Содержание к диссертации
Введение
1 ФОРШ КАЛЬЦИЯ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ В ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 8
1.1 Общее содержание и формы кальция в почвах 10
1.2 Сорбция, миграция и трансформация соединений кальция в почвах 24
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
2.1 Природные условия и физико-химическая характеристика исследуемых почв 42
2.2 Характеристика лабораторных и полевых методов исследования 45
3 ПРИРОДА, СОСТАВ И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ КАЯЫЩ С ФУЛЪВОКИСЛОТАШ 52
3.1 Молекулярно-массовый и элементный состав фракций фульвокислот 53
3.2 Природа взаимодействия ионов кальция с молекулярно-массовыми фракциями фульвокислот 57
3.3 Исследование оптических свойств соединений кальция с фульвокислотами 64
3.4 Использование гелевой фильтрации для доказательства комплексной природы Сафульватных соединений 73
3.5 Определение прочности связи кальция фульвокислотами 78
3.5.1 Применение изотопного обмена для оценки
прочности связи кальция с молекулярно-массовыми фракциями фульвокислот 78
3.5.2 Использование метода ионообменной хроматографии в тонком слое для определения констант устойчивости соединений фульвокислот с кальцием 83
4 СОРБЦИЯ И МИГРАЦИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ В ПОДЗОЛИСТЫХ
ПОЧВАХ 90
4.1 Изучение сорбции ионов кальция генетическими горизонтами почв 90
4.1.1 Определение параметров кинетики сорбции кальция почвами 91
4.1.2 Изучение статики сорбции кальция почвами 106
4.2 Изучение сорбции органических веществ почвами в зависимости от карбонатности почвообразующих пород 111
4.3 Миграция кальция 125
5 ВЛИЯНИЕ РАЗШХ СПОСОБОВ ВНЕСЕНИЯ ИЗВЕСТИ НА СВОЙСТВА. ПОЧВ 136
5.1 Исследование трансформации извести и распределения кальция в почвах 137
5.2 Динамика физико-химических свойств почв при разных способах внесения извести 141
5.3 Изменение состава гумуса пахотного горизонта в почвах разной степени гидроморфности при известковании 148
6 ИЗУЧЕНИЕ ДОСТУПНОСТИ КАЛЬЦИЯ ДЛЯ РАСТЕНИЙ ИЗ СОСТАВА КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ГУМУСОВЫМ ВЕЩЕСТВАМИ 156
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 166
РЕШМЩЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 169
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 170
ПРИЛОЖЕНИЯ 196
- Общее содержание и формы кальция в почвах
- Природные условия и физико-химическая характеристика исследуемых почв
- Молекулярно-массовый и элементный состав фракций фульвокислот
- Изучение сорбции ионов кальция генетическими горизонтами почв
- Исследование трансформации извести и распределения кальция в почвах
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС, майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС и Продовольственной программой СССР поставлены большие задачи по дальнейшему увеличению производства продуктов питания и повышению эффективности сельскохозяйственного производства.
Продовольственная программа СССР является составной частью экономической стратегии КПСС на современном этапе построения коммунистического общества. В выполнении этой программы большую роль приобретают совершенствование химизации сельского хозяйства, проведение глубоких теоретических исследований по изучению трансформации и миграции веществ, вносшлых в почву, их влияния на урожай и окружающую среду.
В нашей стране насчитывается около 66 млн.га кислых земель, в том числе 63 млн. га пашни. По расчетам ежегодный недобор урожая сельскохозяйственных культур на этих почвах, в пересчете на зерно, составляет 15-18 млн.тонн.
Одним из путей повышения плодородия этих почв и урожайности сельскохозяйственных культур является известкование.
Кальций является важным биофильным элементом, потребляемым растениями в значительных количествах, для их нормального роста и развития. В микроорганизмах, растениях и животных он выполняет важные физиологические функции, участвуя во многих защитных реакциях организма.
В почве кальцию принадлежит огромная роль. Этот элемент преобладает среди обменных оснований ППК, оказывает огромное влияние на физические, физико-механические и физико-химические свойства почв, состав и накопление гумуса. В то же время соединения кальция в значительной степени подвержены трансформации и митра- - 5 -ции, что в конечном счете приводит к выносу Са из верхних генетических горизонтов подзолистых почв.
Некомпенсированный вынос кальция из верхних горизонтов освоенных подзолистых почв ухудшает многие физико-химические свойства, определяющие уровень их плодородия и приводит к снижению урожая сельскохозяйственных культур. Для поддержания положительного баланса этого элемента, плодородия почв в стране необходимо ежегодно известковать 13 млн.га сельскохозяйственных угодий, для чего требуется 106 млн.тонн мелиорантов.
