CC BY
76
УДК 631.41 001: 10.24411/2587-6740-2019-13050
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ
В.В. Гукалов1, В.И. Савич2, П.Ю. Панова2
1ФГУП ППЗ «Северо-Кавказская зональная опытная станция по птицеводству», с. Обильное, Ставропольский край
2ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева», г. Москва, Россия
В работе доказывается целесообразность дополнительной оценки кислотно-основного состояния почв по скорости десорбции из почв ионов, определяющих рН (константа кинетики составляла г = 10-2-10-5 сек-1), по суспензионному эффекту, по депонирующей способности почв, по буферной емкости почв в кислотно-основном интервале, составляющей при изменении рН от 4 до 6,5 в дерново-подзолистой почве 1,6 мг-экв/100 г, в черноземе — 4,0 мг-экв/100 г. Предлагается оценка процессов, характеризующих кислотно-основное состояние почв по последовательности изменения свойств почв при изменении рН, по влиянию на кислотно-основное состояние почв реакций комплексообразования, по взаимосвязям рН и свойств почв, по энергетическим параметрам почв. Показана информативность оценки режимов кислотно-основного состояния почв с учетом последовательных корреляций, гистерезиса, изменения кислотно-основного состояния почв, растений, водной и воздушной среды, микробиологической активности. Обосновывается отличие моделей оптимального кислотно-основного состояния почв для наиболее эффективного выполнения ими различных экологических функций. Показано, что эффективность известкования возрастает при внесении в почву органических остатков, обладающих комплексообразующей способностью, и комплексов Са. Установлено, что усиление интенсивности развития дернового процесса почвообразования в таежно-лесной зоне привело к стабилизации рН в 7-польном полевом севообороте за 30 лет без внесения извести при изменении рН под пшеницей в окультуренной почве от 5,9 до 5,8; под картофелем — от 6,0 до 5,8 при отрицательном балансе по К, Са,
Ключевые слова: известкование, параметры кислотно-основного состояния, расчет доз извести, суспензионный эффект, депонирующая способность, буферная емкость.
Введение
Подкисление почв обусловлено как развитием почвообразовательных процессов (оглеения, оподзоливания, осолодения), так и влиянием антропогенных факторов (кислыми осадками, применением физиологически кислых удобрений, загрязнением почв тяжелыми металлами и развитием грибной микрофлоры, переуплотнением почв и т.д.). Указанные процессы протекают с определенной скоростью и интенсивностью, устойчивость к ним отдельных почв и горизонтов неодинакова, при влиянии ряда факторов на почву проявляются процессы синергизма и антагонизма. Оптимальные показатели кислотно-основного состояния почв отличаются для разных гидротермических условий, сочетания свойств почв, культур и т.д. При этом негативное влияние кислотности на компоненты экологической системы обусловлено не только величиной рН, но и изменением при этом гумусового состояния, микробиологической активности, доступности биофильных элементов и токсичности тяжелых металлов и т.д.
В связи с этим расчеты доз извести только для изменения рН в ряде случаев недостаточно эффективны. Все вышеизложенное определяет целесообразность уточнения параметров оценки кислотно-основного состояния почв, его оп-тимумов и путей регулирования.
Объекты исследования
Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы Московской области и обыкновенные черноземы Краснодарского края [2, 3, 4].
Методы исследования
Методика исследования состояла в оценке рН почв и показателей, взаимосвязанных с кислотно-основным равновесием, общепринятыми методами [1,14], в оценке комплексообра-зующей способности почв [7, 11], гистерезиса почв [6], депонирующей способности почв [9],
суспензионного эффекта, в изучении миграции веществ по профилю почв [12], в оценке продуктов испарений из почв [8, 9], в оценке изменения параметров кислотно-основного состояния почв во времени и в пространстве [12], в оценке оптимальных доз извести с использованием принципа обратной связи [12], в оценке урожая сельскохозяйственных культур, биопродуктивности угодий при разных условиях кислотно-основного состояния почв [2, 4].
Принятый уровень вероятности Р = 0,95.
Экспериментальная часть
I. Кислотно-основные свойства почв
1.1. Фракционный состав кислотно-основных
систем почв
Разные типы почв отличаются содержанием функциональных групп, определяющих кислотно-основные свойства почв в кислом и щелочном интервалах. Это карбоксильные, спиртовые, фенольные группы органических веществ, группировки Н+, Он- на плоскостях и гранях минералов, наличие соединений, обладающих кислыми и основными свойствами в растворах и т.д. Эти функциональные группы имеют разные константы диссоциации, и их содержание в определенных типах почв и горизонтах неодинаково.
В связи с указанным, одни почвы больше бу-ферят в разных интервалах рН. Проведя потен-циометрическое титрование почв, нами было определено рКа функциональных групп ППК (почвенный поглощающий комплекс) и количество титранта, пошедшее на их оттитровку (фракционный состав кислотно-основных систем). Это иллюстрируют данные таблицы 1.
