Материал подготовлен на основании авторской статьи, размещённой на сайте «Главагроном».
Окорков В.В., доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник
Окоркова Л.А., старший научный сотрудник
ФГБНУ «Верхневолжский федеральный научный центр», п. Новый, Владимирская обл.
В России из 50-58 млн га избыточно кислых почв сильно- и среднекислые занимают 23-25 млн га [1-2]. Кислотность этих почв — генетическое свойство, связанное с климатом и условиями почвообразования на бескарбонатных почвообразующих породах, интенсивности сельскохозяйственного использования, состояния окружающей среды. Без оптимизации реакции среды в почве нельзя создать высокопродуктивное земледелие и лугопастбищное хозяйство, решить продовольственную и экологическую проблемы, обеспечить эффективность факторов интенсификации земледелия [3-5].
Для устранения почвенной кислотности было предложено применять известковые удобрения [6-8]. Механизм их действия связывался с вытеснением ионов водорода ионами кальция растворяющегося мелиоранта. Однако коэффициенты использования доз извести, рассчитанных по половинной и полной величинам гидролитической кислотности (Нг), чаще всего варьировали от 0,4 до 0,6, снижаясь с увеличением их доз [9]. Это требовало научного объяснения.
В работах [9-11] изучалось взаимодействие известковых материалов (доломитовой муки, ДМ) и гипса с поглощающим комплексом кислых почв. Для сильнокислых слабо агрегированных дерново-подзолистых почв основной механизм взаимодействия известковых материалов с поглощающим комплексом заключался в гидролизе ионов CO₃²⁻ растворяющегося известкового мелиоранта по обеим ступеням с образованием гидроксил-ионов. Последние связывают поглощенные ионы водорода и алюминия соответственно в малодиссоциированное (H₂O) и малорастворимое (Al(OH)₃) соединения. В обменное состояние взамен указанных ионов входят ионы Са и Mg [9-10]. Коэффициент использования растворенного мелиоранта при невысокой концентрации двухвалентных катионов в жидкой фазе достигает 75-95%.
На менее кислых более агрегированных почвах [9, 11] взаимодействие ДМ с их ПК происходит преимущественно в результате гидролиза ионов CO₃²⁻ по 1-й ступени. Коэффициент использования растворенного мелиоранта снижается до 0,55-0,65. Он совпадает со степенью гидролиза карбонат-ионов растворенного мелиоранта. В то же время сочетание ДМ с невысокими дозами гипса повышает коэффициент использования растворенной ДМ до 0,7-0,8. Это обусловлено тем, что высокая концентрация двухвалентных ионов Са от растворяющегося гипса вызывает переагрегацию ПК. В результате этого катионы Са взаимодействуют с кислыми внутриагрегатными группами с выделением ионов водорода в жидкую фазу. Ее подкисление вызывает гидролиз бикарбонат-ионов и повышает коэффициент использования растворенного мелиоранта. Снижение гидролитической кислотности наблюдается и глубже слоя внесения мелиорантов.
Очевидно, более высокая концентрация двухвалентных катионов Са и Mg в жидкой фазе может создаваться в паровых полях в результате процессов нитрификации с образованием нитратов кальция и магния. Это может повышать скорость и эффективность известкования.
Цель исследования: изучить механизм взаимодействия известковых материалов и гипса с поглощающим комплексом парующейся среднекислой серой лесной почвы Верхневолжья.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в колонках, в два верхних разделяемых слоя которых (по 10 см) массой по 175 г были внесены дозы ДМ, гипс и его сочетание с ДМ, в два последующих мелиорант не вносился. Через колонки порциями по 50 мл через два дня пропускали по 500 мл дистиллированной воды, что соответствовало выпадению половинной нормы (300 мм) годовых осадков. Через колонки 6 (двойная доза ДМ) и 7 (двойная доза ДМ + гипс) пропускали 850 мл воды (510 мм осадков). Фильтрат собирали по порциям количественно. В нем определяли состав анионов (HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻) и катионов (Ca²⁺, Mg²⁺) для контроля результатов анализа. По окончании опыта колонки разбирали по почвенным слоям, которые высушивали при 50 °С и растирали в фарфоровой ступке, анализировали по общепринятым методам агрохимического анализа. Величину рН каждого слоя в данном опыте определяли при соотношении почва : вода 1 : 1 (достижение состояния пластичности почвы). Использовали образцы серой лесной почвы (слой 0-30 см), отобранной в конце лета из разреза 6-18 (табл. 1). Разрез заложен в понижении, в котором весной более длительно застаивалась вода, удлиняя период «поспевания» почвы. В 10 м от него восточнее располагался кустарник.