Актуальность темы определяется необходимостью выяснения некоторых теоретических вопросов и практического изучения поведения кальция в почвах Нечерноземной зоны РСФСР для разработки рекомендаций по повышению эффективности их химической мелиорации. Известкование кислых почв должно базироваться на детальном знании взаимодействия Са извести с почвами и на умении направленно влиять на процессы сорбции этого элемента почвами, прогнозировать его поведение с целью сокращения потерь из-за активного выщелачивания.
Целью настоящей работы, выполненной в почвенно-геоботаниче-ской экспедиции ТСХА и на кафедре почвоведения, было изучение возможности образования органоминеральных соединений Са с фульво-кислотами, трансформации извести и установление параметров основных миграционных процессов, определяющих поведение кальция в подзолистых почвах. Для решения этой цели необходимо было решить следующие задачи: выяснить природу взаимодействия ионов кальция с фульвокис-лотамя почв, главным комплексообразующим агентом природных вод таежно-лесной зоны; определить состав и свойства соединений кальция с органическими веществами почв; изучить сорбционные параметры и миграционную способность разных форм кальция в подзолистых целинных и освоенных почвах; исследовать трансформацию извести и влияние разных способов внесения мелиоранта на физико-химические свойства и состав гумуса подзолистых почв; выяснить доступность растениям Са из различных органомине-ральных соединений.
Научная новизна и практическая ценность работы. Впервые с использованием современных физико-химических методов проведено систематизированное изучение Са-органических соединений. Определены природа, состав, свойства Са-органических соединений, приготовленных на основе препаратов фульвокислот и их молекулярно-мас-совых фракций. Полученные результаты исследования состава и свойств Са-фульватных соединений расширяют наши представления о механизме взаимодействия щелочно-земельных металлов с органическими веществами и их роли в процессах почвообразования.
На оснований исследования сорбционных взаимодействий кальция с почвами обнаружено, что Са мигрирует в основном за счет и диффузионных процессов^ гравитационными потоками воды. Натурными экспериментами с использованием изотопа кальция-45 установлено усиление выщелачивания этого элемента из пахотного горизонта при совместном внесении извести с навозом и торфом. Проведенные исследования позволили разработать научно обоснованные рекомендации по сокращению потерь Са из почв при их химической мелиорации.
В радиовегетационных опытах с водными культурами показана возможность поступления в растения подсолнечника кальция из кальцийорганических соединений различной природы.
Основные эксперименты проведены с изотопом Са, что позволило прямыми методами определить формы кальция и их поведение в подзолистых почвах.
Практическая значимость. Разработана методика последовательного изучения природы, состава и свойств кальцииорганических соединений .
На основании полученных результатов разработаны рекомендации по известкованию освоенных подзолистых почв. Их внедрение в производство позволит повысить эффективность известкования кислых почв за счет простых и легковыполнимых агротехнических приемов заделки извести и сокращения потерь кальция из пахотного горизонта.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту А.И.Карпухину, коллективам кафедр почвоведения, прикладной атомной физики и радиохимии, сотрудникам почвенно-геобо-танической экспедиции ТСХА и Почвенно-агрономического музея имени В.Р.Вильямса за постоянную помощь в выполнении диссертационной работы и подготовке ее к защите.
Общее содержание и формы кальция в почвах
Кальций - один из основных элементов биосферы (Вернадский В.И., 1983). Ему принадлежит огромная роль в жизни микроорганизмов, растений и животных (Гейльбрун Л., 1957; Петров-Спиридонов А.Е., 1970; S e,cc fe, Р , 1974). Он является преобладающим катионом в почвенных грунтовых и поверхностных водах (Пономарева В.В. и др., 1972; Барымова її.А., 1978; Гришина Л.А. и др., 1979; Нервова Н.Е., 1980, 1984; Перельман А.И., 1982; Сонина К.И. и др., 1979, 1983; Sfee e S#, 1978).
В почвах кальций входит в состав минералов и органических веществ, находится в обменном состоянии и в ионной форме в почвенных растворах (Роде А.А., 1937; Рассел Э., 1955; Перельман А.И., 1972; Одноралов Г.А., 1973; 1980; Павлоцкая Ф.И., 1974; Еюу&ь З. , 1Ш\У(Ыа, Jh-гти. t 1973; %Са.пуогъ tЯ., 1983). Многие свойства почв подзолистого типа определяются содержанием в них кальция, особенно обменного, влияющего на уровень эффективного плодородия почв (Прянишников Д.її., 1953; Гедройц К.К., 1955; Кук Дж.У., 1970; Пестряков В.К., 1977; bcoAjA, 1974). Этот катион играет также большую роль в создании благоприятных химических, физико-химических и биологических свойств почвы для роста и развития растений (Гедройц К.К., 1955; Тюлин В.В. и др., 1977; Карпачевский Л.О. и др., 1981; Панов Н.П., 1983;Вгеетеп , 1974).