Как видно из представленных в таблице 1 данных, для оттитровки разных функциональных групп с установленной величиной рКа в отдельных почвах и горизонтах требуется и определенной количество титранта, что необходимо учитывать при расчете доз извести с целью доведения рН почв до заданных значений. 12. Кинетика кислотно-основных процессов в почвах
Все процессы, протекающие в почвах, в том числе и определяющие их кислотно-основное состояние, протекают с определенной скоростью. Так, при взаимодействии дерново-подзолистых почв с Н2О 5 минут, 1 сутки и 5 суток величина рН(Н2О) изменилась от 6,9 до 7,0; Е1л — от 326,3 до 319,3 и 299,3 мв, содержание калия в растворе — от 11,2 до 20,6 и 23,3 мг/л. При этом скорость процессов отличалась при разном времени взаимодействия почв с водой. За время десорбции
Таблица 1
рК функциональных групп ППК и количеств титранта (мг-экв/100 г), пошедших на их оттитровку
Почва подзолистая среднесуглинистая, А1
РКа 2,5 3,4 3,5 4,0 4,9 6,7 7,1
Е 0,4 2,4 3,2 4,8 0,4 2,4 3,2
Почва подзолистая среднесуглинистая оглеенная, АТ
РКа 2,4 3,1 3,4 4,9 6,2 6,9 1,8
Е 1,2 2,0 3,6 1,2 2,0 3,6 0,4
Почва подзолистая легкосуглинистая, А1
РКа 2,5 1,2 1,0 5,0 2,4 2,1 2,5
Е 0,4 2,8 4,8 0,4 2,8 4,8 0,4
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
5-60 минут вытеснение калия описывалось зависимостью К = 14 — 0,081; г = -0,37; а за время десорбции 1-120 часов К = 9,8 + 0,081; г = 0,47.
Константы кинетики вытеснения Са из дерново-подзолистых почв отличались при использовании разных десорбентов и для отдельных горизонтов. Так, при вытеснении Са из почв раствором 0,1н Н^О4 константа кинетики г сек-1 составляла для горизонтов Ап — п-10"2, для горизонтов В — п-10"4; при вытеснении Са раствором 0,1н №ОН г сек-1 для горизонтов Ап она составляла п-10-5; для горизонтов В — п-10-2.
Кинетика перехода ионов из почвы в раствор проявляется не только для кальция, магния, водорода, но и для калия, тяжелых металлов, фосфатов и т.д., взаимосвязанных с кислотно-основным равновесием почв. Так, отношение концентрации катионов, вытесненных из черноземов тяжелосуглинистых, легкосуглинистых и дерново-подзолистых среднесуглинистых почв (за 1 неделю и 10 минут, десорбент СН3СОО1МН4), составляло соответственно для Со — 6,5±0,3; 2,0±0,1 и 2,1 ±0,1; для Си — 3,7±0,6; 1,4±0,1 и 2,9±0,8; для калия в черноземе обыкновенном — 2,7; в дерново-подзолистой почве — 1,8. и. Суспензионный эффект в почвах в кислотно-основном интервале Величина рН в суспензии и в фильтрате значительно отличаются. В кислых почвах наблюдается кислый суспензионный эффект, в щелочных — щелочной. Однако эта величина является характерной для отдельных почв и интервалов рН. Так, по полученным нами данным, значения рН суспензии и рН фильтрата составляли соответственно для мерзлотно-таежной почвы 4,7 и 6,1; для дерново-подзолистой — 4,9 и 5,9; для чернозема — 4,9 и 6,0.
Суспензионный эффект отличается и для отдельных горизонтов почвенного профиля. Так, для дерново-подзолистых среднесуглинистых почв при внесении в них СаСО3 суспензионный эффект для горизонта А1 был равен -0,1; для А — -1,3; для А2В — -0,6. Разница значений рН в А1 и А2В в суспензии и фильтрате была равна соответственно -1,2 и -0,6. При добавлении в почву помета кур величина суспензионного эффекта менялась, составляя для горизонта А1 +0,1; для А2 — -0,7; для А2В — -0,8. При этом разница рН в 2А1 и А2В соста2вляла в суспензии +2,7, а в фильтрате — +1,7.
Величина рН и кислотно-основное состояние почв в значительной степени зависят от соотношения почва-раствор.
14. Депонирующая способность почв в кислотно-основном интервале При одном и том же содержании элемента в почвенном растворе и в вытяжке его содержание в твердой фазе в глине будет больше, а в песке меньше. Для вытеснения из твердой фазы почв всего содержания подвижных фракций ионов проводят их последовательное вытеснение несколькими порциями десорбентов. Так, при вытеснении железа и кальция из дерново-подзолистой почвы 8 последовательными вытяжками 0,1н ВаС12 (10 г + 25 мл) содержание Fе в 1-й и в 8-й вытяжках было в А1 0,76 и 0,56 мг/л, в А2 — 0,62 и 0,45; содержание Са в А1 было 224,9 и 8,0; в А2 — 9,4 и 4,4; в В — 164,9 и 8,3 мг/л соответственно.
По полученным нами данным, вытеснение железа из дерново-подзолистых почв увеличивается при увеличении концентрации десор-бента. Так, 0,001 н и 0,1 н раствором СаС12 вытеснялось из горизонта А1 соответственн2о 4,8 и 8,2 мг/л Fе, из горизонта В — соответственно 0,01 и 0,18. Эта зависимость является характерной для отдельных горизонтов и почв.
15. Буферная емкость почв в кислотно-основном интервале
В проведенных нами исследованиях количество титранта, необходимое для изменения рН на единицу отличается в разных интервалах рН и является характерным показателем для отдельных почв и горизонтов. Так, в дерново-подзолистой почве и в черноземе обыкновенном количество титранта, необходимое для изменения рН от 3 до 4 составляло соответственно
4.0 и 13,0 мг-экв/100 г, в интервале рН от 4 до 6,5 — 1,6 и 4,0; в интервале от 6,5 до 10 — 1,6 и
3.1 мг-экв/100 г.