Таблица 1. Физико-химическая характеристика сильнооподзоленной серой лесной почвы (разрез 6-18)
Результаты исследования и их обсуждение
На среднекислых серых лесных почвах при прохождении через колонку № 1 (контроль) 500 мл воды произошло снижение гидролитической кислотности с 5,77-5,75 до 5,42-5,60 мг-экв/100 почвы (табл. 1-3). Это обусловлено тем, что в паровом поле накопилось 1,95 мг-экв/100 г почвы нитратов в форме кальциевой и магниевой селитр. Количество двухвалентных катионов их соответствовало 0,34 Нг. Высокая концентрация двухвалентных катионов в жидкой фазе первых порций фильтрата (табл. 4) вызывала переагрегацию поглощающего комплекса с вытеснением в жидкую фазу внутриагрегатных ионов водорода [9]. Однако отсутствие агентов их связывания (ионов ОН⁻) сдерживало этот процесс. В результате Кисп селитр на снижение Нг варьировал от 16,9 до 20,8%. Уменьшение Нг варьировало от 0,15 до 0,33 мг-экв/100 г почвы.
В колонке № 2 с дозой гипса 0,4 Нг суммарный эффект селитр и гипса возрастал. Снижение Нг по слоям колонки по сравнению с ее исходной величиной 5,75 мг-экв/100 г почвы варьировало от 0,15 до 0,50 мг-экв/100 г (табл. 2). Отводя весь эффект гипсу, получаем, что коэффициент использования дозы его 0,4 Нг в слое 0-20 и 0-40 см составил соответственно 0,36 и 0,32 (табл. 3). Внесение гипса по сравнению с контрольной колонкой вело к снижению рНводн почвы (1 : 1) с 5,77-5,86 до 5,31-5,55. Это объясняет дополнительное вытеснение из ППК внутриагрегатных ионов водорода.
Таблица 2. Влияние мелиорантов на физико-химические свойства серой лесной почвы
Внесение ДМ в дозе по 1,0 Нг привело к резкому уменьшению гидролитической кислотности преимущественно в слое внесения до 2,45-2,80 мг-экв/100 г почвы. При этом доля растворенного мелиоранта составила 79,6%. При сочетании ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) наблюдали снижение гидролитической кислотности в слоях 0-10 и 10-20 см на меньшую величину (до 3,15 мг-экв/100 г почвы), что связано с меньшими размерами растворившейся ДМ (61,8 %).
Доломитовая мука в дозе 0,61 Нг, рассчитанная на уменьшение гидролитической кислотности сверх 15% емкости катионного обмена [9], в слое 0-20 см почвы снижала величину Нг с 5,75 до 3,67 мг-экв/100 г почвы (до 13,6% от емкости поглощения), что совпадало с планируемой величиной. В слоях 20-30 и 30-40 см произошло некоторое повышение ее (с 5,75 до 5,95-6,12 мг-экв/100 г почвы). Доля растворенной ДМ составила 78% от внесенной дозы ее.
В колонках № 6 с двойной дозой ДМ и № 7 (двойная доза ДМ + 0,8 дозы гипса по Нг) в слоях внесения мелиорантов при прохождении 510 мм воды произошло дальнейшее снижение гидролитической кислотности (с 5,75 до 1,75 мг-экв/100 г почвы), а растворение ДМ составило соответственно 61,3 и 55,9% от внесенной дозы. Отсюда можно заключить, что максимальное количество растворившейся ДМ не превышало 1,2 Нг. Очевидно, для повышения полноты растворения известковых материалов необходим контакт той же их дозы с большим объемом почвы. В полевых условиях это может выполняться их заделкой в более глубокий слой 0-30 см плугами ПЯ-3-35 или ПНЯ-4-40.
Размеры обменной кислотности и обменного алюминия были невысокими. Наиболее низкими они были при применении ДМ, особенно в слое 0-20 см почвы. Они не должны оказывать токсичного влияния на развитие корневых систем возделываемых культур.
