Введение к работе
Актуальность темп. В связи с задачами, поставленными партией и правительством в области дальнейшей интенсификации земледелия на основе его химизации н развития всэх видов мелиорации почв, химическая характеристика почв приобретает особое значение. Несмотря на успехи, достигнутые в области исследования химического состояния почвы, теоретические основы и методы применения термодинамических показателей равновесия почвенных реакции для характеристики почв ещё мало разработаны. Динамика свойств почвы, взаимосвязь ев о окультуриванием остро ставхт вопрос количественного контроля »а химическим состоянием почвы, и в первую очередь - за состоянием основных зломентов питания растения. Термодинамический подход к характеристике почвоннной система позволяет вскрыть общие закономерности поведения элементов питания в связи с климатическими особенностями и антропогенными воздействиями, прогнозировать направление и глуйдну изменений ряда химических свойств почв.
Задачи исследования. В разработку теоретических основ и методов применения термодинамических показателей химических равновесий для характеристики почв были вклочэвы следулцле основные задачи:
-
Систематизация понятий, разработка единого подхода к применению термодинамических показателей химических равновесии для описания почвенных процессов.
-
Совершенствование к унификация системи термодинамических показателей хкмичееккх равновесий в почвах:
а) обоснование я разработка единой шкалы измерения показа
теля интенсивности почвенных реакция в связи с составом почвен
ного раствора;
б) обоснование термодинамических показателей и ях производ
ных для интерпретации состояния элементов питания;
в) разработка метопов оценки состояния элементов в твердой
и жидкой Фазах почвы.
3. Проведение комплексного изучения состояния элементов пита
ния растений в почвах на основа термодинамических показателей хи
мического равновесия по данным состава естественных почвенных рэ-
СТДОрОБ.
4. Разработка споссЗов прогноза доступности элементов пита
ния растения на основе термодинамической оценки химических равно-
fldftflftTH н методы исслеповэнпя. Объектами исследования являлись
наиболее распространенные в Удмуртии дерково-подволлстые суглинис
тые, серые лесные суглинистые и дерново-карбонатные тяжелосугликио-*
тые почвы. Для срсвкоикя были проанализированы данные других ис
следователей (И.Н.Скршшикова, І96І; Т. Л. Быстрицкая, В.В.Волкова,
В.В.Скакин, 1981) по почвам: черноземам Приазовья, серым лесным
почваи Московской области и иловато-торфяным и лерегнойно-горфяным
почвам Подмоскмоья* ' -
Работа вылолнялесь с 1972 по 1987 гг. Она содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований* Для детального изучения свойств и режимов основных типов лесных к пахотных почв «ил применен метод ключевых,площадок. Специальные исследования физико-химических н агрономических свойств Почв проводили путей постановки лабораторітшс; и вегетационных опытов» некоторые опыты были связаны о моделированием почвенных процессов. В качестве методов измерения использовала классические химические и инструментальные методы анализа: гравиметрические, титриметрнческне, спектральные, электрохимические. Результаты измерения обрабатывали о применением ЭВМ, интерпретацию результатов осуществляли на основе уравнений химической термодинамики. В работе обобщены исследования, проведенные автором и выполненные под его руководством сотрудниками и студентами Ижевского СШ, а также публикации других исследователей. Автору принадлежит разработка вопросов теории, программ нсследпа-' . кия, сбор части полевого материала, выполнение части эксперимента, обобщение всего полученного материала, разработка на его основе . концепции и выводов.
Научная, новизна. Сформирована концепция комплексного подхода к оценке свойств'почвы по термодинамическим показателям химического равновесия. В основе её лежат термодинамические потенциалы почвенных реакции и' их' производные. .Термодинамические потенциалы почвенных элементов были дифференцированы в соответствии с механизмом их .доминирующих реакции обмена, осаждения-растворения, окисжитель-но-восстановительвых реакции.
,.: Предложена единая шкала оценка уровня термодинамических потенциалов для элементов, иглшимашнх участие в реакциях ионного обмена и. растіорения-осаждвкая. Для втого за основное направление реакции принято то, которое приЕОдит'к обогащение: почвенного раствора данным, элементом (десорбция и растворение).
Известна взаимосвязь реакций перехода фосФара^в^раетвр.р'о^рН''
'«":. ***!.г-*>.«ч
2 ; л^т^.* ^-»;.. .
равновесного раствора. В соответствии с характером сужарной реакция проведен вывод нових формул фосфатных потенциалов, дифференцированных в соответствия с рН. Обоснованы критические уровни значений фосфатных потенциалов, оороделяхске доступность почвенных фосфатов растениям. Показана возмоаиость расчета критических значений по величине рК,
В качество показателя буферных свойств почвы относительно обманных катионов и фосфатов рассмотрены конкретные выражения производных термодинамических потенциалов доминирующих реакций. Предложено проводить их оценку по-велкчкне показателя ft*.G/*c на основании состава жидкой фазы.
Исходя из представлений о механизме окаслительно-восстаиавн-таяышх решеций неорганических соединений почвенного азота, впервые обоснован ряд формул аэотинх потенциалов. Они рассчитаны как логарифмы констант равновесия реакций восстановления нитратов и азота при взаимодействии кх с доминирующей з почве волной окислите^ ьно-зосстановителъной системой. Полные потенциалы включают окислитель-но-восстзиовательный потенциал в виде регрН и характеризуют равновесно конкретной реакции; краткио-содерадт ииформаци» о группе реакции. Предложена диаграмма ро-рН для окислительно-восстановя-телькых реаисій с участием соединений азота, по которой оценивается возможность осуществления той пли иной реакции. Проведены теоретическое обоснование и экспериментальная проверка показателей азотной буферностя как величины а*6/а* (яли аЩК/рч )( где х- одно из свойств почвенной системы.
