Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Обзор литературы 5
2.1. Факторы почвообразования на территории Анголы 5
2.2. Фосфатное состояние почв тропиков и субтропиков 21
Глава 3. Цели и задачи исследования 44
Глава 4. Объекты исследования 45
Глава 5. Методика исследования 55
Глава 6. Экспериментальная часть 57
6.1. Содержание подвижных соединений железа, магния и кальция в почвах Анголы 57
6.2. Тепловой эффект сорбции фосфатов почвами Анголы 63
6.3. Фракционный состав фосфатов в исследуемых почвах 69
6.4. Депонирующая способность почв Анголы по отношению к фосфору и калию 73
6.5. Кинетика вытеснения фосфатов из почв Анголы 76
6.6. Содержание положительно и отрицательно заряженных соединений в почвах Анголы 81
6.7. Инфракрасные спектры и дериватограммы почв Анголы как индикатор их химического состава и сорбционных свойств в отношении фосфатов 91
6.8. Цветовая гамма почв и космических снимков как индикатор состояния почв и их сорбционных свойств в отношении фосфатов 97
6.9. Комплексная оценка фосфатного состояния почв Анголы 105
7. Выводы 123
8. Список использованной литературы
- Фосфатное состояние почв тропиков и субтропиков
- Тепловой эффект сорбции фосфатов почвами Анголы
- Кинетика вытеснения фосфатов из почв Анголы
- Цветовая гамма почв и космических снимков как индикатор состояния почв и их сорбционных свойств в отношении фосфатов
Фосфатное состояние почв тропиков и субтропиков
Преобладающая часть южной Африки находится в тропическом и экваториальном поясах, и лишь крайний юг относится к субтропикам. На климат влияет также наличие краевых горных поднятий, затрудняющих проникновение влаги внутрь материка, наличие у западных берегов холодных, а у восточных - теплых течений.
Тропический пояс делится на три зоны: приэкваториальную, промежуточную и внешнюю. Приэкваториальная зона тропического пояса простирается в южном полушарии Африки до 18-19 ю.ш. (в северном полушарии - до 11-14 с.ш.). Ее внешняя граница практически совпадает с изолинией годовых осадков в 600 мм. В подзонах, прилегающих к экваториальному поясу, наблюдаются два дождливых и два сухих сезона, во внешних подзонах два сезона -дождливый и сухой.
Промежуточная зона простирается в южном полушарии Африки до границы тропического пояса (-24 ю.ш.) (в северном полушарии до 17-19 с.ш.). Осадки здесь колеблются от 200 до 600 мм в год. Дождливый сезон, совпадающий с летним периодом, в каждом полушарии существенно короче, чем в приэкваториальных зонах, и длится от 1 до 4 месяцев (Авакян А.Б. и др., 1987) (ссылка по Наумову В.Д., 2013). карта Анголы Внешняя зона в Южной Африке простирается до 33 ю.ш. (в Северной Африке - до 29 с.ш.). Здесь постоянно господствует сухие тропические воздушные массы. Дожди выпадают крайне редко. Средние месячные температуры колеблются от 10 до 38С; абсолютные температуры - в пределах от -5 до +55С (Авакян А.Б. и др., 1987), ссылка по Наумову В.Д., 2013.
Узкие полосы северного и южного побережий Африки находятся в области субтропического климата с сухим летом и влажной зимой. Близость Атлантического океана очень мало влияет на выпадение осадков из-за наличия холодных течений, сильно охлаждающих нижний слой воздуха.
Представление о климате изучаемого района Анголы можно получить из материалов, приводимых ниже. Тепловые ресурсы обследованного региона значительны, хотя температура воздуха подвержена суточным и сезонным изменениям. Годовой ход температуры тесно коррелирует с солнечной радиацией, поступающей на поверхность Земли.
