Агроэкологические аспекты при выделении гуматов из биомассы растений и органических удобрений. 4. Суспензионный эффект в почвах

УДК 631.41

В. И. Савич, С. Л. Белопухов, В. В. Гукалов, М. Д. Конах, А. Г. Селиванова, И. Г. Шайхиев

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ГУМАТОВ ИЗ БИОМАССЫ РАСТЕНИЙ

И ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ. 4. СУСПЕНЗИОННЫЙ ЭФФЕКТ В ПОЧВАХ

Ключевые слова: суспензионный эффект, почва, кислотность, известкование, электрокинетический потенциал.

В работе показано, что величина кислого и щелочного суспензионного эффекта отличается в разных интервалах рН, является характерной для отдельных почв, горизонтов и степени гумусированности. Такой эффект характерен и при определении активности других ионов и коррелирует с величиной электрокинетического потенциала. Предлагается учитывать эти факторы при расчете доз извести и гипса.

Keywords: suspension effect, soil acidity, liming, electrokinetic potential.

It is shown that the amount of acid and alkaline suspension effect is different in different pH ranges, it is characteristic of the individual soil horizons and the degree of humus content. This effect is characterized in determining the activity of other ions and correlates with the magnitude of the electrokinetic potential. It is proposed to consider these factors when calculating doses of lime and plaster.

Для получения более высоких урожаев сельскохозяйственных культур в условиях ухудшения экологической обстановки в различных регионах страны и мира возникает необходимость более детальной оценки химических, физико-химических, физико-механических, коллоидно-химических свойств почв, в т.ч. кислотно-основного равновесия почв, являющегося интегральным показателем их плодородия и деградации [9].

Одним из важных показателей такой оценки является суспензионный эффект почв. В кислых почвах рН суспензии ниже, чем рН фильтрата [6]. Величина суспензионного эффекта определяется степенью диссоциации соединений, при этом массоперенос ионов в раствор из твердой фазы почв зависит от плотности заряда сорбционных мест ППК, от величины электрокинетического (дзета-) потенциала. Чем больше дзета-потенциал, тем более необходимо проводить гипсование [2]. Очевидно, по такому принципу следует оценивать и необходимость известкования почв, токсичной повышенной кислотности. Трактовка этих вопросов и предлагается в выполненной работе.

Объектом исследования выбраны подзолистые и дерново-подзолистые почвы разной степени окультуренности и гидроморфности. Для сравнения исследованы образцы других типов почв, характеристика которых дана ранее [1, 4, 7].

Подготовка проб для анализа, определение значений рН, рК, ЕЙ в суспензиях почв, в фильтратах и в центрифугатах при разной температуре, исследование образцов почв, компостированных в условиях оптимальной и избыточной влажности, проведено по ранее описанным методикам [9-11].

Величина суспензионного эффекта в почвах приведена в таблице 1.

Как видно из представленных данных, суспензионный эффект увеличивался при кислой реакции среды и при увеличении отношения (К+Ыа)/(Са+Мд).

Таблица 1 - Связь величины суспензионного эффекта в почвах с содержанием в растворах Са, М^ К, п = 20

рН суспензии рН фильтрата Д

00 , , 5 5 8 ± ± ± 000 7,6±0,5 8,0±0,1 8,3±0,1 +0,73±0,37 +0,39±0,07 -0,14±0,09 4,4±1,5 1,9±0,3 1,1±0,4

В разных интервалах рН изменение этой величины на единицу соответствует разному изменению концентрации (активности) Н+ в растворе. Изменение значений рН от рН = 4 до рН = 3 соответствует увеличению активности от 10-4 до 10-3, а изменение значений рН от рН = 7 до рН = 6 соответствует увеличению активности Н+ от 10-7 до 10-6 мг/дм3. Данное обстоятельство следует учитывать и при оценке величины суспензионного эффекта в разных почвах [12].

По полученным данным, при отношении в растворе (К+Ыа)/(Са+Мд) < 2, величина суспензионного эффекта равнялась 0,27±0,08, а при этой величине > 2 - значению 0,47±0,9.

Величина суспензионного эффекта зависит от степени отделения раствора от твердой фазы почв (табл. 2).

Таблица 2 - Зависимость величины суспензионного эффекта по рН от соотношения почва-раствор

Вариант Суспензия Центрифугат

при 3000 об. при 9000 об.

П:Р = 1:5 П:Р = 1:50 5,7±0,1 5,7±0,1 6,3±0,1 6,6±0,1 6,4±0,1 6,7±0,1

Как видно из представленных данных, при увеличении числа оборотов в центрифуге отмечается тенденция к увеличению величины кислого суспензионного эффекта. При более

широком соотношении почва-раствор величина суспензионного эффекта несколько возрастала.

Величина суспензионного эффекта зависит и от температуры суспензии и раствора. Так при температуре 5 оС и 3000 об/мин суспензионный эффект составил 0,37±0,11 ДрН, а при 9000 об/мин увеличился практически в 2 раза до 0,72±0,06 ДрН. Увеличение температуры до 40 оС приводило к снижению величины суспензионного эффекта до 0,30±0,09 ДрН при 3000 об/мин и 0,45±0,11 ДрН -при 9000 об/мин.

