CC BY
32
УДК 631.41
В. И. Савич, С. Л. Белопухов, В. В. Гукалов, Д. С. Скрябина, И. Г. Шайхиев
КОМПЛЕКСООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ОПАДА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПОДВИЖНОСТЬ ПОЛИВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ
Ключевые слова: комплексные соединения, почвообразование, почвенные растворы, растительный опад, мерзлотно-
таежные почвы.
Влияние продуктов разложения растительного опада на почвообразовательные процессы, плодородие и деградацию почв определяется химическим и биологическим составом опада, его массой, условиями разложения и совокупностью свойств почв. В работе доказывается, что влияние водорастворимых продуктов разложения растительного опада на рассматриваемые процессы определяется интенсивными и экстенсивными параметрами их состава: рН и количеством ионов Н+ в мигрирующих продуктах, константами нестойкости образующихся комплексов и количеством комплексонов в мигрирующих водах, константами восстановления ионов переменной валентности и количеством восстановителей в мигрирующих водах. При этом константы нестойкости образующихся комплексов изменяются в зависимости от рН среды в связи с проявлением эффектов протонирования и гидрообразования.
Keywords: complex compounds, soil formation, soil solutions, leaf and forest litter, cryogenic taiga soils.
Effect of the breakdown products of plant residues on the soil-forming processes, fertility and soil degradation is determined by the chemical and biological composition of litter and its mass, a set of conditions for decomposition and soil properties. It is proved that the effect of water-soluble breakdown products ofplant residues on these processes is determined by the intensive and extensive parameters of their composition: pH and the amount of H+ ions in migrating products instability constants of the complexes formed and the amount of complexing in migrating waters constants recovery ions of variable valence and the number of in reducing migratory waters. This instability constants of the complexes formed are changed depending on the pH of the medium due to the manifestation of the effects of protonation and hydroformation
Введение
Комплексные соединения почв в значительной степени определяют их генезис, эволюцию, плодородие и урожай с/х культур [1-4]. В почве, в основном, присутствуют комплексы поливалентных металлов с органическими лигандами почвенных растворов и
водорастворимым органическим веществом разлагающихся растительных остатков. рКн комплексов составляет, в основном, от 2 до 20. Установлено, что комплексные соединения биофильных элементов лучше усваиваются растениями, что определило использование в качестве удобрений различных комплексонатов [59]. В то же время лиганды водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков, образуя комплексы с катионами твердой фазы почв, способствуют развитию в почвах элювиально-иллювиальных процессов ([9-14]. Образование комплексов компонентов почвенных растворов с поливалентными катионами существенно изменяет процессы их сорбции и десорбции, эффективность известкования. Поступая в растения, комплексные соединения участвуют в процессах конкурирующего
комплексообразования аддентов и лигандов [6, 810]. Комплексообразующей способностью обладает и микробиологическая активность почв, что определяет антипатогенную функциональность
[3, 8].
Однако работ по комплексообразующей способности почвенных растворов и
водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков
недостаточно, что определяет и слабую изученность их влияния на почвообразование и плодородие почв.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования выбраны следующие растительные остатки: сено злаков, листья березы, клена, липы, тополя, дудника, иглы сосны, ели и лиственницы. Оценка влияния продуктов разложения растительного опада на свойства почв изучена на мерзлотно-таежных почвах Якутии (разрез 1, горизонты Апах и А2; разрез 2, Апах).
Методика исследования состояла в компостировании растительного опада в условиях оптимальной и избыточной влажности от 1 недели до двух месяцев. В водорастворимом органическом веществе продуктов разложения определены рН, Eh, буферная емкость в кислотно-основном и окислительно-восстановительном интервалах,
оптическая плотность при 440 нм.
В первой серии экспериментов образцы исследуемых мерзлотно-таежных почв заливались водорастворимыми органическими веществами из компостированных растительных остатков и через 1 неделю в фильтрате определялось содержание ионов Са, Мд. К, Ре. Во второй серии экспериментов для оценки комплексообразующей способности исследуемых водорастворимых органических веществ в них вносился избыток пыли металлического 2п и стружки Си. Через 2 недели в
растворах определялось содержание меди и цинка на атомно-адсорбционном спектрофотометре и рН растворов.
Экспериментальная часть
Влияние продуктов разложения растительного опада на свойства почв в значительной степени определяется рН и Eh мигрирующих растворов, количеством в них кислых и щелочных компонентов, окислителей и восстановителей. По полученным ранее данным, величина рН продуктов разложения сена была ниже,
чем продуктов разложения листьев древесных пород, а величина Eh выше.
Экстенсивные и интенсивные параметры водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков оценивают их реакционную способность с разных сторон. Так, при более кислых значениях рН раствора в нем может быть меньше Н+ в мг-экв/дм3. При большей величине Eh раствора в нем может быть меньше окисленных веществ в мг-экв/дм3. Данное обстоятельство иллюстрируется следующими данными, приведенными в таблице 1.