Климатическая карта Анголы приведена на рис. 1. На рис. 2 приведена средняя годовая температура по территории Анголы. На рис. 3 приведена карта-схема количества выпадающих осадков на исследуемой территории, а на рис. 4 - относительная влажность на территории Анголы. Htpiim її л mi cflNBO
Большая часть территории представляет обширное плоскогорье высотой более 100 метров на уровнем моря. Вдоль берега Атлантического океана, протяженность которого составляет 1600 км, протянулась низменность шириной от 50 до 100 километров. В прибрежной части страны климат тропический, засушливый. В Анголе имеются все основные типы ландшафтов тропической Африки, от тропических лесов до полупустынь. Наиболее распространены саванны и редколесья. При этом северная часть плоскогорья приподнята возвышенностью, обрамляющей впадину Кого, а южная часть краевыми поднятиями впадины Калахири.
Прибрежная низменность с запада ограничена огромным уступом, достигающим высоты 1000 м, которым начинается внутреннее плоскогорье. Приподнимаясь в центральной и западной частях от 1800 м, внутреннее плоскогорье к окраинам понижается в сторону Калахари, Конго и Замбези.
Обильные летние дожди позволяют выращивать до 2-х урожаев сельскохозяйственных культур. Но если в прибрежных саваннах преобладают плодородные красно-бурые и черные тропические почвы, то песчано-ферраллитовые почвы внутреннего плоскогорья требуют постоянного внесения удобрений, без которых быстро истощаются. И только на высотах более 1500 м над уровнем моря встречаются более плодородные гумусно-ферраллитные почвы.
Тепловой эффект сорбции фосфатов почвами Анголы
При оценке фосфатного состояния почв Анголы изучены почвы, развитые под целинной растительностью и на пахотных угодьях с координатам: разрез 1(красно-желтая ферраллитная почва) - Бом-Жесуш (широта 801 00 , долгота 1413 00 ), разрез 2 (красная ферраллитная почва) -Кашуера де Бинга (широта 1057 24 , долгота - 1409 40 ), разрез 3а (флювисоль) - Сумбе (широта 1112 22 , долгота - 1350 37 ) и для сравнения выщелоченный чернозем разрез 1 нормального увлажнения и разрез 2 -повышенного увлажнения в западине яблоневого сада. Места расположения заложенных разрезов на территории Анголы приведены на рисунке 9. На рисунке 10 приведен общий вид одного из разрезов. На рисунках 11, 12, 13 приведены фотографии верхнего горизонта изучаемых почв.
Общее количество взятых образцов - 24. Пахотные почвы Анголы представлены разрезом 1 и 2, р. 1 заложен в районе в Бом-Жесуше Ап - 5 см; Ап - 10 см; АВ- 25 см; В - 40 см. р. 2 заложен в районе Кашуера: Ап - 15 см; Ап - 25 см; АВ - 45 см; В 75 см. Целинные почвы Анголы представлены разрезами 1а; 2а; 3а. Разрез 1а заложен в районе Бом-Жесуш: А1 - 5 см; А2 -15 см; В - 25 см; B 45 см. Разрез 2а заложен в районе Кашуера: А1 - 5 см; АВ - 15 см; В - 25 см; ВС - 55 см. Разрез 3а заложен в районе Сумбе: А1 - 5 см; АВ - 10 см; В1 - 20 см; В2 - 35 см. Таблица 7 - Физико-химические свойства образцов, взятых для изучения фосфатного состояния почв
Содержание подвижных форм Са в горизонтах АiА2 составляло в разрезах 1, 2, 1а, 2а, За соответственно 15,6±1,9 мг/л; 4,9±0,6 мг/л; 18,2±6,8 мг/л; 16,9±5,5 мг/л и 54,6±0,6 мг/л. Содержание подвижных форм Mg в этих же горизонтах разрезов 1, 2, 1а, 2а, За составляло соответственно 19,8±9,4; 8,5±0,9; 26,8±1,9; 24,2±10,5 и 20,9±2,1 мг/л. Содержание подвижных форм железа в этих же слоях составляло в разрезах 1, 2, 1а, 2а, За соответственно 0,5±0,1; 0,5±0,1; 8,2±3,7; 0,45±0,05 и 3,9±0,7 мг/л. Для углубленной оценки связи фосфатного состояния почв с их физико-химическими свойствами обобщены литературные данные по свойствам почвам Анголы в соседних провинциях. Места взятия образцов приведены на рисунке 14. Ниже приведены свойства этих почв.
