними факторами, среди которых важную-роль играют растения, так как именно растения потребляют необходимые элементы питания непосредственно из почвенного раствора. Каждая почва, в свою очередь, в силу своего генезиса, обладает разным уровнем плодородия, количеством жидкой фазы и содержанием в ней элементов питания. Растения в процессе своего роста и развития постоянно нуждаются в питании водой и химическими элементами, содержание которых, в значительной степени, зависит от почвы, ее свойств и их изменений под влиянием естественных факторов и антропогенной деятельности. Фактор пополнения уровня активности иона в-почвенном растворе отвечает за стабильность обеспечения растений тем или иным элементом питания во времени и зависит от буферной емкости почвы, ее ППК и скорости перехода элемента из твердой фазы в раствор и др. факторов и характеризует конкретную почву (ее плодородие). По мнению В.И. Вернадского (I960), состав водной фазы почвы определяет в большой мере питание растений и микроорганизмов, процессы роста новообразований и растворения твердой части почв, биохимический круговорот химических элементов.
Тем не менее в литературе еще недостаточно освещены вопросы, связанные с ионным составом торфяных почв (их жидкой фазы) и клеточного сока культур, произрастающих на этих почвах в их естественном и измененном деятельностью человека виде. Слабо изучены факторы, лимитирующие и снижающие урожаи культур при растущих дозах удобрений, химических мелиорантов и, как следствие, чрезмерные дозы которых отрицательно сказываются на качестве продукции растениеводства, загрязняют природную среду. Почти отсутствуют результаты сопряженных динамических исследований почв, растений и почвенно-грунтовых вод, полученных непосредственно в полевых условиях на нативных образцах в течение периодов вегетации культур и, особенно, в наиболее ответственные для закладки урожая периоды роста и развития растений. Практически не разработаны оперативные методы контроля за быстр оизменяю щи мися
свойствами и составом почвенного раствора в связи с реакцией растений, на эти изменения и применением удобрений. В то же время, учитывая важную экологическую роль торфяных почв в природе и неустойчивость их свойств при с.-х. использовании, разработка методов диагностики их плодородия на современном этапе является актуальной задачей.
Природное многообразие торфяных почв, резкое различие их агрохимических характеристик требуют строго дифференцированного подхода к их использованию в сельском хозяйстве. Торфяные почвы богаты органическим веществом и некоторыми элементами питания растений, что позволяет относить их к потенциально плодородным землям. Однако, многие из них нуждаются в мелиорации, известковании и внесении макро- и микроудобрений. Почвы различного генезиса по-разному реагируют на внесенные химические мелиоранты и удобрения, что необходимо учитывать при рациональном использовании органогенных почв. Следует также выделить неоднозначную реакцию различных с.-х. культур на одни и те же удобрения на разных по генезису почвах.
Для разработки мероприятий по повышению плодородия торфяных почв большое значение имеют методы почвенно-растительной диагностики, максимально учитывающие генетические особенности этих почв и их свойства.
Высокоплодородные почвы характеризуются относительно стабильной цикличностью их физико-химических показателей на протяжении периодов вегетации, что отражается на стабильности изменений свойств клеточного сока растений по этапам формирования урожая. Те же виды с.-х. культур, выращиваемые на низкоплодородных почвах, по-разному аккумулируют химические элементы и соединения в фиксированные фазы онтогенеза. Состав почвенного раствора этих почв обеднен элементами питания и подвержен высокой динамике в процессе вегетации растений. В периоды многолетних наблюдений за торфяными почвами установлено, что гистерезисные явления в динамике физико-химических показателей в сезонных циклах происходят в деградирующих почвах, значительно отличающихся в своем развитии от естественных аналогов.
Реальная оценка активности ионов непосредственно в почвенном растворе с применением ионометрии означает появление нового направления в изучении почвенных процессов, что позволяет оценить действительные.физико-химические
параметры почвы как в смысле трансформации и аккумуляции веществ и констатации условий питания растений, так и возможности их изменений с целью оптимизации продукционного процесса и предотвращения деградации почв. При изучении почвы как компонента биогеоценоза это направление в исследовании особенно необходимо, так как при таком подходе возможен учет биологического фактора, что исключается при большинстве традиционных видов анализа, часто служивших источниками артефактов (Роде, 1947; Соколов, 1947; Шилова, Крей-ер, 1957; Савич, 1981; Орлов, 1985; Снакин, 1989).
Впервые, в различных культурных агроценозах, вскрыты пространственно-временные закономерности динамики физико-химических показателей в почвах (их жидкой фазе) во взаимодействии с динамикой показателей в клеточном соке произрастающих растений на разных этапах формирования урожая в сезонных и многолетних циклах наблюдений. Комплексное использование ионометрии и традиционных методов анализа в почвенн о -растительной диагностике позволили определить лимитирующие урожай факторы, выявить наиболеее ответственные фазы развития растений для получения высококачественного урожая. Показано влияние гидромелиорации, внесения удобрений и извести на свойства почв, почвенно-грунтовых и дренажных вод, на состояние культурных растений, их продуктивность и качество урожая. Установлены диапазоны некоторых физических и физико-химических показателей для торфяных почв, обладающих высоким и низким уровнями плодородия. Для некоторых с.-х. культур определены уровни-параметры онтогенетической закономерности формирования продуктивности.
