Научная статья на тему 'Изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния'

Изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
427
130
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФОСФАТЫ / АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КРЕМНИЯ / МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ / КєУ WORDS: PHOSPHATES / ACTIVE FORMS OF SILICON / MODEL EXPERIMENTS / THERMODYNAMIC CALCULATIONS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Матыченков Иван Владимирович, Пахненко Екатерина Петровна

Повышение эффективности питания растений является важной задачей теоретической и прикладной науки. В ряде работ было показано, что кремниевые удобрения способствуют улучшению фосфорного питания растений. Было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих данный факт. Целью работы было установление механизмов взаимодействия монокремниевой кислоты с почвенными фосфатами. Были проведены термодинамические расчеты систем фосфатов кальция с добавлением монокремниевой кислоты и выполнены лабораторные инкубационные эксперименты на примере чернозема карбонатного целинного и пахотного. Термодинамические расчёты проводили с использованием справочных данных. В качестве активных форм кремния использовали раствор монокремниевой кислоты и диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области. После инкубации в образцах анализировали содержание монокремниевой кислоты, кислоторастворимого кремния, доступного для растений фосфора и делали фракционный анализ фосфора. Полученные результаты теоретических расчётов и лабораторных исследований доказали возможность реакции замещения фосфат-анионов на силикат-анионы в почвах при добавлении активных форм кремния. Показано, что интенсивность данной реакции будет увеличиваться с увеличением рН системы. Полученные данные свидетельствуют о перспективности использования кремниевых удобрений для повышения содержания доступного для растений фосфора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Матыченков Иван Владимирович, Пахненко Екатерина Петровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CHANGE OF THE CONTENT OF MOBILE PHOSPHATES OF SOIL WHEN INTRODUCING ACTIVE FORMS OF SILICON

Increasing of the efficiency of plant nutrition is an important task of theoretical and applied science. In some studies it was shown that silicon fertilizers contribute to the improvement of phosphate plant nu trition. There have been several hypotheses for explaining this fact. The objective was to establish mechanisms of interaction of mono-silicic acid with soil phosphates. Thermodynamic calculations of systems of calcium phosphates with the addition of mono-silicic acid were held and laboratory incubative experiments on the example of virgin and arable carbonate Chernozem were performed. Thermodynamic calculations were carried out using reference data. Mono-silicic acid and diatomite of Inza deposit of Ulyanovsk region were used as active forms of silicon. After incubation the content of mono-silicic acid, acid-soluble silicon, phosphorus available for plant was analyzed and the fractional analysis of phosphorus was done in the samples. The obtained results of theoretical calculations and laboratory studies have shown the possibility of substitution reaction of phosphate-anions on silicate-anions in soils adding active forms of silicon. It is shown that the intensity of this reaction will increase with increasing pH of the system. The obtained data testify the perspectiveness of the use of silicon fertilizers to increase the content of phosphorus available for plant.

Текст научной работы на тему «Изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния»

росло в слое почвы 0-30 см в 1,5-1,8 раза.

выводы. В черноземной почве целинного участка преобладает органическая форма фосфора. Сельскохозяйственное использование приводит к возрастанию доли минерального фосфора и увеличению количества подвижной Р2О5.

Применение удобрений позволяет трансформировать почву с низкой степенью обеспеченности подвижным фосфором в класс почвы со средней обеспеченностью. При этом наибольшее накопление подвижного фосфора наблюдается в пахотном горизонте почвы.

Библиографический список

1. Хмелинин, И.Н. Фосфор в подзолистых почвах и процессы трансформации его соединений / И.Н. Хмелин.- Л.Наука,1984.-150с.

2. Хазиев, Ф.К. Влияние сельскохозяйственного использования на некоторые свойства чернозема типичного карбонатного/ Ф.К. Фазиев, Р.Я.Рамазанов, Ф.Я. Багаутди-нов, Ф.М. Богданов // Почвоведение.-1988.-№3.-С.33-38.

3. Войкин, Л.М. Формы фосфатов в почвах Горьковской области / Л.М. Войкин, В.А. Романов // Почвоведение.-1973. №10.-С.91-98.