Таблица 1 - Кислотно-основные и окислительно-восстановительные органических веществ продуктов разложения растительного опада
свойства водорастворимых
Объект рН, 5 см3 р-ра рН + 5 мл 0,002 н. Е^ мВ Е^ при добавлении
исследования N804 тХСЭ 4 см3 0,1 н. КМп04
с Eh=1075 мВ
Сено 5,9 10,1 495 990
Листья липы 6,8 9,5 410 1010
По полученным данным, величина рН водорастворимых органических веществ растительных остатков, компостированных в условиях оптимальной влажности, составляла 6,7±0,1, а ДрН при добавлении к 10 см3 раствора 1 см3 0,1 Н ЫаОИ 2,5±0,6. Для условий компостирования при избыточной влажности эти
показатели были соответственно равны рН = 6,2±0,2 и рН = 4,6±0,5.
В проведенных исследованиях оценивалась комплексообразующая способность
водорастворимых органических веществ растительных остатков по отношению к меди. Примеры таких определений приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Комплексообразующая способность по отношению к меди водорастворимых органических веществ - продуктов разложения сена и соломы (30 т/га)
Вариант Содержание Си
мг/дм3 раствора мг на г С
Чернозем Апах 2,2 220
+ солома 4,2 210
+ сено 6,0 600
Дерново-подзолистая почва, А -^пах 2,2 110
+ солома 8,0 400
+ сено 13,4 670
Как видно из представленных данных, комплексообразующая способность по отношению к меди выше у продуктов разложения сена по сравнению с продуктами разложения соломы.
В проведенных исследованиях оценивалась комплексообразующая способность
водорастворимых продуктов разложения хвои и листьев деревьев по отношению к меди. По полученным данным, в водорастворимом органическом веществе продуктов разложения иголок ели растворимость Си = 8,5 мг/дм3, в продуктах разложения листьев клена - 2,6 мг/дм3, а в продуктах разложения листьев тополя - 32,3 мг/дм3.
В то же время комплексообразующая способность по отношению к отдельным поливалентным катионам отличалась. Так, в
водорастворимом органическом веществе продуктов разложения иголок ели растворялось 57,2 мг/дм3 С^ 0,5 мг/дм3 Си; 66,9 мг/дм3 Мд. Для листьев березы эти показатели были соответственно равны 22,3 мг/дм3; 0,4 и 57,4 мг/дм3, для листьев дудника - 9,9; 3,4 и 52,6 мг/дм3.
По полученным нами данным, комплексообразующая способность
водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков по отношению к Си и 2п зависит от рН (проявление эффектов протонирования и гидратообразования), продолжительность взаимодействия и степени измельчения металла. Это иллюстрируется данными, приведенными в таблице 3.
Как видно из представленных данных, с увеличением времени взаимодействия
растворимость порошка цинка резко возросла, а стружки меди почти не изменились. При компостировании растительных остатков в условиях избыточной влажности комплексообразующая способность водорастворимых органических веществ продуктов разложения по сравнению с
Таблица 3 - Изменение комплексообразующей с] компостирования растительных остатков
условиями разложения при оптимальной влажности возросла для цинка и неоднозначно изменилась для меди. Изменение рН в узком интервале (рН=8,7-7,7) не повлияют на комплексообразующую способность лигандов.
почв в зависимости от рН среды и условий
Объект Влажность, W 1 день* 3 недели
гп Си гп** Си** 2п*** Си***
Сено Орг 0,06 0,13 13,6 0,19 14,5 0,2
Избыток 0,45 0,11 17,6 0,15 9,8 0,1
Лиственница Орг 0,12 0,07 4,9 0,08 2,0 0,06
Избыток 0,43 0,09 14,1 0,11 8,4 0,05
Береза, сосна Орг 0,04±0,01 0,16±0,04 11,8±0,43 0,16±0,02 8,0±3,7 0,07±0,07
Избыток 0,12±0,11 0,05±0,01 15,3±0,5 0,04±0,02 12,0±2,2 0,22±0,18
Все условия Орг 0,17±0,06 0,11±0,02 11,3±1,8 0,12±0,02 9,4±1,4 0,11±0,4
увлажнения
: рН = 8,7±0,1; 8,8±0,1; ** рН = 8,0±0,1; *** рН = 7,7±0,1
При длительном времени взаимодействия (3 недели) продукты разложения сена обладали большей комплексообразующей способностью по отношению к меди, цинку, чем продукты разложения иголок лиственницы, сосны и листьев березы.
Водорастворимые продукты разложения растительного опада существенно влияют на вытеснение катионов из почв. Полученные данные приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Оптическая плотность (О) растворов и вытеснение Са, М^, Fe, К из мерзлотно-таежных почв продуктами разложения растительных остатков
Водорастворимое Условия О Са Мд Ре К
органическое вещество компостиро-вания мг/дм3
Из сена оптимальная влажность 0,45±0,02 54,4±2,1 81,7 9,0±0,1 168,7±14,8
избыточная влажность 0,14±0,04 51,7±3,9 28,1 0,7±0,3 132,0±3,1
Из лиственницы оптимальная влажность 0,03±0,01 55,2±2,5 50,6 0,5±0,1 82,3±5,3
избыточная влажность 0,01 55,7±1,7 25,8 0,1±0,01 63,3±3,0
Как видно из представленных данных, большая оптическая плотность растворов десорбентов соответствовала большему вытеснению из почв ионов Са, Мд, Ре, К. Водорастворимое органическое вещество продуктов разложения сена по сравнению с водорастворимым органическим веществом продуктов разложения иголок лиственницы имело большую оптическую плотность и больше вытесняло из почв Мд, Ре, К.