Наряду с торфяными почвами (Московская и Рязанская области), дополнительно, для отработки методических вопросов, были обследованы агрочерно-земы и агрокаштановые почвы в комплексе с солонцами и с произрастающей на них растительностью, а также почвенно-грунтовые, дренажные и поверхностные воды в Белгородской, Курской и Волгоградской областях. Исследования проводили в три этапа: в 1978-1980 гг, 1982-1992гг и в 1999-2001 гг.
Главной целью нашего исследования было разработать систему комплексной диагностики эффективного плодородия торфяных почв по их сорбционно-десорбционной характеристике в отношении важнейших элементов питания
растений с учетом окислительно-восстановительных процессов, реакции среды, содержания и активности ионов в почвенном растворе и растительной ткани на фоне различных агрогенных воздействий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Усовершенствовать методику ионометрического экспресс-метод анализа почв и растений и определения изменений фотохимической активности хлоро-пластов (ОИФХАХ) для использования в эколого-агрохимических исследованиях природных объектов.
Определить сорбционно-десорбционную способность торфяных почв к водорастворимым компонентам удобрений (элементам питания) в статических и динамических условиях и факторы ее определяющие.
Изучить закономерности изменений химического состава торфяных почв, агрохимических и физико-химических показателей в процессе вегетации растений, под влиянием внесения удобрений, известкования и водной мелиорации.
Выявить закономерности изменений химического и ионного состава произрастающих культур в период вегетации на фоне различных антропогенных воздействий (внесения удобрений, извести и др.)
Определить взаимосвязи химического (и ионного) состава растительной ткани (клеточного сока) с изменением химического состава и свойств почв, поч-венно-грунтовых вод под влиянием удобрений и других факторов.
В полевых условиях, на опытных участках и производственных посевах, провести исследования по изучению влияния напряженности окислительно-восстановительных процессов и кислотно-основных равновесий, а также обеспеченности почв влагой и элементами питания на продуктивность, химический (и ионный) состав растений.
Разработать общие методические принципы использования результатов определения ионного состава почвенного раствора и клеточного сока растений для целей оперативной диагностики эффективного плодородия почв.
В диссертационной работе на защиту выносится система комплексной (интегрированной) диагностики плодородия торфяных почв по показателям их сорбционно-десорбционной способности к элементам питания растений, химического состава жидкой фазы почв и клеточного сока индикаторных органов веге-
тирующих культур:
ионные состояния жидкой фазы почв и растений (Eh-потенциал, рН, активности Na+, К+, NH4+, Са2+, гГОз~, С1- и др.) являются диагностическими показателями эффективного плодородия торфяных почв и его изменения под влиянием агрогенных воздействий;
оптимальные уровни показателей почвенного раствора (Eh-потенциал, рН, pNa, рК, pNH.4, рСа, pNGs, pCI и др.) в период вегетации растений и закономерности изменения этих показателей на высокоплодородных, деградированных и слаборазвитых торфяных почвах;
закономерности накопления в онтогенезе элементов питания различными по биологическим особенностям культурами в неблагоприятных и благоприятных условиях среды;
обоснование интегральной диагностической роли поглотительной способности торфяных почв, которая определяет химический (ионный) состав почвенного раствора, реакцию среды, характер взаимодействия с компонентами удобрений и мелиорантами и влияние на них гидротермических условий и антропогенного фактора.
Практическая значимость результатов исследования. Полученные материалы и разработки автора используются в учебных курсах на факультете Почвоведения МГУ, в лабораториях и полевых опытах ВНИИГиМ, ЦТБОС, ВГУ. С участием автора в 1988 гразработан и введен в действие ГОСТ: "Почвы. Метод определения зольности торфяных и оторфованных горизонтов почв". В 1989 г разработка "Комплексная диагностика состояния почв, растений и природных вод с целью их охраны и рационального использования" была оценена серебряной медалью на ВДНХ CCGP. Внедрены методические рекомендации "Экспресс-метод определения ионного состояния и напряженности окислительно-восстановительных процессов в почвах и растениях" в Белгородской, Волгоградской, Курской, Московской и в Рязанской областях, в Ставропольском крае и в Республике Грузия, в результате чего, например, на базе трех хозяйств Волгоградской области в 1989-1990 гг получен чистый экономический эффект на сумму свыше 700 тыс. неденоминированных рублей. От различных сельскохозяйственных организаций в 1989-1992 гг получено 11 актов о внедрении мероприятий по сбалансированному
минеральному питанию озимой пшеницы, ячменя, кукурузы, гречихи, горчицы и картофеля на площади 8448 га. В результате внедрения рекомендаций: получен значительный рост урожайности культур и улучшилось качество растениеводческой продукции.