II. Процессы, характеризующие кислотно-основное состояние почв
И.1. Последовательность протекания кислотно-основных процессов в почвах Внесение в почву одного элемента последовательно влияет на подвижность других элементов. Так, по полученным нами данным, в обыкновенном черноземе и при загрязнении его свинцом содержание водорастворимых соединений РЬ составляло соответственно 0,03 и 560 мг/л; К — 4,2 и 24,0; Са — 53,8 и 545 мг/л.
С течением времени содержание катионов в растворе изменялось. Так, по полученным нами данным, при загрязнении чернозема № содержание его водорастворимых форм через 1 неделю составляло 1,2 мг/л, через 2 недели — 6,7; РЬ — 0,0 и 0,03; Zn — 0,06 и 0,16 мг/л соответственно, то есть постепенно поглощение почвой № вызвало десорбцию из почв Zn и РЬ.
Последовательное изменение рН почв в процессе их компостирования приводило и к последовательному изменению других свойств почв. Так, в черноземе, загрязненном свинцом, величина рН при оптимальной и избыточной влажности через 1 день и 3 недели составляла соответственно 7,7 и 8,0 и 7,7 и 8,0; 1ЧО3 (мг/л-104) — 25,0 и 2,5; 55,0 и 22,5; РЬ (мг/л) — 0,01 и 0,09; 0,07 и 0,09; Са (мг/л) — 25,7 и 32,4; 25,0 и 21,4; сопротивление — 0,24 и 0,29; 0,56 и 0,36. П2. Комплексообразование как фактор, уточняющий кислотно-основное состояние почв
По полученным нами данным, на кислотно-основное состояние почв существенно влияют процессы комплексообразования. Так, в проведенных нами опытах растворимость СаСО3 к контролю (растворение в Н2О) составляла п3ри добавлении в экстрагент 2водорастворимого органического вещества разлагающегося сена 266,7%, а при добавлении 0,1н ЭДТА — 289,8%.
По полученным данным, вытеснение железа из горизонта Ап дерново-подзолистой почвы раствором 0,1н КС1 при рН = 3,8 составляло для почвы, компостированной в условиях оптимальной влажности, 1,7 мг/л; для компостированной в условиях избыточной влажности —
6.2 мг/л. Добавление в раствор десорбента 0,01м ЭДТА при рН = 4,3 привело к увеличению
вытеснения железа соответственно до 76,5 и 126,2 мг/л.
Эффект комплексообразования зависит от рН среды.
По полученным нами данным, внесение в почву сложного компоста из фосфогипса, полуперепревшего навоза, растительных послеуборочных остатков, отходов кормления животных привело к снижению рН от 8,1 ±0,2 до 7,4±0,2; увеличению содержания гумуса от 3,8±0,1 до 4,1 ±0,1%; подвижных форм Р2О5 — от 25,5±0,5 мг/кг до 43,5±1,2. При этом урожайность кукурузы возросла от 71,0 до 95,0 ц/га. Н.3. Информационная оценка кислотно-основного состояния почв Величина рН почв тесно взаимосвязана с содержанием гумуса, водорастворимых соединений Са, Мд, Fе, Мп, А1, Р2О5, что определяет информационную оценку к2ис5лотно-основного состояния почв. Это иллюстрируют данные таблицы 2.
Как видно из представленных в таблице 2 данных, с увеличением рН(Н2О) с 5,6 до 6,5 в сла-богумусированных почвах увеличивается содержание водорастворимых и подвижных фосфатов, уменьшается содержание железа в почвенном растворе и увеличивается концентрация кальция. При этом при содержании гумуса 1,6% отношение Fе/Са уменьшается с 0,68 до 0,20, а в более гумусированных почвах — с 1,4 до 0,7.
Таким образом, влияние рН на свойства почв, определяющие плодородие, зависит от сочетания свойств почв. Это определяет и разный оптимум рН для разных почв. Для разных хозяйств известкование почв приводит к неодинаковому изменению подвижности биофиль-ных элементов и токсикантов. Так, в одном из хозяйств Московской области в интервале рН 4,6-5,6 и при содержании гумуса 1-2% изменение Р2О5 (мг/кг) на единицу рН составило 39,0, а в другом — 150,1. Очевидно, что во 2-м хозяйстве внесение СаСО3 для улучшения фосфатного режима более пе3рспективно. В то же время в интервале рН = 5,5-6,2 величина ДР2О5 (мг/кг) на 1 единицу рН составила в 1-м хозяйстве 59,0, а во 2-м — 79,4.
Н.4. Энергетическая оценка кислотно-основного состояния почв Оптимизация кислотно-основного состояния почв приводит к увеличению биопродуктивности угодий и к увеличению поступления в почву энергии с послеуборочными остатками. Так, по полученным нами данным, для дерново-подзолистых почв Московской области поступление энергии в почву с послеуборочными остатками (млн ккал/га) при слабой окультуренности почв составляло 11,7, при повышенной окультуренно-сти и внесении ыРк на использование растениями 2% ФАР — 23,9-24,5. При этом энергоемкость почв, включая биоту, грибы, микро- и мезофа-уну, растительные остатки и гумус, составляла для слабоокультуренной почвы 352, для хорошо
Таблица 2
Зависимость между растворимостью фосфатов и рН среды, степенью гумусированности и концентрацией водорастворимых Ре, Са (п = 240)
Содержание гумуса, % Р2О„ мг/л
рН(Н2О) водорастворимый кислотно-растворимый Ре, мг/л Са, мг/л
1,68+0,06 5,6+0,04 0,19+0,05 15,7+4,7 16,7+4,7 61,3+11,6
1,65+0,06 6,56+0,04 0,32+0,04 16,9+1,5 5,9+1,2 86,5+14,2
2,36+0,07 5,68+0,05 0,59+0,13 16,6+2,8 20,1+5,0 51,3+10,3
2,43+0,05 6,48+0,05 0,53+0,10 19,8+2,5 21,7+7,3 73,3+12,3
- 65
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 3 (369) / 2019
окультуренной — 517-563 млн ккал/га. Урожай озимой пшеницы составлял соответственно 16,2 и 37,8 ц/га.