Красные ферраллитные почвы на элювии основных пород (семейства CS-118) характеризуются тяжелым гранулометрическим составом, отношением SiO2/R2O3=1,3; содержанием Fe2O3 до 17,0%. В минералогическом составе преобладает группа каолинита, сопутствующие минералы – гетит, гиббсит, аморфные соединения железа и алюминия, рНН2О=5,7-6,5; рНKCl=4,5-5,5; сумма обменных катионов достаточно велика только в верхнем слое (до 9 мг-экв/100 г) резко уменьшилась вниз по профилю до 1-2 мг-экв/100 г.
Степень насыщенности основаниями убывает до 15-10% в горизонте В. Органическое вещество составляет от 6% Ап-А1, до 2-3% в АВ при отношении C:N=13-16. Валовое содержание Р2О5 составляет 0,12%. Красные ферраллитные типичные почвы на кристаллических кварцитовых породах семейства CS-119 характеризуются среднесуглинистым гранулометрическим составом. В минералогическом составе преобладает группа каолинита. Сопутствующими минералами являются слюда, гетит, гиббсит. рНН2О колеблется от 5,6 до 6,2, рНKCl от 4,2 до 5,3. Сумма обменных катионов в верхнем слое от 8 до 1,6 мг-экв/100 г; уменьшаясь вниз по профилю до 0,2. Степень насыщенности основаниями от 60-20% вверху, до 12-4% в нижней части профиля. Содержание органического вещества в А1-Ап - 5=2%, C:N=15-18, валовое содержание Р2О5 не превышает 0,1%.
Красные ферраллитные типичные почвы на кристаллических кварцевых породах семейства CS-120 характеризуются среднесуглинистым и тяжелосуглинистым гранулометрическим составом. Соотношение SiO2/R2O3=1,5; содержание Fe2O3=8%. В минералогическом составе почв преобладает группа каолинита, среди сопутствующих минералов присутствуют гетит, гиббсит. рНН2О=5,3-6,5, рНKCl 4,5-5,6. Сумма обменных катионов в Ап-А1 до 11 мг-экв/100 г; в нижней части профиля до 1 мг-экв/100 г. Степень насыщенности основаниями от 60 до 30%. Органическое вещество в разных разрезах от 5 до 2%, C:N=18-23, содержание валовых форм Р2О5=0,07%.
Желтые ферраллитные структурно-глинистые почвы на кварцево-железистых породах семейств CS-114 и CS-115 характеризуются немного более легким гранулометрическим составом, чем красные ферраллитные почвы. В этих почвах меньше содержание Fe2O3 до 5-3%. В минералогическом составе преобладает не только группа каолинита, но и группа слюд, при наличии гетита. рНH2O=5,1-6,6; pHKCl=3,8-5,6. Сумма обменных катионов в верхнем слое 4-9 мг-экв/100 г, уменьшаясь вниз по профилю до 1 мг-экв/100 г. Степень насыщенности основаниями в верхних слоях 50-80%, в нижней части профиля - 13-20%. Содержание органического вещества значительно ниже, чем в красных ферраллитных почвах: 2-3%; C:N=16-20; содержание Р2О5=0,05-0,08%.
Бурые ферраллитные структурноглинистые почвы на консолидированнных осадочных отложенных породах семейства CS-111 еще менее тяжелого гранулометрического состава по сравнению с красными и желтыми ферраллитными. Однако отношение SiO2/R2O3=1,8, содержание Fe2O3=5-6%. В минералогическом составе преобладает каолинит, при наличии гетита. Сумма обменных катионов невелика и составляет 1,4 мг-экв/100 г. Степень насыщенности основаниями 50-80% содержания органического вещества менее 2%; С:N=12-16. Следует отметить, что минералогический состав почв и содержание Fe2O3 дается в расчете на илистую фракцию, а степень насыщенности основаниями вычисляется как отношение суммы поглощенных оснований к емкости поглощения почв (Герасимов И.П., 1973; Добровольский Г.В., 1996; Зонн С.В., 1970; Ларешин В.Г., 2008; Наумов В.Д., 2013; Роуэлл Д.Л., 1998).