Научно-методические разработки автора использовались в договорных работах: в 1996 г - с концерном "Газпром" при оценке экологического состояния объектов, подвергшихся загрязнению выбросами компрессорных станций; в 1998, 2001-2003 гг - с МосНИиПИ землеустройства при оценке плодородия почв выработанных торфяных месторождений в Московской области и составлении картосхемы масштаба 1:50000 по видам использования выработанных торфяников Орехово-Зуевского района (Госзаказ Министерства экологии и природопользования).
Апробация работы и публикации. Основные положения работы были представлены и докладывались на факультете Почвоведения МГУ (1981, 1983), на проблемных Советах и методической комиссии Почвенного института им. В .В'. Докучаева (1982,1988,1989,1992-1995, 2002), на Всесоюзных и Всероссийских научно-технических и научно-методических конференциях, совещаниях и симпозиумах (Калинин, 1981; Москва, 1982, 1987, 1991, 1998, 2002; Ровно, 1985; Омск, 1989; Пущино-на-Оке, 1989; Челябинск, 1990; Москва-Немчиновка, 1999), на Всесоюзных и Всероссийских съездах почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989, 2004; Санкт-Петербург, 1996; Суздаль, 2000), на Международных конференциях (Москва, 1997, 2002; Сыктывкар, 1998; Западная Двина, 1999; Пенза, 2000; Ставрополь, 2001; Минск, 2003).
По проблемам и вопросам, связанным с характеристикой ионного состояния почв и растений, оценкой плодородия почв, с методами получения и интерпретации результатов опубликована 51 научная работа.
В диссертации использованы результаты личных исследований автора и исследований, выполненных в соавторстве со специалистами других подразделений института В.А. Большаковым, Л.П. Орловой, З.Н. Кахнович, Е.Н. Саввиновои и С.Г. Волковым, а также с сотрудниками Мещерского филиала ВНИИГиМ В.ПІ. Зоткиным и А.С. Медведевой и с бывшим заведующим отделом выработанных торфяников ЦТБОС Т.С. Кореновой.
Автору принадлежит разработка методики проведения ионометрического экспресс-метода анализа природных обьектов в полевых условиях, методика постановки и проведения лабораторных опытов по кинетике и уровням сорбции компонентов удобрений торфяными почвами в статических и динамических условиях, разработка метода определения зольности торфяных и оторфованных горизонтов почв, определение влияния гидромелиорации, внесения удобрений и извести на свойства почв и произрастающей растительности, осуществление динамических наблюдений за физико-химическими показателями почв и состоянием растительности и их использование в разработке критериев почвенно-расти-тельной диагностики, а также разработка выводов и научно-практических рекомендаций из проделанной работы.
Автор весьма благодарен сотрудникам кафедры химии почв факультета Почвоведения МГУ им М.В. Ломоносова и лично профессору Д.С. Орлову, бывшим заведывающим лабораторией гидрологии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева заслуженному деятелю науки доктору геогр. наук И.Н. Скрыннико-вой и отделом диагностики плодородия почв доктору с.-х. наук профессору Д.Н. Дурманову, докторам с.-х. наук ИИ. Ельникову и А.С. Фриду, а также всем сотрудникам отдела агропочвоведения, с кем по долгу службы пришлось работать над диссертацией, за постоянное содействие и внимание. Считаю своим долгом выразить особую благодарность и признательность научному руководителю -консультанту работы академику РАСХН, профессору Л.Л. Шишову за ценные советы и замечания.
Особенности химического состава растений и условий их жизнедеятельности
На основании исследований химического состава растений установлено оптимальное (нормальное) содержание азота, фосфора, калия и др.. элементов питания в растениях и их индикаторных органах для большинства с.-х. культур (Сабинин, 1955; Рассел, 1955; Колосов, 1962; Ермохин, 1977; Петербургский, 1981; Ринькис, Ноллендорф, 1982; Церлинг, 1990). Однако, не установлены оптимальные параметры для культур, произраставших на разных по генезису торфяных почвах и на этапах формирования урожая.
Нормальный или оптимальный химический состав растения характеризует размер его потребности в питательных элементах и способность использовать поступившие элементы для создания урожая. Эта величина является физиологической характеристикой данного вида растения, она не зависит от условий произрастания (Ельников с соавт., 1989). Отклонения от этой величины указывают, в какой мере удовлетворены потребности растения в питании. Для диагностического заключения результаты анализов растений, проводимых в определенные сроки, сопоставляют с оптимальным содержанием питательных веществ в тканях растений в данную фазу развития, а.также с показателями роста, развития и формирования урожая, его конечной величиной, структурой и качеством (Церлинг, 1990).