Большее накопление энергии в гумусе и в микроорганизмах почв создает предпосылки и для выращивания более требовательных к плодородию культур. По полученным нами данным, на слабоокультуренной почве было более выгодно выращивание многолетних трав (отчуждение с урожаем составляло 24144000 ккал/га), чем озимой пшеницы (отчуждение с урожаем составляло 10632000 ккал/га). На хорошо окультуренной почве более выгодно было выращивание озимой пшеницы [4, 10].
11.5. Почвообразовательные процессы,
определяющие кислотно-основное
состояние почв
Оподзоливание почв обусловлено миграцией вниз по профилю кислых продуктов разлагающегося растительного опада и вымыванием карбонатов, поглощенных оснований, разрушением алюмосиликатов и элюированием продуктов разрушения в нижние горизонты и за пределы почвенного профиля. Интенсивность этих процессов обусловлена рН и количеством Н+ в мигрирующих водах, константами устойчивости образующихся комплексов органических лигандов Са, Мд, Fe, А1, Мп, К и количеством комплексонов в мигрирующих водах, константами восстановления Fе3+, Мп44 и их комплексов с лигандами почвенных растворов и количеством восстановителей в мигрирующих водах. Дополнительно подкисление почв обусловлено скоростью миграции воды через почвенный профиль.
Под разными растительными ассоциациями отмечается и неодинаковая микробиологическая активность.
В то же время интенсивность элюирования элементов из почв обусловлена и массой опада. Большее количество водорастворимых органических веществ выщелачивается из свежих листьев лиственных пород по сравнению с выщелачиванием из хвойных пород [7].
Подкисление почв обусловлено и потреблением растениями катионов Са, Мд, Fе, Мп, как в виде свободных ионов, так и в виде комплексов, в сочетании с анионами, что отмечается при отрицательном балансе по этим катионам в почве при выращивании сельскохозяйственных культур. Растения потребляют катионы из почвы в обмен на Н4, что приводит к подкислению прикорневой зоны. Это часто идентифицируется в виде белесого налета на корнях ели, сосны. Однако дуб поглощает больше Са, чем ель, но под-кисления почв вблизи его корней не отмечается. С нашей точки зрения, такое явление обусловлено одновременным поглощением растениями и катионов, и анионов, а также поступлением в корни комплексных соединений.
Развитие подзолообразовательного процесса чаще пропорционально и интенсивности временного анаэробиозиса, и чередованию увлажнения и иссушения почв в течение года. При этом переход железа, марганца и ряда других ионов из окисленного в восстановленное состояние сопровождается изменением их размера, расшатыванием кристаллической решетки минералов и более быстрым их разрушением.
Загрязнение почв тяжелыми металлами сопровождается угнетением микробиологической активности почв. Однако при этом возрастает доля грибной микрофлоры. Как следствие, при разложении растительного опада образуются более низкомолекулярные органические соединения: щавелевая, янтарная, яблочная и другие кислоты, что приводит к подкислению почв.
Способствует подкислению почв и несбалансированное применение минеральных удобрений и, в частности, применение физиологически кислых удобрений — (NH4)2SO4, KCl, K2SO4, когда катионы поглощаются почвенным поглощающим комплексом и корневыми системами растений в обмен на Н+, и в растворе появляются кислоты. Так, по полученным нами данным, применение высоких доз (NH4)2SO4 на дерново-подзолистой почве привело к изменению S от 17,8 до 14,0, Нг — от 0,3 до 0,8 мг-экв/100 г; рНКС| — от 6,7 до 5,6. Применение высоких доз этого удобрения на черноземах в течение многих лет привело к снижению рН с 7,0 до 4,8. 30-летнее внесение NH4N03 + KCl на не известкованную дерново-подзолистую почву привело к снижению рН до 3,2; увеличению обменного алюминия до 1,8 мг/100 г почвы.
Диспергирование почв и разрушение минералов могут быть вызваны также №+, К+, NH4+ при их содержании в ППК более 10% от емкости поглощения. При промывном типе водного режима это приведет и к выщелачиванию почв.
Каждый из указанных факторов влияет на развитие подзолообразования, рН и элюирова-ние элементов из почв в определенной степени. Между влиянием отдельных факторов проявляются эффекты синергизма и антагонизма. Физико-химическая и математическая оценка протекающих процессов позволяет найти и оптимальные пути нормализации экологической обстановки городских парков.
III. Режимы кислотно-основного состояния почв
Режимы кислотно-основного состояния почв определяются закономерным изменением их свойств и процессов во времени и в пространстве.
III.1. Изменение кислотно-основного состояния почв во времени и в пространстве
Кислотно-основное состояние почв изменяется в сезонной динамике, как в связи с изменением влажности, температуры, степени гидроморф-ности почв, так и в связи с сезонной динамикой микробиологической активности, поглощением растениями элементов питания и сезонной динамикой разложения растительных остатков.