4. Гинзбург, К.Е. Фосфор основных ти-

пов почв / К.Е. Гинзбург. - СССР.М.:Наука, 1981.-242 с.

5. Шильников, И.А. Потери элементов питания растений в агробиогеохимическом круговороте веществ и способы их минимизации / И.А. Шильников, В.Г. Сычёв, А.Х. Шеуджен, Н.И. Аканова, Т.Н. Бондарева, С.В. Кизинёк.- Изд-во: ВНИИА, 2012.- 351 с.

6. Шильников, И.А. Известкование как фактор формирования урожайности полевых севооборотов и экологической устойчивости агроценозов / И.А. Шильников, Н.И. Аканова, Е.В. Курносова, С.В. Кизинек, Г.Е.Гришин, Н.Ф. Лунина//Нива Поволжья.-2012.№3.-С.23-32.

7. Стулин, А.Ф. Эффективность дефе-ката в звене севооборота на выщелоченном черноземе Воронежской области/ А.Ф. Стулин, Н.А. Гоцка, А.В. Косолапова // Агрохимия.-1990.-№4.-С.84-88.

8. Галеева, Л.П. Гумусное состояние и биологическая продуктивность черноземов выщелоченных в агроценозах / Л.П. Галеева //Вестник НГАУ.-2012.-№1.-С.10-16.

9. Щербаков, А.П. Антропогенная эволюция черноземов / А.П. Щербаков, И.И. Ва-сенев. - Воронеж: ВГУ, 2000.- 412с.

10. Иванов, А.И. Эколого-экономиче-ские аспекты охраны степных ландшафтов / А.И. Иванов, Г.Е. Гришин, В.А. Вихрева // Нива Поволжья.- 2012. №3.-С.86-92.

УДК: 631.41

изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния

матыченков иван Бладимирович, аспирант кафедры «Агроинформатика» Пахненко Екатерина Петровна, доктор биологических наук, профессор кафедры «Аг-роинформатика»

Факультет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 e-mail: kwsm@rambler.ru

Ключевые слова: фосфаты, активные формы кремния, модельные эксперименты,

si SE IS

es

»1

¡с Si

и

и if

■ ■ 1 у

■■■ si

BS ii

термодинамические расчеты.

Проведены термодинамические расчёты растворимости фосфатов кальция при различных значениях рН и в присутствии монокремниевой кислоты. Показано, что при средних и высоких значениях рН идет реакция замещения фосфат-анионов на силикат-анионы. В инкубационных экспериментах подтверждена гипотеза, что при внесении активных форм кремния в почву происходит увеличение растворимости почвенных фосфатов. Полученные данные могут быть использованы для повышения эффективности фосфорных удобрений и улучшения фосфорного питания сельскохозяйственных растений.

Введение. Проблема повышения эффективности сельского хозяйства связана не только с увеличением количества и улучшением качества сельскохозяйственной продукции, но и с необходимостью защиты окружающей среды от химического загрязнения и повышения уровня почвенного плодородия. Применение фосфорных удобрений является одним из важнейших факторов получения высоких урожаев. Однако присутствие в почве высокого содержания кальция или магния приводит к химической фиксации вносимых фосфатов [1,2]. Кроме того, фосфорные удобрения являются источниками загрязнения сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами [3].

Еще во второй половине 19-ого века на Ротамстедской станции в Англии были начаты первые опыты по изучению взаимодействия Si и P в почве. В 1906 году Hall и Morison высказали гипотезу о возможности реакции обмена силикат-иона на фосфат-ион при внесении кремниевых удобрений [4]. В результате дальнейших многочисленных исследований было установлено, что различные кремниевые удобрения (аморфный диоксид кремния, кремнегель, силикаты кальция, калия, натрия) могут увеличивать содержание подвижных фосфатов в почвах [5, 6] или повышать доступность фосфора растениям [7,1].

Было высказано несколько гипотез о механизмах влияния кремниевых соединений на фосфаты. Во-первых, К.Л. Аскинази (1949) [8] предположил, что анион кремниевой кислоты вытесняет фосфат-анион из труднорастворимых фосфатов. Этой же гипотезы придерживался и А.М. Авдонин (1982) [9]. Впоследствии данное предположение было подтверждено в ряде работ [10, 11,5].