Кинетика вытеснения фосфатов из почв Анголы
В почвах и в растениях присутствуют не только положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы (в основном Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO42-, PO43-, NO3-), но также их комплексы и ассоциаты. Ассоциаты чаще характерны для сухостепных зон и засоленных почв и в основном, для катионов Ca, Mg с карбонатами и бикарбонатами (Савич В.И., Шишов Л.Л., 2004). Комплексные соединения, заряженные положительно и отрицательно преобладают в гумусированных почвах и присутствуют как в почвах таежно-лесной зоны (Савич В.И., Сычев В.Г.), так и в почвах тропических и субтропических областей (Савич В.И., Шишов Л.Л). В почвах присутствуют как комплексы поливалентных катионов с органическими соединениями, так и гидроксикомплексы (например, Al(OH)4-; Al(OH)52- и т.д.), а также органо-металло-фосфатные комплексы (Савич В.И., Карпухин А.И.).
В проведенных исследованиях в качестве объекта исследования выбраны пахотные и лесные почвы из изучаемых районов Анголы и для сравнения выщелоченный чернозем России.
При исследования применялись 2 методики. В первой методике 5 г почвы увлажнялось до состояния полной влагоемкости и методом химической автографии на основе электролиза при напряжении 12 вольт и времени взаимодействия 10 минут положительно и отрицательно заряженные соединения фосфатов и катионов переносились на листы хроматографической бумаги, расположенных у катода и анода.
В дальнейшем проводились элюирование элементов из листов хроматографической бумаги 0,1 н. HCl и определение в фильтратах анионов и катионов. (Савич В.И.. Сычев В.Г., Трубицина Е.В.).
Во второй методике почвы предварительно насыщались 0,1 н. КН2РО4 (5 г почвы + 5 мл 0,1 н. КН2РО4). После высыхания проб в них проводилось определение положительно и отрицательно заряженных соединений по указанной ранее методике.
Как видно из представленных данных, в изученных почвах присутствуют и положительно, и отрицательно заряженные соединения фосфатов и калия, очевидно, в значительной степени представленные их комплексными соединениями.
Во втором опыте в качестве объектов исследования взяты 9 образцов – разрез 1 горизонта Ап выщелоченного чернозема; горизонт Ап разреза 2 этой же почвы избыточно увлажненной; горизонта Ап выщелоченного чернозема; горизонт Ап; разрез 2 этой же почвы – избыточно увлажненный; горизонт Ап – пахотной почвы из района Кашуера, горизонт А1 целинной почвы из района Кашуера (р2а); горизонт АВ из этой же почвы; горизонт А1 из лесной почвы Бон Жесуш (р1а) и горизонт АВ из этой же почвы; горизонт А0/А1 из разреза 3а целинной почвы из района Сумбе и горизонт АВ из этой же почвы.
Полученные данные приведены в следующей таблице 17, где №1 – чернозем разрез 1–Ап; №2 – чернозем разрез 2–Ап; №3 и далее – почвы Анголы. №3 - разрез 2-Ап; №4 - разрез 2а-горизонт А1; №5 - горизонт В этой же почвы; №6 - горизонт А1 разреза 1а; №7 - горизонт АВ этой же почвы; №8 - горизонт А0А1 разреза 3а и №9 - горизонт АВ этой же почвы.
Как видно из представленных данных, в исходных образцах преобладают положительно заряженные соединения кальция и железа; доля положительно и отрицательно заряженных соединений цинка одинакова. После насыщения почв фосфатами увеличивается доля отрицательно заряженных соединений кальция, цинка, железа в связи с образованием комплексных соединений.
Представляет интерес доля положительно и отрицательно заряженных соединений в почвах разных типов, в верхних и в более нижних горизонтах.
Как видно из представленных данных, в пахотных горизонтах больше положительно заряженных соединений кальция, цинка, железа, чем в нижележащем горизонте. Доля положительно заряженных соединений кальция и цинка в почвах Анголы: больше железа, меньше, чем в черноземе.