Кислотно-основное состояние почв в значительной степени отличается для автоморф-ных и полугидроморфных почв. При развитии анаэробиозиса в условиях избытка влаги при непромывном типе водного режима происходит подщелачивание почв, а при промывном типе — подкисление, в связи с удалением из анализируемого слоя Са, Mg, К, Fе, Мп. Так, по полученным нами данным, в автоморфной дерново-подзолистой почве Мичуринского сада РГАУ-МСХА и в оглеенной почве этого сада величина рН суспензии была равна соответственно 5,5±0,7 и 6,7±0,2; содержание в почвенном растворе Fе — 0,8±0,2 и 1,2±0,5 мг/л; Са — 3,7±0,6 и 4,8±0,6 мг/л.
При развитии оглеения изменялось и соотношение подвижных катионов, растворимых в вытяжке CН3C00NН4 с рН = 4,8. В автоморфной
и оглеенной почве соотношение катионов было соответственно Fе/Мn — 5,7±2,3 и 11,1 ±0,1; Fе/Са — 0,1±0,01 и 0,7±0,2; Fе/Сu — 102,2±31,6 и 713,5±43,9; Fе/Zn — 11,1±2,5 и 43,8±0,5.
Изменение температуры также влияет на поглощение ионов из раствора твердой почвы. По полученным данным, К от поглощения при 220 при 50-750 поглощался на 80%, при 20 — на 127%.
При изменении кислотно-основного состояния почв в сезонной динамике проявляются последовательные взаимосвязи и последовательные корреляции. Так, по полученным нами данным, при пористости аэрации 20% от объема дерново-подзолистой почвы при оптимальной влажности величина ОВП через 1 день компостирования составляла 551 мв, через 6 дней — 644 мв, скорость диффузии кислорода соответственно 30,2 и 35,6 г/см3 в мин.-10"8. При затоплении почв водой величина Е1л при температуре 180 составляла 490 мв, при 220 — 400 мв, при 310 — 320 мв по ХСЭ.
Численность железоредуцирующих бактерий в лугово-черноземной затопленной почве составляла в мае 1,6 млн/г, в июне — 30,0; в августе — 556,0 и после сброса воды — 11,2 млн/г почвы.
В почвах проявляется запаздывание следствия от причины, что характеризуется величиной гистерезиса почв. Так, по полученным нами данным, площадь петли гистерезиса при смене аэробных и анаэробных условий в исследуемых почвах по FеО составляла 4-6 см2, по Fе2О3 — 1,62,0, по рН — 4,8-2,5; по ОВП — 2-95 см2.
По полученным нами данным, гистерезис перспективно оценивать и по величинам коэффициентов корреляции свойств почв в момент определения и при определении через 1-2 недели. Так, известно, что затопление почв приводит к падению Е1г При определении W и Е1л в первый срок коэффициент корреляции был -0,27; а через 2 недели -0,68. Уменьшение Е1л увеличивает содержание закисного железа. При определении корреляции Fе2+ и Е1л в 1-й срок коэффициент корреляции был -0,35; а через 2 недели -0,48.
111.2. Интегральная оценка кислотно-основного состояния почв в системе агроландшафта
Кислотно-основное состояние почв тесно взаимосвязано с кислотно-основным состоянием растений, микроорганизмов, водной и воздушной среды. Кислотно-основное равновесие почв в значительной степени определяется миграцией ионов, его определяющих, вниз по профилю и с испарениями из почв. Это иллюстрируют данные таблицы 3.
Как видно из данных таблицы 3, миграция анионов С1, SО4 больше, чем миграция катионов, так как в исследуемых почвах преобладают отрицательно заряженные сорбционные места — ацидоиды. Из окультуренной дерново-подзолистой почвы миграция катионов и анионов с нисходящими токами воды выше, чем из слабо-окультуренной почвы. Так как анионы С1, SO4, N0 вносятся в основном с удобрениями, а кати4оны К, Са, Мд в значительных количествах присутствуют в почвенном поглощающем комплексе,
Таблица 3
Вынос химических элементов с верховодкой в среднем по полевому севообороту за год, кг/га
Окультурен-ность почв N-N03 Cl SO4 K Ca Na Mg
Слабая 1,7 5,0 25,3 3,3 8,8 2,1 5,3
Высокая 19,3 55,9 86,3 4,7 46,9 10,2 29,1
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Ш
то вымывание катионов за пределы пахотного слоя приводит к подкислению почв.
В определенной степени катионы и анионы удаляются из почв и с испарениями из них, что также влияет на кислотно-основное состояние почв. Так, по полученным нами данным, содержание катионов в продуктах транспира-ции из листьев яблонь, развивающихся на дерново-подзолистых автоморфных и оглеенных почвах, составляло соответственно Са — 20,1 и
11.0 мг/л; Fе — 0,4 и 0,8; Мп — 0,04 и 0,08; К —
15.1 и 27,6 мг/л. При загрязнении почв отдельными элементами содержание их в испарениях из почв возрастало. По полученным нами данным, в конденсатах влаги, испаряющейся из почв та-ежно-лесной зоны, содержание калия составляло 5,5±4,1 мг/л, кальция — 1,2±0,1; магния — 0,3±0,2; железа — 4,2±3,7 мг/л.
В продуктах испарения из черноземов содержание С1 достигало 1 мг/л; Ш3 — 0,8; SО4 — 0,6; К — 0,02; Са — 0,3-1,2 мг/л. Продукты испарения из почв характеризовались определенным содержанием положительно и отрицательно заряженных аэроионов, определенными энергетическими показателями по данным газоразрядной визуализации ^В) [6].
Кислотно-основное состояние почв существенно изменяется в прикорневой зоне растений, что обусловлено как потреблением растениями Са, Мд, К в обмен на Н+, так и селективным поглощением отдельных элементов. Так, по полученным нами данным, на дерново-подзолистых слабоокультуренных почвах содержание положительно заряженных соединений Са в прикорневой зоне клевера было на 2,2 мг/100 г меньше, чем в остальной части почвы, а отрицательно заряженных комплексных соединений было меньше на 1,6 мг/100 г.