Согласно другой гипотезе, вносимый

кремнезем адсорбирует подвижный фосфор в почве, что, с одной стороны, препятствует его более прочной (необменной или химической) адсорбции, а с другой стороны, предотвращает вынос с почвенными водами [12]. Также предполагают, что силикат-анион является конкурирующим по отношению к фосфат-аниону. Увеличение концентрации первого в почвенном растворе приводит к нарушению соотношения адсорбированных фосфат- и силикат-ионов, увеличению концентрации фосфат-ионов в почвенном растворе и, соответственно, усилению поглощения фосфора растениями [13].

Целью данной работы было определение возможных механизмов взаимодействия монокремниевой кислоты с почвенными фосфатами. Для этого были проведены теоретические и лабораторные исследования простых систем (фосфаты: активные формы кремния), а также инкубационные исследования с использованием карбонатной почвы.

Материалы и методы исследований. Расчеты концентрации фосфатов в насыщенных растворах проводили с использованием литературных данных [14,15,16]. Расчеты были выполнены для следующих фосфатов: монокальцийфосфат и дикальцийфосфат, как наиболее вероятных форм аккумуляции подвижных соединений фосфора в почвах при внесении фосфорных удобрений.

В модельных экспериментах по инкубированию почв в присутствии монокремниевой кислоты или диатомита были использованы образцы верхнего горизонта чернозема карбонатного, целинного и пахотного, отобранные в Ульяновской области. Расстояние между точками отбора составляло 100 метров.

Монокремниевая кислота и диатомит

Инзенского диатомитового комбината были внесены в почву в дозах 250 и 500 г/кг по кремнию.

Инкубацию проводили в течение месяца при температуре 24-26 оС и влажности 15-20 % в закрытых полиэтиленовых пакетах. После инкубации образцы высушивали до влажности 8-12 % и затем определяли содержание монокремниевой кислоты, кис-лоторастворимого кремния, доступного для растений фосфора, а также делали фракционный анализ фосфора по методике Ротам-стедской опытной станции, разработанной для щелочных почв. В почвенных образцах определяли рНвод. Повторность эксперимента была четырехкратной.

Результаты исследований. Монокальцийфосфат в воде образует ионы кальция и гидрофосфата:

Са(Н2Р04)2 О / Са2+ + Н2Р20-4 Алгоритм расчета концентрации фосфат-аниона

^Ср04 = -1,50 - 0,5 ^Сса - 0,5 ^аСа2+ -^аН2Р0; - ^уН2Р0; - 0,5 ^уСа2+.

В качестве конкурирующих реакций

для расчета системы с добавлением монокремниевой кислоты учитывали образование следующих силикатов -ЗСа5Юз и Са^Ю4.

Концентрацию монокремниевой кислоты принимали равной = 0.01 М, что соответствует концентрации монокремниевой кислоты при растворении аморфного диоксида кремния.

Расчеты конкурирующих реакций при образовании 0Са5Ю3 выполняли по алгоритму

^СР04 = lgCPO4 +

|gaH4Si04 = |g Ц+К^оз^^Юз2-^

где aSi0з2- = ^/([Н*]2 + К1[Н+] + К1К2).

Расчеты конкурирующих реакций при образовании Cа2Si04 выполняли по алгоритму

lgCP04 = ^СР04 +

^^^^ = ^ (1+Kсa2sЮ4CH4Si04aSi044-),

где aSi044- = К^К^НТ + К1К2 [Н+]3 + К1 К2К3[Н+]2+ К1К2К3К4). Все необходимые константы брали из справочников [14,15,16].

Полученные расчеты показали, что в случае 0Са5Ю3 повышение концентрации фосфат-аниона как результат действия конкурирующей реакции происходит только

Рис.1 - Влияние конкурирующих реакций образования вСа$03 и Са^Ю4 на содержание фосфат-аниона в насыщенном растворе при растворении монокальцийфосфатаСа(Н2Р04)2.

1!

ЕЭ М

НЗК

р и ш '«! >1

00

Рис.2 - Влияние конкурирующих реакций образования вСа$Ю3 и Са^Ю4 на содержание фосфат-аниона в насыщенном растворе при растворении СаНР04.

