CC BY
29УДК 631.6
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕЛИОРАЦИИ КИСЛЫХ ПОЧВ
В.В. Окорков, д. с.-х. н., Л.А.Окоркова
— Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии, Email: [email protected]
Экспериментально установлен механизм взаимодействия известковых материалов и их смесей с гипсом с ПК кислых почв в зависимости от величины их гидролитической кислотности. Определено, что различия в инфильтра-ционном выносе двухвалентных катионов глубже 40 см при мелиорации почв различными мелиорантами зависят от механического состава почвы.
Ключевые слова: иллювиальные горизонты дерново-подзолистых почв, гидролитическая и обменная кислотности, обменный алюминий, рН, доломитовая мука, гипс, степень гидролиза CO 2-.
В работе [1] рассмотрен и изучен механизм взаимодействия доломитовой муки и гипса, смесей этих мелиорантов с поглощающим комплексом кислых почв. Для моделей выбран иллювиальный горизонт (В1) с рН 3,66-
В варианте с применением полной нормы гипса наблюдали перемещение 4,5 мг подвижного алюминия с фильтратом (около 2 %) и закрепление твердой фазой 31,3 мг А1 (13,2 %) от его содержания в почве колонки (236,8 мг). В варианте сочетания половинных доз
3,80, с высокими величинами гидроли-1. Физико-химическая характеристика образцов для модельных исследований
Были проведены дальнейшие исследования по взаимодействию доломитовой муки и гипса с иллювиальными горизонтами дерново-подзолистых почв различного состава (табл. 1). Результаты исследований по взаимодействию мелиорантов с иллювиальным
Серия колонок Генетический горизонт рнкС| S НГ Н ОБМ Al ОБМ мг/100 г почвы Частицы менее 1 норма д.м., мг-экв/доля от полной нг
мг-экв/100 г почвы 0,001 мм, % 0,01 мм, %
1 В1* 3,66 6,90 8,70 4,16 35,4 25,4 38,4 9,1/1,05
2 В1* 3,60 4,20 8,35 4,48 4,50 18,9 31,3 9,8/1,17
3 В1** 4,04 6,90 3,14 1,10 3,96 13,3 22,7 4,12/1,31
4 В2** 3,85 9,60 6,40 3,24 4,05 21,6 30,3 4,12/0,64
Примечание. * - Печуга Камешковского района; ** - Шепелево Судогодского района.
тической (8,66-9,10 мг-экв/100 г почвы) и обменной (4,16-4,60 мг-экв/100 г) кислотностей, с содержанием подвижного алюминия 34-35 мг/100 г. В результате исследований выявлено, что коэффициент использования половинной и полной доз доломитовой муки на снижение гидролитической кислотности составил соответственно 93,2 и 80,8 %, а полной дозы гипса - 18,3 %. Двойная доза доломитовой муки в условиях опыта растворилась на 60 %, коэффициент использования растворенной доломитовой муки составил 67,6 %.
По данным рНН2О при соотношении почва:вода 1:0,5 образцов почвы после взаимодействия с мелиорантами рассчитана степень гидролиза карбонат-ионов доломитовой муки. Выявлено, что степень гидролиза карбонат-ионов всех доз ее по 1-й ступени составила 100 %, а по 2-й ступени варьировала от 38 до 95 %. Средняя величина степени гидролиза СО32--ионов для соответствующих доз доломитовой муки совпадала с коэффициентами их использования на снижение гидролитической кислотности.
доломитовой муки и гипса по сравнению с половинной дозой доломитовой муки с фильтратом вынесено 3,45 мг алюминия (2,3 %) и закреплено твердой фазой почвы 22,0 мг (14,6 %) от содержания подвижного алюминия (150,6 мг).
При применении полной и двойной доз доломитовой муки (по НГ) наблюдали увеличение подвижного А1 глубже внесения мелиоранта. Высказано положение, что А1 в этом случае перемещается в форме отрицательно заряженных коллоидов гидроксидов алюминия, стабилизированных ионами СО32-.
2. Влияние соотношения твердой фазы
горизонтом в 1-й серии колонок были описаны выше [1].
Методика исследований Модельные исследования проведены в колонках, в 2 верхних разделяемых слоя которых (по 10 см) были внесены различные дозы доломитовой муки, гипса или сочетания этих мелиорантов, два последующих слоя были без мелиорантов.