Сопоставление химического состава с размерами растений или урожаем позволяет установить, что (питание или какой-либо другой фактор) было причиной образования полученной величины урожая. Содержание (концентрация) элемента в растении есть результат двух противоположных процессов: скорости поступления питательных элементов в растение и скорости их расхода на синтез ор гано-минеральных веществ и рост растений. Каждое растение можно рассматривать как саморегулирующуюся систему, развитие которой зависит от внешней среды, в том числе и от поступления в него элементов минерального питания (Вахмистров, 1966; Власюк, 1969; Викторов, Ремезова, 1988). Отдельные органы растений, в свою очередь, в зависимости от фазы вегетации накапливают различное количество минеральных элементов, что связано как с биологическими особенностями растений, особенностями сорта и избирательностью поглощения, так и с типом почвы, условиями выращивания, соотношениями между элементами питания и т. д.
Зеленые растения потребляют углекислый газ, воду, минеральные соли, образуя из них при помощи солнечной энергии и различных ферментов сложнейшие органические вещества (Saussure, 1804; Палладии, 1909; Костычев, 1910; Бах, 1912; Тимирязев, 1937; Ратнер, 1950; Сабинин, 1955; Рассел, 1955; Генкель, 1958; Благовещенский, 1958; Власюк, 1969; Саляев, 1969; Рубин, 1971). Средний элементный состав сухого вещества растения на 95 % представлен четырьмя органогенами: углерода - 45 %, кислорода - 42 %, водорода -6,5% и азота -1,5%. Остальные 5 % приходятся на так называемые зольные элементы, остающиеся в золе после сгорания органической массы растения; В числе зольных элементов на первом месте обычно стоят калий, фосфор, сера, кальций, магний, кремний, натрий, железо и хлор. На долю всех остальных элементов приходится менее 1 % золы или 0,05% сухих веществ урожая (Райнботе, 1979; Петербургский, 1981).
Среди органических веществ, синтезируемых растениями, выделяют белки и нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, липиды, а также свободные аминокислоты, амиды, алкалоиды и др. органические небелковые азотистые соединения, органические кислоты, ферменты, витамины и другое.
Содержание белков в товарной массе урожая различных сельскохозяйственных растений весьма различно и колеблется от 0,3 - 1 % в корнеплодах сахарной свеклы и 0,7-3,7% в клубнях картофеля до 30- 50 % в зерне люпина и сои. Причем установлено, что содержание белков в растениях одного и того же вида зависит от почвенно-климатических условий возделывания культуры и возрастает по мере продвижения с северо-запада на юго-восток страны, что связано с условиями солнечной активности, увлажнения и температуры.
Особую группу веществ, синтезируемых растениями в наибольшем количестве, представляют углеводы. В растениях на долю углеводов приходится до 80 % сухого вещества. Углеводы подразделяются на простые сахара- моносахариды, сложные сахара - дисахариды и трисахариды и нерастворимые в воде - полисахариды и пектиновые вещества. Среди моносахаридов наиболее распространены глюкоза и фруктоза. Глюкозы больше всего накапливается в ягодах винограда, малины, смородины, а фруктозы - в сладких плодах яблок, груш и др. Дисахариды в основном представлены в растениях сахарозой и, в меньшей степени, мальтозой. Наибольшее количество сахарозы накапливается в корнеплодах сахарной свеклы (14-22 %), в меньшем количестве - в плодах, фруктах и овощах. В результате фотосинтезирующей деятельности растений происходит образование полисахаридов - крахмала, целлюлозы и геммицеллюлозы. Высоким содержанием крахмала отличаются клубни картофеля, зерна риса, кукурузы и других хлебных злаков. Целлюлоза является основным веществом клеточных оболочек и пленок семян растений, растительных волокон и древесины. Самое большое количество целлюлозы (клетчатки) содержится в волокнах хлопчатника (95-98 % ) и льна (80-90 % ) и очень низкое , менее 1 % - в клубнях картофеля.
Третью наибольшую группу органических веществ, синтезируемых растениями, представляют ЖИРЫ (масла), которые присутствуют во всех органах растений, но больше всего накапливаются в семенах. Масличные культуры в большей степени, чем другие накапливают в своих семенах жиров: подсолнечник и клещевина содержат до 40-60 %, а в клубнях картофеля и корнеплодах свеклы - всего лишь 0,09- 0,35 % . Из трех важнейших групп органических веществ - белков, углеводов и жиров - последние являются наиболее восстановленными. Поэтому жиры способны присоединять много кислорода и выделять при сгорании значительное количество энергии.
Липиды относятся к жироподобным веществам и входят в состав любой жи 38 вой клетки. Вдополнение к элементному составу настоящих жиров, помимо углерода, водорода и кислорода они еще содержат азот и фосфор.