при рН выше 6, а в случае образования Са^Ю4 - при рН начиная с 3 и выше. При высоких значениях рН конкурирующие реакции могут резко повышать концентрацию фосфатов в насыщенном растворе (рис. 1).

Расчеты для дикальций-фосфата проводили по схеме, как и в случае с монокальций-фосфатом.

СаНР04 О Са2+ + НР02-4

4 4

Алгоритм расчета концентрации фосфат-аниона

^СЮ4 = -6,66 - ^ССа - ^аСа2+ - ^аНР042- - ^уНР042- - lgvCa2+.

В качестве конкурирующей реакции при расчете использовали реакцию образования силикатов ЗСа5Юз и Ca2Si04.

Полученные результаты показаны на рисунке 2.

Для дикальцийфосфата также было установлено, что добавление в систему монокремниевой кислоты приводит к резкому повышению концентрации фосфат-аниона в растворе в результате конкурирующей реакции. Причем наибольшее увеличение концентрации фосфат-аниона наблюдается при высоких значениях рН (рис. 2). Таким образом, термодинамические расчёты показали возможность реакции замещения фосфат-аниона на силикат-анион в труднорастворимых соединениях кальция. При рН раствора выше 5-6 можно ожидать наибольшую скорость этой реакции.

Полученные результаты инкубационного эксперимента представлены в таблицах 1 и 2. Все изучаемые почвы характеризовались высоким содержанием монокремниевой кислоты. Добавление активных форм кремния приводило к увеличению содержания доступных форм фосфора, причем это увеличение составляло от 50 до

таблица 1

Подвижные формы фосфора и кремния в почвах после инкубации (мг/кг)

Водораствори- Кислотора-

Вариант мый створимый рН

Si Р Si Р

Целинная почва

Контроль 42,4 10,7 245 70,4 8,60

Si к-та, 250 кг/га по Si 74,5 29,4 325 154,2 8,54

Si к-та, 500 кг/га по Si 104,6 34,6 379 172,2 8,34

ДТ, 250 кг/га по Si 62,2 17,3 388 112,3 8,58

ДТ, 500 кг/га по Si 85,5 24,2 408 122,2 8,17

Сельскохозяйственные угодья

Контроль 14,8 6,8 206 56,4 8,10

Si к-та, 250 кг/га по Si 55,8 19,4 307 89,5 8,00

Si к-та, 500 кг/га по Si 89,3 22,7 354 103,5 7,85

ДТ, 250 кг/га по Si 53,2 12,3 352 72,4 7,45

ДТ, 500 кг/га по S 74,3 15,8 394 88,3 7,21

НСР05 1,5 0,7 20 1,5 0,05

таблица 2

Фракционный анализ фосфора в почвах

Фракции фосфора Сумма

Вариант 1 2 3 4 5

Р, мг/кг

Целинная почва

Контроль 42,4 83,2 123,4 822,4 234,5 1305,9

Si к-та, 250 кг/га Si 55,6 98,3 134,2 797,2 223,5 1308,8

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Si к-та, 500 кг/га Si 78,2 123,4 143,2 734,5 227,4 1306,7

ДТ, 250 кг/га Si 49,3 90,3 126,5 788,3 253,2 1307,6

ДТ, 500 кг/га Si 58,3 97,3 127,3 773,4 252,5 1308,8

Сельскохозяйственные угодья

Контроль 30,5 64,5 105,3 854,4 234,5 1289,2

Si к-та, 250 кг/га Si 41,6 78,9 114,5 812,5 240,3 1287,8

Si к-та, 500 кг/га Si 62,4 85,5 125,6 804,5 208,4 1286,4

ДТ, 250 кг/га Si 36,8 72,4 107,5 822,6 249,5 1288,8

ДТ, 500 кг/га Si 45,8 80,5 107,8 812,2 243,8 1290,1

НСР05 1,5 3,5 3,5 5,0 7,0

100% по сравнению с контролем. Наибольший эффект наблюдался при внесении монокремниевой кислоты (табл. 1).