Сорняки часто менее требовательны к оптимуму кислотно-основного состояния почв. По полученным нами данным, соотношение катионов Са^е в питательном растворе после выращивания на нем риса и сорняков с рисовых плантаций показало, что рис был более требователен к Са, чем сорняки. Так, соотношение Са^е в питательном растворе после выращивания на нем проростков риса составляло под разными сортами 78-165,0, а при выращивании разных сорняков — 222-720.
Изменение прикорневой зоны под влиянием растений зависит от степени окультуренности почв. По полученным данным, в прикорневой зоне растений на дерново-подзолистой окультуренной почве с внесением удобрений содержание положительно заряженных соединений Са было на 0,4 мг/100 г больше, чем в остальной части почвы, содержание Мд не отличалось, а содержание положительно заряженных соединений калия было меньше на 0,3 мг/100 г.
Различные сорта растений изменяют почву прикорневой зоны неодинаково. При выращивании проростков разных сортов пшеницы в питательном растворе соотношение катионов в равновесном растворе характеризовало селективность корневых систем растений к поглощаемым элементам. Так, отношение Са/Мд в равновесном растворе (мг/л) при выращивании сорта Казахстанская-19 равнялось 0,9, а при выращивании сорта Омская-18 — 1,6. Это относится и к сортам пшеницы, испытываемым на Северо-Кубан-ской сельскохозяйственной опытной станции.
IV. Модели оптимального кислотно-основного состояния почв для выполнения ими заданных экологических функций
Изменение кислотно-основного состояния почв приводит к изменению гумусового состояния, плотности почв, структуры. Так, в слабо-окультуренной дерново-подзолистой почве коэффициент структурности равнялся 1,74; в среднеокультуренной удобренной — 1,88; пористость агрегатов соответственно 37,2 и 38,4%. В слабо и хорошо окультуренной дерново-подзолистой почве содержание агрегатов 7-5 мм от массы почв составляло (в %) соответственно 8,8±1,2 и 12,1±1,4; агрегатов 5-3 мм — 12,5±1,7 и 17,5±2,4; агрегатов 3-2 мм — 12,3±2,1 и 15,1±2,1. Внесение пожнивных остатков пшеницы на сла-боокультуренную почву (3 г на 100 г) привело к увеличению доли агрегатов > 0,25 мм с 40,7 до 57,5%.
Внесение на обыкновенные черноземы компоста привело к увеличению коэффициента структурности с 2,5 до 3,0; к уменьшению плотности с 1,3±0,01 до 1,1±0,01 г/см3 и к увеличению пористости с 47,2 до 53,1%.
Таким образом, в разных почвах оптиму-мы кислотно-основного состояния отличаются. Они отличаются и при выращивании различных культур, в богарных условиях и при орошении, в зависимости от гидротермических условий территорий, их экологического состояния, уровня интенсификации производства [1, 5, 13, 14].
Одним из перспективных способов оценки оптимальных кислотно-основных свойств почв под отдельные культуры является определение активности фотосинтеза растений, развивающихся в суспензии почв, до и после внесения в нее Са(ОН)2. Так, по полученным нами данным [12], в контрольном варианте и после внесения в суспензию Са(ОН)2 интенсивность фотосинтеза соответственно со2ставляла 0,9±0,1 и 1,6±0,2 ммоль/м2 в сек.; концентрация СО2 в межклетниках — 382,4±22,8 и 308,8±44,3 рр2м; устьичное сопротивление — 54,8±9,9 и 40,1 ±5,1 сек/Ом; транспирация — 0,24±0,05 и 0,32±0,05 моль/м2 в сек.
Таблица 4
Изменение суммы поглощенных оснований (мг-экв/100 г) и рНКС| за 5 ротаций полевого севооборота на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах
Окультуренность почв
Культуры Годы ротаций ОК 1-1 ОК з-1
Б РН Б РН
Пшеница 1 6,4 4,4 13,4 5,9
5 10,0 4,4 16,0 5,8
Картофель 1 8,1 4,5 12,9 6,0
5 9,0 4,6 15,2 5,8
Травы 2-го года 1 7,1 4,4 13,4 5,9
5 9,4 4,4 14,6 5,8
V. Пути регулирования кислотно-
основного состояния почв
Оптимальные значения параметров кислотно-основного состояния почв определяются взаимосвязями между свойствами почв и неодинаковы для почв разного минералогического и гранулометрического состава, гумусового состояния, для отдельных гидротермических условий, загрязнения почв токсикантами и обеспеченности их биофильными элементами. Однако для расчета доз извести сочетание этих показателей, как правило, не учитывается.
В расчете доз извести не учитывают скорость ее растворения, скорость реакций обмена, депонирующую способность почв к Н+, влияние на реакции температуры, влажности, процессов комплексообразования. СаСО3 растворяется только при наличии СО2, Н2О и с 3определенной скоростью. Реакции ионного обмена Са происходят не только с Н+, но и с К+, Fе2+, Мп2+, А13+ и т.д., с различными константами ионного обмена, как для отдельных ионов, так и в процессе вступления в реакции новых сорбционных мест. Эти процессы зависят от температур, влажности, рСО2 и характеризуются определенной скоростью. Очевидно, что для создания структуры почв, оптимального содержания подвижных фосфатов, усвояемых форм Са, Мд, К, Fе и т.д. необходимы различные значения рН.