Издавна кальций привлекал внимание ученых и практиков при изучении генезиса и регулировании плодородия почв. В трудах выдающегося русского ученого В.В.Докучаева (1953) отмечено влияние кальция на накопление гумуса в черноземах и формирование этого типа почв.
Фундаментальные исследования К.К.Гедройца (1955) о почвенно-поглощающем комплексе и роли обменных оснований в генезисе и плодородии почв оказали огромное влияние на дальнейшее изучение роли кальция в почвах и выяснение механизма ряда почвообразовательных процессов. В 30-40 годах нашего столетия были разработаны основные положения о взаимодействии ионов кальция с твердой фазой почвы (Никольский, 1934; Гапон, 1934, 1937; Антипов-Каратаев и др., 1947). Изучение взаимодействия кальция с почвенно-поглощага-щим комплексом получило дальнейшее развитие в трудах современных исследователей (Горбунов Н.И., 1981; Кавокин А.А. и др., 1981; Савич В.И., 1981; Перельман А.И., 1982; cazcicu pfonxa&x,, 1976; Ло идр., 1979; WAT -&2W, 1982).
Как было установлено, кальций является активным водным мигрантом (Полынов Б.Б., 1948; Пономарева В.В., 1972; Неупокоев А.А., 1973; Мельникова М.Н., 1976; Кулаковская Т.Н. и др., 1978; Перельман А.И., 1982; ВЦегсбплЛал- и др., 1976; ег&г&гъ %.. и др., 1978; Jh-rL.gertsQerts Л. и др., 1979) и легко выщелачивается из подзолистых почв гумадных областей (Кук Дж.У, 1970; Аристархов А.Н., 1974; Мельникова М.Н., 1976; Шкльников И.А. и др.,1977).
Внимание ученых всегда привлекало изучение изменений свойств кислых почв при известковании и влияние мелиоранта на урожай сельскохозяйственных культур. Результаты подобных опытов обобщены в монографиях и сборниках (Прянишников Д.Н., 1953; Известкование дерново-подзолистых почв, 1955; Корнилов М.Ф. и Елаговидов Н.Л., 1955; Известкование почв, 1983; Палавеев Т. и Тотчев Т., 1983}. В нашей стране широкомасштабные эксперименты по изучению миграции кальция проводятся учеными Всесоюзного НИИ удобрений и агропочвоведения (Мельникова М.Н., 1976, 1978, 1983; Сонина К.И. и др., 1979, 1983; Шильников И.А. и др., 1977, 1979, 1982, 1983).
Природные условия и физико-химическая характеристика исследуемых почв
Полевые исследования в течение 1979-1983 гг. проводились на глубоко подзолистых (П _ л П), глубокоподзолистых глеевых (ПдГ л П), освоенных глубокоподзолистых (Пд0 л Ш и освоенных неглубокопод-золистых глеевых (Пд0ГлП) почвах лугкосуглинистого механического состава на однородных покровных суглинках в совхозе "Вилегодский" Вилегодского района.
Для изучения влияния карбонатов почвообразующих пород на процессы сорбции органических веществ генетическими горизонтами почв были отобраны образцы неглубокоподзолистых остаточно-карбо-натных (Пзкл ЇМ), неглубокоподзолистых остаточно-карбонатных глеевых (По окг л Мк), освоенных неглубокоподзолистых остаточно-карбонатных (Dg оок л Ж) и освоенных сильноподзолистых остаточ-но-карбонатных глееватых (Пд оокгл Мк) почв легкосуглинистого механического состава на морене карбонатной свохоза "Хозьминский" Вельского района.
Название почв дано согласно указаниям, приведенным в "Классификации и диагностики почв СССР" (1977).
Выбранные объекты приурочены к таежно-лесной зоне подзоне средней тайги. Данная территория расположена в северной части Русской равнины в центральной геоморфологической провинции Севера Европейской части СССР (Герасимов И.П., 1966). Абсолютные высоты составляют 140-160 м над уровнем моря. Относительные высоты водоразделов достигают 50-80 м. Междуречные пространства представляют собой волнистые равнины, чередующиеся с понижениями и прорезанные сетью речных долин. Поверхность водоразделов имеет общий наклон к долинам рек. Крутизна склонов в среднем не превышает 4-6.
Лезорельеф хорошо выражен и имеет волнисто-холмистый характер. Микрорельеф в лесу представлен прикомлевыми повышениями, обомшелыми стволами деревьев, микрозападинами. На пашне микрорельеф формируется в основном от обработки сельскохозяйственными орудиями .
Почвообразующие породы представлены покровными суглинками, моренными и флювиогляциальными ртложениями различных эпох оледенения.
Речные и грунтовые воды слабоминерализованы. Средняя минера-лизозанность вод бассейна р.Северная Двина 56 г/м3 (Давыдов Л.К., 1955).