По результатам испытаний показано, что величина суспензионного эффекта отличалась для автоморфных и полугидроморфных почв. Так, в пахотном горизонте дерново-подзолистых почв величина суспензионного эффекта составила

0,23±0,12; в горизонте А2 - 0,90±0,28; в горизонте В - 0,56±0,21. При рН менее 5 величина этого эффекта составила 1,5±0,1; при рН = 5-6 эффект равнялся 0,5±0,2; при рН > 6 он составлял 0,2±0,1. В оглеенных почвах величина суспензионного эффекта составила 0,27±0,1, а в автоморфных -0,71±0,19.

Величина суспензионного эффекта зависела от степени гумусированности почв, увеличиваясь в верхнем пахотном слое. Это коррелирует с большей величиной дзета-потенциала в верхних горизонтах дерново-подзолистых почв (4,8 мВ), по сравнению с нижними (1 мВ) [3, 13].

Величина суспензионного эффекта изменяется при внесении в почву карбоната кальция (табл. 3).

Таблица 3 - Величина суспензионного эффекта в кислых и щелочных почвах до и после внесения СаСО3

рН До внесения СаСО3 После внесения СаСО3

суспензия фильтрат Д суспензия фильтрат Д

< 7* 5,0±0,4 5,7±0,4 +0,7 5,6±0,5 6,4±0,8 +0,8

> 7* 7,6±0,3 7,5±0,3 -0,1 7,9±0,1 8,1±0,2 +0,2

< 7* 6,1±0,5 7.1±0,4 -1,0 6,0±0,6 7,2±0,3 +1,2

> 7* 7,8±0,1 8,2±0,1 +0,4 7,6±0,2 8,4±0,1 +0,8

*) рН суспензии до внесения СаСО3, *рН - от 4,3 до 7,9

Как видно из представленных данных, при рН < 7 отмечается значительный кислый суспензионный эффект, который при рН > 7 значительно уменьшается или переходит в щелочной суспензионный эффект.

При компостировании почв в условиях избыточной влажности величина кислого суспензионного эффекта возрастает, а величина рН увеличивается, что характерно для компостирования почв в условиях избытка влаги при непромывном типе водного режима [14, 15].

Суспензионный эффект отмечается не только в отношении Н , но также при сравнении активностей в суспензии и фильтрате (центрифугате) К+, РЬ2+, Ыа+, Са2+ и других, ЕЙ, что иллюстрируют данные таблицы 4.

Таблица 4 - Суспензионный эффект в почвенных растворах по рН, активности калия и ЕЙ (мВ) при рН = 5,6-6,1

Объект рН ОВП, мВ по ХСЭ Активность К, мг/л

суспензия центрифугат; - 3000 об./мин. - 9000 об./мин. 5,75±0,11 6,40±0,18 6,60±0,08 247,5±9,5 207,5±21,7 187,5±13.1 7,0±1,7 4,7±1.1

Таким образом, в почвах проявляется суспензионный эффект разности активности ионов в суспензии и в фильтрате, величина которого имеет информационное значение для оценки прочности связи ионов и, в частности, Н+ с твердой фазой почв.

Ранее было показано, что прочность связи ионов в почвах определяется знаком, плотностью и конфигурацией заряда сорбционных мест, знаком,

размером и плотностью заряда сорбентов. При наличии нескольких поглощенных твердой фазой катионов проявляется их взаимовлияние и влияние на сорбционные места ППК, обусловленные проявлением индуктивного эффекта поглощенных ионов [5, 7, 8]. Ионы сорбата также конкурируют друг с другом за поглощение их сорбентом с проявлением чаще синергизма при поглощении разнозарядных ионов и антагонизма при поглощении ионов одного знака заряда [8].

Негативное влияние повышенной кислотности на систему почва-растение определяется прочностью связи ионов Н с твердой фазой почв и влиянием рН на свойства конкретной почвы. При значительном увеличении в почве при кислой реакции среды подвижных форм Ре, Мп, А1 и при загрязнении их РЬ, Сd и т.д. известкование более необходимо. Поэтому торфяные почвы известкуют при рН < 4,8, а глинистые - при рН < 5,5. Значительное количество в почвенном растворе ионов Н+

ингибирует поглощение корневой системой Са2+,

2+ 2+ + Мд , Ре , К и других ионов, следовательно

необходимость известкования определяется как

концентрацией ионов водорода в растворе, так и

соотношением Н+ и других катионов в растворе.

Содержание элементов в почвенных растворах и в вытяжках из почв определяется эффективными произведениями растворимости имеющихся в почве осадков, эффективными константами устойчивости присутствующих комплексов и эффективными константами ионного обмена ионов из твердой фазы на ионы из раствора. Эти показатели являются интенсивными параметрами и не полностью характеризуют содержание ионов в твердой фазе почв, что приводит к неточностям в оценках плодородия почв, доступности растениям элементов

питания и экологическим аспектам состояния ионов в почвах.