Несовершенство методов расчета доз извести приводит к меньшей экономической эффективности химической мелиорации, проявлению закона убывающей отдачи, как в повышении плодородия почв, так и в повышении урожая, и в оптимизации экологической обстановки.
Проведенные нами исследования показали, что при хорошем развитии растений и правильном применении удобрений усиливается развитие дернового процесса почвообразования, и элементы переносятся из нижних слоев почв в пахотный слой. Это обусловлено тем, что при развитии дернового процесса изменение массы корневой системы с глубиной описывается пирамидой с основанием вверху, а площадь корневой системы — пирамидой с основанием внизу.
По полученным нами данным, в исследуемых почвах при отрицательном балансе в системе почва-растение по Са, Мд сумма поглощенных оснований за 30 лет не изменилась, стабильной осталась и величина рН. Данный эффект дополнительно обусловлен усилением в верхнем слое биохимического выветривания и переходом Са, Мд, Fе, К из алюмосиликатов в более подвижные формы. Это подтверждается данными таблицы 4.
Внесение Са-ЭДТА в дерново-подзолистые почвы значительно повысило содержание в них Са и величину рН. Эти изменения были больше в минеральных горизонтах, в горизонте А2, по сравнению с А1, больше в почвах более легкого гранулометрического состава.
Заключение
Таким образом, кислотно-основное состояние почв характеризуется свойствами, процессами и режимами, которые оцениваются по трансформации, миграции, аккумуляции вещества, энергии и информации в разных компонентах ландшафта с учетом существующих взаимосвязей. Для наиболее эффективного выполнения почвами заданных экологических функций (в том числе и плодородия) необходимо свое сочетание свойств, процессов и режимов вещества, энергии и информации. Модели плодородия почв с учетом их кислотно-основного состояния определяются оптимальным
сочетанием свойств, процессов и режимов для выполнения почвой разных экологических функций. Для оптимизации кислотно-основного состояния почв целесообразно регулирование их свойств, процессов, режимов при регулировании состояния вещества, энергии и информации в системе почва-растение.
В работе предлагается для уточнения оценки кислотно-основного состояния почв определение кинетики процессов, депонирующей способности почв к компонентам, определяющим кислотно-основное состояние, суспензионного эффекта, комплексообразующей способности почвенных растворов, информационной и энергетической оценки, почвенных процессов и режимов, определяющих кислотно-основное состояние почв.
Показано, что эффективность известкования почв возрастает при применении органических удобрений, обладающих комплексообразую-щей способностью, при усилении интенсивности протекания в почвах дернового процесса почвообразования.
Литература
1. Вопросы известкования почв / под ред. И.А. Шиль-никова, Н.И. Акановой. М.: Агроконсалт, 2002. 292 с.
2. Гукалов В.В. Влияние сложных органо-минераль-ных компостов на свойства и процессы в системе почва-растение на обыкновенном черноземе, развитие и продуктивность посевов кукурузы: автореф. дис. ... канд. наук. М.: ВНИИА, 2015. 17 с.
3. Гукалов В.В., Савич В.И., Белюченко И.С. Информационно-энергетическая оценка состояния тяжелых металлов в компонентах агроландшфта. М.: РГАУ-МСХА: ВНИИА, 2015. 400 с.
4. Замараев А.Г., Савич В.И., Сычев В.Г. Энергомассо-обмен в звене полевого севооборота. М., 2005. 336 с.
5. Панов Н.П., Савич В.И. Теоретические основы известкования и гипсования почв // Вестник сельскохозяйственной науки. 1981. № 7. С. 19-26.
6. Савич В.И. Физико-химические основы плодородия почв. М.: РГАУ-МСХА, 2013. 431 с.
7. Савич В.И., Белопухов С.Л., Гукалов В.В. Комплек-сообразующая способность продуктов разложения растительного опада и ее влияние на подвижность поливалентных катионов // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 12. С. 185-189.
8. Савич В.И., Белопухов С.Л., Гукалов В.В. Агрономическая оценка продуктов испарений из почв и транс-
пирации из растений // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 23. С. 134-142.
9. Савич В.И., Сычев В.Г., Балабко П.Н., Гукалов В.В. Баланс биофильных элементов в системе почва-растение // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2016. № 1 (37). С. 14-20.
10. Савич В.И., Сычев В.Г., Балабко П.Н., Гукалов В.В. Энергетическая оценка систем земледелия // Международный сельскохозяйственный журнал. 2015. № 5. С. 12-15.
11. Савич В.И., Торшин С.П., Гукалов В.В. Агроэколо-гическая оценка органо-минеральных и комплексных соединений почв. М.: РГАУ-МСХА; Иркутск: Мегапринт, 2017. 298 с.
12. Савич В.И., Борисов Б.А., Мазиров М.А., Гукалов В.В., Котенко М.Е. Оценка оптимальных свойств почв и недостатка элементов питания для растений с использованием методов на основе принципов обратной связи // Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 4. С. 48-50.
13. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И., Иванова С.Е. Взаимодействие лесных суглинистых почв с модельными кислыми осадками и кислотно-основная буферность подзолистых почв. М.: МГУ, 2001. 208 с.
14. Шильников И.А., Сычев В.Г., Аканова Н.И., Федотова Л.С. Известкование как фактор урожайности и почвенного плодородия. М.: ВНИИА, 2008. 340 с.