В состав растений входят довольно много различных органических кислот. участвующих в обмене веществ. Например, щавелевая кислота в виде кислой калийной соли накапливается в листьях щавеля, а в форме щавелевокислого кальция присутствует во всех растениях (Буланкин, 1957; Генкель, 1958; Ларгин, Трошичева, 1970). Органические кислоты образуются в растениях из простых углеводов, главным образом при окислении их в процессе дыхания (Палладии, 1909; Бах, 1912).
Растения синтезируют такие биологически важные вещества как витамины (более 40 видов), ростовые вещества и различные ферменты, регулирующие и стимулирующие все жизненные процессы в каждом организме. В высших растениях образуются специфические вещества - фитонциды, которые являются факторами естественного иммунитета растений (Токин, 1980).
Все растительные органы и ткани, начиная с основного вещества клетки - протоплазмы, сохраняют свою жизнедеятельность лишь при достаточном содержании воды. Для многих с.-х. культур вода составляет 75-95 % веса живого растения (Петербургский, 1981), она является основным растворителем, содержащим все остальные элементы (Благовещенский, 1958). Особенно насыщены водой овощи: в плодах огурца содержание воды достигает 95 %, томата - 93-94 % , в листьях капусты - 90-92 % (Шуин с соавт., - Картофелеводство..., 1982). Однако большое количество воды расходуется растением натранспирацию. Для таких растений, как капуста, огурец, салат, транспирационныи коэффициент колеблется от 450 до 700 (Максимов, 1952). Транспирационныи коэффициент зависит еще от гидротермических условий и др. факторов. На торфянистой почве поймы р. Москвы картофель в сухой год за вегетацию испарял 3419-3874 т воды с 1 га (Герасимов, 1969), При этом, в условиях богары на 1 т урожая клубней требовалось 317 т воды, а на поливном участке 268 т.
Физические, физико-химические и химические свойства почв
Физические, физико-химические и химические свойства почв. В целях общей характеристики объектов, нами определены некоторые свойства изученных торфяных почв (табл. 1). Эутрофные торфяники представлены древесными, травяно-древесными и травяными видами торфов; олиготроф-ные торфяники, в основном, моховые. Наибольшую степень разложения торфа имеют верхние горизонты эутрофных торфяников (45-65 %) и. нижние горизонты олиготрофных торфяников (20-35 %). В низинных торфяниках преобладают процессы почвообразования над породообразованием, происходит усиленное разложение торфа и накопление гумусовых веществ, что обусловлено их с.-х. использованием. Верховые торфяники характеризуются низкой степенью разложения, прогрессирующим торфонакоплением. Эутрофные торфяные почвы по физическим и химическим свойствам сильно отличаются от почв, формирующихся на верховых болотах. Почвы верховых торфяников имеют меньшую плотность сложения, наименьшую зольность, высокую полевую влагоемкость. Из исследованных генетических горизонтов торфяных почв поверхностные горизонты верховых торфяников имеют максимальную увлажненность: более 1400 % от абсолютно сухой массы. Верховые торфяники также характеризуются повышенной актуальной и потенциальной кислотностью (табл. 1) и в наибольшей степени обогащены продуктами неполного разложения растительности - простыми органическими кислотами.
Свойства почв выработанных торфяных массивов, наряду с их генетическими особенностями, сильно зависят от мощности о статочного, слоя торфа, степени их рекультивации, длительности и вида использования в сельском хозяйстве. Нере-кулътивированная слаборазвитая торфяная почва (р. 15), невовлеченная после выработки торфа в с.-х. производство, испытывает стадию вторичного заболачивания. Об этом можно судить по переувлажненности поверхностных слоев, низкой плотности горизонтов почвенного профиля, типичной болотной растительности (клюква, пушица, сфагнум, карликовые формы березы), высокой кислотности и низким значениям зольности торфа. Освоение и с.-х. использование почв торфяных выработок, коренным образом, преобразуют почвы. Увеличивается плотность торфогенного слоя как за.счет уплотнения, внесения минеральных удобрений, биохимической сработки торфа, так и за счет перемешивания нижележащих минеральных (песчаных и глинистых прослоек) и торфяных горизонтов при их агрообработке (табл. 1, р. 13 и р. 17). Верхние горизонты почв выработанных торфяников, в отличие от аналогичных горизонтов торфяных почв естественного залегания, обладают почти провальной фильтрацией воды (табл. 1).
Для всех торфяных почв характерен высокий нерастворяющий объем - от 27 до 256 %. Большая часть влаги этой категории может быть удалена в природных условиях лишь при периодическом иссушении торфа, сопровождающимся коагуляцией коллоидов, или воздействием сильных водоотнимающих веществ. Более гидрофильные виды торфов с низкой степенью разложения и низкой зольностью отличаются максимальными величинами нерастворяющего объема.