Данные фракционного состава показали, что при повышении концентрации монокремниевой кислоты в почве идет перераспределение фосфатов по фракци-

1!

га еа »1

Р и ш М

00 и

ям. Содержание прочносвязанной фракции снижается, а доля более растворимых форм фосфора увеличивается. При этом суммарное количество фосфора во всех пяти фракциях оставалось постоянным (табл. 2).

Выводы

1. Полученные результаты теоретических расчётов и лабораторных исследований доказывают возможность реакции замещения фосфат-анионов на силикат-анионы в почвах при добавлении активных форм кремния. Интенсивность этой реакции возрастет с возрастанием рН системы.

2. Полученные данные показывают перспективность использования кремниевых удобрений для повышения содержания доступного для растений фосфора.

Библиографический список

1. Орлов, Д.С. Химия почв: учебник / Д.С.Орлов.- М.: МГУ, 1985. -376 с.

2. Tan, K.H. Principles of soil chemistry / K.H. Tan. -Boca Raton: Taylor & Francis Group, CRC Press, 2011. -343 P.

3. Высоцкая, Е.А. Проблемы загрязнения черноземных почв агрохозяйств Воронежской области / Е.А. Высоцкая // Приволжский научный вестник. -2013. -№ 1 (17). -С. 30-32.

4. Потатуева, Ю.А. О биологической роли кремния / Ю.А. Потатуева // Агрохимия. -1968. -№ 9. -С. 111-116.

5. Матыченков, В.В. Использование некоторых отходов металлургической промышленности для улучшения фосфорного питания и повышения засухоустойчивости растений / В.В. Матыченков, Е.А.Бочарникова // Агрохимия. -2003. -№ 5. -С. 50-56.

6. Швейкина, Р.В. Влияние кремене-гель содержащих удобрений на обменную адсорбцию катионов / Р.В.Швейкина // Свойства почв и рациональное использование удобрений: межвуз. сб. науч. тр. -Пермь: Изд-во Перм. с.-х. инст., 1986. -С. 54-56.

7. Куликова, А.Х. Кремний и высококремнистые породы в системе удобрения сельскохозяйственных культур: монография / А.Х. Куликова. -Ульяновск: Изд-во Ульяновской ГСХА, 2012. -178 с.

8. Аскинази, Д.Л. Фосфатный режим почвы и известкование почв с кислой реакцией: монография / Д.Л. Аскинази. -М., Л.: Изд-во АН СССР, 1949. -215 с.

9. Авдонин, Н.С. Агрохимия: учебное пособие / Н.С. Авдонин. -М.: Изд-во МГУ, 1982. - 344 с.

10. Матыченков, В.В. Влияние аморфного кремнезема на некоторые свойства дерново-подзолистых почв / В.В. Матычен-ков, Я.М. Аммосова // Почвоведение. -1994. -№ 7. -С. 52-61.

11. Матыченков, В.В. Роль подвижных соединений кремния в растениях и системе почва-растение: автореф. дис... докт. биол. наук / В.В.Матыченков - Пущино: ИФПБ, 2008. -34 с.

12. Mortvedt, I.I. Effects of calcium silicate slag application on sodium concentrations in plant tissues / I.I. Mortvedt. // Commun. Soil Sci. and Plant Anal. -1986. -V. 17(1). -P. 75-84.

13. Olivera, M.G. Silica and phosphorus reciprocal adsorption and discation in two latosols from the Friangilo Mineiro area Brazil / M.G. Olivera, J.M. Brada, F.F. Jeles. // Revesta Ceres. -1986. -V. 33. -№189. -P. 441-448.

14. Наумов, Г.Б. Справочник термодинамических величин / Г.Б.Наумов, Б.Н.Рыженко, И.Л.Ходаковский. -М: Атомиз-дат, 1971. -231 с.

15. Рудакова, Т.А. Методические указания по расчету растворимости труднорастворимых соединений: учебное пособие / Т.А.Рудакова, Л.А.Воробьева, Л.Л. Новых. -М.: МГУ, 1986. -124 с.

16. Lindsay, W.L. Chemical Equilibria in Soil / W.L. Lindsay. -New York : John Wiley & Sons, 1979. -449 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.