Из сравниваемых почв в верхнем горизонте доля положительно заряженных соединений кальция выше в почве в районе Бом-Жесуш, цинка -в почве района Сумбе, железа в почве района Бом-Жесуш. При насыщении почв фосфатами доля положительно заряженных форм кальция, цинка, железа уменьшилась. Однако, в разных горизонтах и почвах эта зависимость отличается.
Содержание подвижных соединений ионов, вытесненных из почв методом химической автографии на основе электролиза при напряжении 12 вольт и времени электролиза 10 минут близко к содержанию в почвах водорастворимых форм. (Савич В.И., Сычев В.Г., 2004). Для почв Египта (Хусейн Халед Ахмед, 1999) содержание таких соединений составляло для железа - 0,1-5 мг/л, кальция - 7-170 мг/л, цинка до 0,02 мг/л, фосфора - 0,1-0,3 мг/л. По полученным нами данным в почвах Анголы содержание комплексных соединений, вытесняемых из почв методом электролиза были выше, чем для вертисоли, рендзины и красно-бурой почвы Египта по Fe, ниже по Са и несколько выше по фосфору.
Доля отрицательно заряженных соединений фосфора в почвах Египта составляла 58-62%, кальция - 34-48%; железа 51-88%. В исследуемых нами почвах доля отрицательно заряженных соединений фосфатов близка, однако для отрицательно заряженных соединений Fe и Са часто значительно ниже.
В исследуемых почвах Анголы присутствуют и положительно, и отрицательно заряженные соединения фосфатов, калия, кальция, железа и цинка. 2. Содержание подвижных фосфатов в исследуемых почвах вытесняемых из твердой фазы методом химической автографии на основе электролиза при времени взаимодействия 10 минут и напряжения 10 вольт близко к содержанию водорастворимых форм, определяемому произведениями растворимости возможных осадков и несколько выше для некоторых почв для железа и цинка.
Цветовая гамма почв и космических снимков как индикатор состояния почв и их сорбционных свойств в отношении фосфатов
Шурина Г.Н. (1978) отмечает, что о содержании поглощенного почвами фосфора следует судить не по однократной, а по многократным вытяжкам; число их зависит от химико-минералогического состава и дисперсности поглотителей.
Ряд авторов указывает, что поглощение растениями биофильных элементов происходит из разных горизонтов, а не только из пахотного слоя. Кидиным В.В. и Гущиной Е.О. (1999) показано с использованием изотопа 15N, что азот используется растениями из разных горизонтов дерново-подзолистой почвы. Так, кормовая свекла в среднем за 3 года потребила из слоя 0-20 см 30,5 кг азота; из слоя 20-40 см - 18,9 кг; а из слоя 60-80 см - 8,7 кг азота.
Коэффициент использования аммонийного и нитратного азота удобрений составлял из слоя 0-20 см - 17-25%, из слоя 20-40 см, аммонийного азота - 18-28%, нитратного - 21-26%.
Из слоя 60-80 см использование аммонийного азота составляло 11-15%, нитратного - 15-18%. Даже из слоя 80-100 см коэффициент использования азота составлял 11-12% от его исходного содержания.
Авторы отмечают необходимость послойного учета содержания аммонийного и нитратного азота и доступности его растениям при проведении почвенной диагностики азотного носителя.
Как установлено В.И. Кобзаренко (1998), из подпахотных слоев почв растения использовали от 96 до 233 кг калия на 1 га. Вынос Р2O5 растениями из отдельных подпахотных слоев составлял от 0,1 до 1,5 мг на 100 г почв. Растения усваивали из подпахотных слоев от 87 до 136 кг фосфора на 1 га.
В.В. Кидин (2008) отмечает, что в Нечерноземной зоне "наиболее тесная корреляция между содержанием минерального азота в почве и урожайностью наблюдается при глубине диагностируемого слоя 0,6-1 м.". По полученным автором данным по мере роста и развития растений ячменя использование минерального азота из нижних горизонтов почвы увеличивалась, однако, было ниже, чем из двух верхних.
В среднем за 5 лет из корнеобитаемого слоя - 0-80 см, ячмень использован в фазе кущения 15% аммонийного азота и 24% нитратного, а в фазе трубкования - 26 и 36%.