Высока и поглотительная способность к катионам Ва2+ и анионам-С 1\ Торфяные почвы, разные по генезису, примерно в равной степени поглощают Ва24", но сильно различаются по сорбции С К Наибольшая анионоудержи-вающая способность свойственна торфам с низкой степенью разложения, что, вероятно, обусловлено органическими коллоидами с положительным зарядом и, возможно, захватом раствора слаборазложившимися клетками растительных тканей.
Для более полной характеристики нативных торфов и почв in situ были определены напряженность окислительно-восстановительных процессов (Eh -потенциал), рН, активности ионов К+, Са2+, С1- и NO3- в образцах с естественной влажностью (табл. 2). Замеры показателей проводили в каждом генетическом горизонте почвенного профиля и на их границах, а также в почвенно-грунтовых водах, непосредственно в полевых условиях. В эутрофных торфяниках, неподвергшихся выработке торфа, высока активность ионов CI-, NO3- и Са2+ (р. 1, р. 2, р. 9). Для обследованных торфяных почв Рязанской Мещеры, независимо от их генезиса, характерно несколько повышенное содержание в них ионов калия (р. 9 и р. 11). Наибольшая активность всех ионов, по профилю и в почвенно-грунтовых водах, наблюдалась в почве, удобренной высокими дозами жидкого навоза (р. 13). Также обогащена всеми определяемыми ионами почва низинного торфяного массива "Кальское"(р. 9). Данная почва обладает оптимальными водно-физическими и физико-химическими свойствами, что характеризует ее, по многим показателям, как плодородную. Другие торфяные почвы низинного типа, как правило, имели низкую активность К+. Олиготрофные и мезотрофные торфяные почвы характеризовались низкой активностью Са2"1", NG3- и высокой кислотностью (p. 15, р. 16 и р.11, соответственно).
В то же время, верхние горизонты нерекультивированной слаборазвитой торфяной почвы (р. 15) обладают высокой активностью ионов К+ и С1-, что связано с привносом ионов в эти почвы с близлежащих дачных участков, где они вносятся в большом количестве Б виде удобрений.
Для определения количества элементов питания в исследованных торфяных почвах и форм соединений химических элементов были определены обменные катионы, водорастворимые формы и валовые запасы (табл. 3 - 5).
Из табл. 3 следует, что эутрофные торфяные почвы содержат значительные количества обменных форм кальция и магния. Однако, все исследованные почвы бедны калием и натрием.
По данным табл. 4, наибольшие количества водорастворимых форм натрия, кальция и нитратного азота содержат образцы эутрофных торфяных почв. Исследованные образцы торфяных почв содержат незначительные количества водорастворимых форм калия. Образцы агроторфяной эутрофной железисто-карбонатной слоисто-аллювиальной почвы (р. 2) были наиболее обогащены хлорид-ионами. Некоторая неравномерность распределения хлорид-ионов по профилю-низинныхторфяниковобъясняется.различнойсорбционной; способностью их генетических горизонтов.
Исследованные торфяные почвы долины Яхромы ранее по дробно охарактеризованы И. Н. Скрынниковой (1961, 1974); По нашими ее данным, иловато-торфяные (агроторфяные эутрофные слоисто-аллювиальные, р. 1), перегнойно-торфяные железисто-карбонатные (агроторфяные эутрофные железисто-карбонатные слоисто-аллювиальные,,р. 2), а также и слаборазвитые торфяные (агроторфяная мезотрофная, р. 11) почвы содержат значительные количества железа и кальция (табл. 5). Наибольшее количество железа и алюминия сосредоточено в верхних горизонтах почв поймы р. Яхромы, а в слаборазвитой почве (р: И) торфяного массива Макеевский мыс, наоборот, больше содержалось Fe и А1 внижних горизонтах профиля, что связано с оеобенностями их генезиса. Формирование торфяной залежи, представленной р. 1 Г, на начальном этапе происходило по низинному типу, затем; переходному и, наконец, по; верховому. Поэтому нижние горизонты этой торфяной почвы наиболее обогащены всеми минеральными компонентами. Распределение кальция по профилю,иловато торфяной и перегнойно-торфяной почв более равномерное; максимальное количество для обеих почв отмечено на глубине 60-100 см.
Условия, обеспечивающие достоверность получаемых результатов
При сопряженном исследовании почв, почвенно-грунтовых вод и растений методами ионометрии и ОИФХАХ в полевых условиях, предварительно ознакомлялись с объектом, выясняли историю полей, систему севооборотов, виды, сроки и дозы вносимых химических мелиорантов и удобрений, примерный ионный состав почвенного раствора и почвенно-грунтовых вод, качество поливных вод и др. сведения. Выбору объекта исследований предшествовали данные наблюдений погоды: количество выпавших осадков, динамика температуры воздуха и его относительная влажность. Предварительно выясняли физическое состояние почвы, степень ее засоления и загрязнения мешающими определению веществами, состояние и виды произрастающей растительности; проводили оценку засоренности посевов сорняками, пораженноетью болезнями и вредителями. При проведении динамических наблюдений на изучаемых объектах фиксировали мероприятия, связанные с осушением или, наоборот, с поливами.