Климат территории характеризуется как умеренно-континентальный, лето короткое и прохладное, зима длинная, холодная (Агро - 44 -климатические ресурсы Архангельской области, 1971). По данным Ильинеко-Подомской метеостанции среднегодовая температура воздуха 0,9, самого холодного месяца января -14,6, самого теплого - июля +16,8. Сумма температур периодов с температурой выше +5 составляет 1750-1900, а выше +10 - 1400-1500. Продолжительность периода с температурой выше 0 197 дней, +5 - 152 дня.
Средняя многолетняя сумма осадков за год составляет 538 мм, причем 72 % годовых осадков выпадает в период с апреля по октябрь. По показателю Шашко, представляющему собой отношение осадков к дефициту влажности воздуха за годовой период, вся территория области избыточно увлажнена (МЫ = 0,67-0,97).
Глубина промерзания почвы в зимний период в среднем 60 см, в отдельные годы достигает НО см и выше. Почвы полностью оттаивают 4-7 мая, замерзают в октябре.
Молекулярно-массовый и элементный состав фракций фульвокислот
Фульвокислоты почв имеют неоднородный молекулярно-массовый состав (Карпухин А.И., 1970, 1984; Орлов Д.С, 1974; Александрова Л.Н., 1980).
Молекулярные массы органических веществ фульвокислотной природы, определенные с помощью систематизированной гель-хроматографии (Карпухин А.И., 1984), изменяются от нескольких сотен до 10000.
Для сравнительных исследований были изучены фульвокислоты, выделенные из подзолистой почвы Архангельской области.
По данным систематизированной гелевой хроматографии (рис.1, табл.2) фульвокислоты из горизонта AQAJ подзолистой почвы имеют сложный молекулярно-массовый состав. При фракционировании препаратов на колонке с гель-Молселект & -10 выделены три фракции фульвокислот с молекулярными массами (ММ) 280, 340 и ММ 7
class4 СОРБЦИЯ И МИГРАЦИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ В ПОДЗОЛИСТЫХ
ПОЧВАХ class4
Изучение сорбции ионов кальция генетическими горизонтами почв
Взаимодействие ионов кальция с твердой фазой почвы носит ионообменный характер, а его закрепление в профиле происходит главным образом за счет физико-химической сорбции (Рассел Э., 1955).
Поведение и масштабы миграции веществ в почвах во многом зависят от параметров кинетики и статики сорбции (Анохин В.Л., 1974).
Кинетику сорбции ионов кальция и кальцийорганических соединений образцами подзолистых легкосуглинистых почв изучали в статических условиях. Концентрация раствора составляла ОД мг Са/мя, рН 5,6. При проведении эксперимента ОД г почвы заливали 2 мл раствора. Концентрацию кальция в сорбенте через различные отрезки времени (" ).
По результатам определения концентрации кальция в сорбенте строили графики кинетики сорбции. По этим графикам определяли равновесные концентрации Са при времени насыщения ( rnaaJ) Для каждого сорбента. Далее проводили расчет относительных величин jJ- T и строили графики кинетики сорбции J (t) (рис. 18-26). Кинетические кривые сорбции ионов кальция, калъцийгума-тов и кальцийфульватов показывают, что в начальный период взаимодействия изучаемых соединений с почвой происходит быстрое погло-щение кальция. Причем приблизительно 80-90 % ионов Са сорбируются в первые 30 минут. Затем наступает насыщение адсорбционного слоя катионами кальция и концентрация их остается практически неизменной, что соответствует плато на кривой.
Исследование трансформации извести и распределения кальция в почвах
Кальций, поступающий в почву в результате хозяйственном деятельности из различных соединений, в той или иной мере закрепляется в профиле почвы или выносится за его пределы.
При изучении трансформации извести и распределения кальция в почвах было проведено исследование фракционного состава этого элемента.
Проведенные исследования показали, что кальций, внесенный в виде раствора Ca.Ct и порошка СаСОд, распределяется по всем формам нахождения этого элемента в почвах (табл. 24, 25). На распределение кальция по формам нахождения влияют (табл.24) ог-леение и сельскохозяйственное использование почв. Через год после внесения раствора Со,С из освоенных почв в 2 раза больше извлекалось Са с органическим веществом по сравнению с подзолистыми почвами под лесом. Суммарное же количество обменного и связанного с органическим веществом Са в этих почвах приблизительно одинаковое и составляет соответственно 75,7 % и 78,7 % в автоморфных и 57,3, 53,6 % в оглеэнных почвах. При этом в освоенных почвах возрастает доля прочносвязанного кальция до 34,3 % по сравнению с 21,3 % в подзолистых. В оглеенных почвах значительная часть кальция остается в водорастворимой форме, около 16,1 % в подзолистых и 9,8 % в освоенных.