Применение азотных удобрений уменьшало поступление азота почвы из пахотного слоя, но практически не влияло на его потребление из более глубоких слоев.
Удаление из почв отдельных компонентов, внесение в почву органических остатков изменяют в почве подвижность фосфатов.
По данным Орлова П.В. (2013), при содержании обменного алюминия в почве выше 3,5 мг/100 г степень подвижности фосфатов существенно снижалась.
Экспериментальные данные Салех Махмуд (1988) показали, что удаление из почв гумуса, несиликатных соединений железа и карбонатов снижало сорбционную емкость почв по отношению к фосфатам. По данным автора, концентрация фосфатов в почвенном растворе при рН 5,5 обусловлена варисцитом и стренгитом, при рН 5,5 - гидроксилапатитом.
Коробский Н.Ф. (2012) отмечает, что по мере выщелачивания из черноземов карбонатов и поглощенного Са, возрастает количество и фосфатов железа и алюминия до 8,3%.
По данным Вильегас Дельгадо Рафаэль (1981) наибольший экономический эффект в условиях Кубы обеспечивало внесение 50-100 кг д.в. Р2O5 на ферраллитных почвах, 50 кг/га на коричневых почвах и вертисолях. С нашей точки зрения, доступность фосфатов почв для питания растений определяется: 1) Их валовым содержанием; 2) рН среды; 3) степенью гумусированности; 121 4) наличием аллитных, ферраллитных и ферсиаллитных почв с разным молекулярным отношением SiO2:R2O3 (Fe2O3+R2O3 в илистой фракции от 2 до 1; 5) гранулометрическим составом почв; 6) наличием и степенью окристаллизованности минералов группы гидроокисей; 7) наличием и степенью окристаллизованности аморфных соединений железа и алюминия; 8) влажностью и степенью промывного типа водного режима; 9) температурой; 10) степенью развития в почвах анаэробных условий (оглеения); Поглощение фосфатов почвами в значительной степени обусловлено минералами и соединениями Fe, Al. Температурный режим и условия увлажнения обуславливают образование различных минералов железа. Гетит образуется при старении Fe(OH)3 при низкой температуре и кислой среде. Гематит образуется при высокой температуре и нейтральной среде (что более реально для условий Анголы). Гидрогематит образуется при нейтральной среде и низкой температуре. Лепидокрит приурочен к гидроморфным почвам. Ферригидрит встречается в кислых холодных почвах, богатых органическим веществом. Магнетит встречается только в молодых вулканических почвах.
Однако, в большей степени сорбция фосфатов почвами обусловлена не минералами железа и алюминия, а свежеобразованными гидроокисями железа и алюминия. Эти соединения в кислой реакции среды заряжены положительно и интенсивно поглощают фосфаты. В связи с указанным, при нейтрализации среды сорбционные свойства почв по отношению к фосфатам уменьшаются. 122 В то же время, подвижность фосфатов в почвах зависит от рН среды, так как в кислых почвах преобладают соединения НгРО , в нейтральных НFG ." и в слабощелочных РО , которые в значительно меньшей степени доступны растениям (FeP04 и Са3(Р04)2 почти недоступны). Прочность связи фосфатов железа и алюминия значительно больше, чем прочность связи фосфора в фосфатах кальция и магния, а тем более в органических фосфатах.
Наиболее неблагоприятными свойствами в отношении фосфатного режима характеризуются красные ферраллитные почвы на элювии основных пород.
Несколько лучшими по фосфатному состоянию из почв являются красные ферраллитные на кварцевых породах. Меньше подвижных соединений железа содержится в желтых ферраллитных и бурых ферраллитных почвах, но в них меньше и содержание органического вещества.
Зависимость подвижности фосфатов в почвах от свойств почв может быть представлена в виде графического алгоритма (рис. 28). С учетом свойств почв Анголы и климатических условий по фосфатному состоянию, территория Анголы может быть поделена на зоны, обозначенные на рисунках № 29, 30. Однако для углубленной оценки данного вопроса требуются дальнейшие исследования.