Псавтяческая ценность -л реализация, результатов яседедовзди-Единая шкала измерения потенциалов позволяет проводить сравнение интенсивности почвенных реакций по принципу: чем меньше величина потенциала, тем интенсивнее исходные вещества превращаются в продукты реашкя. Определения показателей равновесия позволяют ре-егтьв отнесении элементов питання едедуюцке вопросы: I) идентифицировать соедпненая элементов в твердой фазе почвы; 2) определять докиго;рукїс:е реакции в почве; 3) проводить оценку доступности элементов растениям,
Предлотешше форели осфатных потенциалов дшет количоствеч-ную оценку состояния почвенных фосфатов в условиях рН> 6 (рН=-9), когда не применим мопокальцпйфосфатікгіі потенциал. На их основе мояно характеризовать обеспеченность растений фосфатами, определять потребность почвы в удобрениях. Ориентиром для отого служат
обоснование критические аначенил фосфатных потенциалов: величина потенциалов вшив критического свидетельствует о недостатка фосфатов. Дан cnoood прогноза критических значения фосфатных потенциалов по измерениям рН почвенного раствора.
Применение формул азотных потенциалов позволяет идентифицировать доминнруїш* окнслитольно-восстановителыше реакция, которые контролирітт концентрацию л форму неорганических соединений почвенного азота. Ра их основе монет Сыть получена информация об обеспеченности растений азотом. Кроме азотных потенциалов прогнозировать j словил осуществления конкретних реакций азота позволяет диаграмма ре-рН, которая оценивает почвенные условия по показателям окислительно-восстановительного я кислотно-основного равновесия.
Результаты исследования привели к расширению представлений о показателях буферностк как производных потенциалов, характеризующих смещение равновесия. Еуферность почв является важным фактором, обеспечивавднм способность почвы компенсировать внешние влияния. Оьа обеспечивает сохранность почвы как компонента биогеоценоза, ей учет необходим при формировании почвенного плодородия. Предложен показатель dafyUc , который позволяет учесть буферные свойства почвы на основе состава естественного почвенного раствора, т.е.[приблизить определение к природным условиям. Вынос элементов питания при одинаковых потенціалах оказывается выше на почве с високими Оуфегаыми свойствами. На примере калил показано, что окультуривание приводит к сняже:шю буферных свойств почвы и величніш потенциала. Для азота предложен ряд показателей буфернс-сти ііо изменению интенсивности окислительно-восстановительных реакции почвк, При характеристике почвенного плодородия необходим совместный учет потенциала и показателя буферности. Исходя из этого, предложен способ оценки калийного состояния почв. Дана рекомендации по измерению калийной,буферной способности почв при помощи ИСЗ. .Отмечеш значительные изменения термодинамических показателей и удельной адсорбционной поверхности в почвах, подверженных смыву.
Опубликованные работы и.учебные пособия используются при подготовке почвоведов,и химиков в вузах и в практике научно-исследовательских ребот Московского университета, агрономического ~-факультета Ияевскйго сельскохозяйственного инстятута; хймкко-био— логического факультета Удмуртского университета, химического фа~
культета Уральского университета. Три статьи переведены на английский язык и опубликованы в журнале Sovi*t Soil Sei«nb* (І98Є, 1987). На материалы статей был получен ряд запросов от зарубежных исследователей из Чехословакии, США, Финляндки, Испании, Швеции.
Публикации и am>o6?Vfflfl TfiffOTH- По проблеме иэучония химических равновесий и применения термодинамических показателей для характеристики почв опубликованы 54 работы общим объемом, около 25 печатных листов, 2 учебных пособия (в соавторстве) и аналитический обзор литературы общим объемом около 32 печатных листа. Теоретический и прикладной материал был опубликован в Итогах науки и техники (1986), Успехи почвоведения (1986), яурналах Почвоведение (1985, 1986, 1987), Биологические науки (1981, 1987)..
Основное содержание работы было представлено и докладывалось
на ЛН Международном конгрессе почвоведов (Гамбург, ФРГ, 1986),
УІ, УП Делегатских съездах почвоведов (1981, 1985), ХГЕ Менделеев
ском съезде (1981), на Всесоюзных совещаниях "Проблемы агрофитс—
ценологии и агробногеоценологии" (1981), "Развитие термодинамиче
ских исследований в почвоведении" (1984), "Современные методы фи
зико-химических исследований и контроля в сельском хозяйстве"
(1964), региональных научных конференциях почвоведов (1980, 1.962,
1985, 1937), на заседании П Комиссии БОН (1984) и лаборатории фи-
эико-химии почв Почвенного института (198Э), научной конференции
ТСЗД (1984), научных конферещиях Ижевского сельскохозяйственного
института (1975-1984), на заседаниях Удмуртского отделения ВОП
(1982, 1986). ''.'"
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, научно-методических рекомендаций и приложения. Она изложена на 450 страницах, содержит 86 таблиц, 56 рисунков и список литературы, насчитывающий 464 работ на русском и иностранных языках.