Заключение
С практической точки зрения, знание комплексообразующей способности
водорастворимых органических веществ растительных остатков позволяет рассчитать их дозы для обеспечения растений Си, гп, Ре в карбонатных почвах, содержание комплексонов в
поливных водах для получения в них заданной концентрации Си, Ре, гп и др.
Приготовление гуматов с заданной комплексообразующей способностью к
микроэлементам позволяет применять селективные гуматы, обогащенные Си, гп, Мп, Ре и т.д., для борьбы с засухой, заморозками, загрязнениями, засолением и другими стресс-факторами.
Создание комплексов с поливалентными металлами, Са, Мд позволяет создавать биологически активные добавки для людей и животных для борьбы с определенными заболеваниями.
В оглеенных почвах в почвенно-поглощающий комплекс входит до 70 % ионов Ре2+ и известкование идет в обмен Ре на Са. Создание комплексонов, селективных к Ре, позволяет ускорить этот процесс.
В работе доказывается, что влияние продуктов разложения растительного опада на
свойства почв определяется интенсивными и экстенсивными показателями их химического состава - рН и количеством Н+ в мигрирующих продуктах, константой устойчивости образующихся комплексов и количеством органических лигандов в мигрирующих растворах; константой
восстановления и количеством восстановленных веществ в мигрирующих растворах. Оценено влияние продуктов разложения сена злаков, листьев березы, иголок сосны, ели, лиственницы на вытеснение поливалентных катионов из мерзлотно-таежных почв.
Показано, что водорастворимое органическое вещество продуктов разложения сена по сравнению с продуктами разложения иголок лиственницы, иголок сосны и листьев березы обладает большей комплексообразующей способностью по отношению к 2п, Си. При промывании этими растворами мерзлотных почв продуктами разложения сена, вытеснялось из почв больше Мд, Ре, К по сравнению с продуктами разложения других растительных остатков.
Увеличение времени взаимодействия Си, 2п и почв с водорастворимым органическим веществом разлагающихся растительных остатков увеличивало комплексообразующую способность растворов десорбентов.
Литература
1. А.И. Карпухин, А. Илахун, С.П. Торшин, Координационные соединения органических веществ почв с ионами металлов и влияние комплексонатов на их доступность, РГАУ-МСХА, Москва, 2010. 272 с.
2. И.Ю. Мишина. Автореф. дисс. канд. с/х наук, ТСХА, Москва, 1984. 14 с.
3. Е.Н. Мишустин, М.И. Перцовека, В.А. Городов, Санитарная микробиология, Наука, Москва, 1979. 304 с.
4. В.И. Савич, Е.В. Трубицина, Н.М. Муради, Известия ТСХА, 1, 73 (1988).
5. В.И. Савич, Н.В. Парахин, Л.Л. Шишов, Агрономическая оценка гумусового состояния почв. ОГАУ, Орел, 2001. Т. 1. 234 с.
6. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА, 6, 5-11 (2013).
7. В.И. Савич, Физико-химические основы плодородия почв, РГАУ-МСХА, Москва, 2013. 431 с.
8. В.И. Савич, Д.Н. Никиточкин, В.А. Седых, Оптимизация свойств почв в период интенсивного ведения сельскохозяйственного производства и загрязнения среды, ВНИИА, Москва, 2014. 472 с.
9. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского ГАУ, 4, 216-218 (2013).
10. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского ГАУ, 6, 203-205 (2013).
11. Т.В. Шнее, С.Э. Старых, Т.А. Фёдорова, М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, А.А. Шевченко, Плодородие, 3, 33-35 (2014).
12. В.Н. Гукалов, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, О.А. Шапкина, В.В. Верхотуров, Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 5(127), 5864 (2015)
13. В.Н. Гукалов, В.А. Черников, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 178-184 (2014).
14. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, В.В. Верхотуров, Системы. Методы. Технологии, 2. 167-172 (2013).
© В. И. Савич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, С. Л. Белопухов - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой физической и органической химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, тел. раб. (499)976-32-16, [email protected]; В. В. Гукалов - аспирант ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова; Д. С. Скрябина - аспирант кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; И. Г. Шайхиев - доктор технических наук, заведующий кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© V. I. Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Department of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA Timiryazeva S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry RGAU-MTAA Timiryazeva bodies. slave. (499) 976-32-16, [email protected]; V. V. Gukalov - graduate VNIIA name DN Pryanishnikov; D. S. Scryabina - graduate student of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA Timiryazeva; I. G. Shaikhiev - Doctor of Technical Sciences., Head of Environmental Engineering Kazan State Technological University.