В табл. 3 представлены данные по коэффициентам использования внесенной ДМ, в том числе и в сочетании с гипсом. Кисп ДМ, внесенной в дозе по 1,0 Нг, составил 54,4%, а в дозе 0,61 Нг — 59,2%. Сочетание ДМ с гипсом снизило Кисп ее с 54,4 до 45,2%. Для двойной дозы ДМ при прохождении через колонки по 510 мм воды он равнялся 34,8%.
Таким образом, Кисп внесенной ДМ возрастал с уменьшением ее доз, но снижался при сочетании с гипсом, изменяясь от 34,8 (для двойной по Нг дозы ДМ) до 54,4-59,2% (для доз ДМ, варьирующих от 1,0 до 0,61 Нг).
Таблица 3. Использование мелиорантов при пропускании через колонку 300 (1-5 колонки) и 510 мм (6-7 колонки) воды в слоях 0-20 и 20-40 см
В то же время для оценки эффективности доз ДМ и сочетания ее с гипсом более корректно использовать данные по Кисп растворенного мелиоранта. Для этого по данным рНводн почвы (1 : 1) в слое 0-20 см после взаимодействия с мелиорантами находили степень гидролиза ионов CO₃²⁻ растворенного мелиоранта. Она была близка к Кисп растворенной ДМ на снижение Нг в этом слое [9]. Так как рНводн почвы после взаимодействия с мелиорантом был ниже 8,3, то гидролиз CO₃²⁻-ионов по 1-й ступени (pK₂ = 10,32, pK₂ — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 2-й ступени) был полным — 100% (CO₃²⁻ + H₂O → НCO₃⁻ + ОН⁻). Гидролиз же по 2-й ступени (НCO₃⁻ + H₂O ↔ H₂CO₃+ ОН⁻) рассчитывали, используя формулу:
где α1 — степень диссоциации слабой угольной кислоты по 1-й ступени, РК1 — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 1-й ступени.
По разнице 100 – α1 находили степень гидролиза по 2-й ступени. Общую степень гидролиза карбонат-ионов в слоях 0-10 и 10-20 см рассчитывали по формуле:
Для слоя 0-20 см почвы Кисп, растворенной ДМ при применении ее полной дозы, составил 65,2%. Он повышался до 75% в колонке с дозоий ДМ 0,61 Нг, но снижался до 56,8% в колонке с двойной дозой ДМ. Сочетание ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) повышало Кисп растворенной ДМ с 65,2 до 76,2%. Это обусловлено более низкими величинами рНводн почвы при сочетании ДМ с гипсом, что повышало степень гидролиза карбонат-ионов по 2-й ступени. То же наблюдали и при применении двойной дозы ДМ (56,8%) и при сочетании ее с гипсом (62,2%).
В слое 0-40 см почвы снижение Нг в слоях 20-30 и 30-40 см по сравнению с исходной ее величиной 5,75 мг-экв/100 г почвы приводило к небольшому росту Кисп растворенного мелиоранта, а повышение — к снижению. Видно (табл. 3), что при сочетании ДМ с гипсом Кисп растворенного мелиоранта на снижение Нг был более высоким, чем при применении только ДМ. Это наблюдали как в слое 0-20 см, так и во всем 0-40 сантиметровом слое почвы в колонке.
В работе [9] получены более высокие значения Кисп растворенной ДМ при применении двойной дозы ее. При прохождении через колонки 600 мм воды в случае использования только ДМ его величина составила 75,7%, а при сочетании ее с гипсом — 100%. Различия обусловлены тем, что в этих опытах слои 20-30 и 30-40 см были представлены иллювиальным горизонтом дерново-подзолистой почвы. Величина рНводн почвы (1 : 0,5) в контрольной колонке в слоях 20-30 и 30-40 см составляла 4,50-4,53, а в колонках с мелиорантами — 4,11-4,83. Более низкие значения рНводн в указанных слоях обеспечивали более полный гидролиз бикарбонатов (2-я ступень).
В контрольной колонке в 1-й порции фильтрата наблюдали наиболее высокую концентрацию суммы катионов Са и Mg (14,4 мг-экв/л). Она вытесняла часть внутриагрегатных ионов водорода, о чем свидетельствует наиболее низкое значение его рН — 6,76 (табл. 4). В последующих порциях концентрация ионов Са и Mg заметно снижалась (до 4,59 мг-экв/л), а рН фильтратов стабилизировался на уровне 6,90-7,03.
Продолжение статьи читайте на сайте «ГлавАгроном».
Узнавайте первыми самые актуальные новости сельского хозяйства России и мира на нашем сайте «ГлавАгроном».