Более полную информацию о содержании водорастворимых и подвижных (обменных) форм биофильных элементов и токсикантов в почвах можно получить при оценке депонирующей способности почв по отношению к отдельным элементам или для ряда элементов с использованием метода радиоактивных индикаторов [8].

Таким образом, с нашей точки зрения, дополнительную информацию о прочности связи ионов с твердой фазой почв несет суспензионный эффект - разница активности ионов Н+ в суспензии и фильтрате (центрифугате).

При увеличении прочности связи катионов с твердой фазой почв величина диффузного слоя в мицелле уменьшается, и электрокинетический потенциал изменяется от 50 мВ в солонцах, насыщенных натрием, до 10 мВ в почвах, насыщенных кальцием, магнием, водородом и с учетом энергии гидратации, составляющей для Са -375 ккал/г-ион, Мд - 470; Н - 263; Ыа - 96. При этом происходит коагуляция коллоидов и улучшение структуры почв, уменьшение плотности. Увеличение диффузного слоя в коллоидах приводит и к повышению величины суспензионного эффекта.

Величина рН является интенсивным параметром, характеризующим кислотно-основное равновесие почв, и не полностью зависит от количества ионов Н в почве. Она определяется константами диссоциации карбоксильных групп (рНа = 3), спиртовых (рКа = 7), фенольных (рКа = 10), других органических веществ, диссоциацией и переносом ионов Н+ от группировок ОН, связанных с А1 и Б1 в минеральной части почв. Экстенсивным параметром является концентрация ионов водорода в почве. При расчете доз извести необходимо учитывать оба параметра. Однако в настоящее время не учитывают суспензионный эффект в кислом интервале. Реально в фильтрате рН может быть на единицу больше, чем

в суспензии или в природных условиях, но это вносит ошибку в расчеты доз извести.

Литература

1. В.Н. Гукалов, В.И. Савич, И.С. Белюченко, Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в компонентах агроландшафта, ВНИИА, М., 2015. 400 с.

2. М.Д. Маслова, Т.В. Шнее, С.Л. Белопухов, Р.Ф. Байбеков, Плодородие, 2, 41-43 (2014).

3. М.Д. Маслова, Автореф. дисс. канд. с-х. наук, РГАУ-МСХА, М., 2015. 20 с.

4. Д.Н. Никиточкин, В.И. Савич, В.Д. Наумов, Р.Ф. Байбеков, Модели плодородия почв под яблоню во времени и в пространстве, РГАУ-МСХА, М., 2015. 272 с.

5. Н.П. Панов, В.И. Савич, Вестник сельскохозяйственной науки, 7, 19-26 (1981).

6. В.И. Савич, Е.В. Трубицина, Доклады ТСХА, 253, 66-70 (1979).

7. В.И. Савич, Н.П. Панов, Н.М. Муради, Известия ТСХА,

, вып. 2, С. 120-125 (1982).

8. В.И. Савич, Физико-химические основы плодородия почв, РГАУ-МСХА, М., 2013. 431 с.

9. И.А. Шильников, В.Г. Сычев, А.Х. Шеуджен, Н.И. Аканова, Т.Н. Бондарева, С.В. Кизинек, Потери элементов питания растений в агробиогеохимическом круговороте веществ и способы их минимизации, ВНИИА, М.: 2012. 351 с.

10. А.Ю. Пузырева, В.Ю. Гребенщиков, В.В. Верхотуров, С. Л. Белопухов, Р.Ф. Байбеков, Плодородие, 1, 26-27 (2014).

11. М.Д. Маслова, С. Л. Белопухов, Е.С. Тимохина, Т.В. Шнее, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 121-127 (2014).

12. В.И. Савич, С. Л. Белопухов, Д. Н. Никиточкин, А. А. Носкова, Агро XXI, 10-12, 36-38 (2014).

13. Т.В. Шнее, С.Л. Белопухов, Известия государственного аграрного университета Армения, 4, 10-13 (2010).

14. D.G. Kleshchev, A.V. Tolchev, S.L. Belopukhov, R.N. Pletnev, Inorganic materials, 27, 8, 1400-1403 (1991).

15. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В .А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА, 6, 5-11 (2013).

©В. И. Савич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева, savich.mail@gmail.com; С. Л. Белопухов - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой физической и органической химии того же вуза; А. Г. Селиванова - аспирант кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения того же вуза; М. Д. Конах -аспирант кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения того же вуза; В. В. Гукалов - соискатель кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения того же вуза; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.

© V. I. Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Department of Soil Science, Geology and Landscape of the Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy, savich.mail@gmail.com; S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry at the same university; A. G. Selivanova - graduate student of the Department of Soil Science, Geology and Landscape of the same university; M. D. Konakh - graduate student of the Department of Soil Science, Geology and Landscape of the same university; V. V. Gukalov - Competitor of the Department of Soil Science, Geology and Landscape of the same university; I. G. Shaikhiev - PhD, Head of the Department of Environmental Engineering, Kazan National Researcch Technological University.