Учет перечисленных факторов помогает вскрыть причины изменений свойств почв, отразить судьбу многих элементов питания и соединений в почвенном профиле, проследить за их потреблением растениями на разных фазах развития.
При использовании: ионометрического экспресс-метода анализа должна быть уверенноеть.в-его надежности. Наряду с исправностькииономера, электродов (измерительных;и сравнения) И соединительных проводов;- с одной стороны, с другой стороны, в анализируемой среде должно быть сведено до минимума влияние мешающих определению компонентові В первом случае надежность работы, измерительной системы: легко: проверить-по серии стандартных растворов, в то время как решение на второй вопрос можно найти лишь после сопоставления данных ионометрического методасразличными аналитическими методами анализа.
Часто причиной выхода из строя измерительных электродов, при работе в. полевых условиях, являются механические повреждения. Возможны случаи, когда электрод сравнения.и ионселективный электрод пригодны к работе, однако исходных значений для:стандартных растворов не получаем по причине нарушения электрических контактов соединительных проводов. Данный вид неисправностей легко обнаружить по характерному зашкаливанию стрелки прибора при сгибании и разгибании проводов вблизи:контактов. При любом виде нарушений измерения определяемых показателей повторяются заново.
Со временем использования электродов происходит выщелачивание активной фазы мембраны электрод теряет работоспособность сначала в области малых концентраций, азатем нарушается и его селективность. Поэтому, при калибровании ионселективных электродов необходимо обращать внимание на изменения потенциалов в разбавленных стандартных растворах. Различия потенциалов между двумя определениями-для одного и того-же стандартного раствора более чемша ЗОмВ дают основания для предположения1 о старении мембраны электрода и: о необходимости скорейшей замены ее, так как дальнейшее использование электрода приведет к значительным: ошибкам за счет потери селективности мемр аныв определении конкретного иона.
При выборе объектов: исследования; с применением электрометрического экспресс-методаи последующей интерпретации полученных данных необходимо учесть следующее:
1. Исследуемый объект не должен содержать компоненты, влияющие на функции тех электродов, которые планируется определять. Или существует возможность учета влияния-среды на функцию конкретного ионселективного электрода.
2. В анализируемом объекте присутствует влага, необходимая для содержания и перемещения ионов. С нарушением электропроводности исключается возможность использования ионселективных электродов.
3. Возможности электрометрического метода анализа можно расширить путем различного воздействия на объект исследования: получение паст, суспензии, вытяжек, буферных смесей и др.(Крупский, Александрова, Раппопорт, 1974; Самофалов, Прижукова и др., 1983).
4. Результаты метода носят относительный характер, однако с наибольшей точностью характеризуют изменения свойств изучаемых объектов во времени и под влиянием различных факторов воздействия.
Нами экспериментально установлено (1982, 1988), что для торфяных почв и почвенно-грунтовых вод со значениями рН 3,3 неприменимы стекляные электроды типа ЭСЛ-96-10, ЭСЛ 51-11 для определения активности ионов К+, NH4+, Na+ и Ag , ввиду нарушения электродной функции за счет ионов Н+ органических кислот. Подкиспение раствора приводило к завышению данных активности по отмеченным выше ионам. При значениях рН 3,0 также нарушается работоспособность электродов ЭМ-Са-01 в определении Са2+. И он селективные электроды с твердой кристаллической мембраной (типа С1-17-17, ЭМ-С1-01, ЭА-2) теряют селективность в сильновосстановительных средах при Eh -100 мВ. В экстремальных условиях, при сильном иссушении и распылении поверхностных горизонтов торфяных почв, электрометрический экспресс-метод анализа не дает надежных результатов. Как правило, электропроводность нарушается в торфяных почвах верхового и переходного типов при абсолютной влажности ниже 44%, в торфяных почвах низинного типа при содержании влаги менее 27%, а в минеральных почвах - при абсолютной влажности ниже 12% (в песчаных горизонтах менее 6 %). На значениях влажности, при которых становятся невозможными ионометрические измерения физико-химических показателей, сказываются величины нерастворяющего объема в конкретной почве (см. табл. 1).
Наряду с учетом возможностей каждого измерительного электрода при оценке достоверности получаемых результатов требуется учитывать почвенные неоднородности, различия в свойствах анализируемых органов (частей) растений и различия других исследуемых природных объектов.
Поверхностные горизонты торфяных почв, используемых в сельскохозяйственном производстве, в отличие от нижележащих горизонтов и торфяных почв в естественном природном залегании, характеризуются значительной пестротой показателей: Eh, рН, температуры, влажности, активности ионов К+, Са2+, С1-, NO3- и др. (Лыткин, 1982, 1989; Лыткин, Скрынникова, 1985, 1986). В условиях интенсивного с.-х. освоения торфяных почв, неравномерности внесения минеральных и органических удобрений и др. химических мелиорантов, а также неоднородности поверхностных горизонтов необходимо проводить замеры показателей с многократной повторностью (не менее 7). В то же время, на целинных массивах и в нижележащих почвенных горизонтах достаточно 3х- кратной повторносте, ввиду высокой буферной способности торфяных почв и их высокой водо насыщенности (Скрынникова, 1974).