Об авторах:
Гукалов Виктор Владимирович, кандидат сельскохозяйственных наук, директор, 0RGD: http://orcid.org/0000-0003-1742-2210, [email protected] Савич Виталий Игоревич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения, 0RGD: http://orcid.org/0000-0002-1153-2542, [email protected]
Панова Полина Юрьевна, старший преподаватель кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения, 0RCID: http://orcid.org/0000-0002-4143-7044, [email protected]
INTEGRAL CRITERION OF ACID-BASE STATE OF THE SOIL
V.V. Gukalov1, V.I. Savich2, P.Yu. Panova2
'North-Caucasian zonal experimental station of poultry breeding, village Obilnoe, Stavropol territory 2Russian state agrarian university — Moscow Timiryazev agricultural academy, Moscow, Russia
The reasonability of supplementary assessment of the acid-base state of the soil by the rate of desorption of the ions which determine pH (the kinetics constant was r = 10-2-10-5 sec-1) out of the soil, by the suspension effect, by the soil deposit capacity, by the soil surge capacity over the acid-base range, which totals 1,6 mg-eq/100 g in the soddy-podzolic soil under pH changing from 4 to 6.5, and 4.0 in the black soil, is proven in this work. It is suggested to assess the processes indicative of the acid-base state of the soil by the sequence of the soil property changes under pH changing, by the effect of complexing reaction on the acid-base state of the soil, by the interrelations between pH and the soil properties, by the soil energy parameters. The informative value of the assessment of the soil acid-base state regimes with consideration for the sequential correlations, hysteresis, change of the acid-base state of the soil, plants, aquatic and aerial environment, microbiological activity was displayed in the work. The difference of the models of the optimized soil acid-base state is substantiated for their best performing various ecological functions. It is demonstrated that the liming effectiveness grows up under the soil application of organic residues which have complexing abilities and complexons. It was found that the intensification of the growth rate of the soddy soil-formation process in the taiga-forest zone caused the stabilization of pH in 7-field crop rotation within 30 years without liming while pH changing from 5.9 to 5.8 under wheat in the cultivated soil, from 6.0 to 5.8 under potato in case of K, Ca, Mg negative balance.
Keywords: liming, acid-base state parameters, lime dose calculation, suspension effect, depositing capacity, buffer capacity.
References
1. Questions liming soil. Edited by I.A. Shilnikov, N.I. Akanova. Moscow: Agrokonsalt, 2002. 292 p.
2. GukalovKVThe influence of complex organo-mineral composts on the properties and processes in the soil-plant system on ordinary black soil, development and productivity of corn crops. Extended abstract of candidate's thesis. Moscow: VNIIA, 2015. 17 p.
3. Gukalov V.V, Savich V.I, Belyuchenko I.S. Information and energetic assessment of the state of heavy metals in the components of agrolandship. Moscow: RGAU-MSHA: VNIIA, 2015. 400 p.
4. Zamaraev A.G, Savich V.I., Sychev V.G. Energy mass transfer in the link of field crop rotation. Moscow, 2005. 336 p.
5. Panov N.P, Savich V.I. The theoretical basis of liming and gypsum soils. Vestnik selskokhozyajstvennoj nauki = Bulletin of agricultural science. 1981. No. 7. Pp. 19-26.
About the authors:
6. Savich V.I. Physico-chemical basis of soil fertility. Moscow: RGAU-MSHA, 2013. 431 p.
7. Savich V.l., Belopukhov S.L., Gukalov VV. Complexing ability of decomposition products of plant litter and its effect on the mobility of polyvalent cations. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta = Vestnik Kazan technological university. 2015. Vol. 18. No. 12. Pp. 185-189.
8. Savich V.l., Belopukhov S.L., Gukalov V.V. Agronomical evaluation of evaporation products from soils and transpiration from plants. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta = Vestnik Kazan technological university. 2015. Vol. 18. No. 23. Pp. 134-142.
9. Savich V.l., Sychev V.G, Balabko P.N, Gukalov V.V. Balance of biophilic elements in the soil-plant system. Vestnik Bashkir-skogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Bulletin of the Bashkir state agrarian university. 2016. No. 1 (37). Pp. 14-20.
10. Savich V.l., Sychev V.G, Balabko P.N, Gukalov V.V. Energy assessment of farming systems. Mezhdunarodnyj selskok-
hozyajstvennyj zhurnal = International agricultural journal. 2015. No. 5. Pp. 12-15.
11. Savich V.I., Torshin S.P., Gukalov VVJ. Agroecological assessment of organic-mineral and complex soil compounds. Moscow: RGAU-MSHA; Irkutsk: Megaprint, 2017. 298 p.
12. Savich V.I., Borisov B.A., Mazirov M.A., Gukalov VV, Kotenko M.E. Assessment of optimal soil properties and lack of nutrients for plants using methods based on the principles of feedback. Mezhdunarodnyj selskokhozyajstven-nyj zhurnal = International agricultural journal. 2017. No. 4. Pp. 48-50.
13. Sokolova T.A., Dronova T.Ya., Tolpeshta I.I., Ivanova S.E. Interaction of forest loamy soils with model acidic sediments and acid-base buffering capacity of podzolic soils. Moscow: Moscow state university, 2001. 208 p.
14. Shilnikov I.A., Sychev V.G., Akanova N.I., Fedotova L.S. Liming as a factor of productivity and soil fertility. Moscow: VNIIA, 2008. 340 p.
Viktor V. Gukalov, candidate of agricultural sciences, director, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1742-2210, [email protected] Vitaly I. Savich, doctor of agricultural sciences, professor, professor of the department of soil science, geology and landscape studies, ORCID: http://orcid.org/0000-0002-1153-2542, [email protected]
Polina Yu. Panova, senior lecturer of the department of soil science, geology and landscape studies, ORCID: http://orcid.org/0000-0002-4143-7044, [email protected]