Сорбция катионов и анионов в статических условиях
Впервые адсорбция веществ из растворов была обнаружена выдающимся химиком Т.Е. Ловицем в 1785 г. (Фрумкин, 1951). Адсорбционные силы могут быть рассмотрены как общая сумма эффектов взаимодействия различных силовых полей, действующих между адсорбентом и адсорбатом.
Сорбция ионов лежит в основе таких процессов как поглощение питательных веществ почвой, поступление этих веществ из почвы в клетки растительных организмов, химическая мелиорация почв и др. Как было отмечено O.K. Кедро-въш-Зихманом (1952), нельзя получить полного представления об условиях питания растений без учета особенностей ППК.
Изучение поглощения ионов торфяными почвами весьма актуально в связи с широким использованием торфяников в сельскохозяйственном производстве. Результаты по сорбции ионов почвами необходимы при эффективном внесении удобрений на торфяных почвах, а также при оценке современной геохимической роли торфяников в миграции и аккумуляции веществ в ландшафте. Исследование сорбции ионов почвами в статических условиях дает общее представление о емкости поглощения сорбента и о возможных механизмах взаимодействия. В то же время, многие вопросы, связанные с внесением удобрений, выпадением атмосферных осадков, а также с поливами минерализованными водами и их влиянием на свойства почв, решаются в динамических условиях. Особый интерес представляют исследования различных ионов нативными торфяными почвами, так как их сорбционная способность зависит от состава обменных катионов и анионов, сложившихся в природной обстановке и под влиянием человеческой деятельности. Изучению сорбциионных процессов, как правило, предшествуют исследования скорости поглощения ионов почвами и факторов влияющих на кинетику сорбции и уровни поглощения.
Вопросы кинетики сорбции ионов торфяными почвами отражены в работах С.Н. Иванова (1962), П.И. Белькевича с соавт. (1971), Р.Г. Тороповой и Л.Ф. Усенко (1977), а также в наших работах (1981-1983, 1985, 1988).
Изучение кинетики химических и биохимических процессов, протекающих в торфяных почвах, позволяет оценить возможность осуществления отдельных реакций, условия их протекания, их реальный вклад в трансформацию веществ и, как следствие, скорость и общую направленность процесса почвообразования. Вопросам кинетики сорбции катионов и анионов почвами уделено недостаточно внимания. Не случайно Н.И. Горбунов (1984) выделял среди всех других вопросы, связанные с кинетикой происходящих в почве процессов, как наиболее актуальные.
Нами изучалась кинетика поглощения ионов К+, Са2+, СГ и NO3- разными по генезису торфяными почвами. При оценке сорбционных процессов мы исходили из общей теории кинетики сорбции, разработанной для ионообменных смол, монодисперсных и монофункциональных адсорбентов (Дубинин, 1935; Тимофеев, 1962; Гельферих, 1962; Гриссбах, 1963 и др.). Скорость адсорбции при постоянстве других параметров падает со временем. В общем виде, эта зависимость может быть выражена уравнением: dG / dt = fl (t) или G = f(t), где G -величина адсорбции, достигнутая к моменту t. В ряде случаев больший интерес представляет изучение зависимости относительной величины адсорбции F от времени: F = Gt / GTO == f (t), так как именно эта величина показывает, в какой степени использована сорбционная емкость сорбента к данному моменту времени. Основной задачей теории кинетики адсорбции является раскрытие вида функции f (t) и установление ее связи с параметрами опыта. При форме кривых близких к экспонентам возможно применять уравнение Ft=ni=iFi)00(l - e_Pit) (Карпухин, Степанова, 1976), где п - число экспонент, на которые может быть разбита экспериментальная кинетическая аривая; і - номер экспоненты; р\ - эмпирическая константа кинетики сорбции, соответствующая і - тому компоненту; Fi(00 - эмпирические константы, причем для этих констант должно соблюдаться условие 2 i=iFiJQ0 - I.
Почву в целом, как считает В.М.. Прохоров (1969), можно рассматривать как ионообменник, способный адсорбировать как катионы, так и анионы из почвенных растворов, атмосферных осадков и воздушных потоков.
В качестве объектов исследования по кинетике сорбции ионов были взяты торфяные почвы с резкими различиями по химическим и физическим свойствам (агроторфяная эутрофная слоисто-аллювиальная, р. 1 и торфяная олиготрофная типичная, р. 16; табл. I, 2). Полученные данные по кинетике сорбции ионов представлены в табл. 32, 33.