Через колонку порциями по 50 мл через два дня пропускали по 500 мл дистиллированной воды, что соответствовало выпадению половинной нормы годовых осадков (600 мм). Фильтрат собирали по порциям, измеряя почвы и воды на рН жидкой фазы
Соотношение почва:вода Навеска почвы, г Количество Н2О, мл рН
1:5 10 50 5,46
1:2,5 10 25 5,27
1:1,5 15 22,5 4,81
1:1 20 20 4,73
1:0,5 20 10 4,68
3. Влияние мелиорантов на физико-химические свойства иллювиального горизонта дерново-подзолистой почвы
№ Слой колонки, см р^ 1:0,5 Б НГ и ОБМ ЕКО А1 ОБМ мг/100 г КИСП по изменению
мг-экв/100 г почвы НГ Б
1. Контроль 0-10 5,04 4,15 8,04 4,48 12,2 4,24 - -
10-20 4,99 4,05 8,04 4,38 12,1 4,32 - -
20-30 4,89 3,95 8,05 4,34 12,0 4,50 - -
30-40 4,86 3,90 7,92 4,18 11,8 4,50 - -
2. Долму-ка, 0,5 НГ 0-10 5,55 8,50 3,44 0,45 12,0 0,81 0,93 0,89
10-20 5,64 8,70 3,37 0,26 12,1 0,65 0,94 0,95
20-30 4,89 3,90 8,18 4,23 12,1 4,14 - -
30-40 4,92 3,90 8,05 4,12 12,0 4,77 - -
3. Долму-ка + гипс по 0,5 НГ 0-10 5,22 8,60 3,37 0,28 12,0 0,90 0,95 0,91
10-20 5,10 8,60 3,25 0,18 11,8 0,80 0,98 0,93
20-30 4,20 4,20 7,87 3,66 12,1 5,40 - -
30-40 4,09 3,80 8,14 4,10 11,9 5,48 - -
4. 0,5 НГ долмука + ЛА гипс 0-10 5,11 8,50 3,34 0,38 11,8 1,00 0,96 0,89
10-20 5,22 8,40 3,30 0,68 11,7 1,44 0,97 0,89
20-30 4,43 4,20 8,04 4,08 12,2 4,86 - -
30-40 4,28 4,00 8,37 4,28 12,4 5,22 - -
5. 1 НГ долмуки 0-10 6,30 11,2 1,09 0,10 12,3 - 0,71 0,72
10-20 6,20 11,1 1,06 0,10 12,2 - 0,71 0,72
20-30 5,07 4,20 7,74 3,78 11,9 4,32 - -
30-40 4,92 4,00 7,84 3,80 11,8 5,22 - -
6. 1 НГ гипса 0-10 4,09 4,60 7,44 3,74 12,0 5,67 0,06 0,05
10-20 4,14 4,50 7,61 3,84 12,1 4,23 0,04 0,05
20-30 4,30 4,00 7,96 4,08 12,0 4,32 - -
30-40 4,19 3,90 8,05 4,10 12,0 4,32 - -
Исходный образец В1 4,98 4,35 8,66 4,72 13,0 4,50
4. Концентрация суммы кальция и магния в порциях фильтрата, м-экв/л
№ Порции фильтрата Средняя по колонке
1 2 3 4 5
1 3,21 3,55 3,00 2,92 2,04 2,90
2 6,89 4,96 1,83 3,18 2,64 3,23
3 17,5 43,4 44,8 43,0 41,4 34,9
4 20,3 40,7 39,5 46,1 35,3 33,0
5 3,42 2,92 3,16 2,39 4,12 3,21
6 27,8 52,5 56,6 67,4 52,4 48,4
Примечание. Схема внесения мелиорантов в слои колонок дана в табл. 3.
5. Влияние доз доломитовой муки и ее сочетания с гипсом на коэффициенты использования доломитовой муки и степень гидролиза карбонат-ионов
Показатель Мелиорант
0,5 дозы доломитовой муки по 0,5 дозы доломитовой муки и гипса 0,5 дозы доломитовой муки и 0,25 дозы гипса 1 доза доломитовой муки
Коэффициент использования доломитовой муки 0,93 0,94 0,93 0,72
Степень гидролиза карбонат-ионов, % 92,1 96,8 96,7 77,0
6. Величина рН в порциях фильтрата
8. Сравнение рассчитанных и экспериментально установленных значений рНН2О при соотношении почва:вода 1:0,5 в слоях колонок, мелиорированных доломитовой мукой
№ Порции фильтрата Средняя по колонке
1 2 3 4 5
1 5,99 5,10 4,75 5,22 5,03 5,22
2 5,95 5,74 5,60 5,57 5,35 5,64
3 4,42 3,98 3,93 3,97 3,94 4,05
4 4,33 4,04 4,02 3,87 4,01 4,05
5 6,22 6,27 6,27 6,47 6,63 6,37
6 4,13 3,90 3,88 3,81 3,90 3,92
Вариант Слой колонки, см рН почвы рассчитанный рНн2о 1:0,5
Доломитовая мука по 0,5 НГ в 2 слоя 0-10 5,63 5,55
10-20 5,65 5,64
20-30 4,92 4,89
30-40 4,92 4,92
Доломитовая мука по 1,0 НГ в 2 слоя 0-10 6,25 6,30
10-20 6,26 6,20
20-30 4,98 5,07
30-40 4,95 4,92
7. Размеры перемещения двухвалентных катионов глубже 40 см в пересчете на СаСО3 и гипс
Вариант Общее перемещение Са2+ и М§2+ в расчете на СаСО3, кг/га Дополнительное перемещение Са2+ и М§2+ в расчете на СаСО3, кг/га Дополнительное перемещение Са2+ и М§2+ в расчете на гипс, кг/га
1. Контроль 156 - -
2. Доломитовая мука 0,5 НГ 167 11 -
3. Доломитовая мука + гипс по 0,5 НГ 1908 11 2990
4. Доломитовая мука 0,5 НГ + гипс 0,25 НГ 1372 11 2070
5. Доломитовая мука 1,0 НГ 162 6 -
6. Гипс 1,0 НГ 1783 - 2800
их массу, количественно переносили в мерные колбочки на 100 мл. От известной массы отбирали точно по 10 мл фильтрата для измерения рН. Остальное количество фильтрата доводили до метки дистиллированной водой и анализировали на содержание анионов (С1-, НСО3-, Б042") и катионов (Са2+, М§2+). После прохождения через колонки запланированного количества воды их разбирали по слоям, высушивали при температуре 50 °С, растирали в фарфоровой ступке и анализировали по общепринятым методам агрохимического анализа. Однако величину рН каждого слоя почвы определяли при соотношении почва:вода 1:0,5. Величина рН в этом случае против соотношения почва:вода 1:1 слабо понижается и будет приближаться к значениям рН почвенных растворов в слоях колонок (табл. 2). Это позволяет более корректно оценить степень гидролиза карбонат-ионов вносимой доломитовой муки.
Результаты исследований и их обсуждение
Во 2-й серии колонок со значительно более низким содержанием обменного алюминия получены следующие результаты взаимодействия мелиорантов с ПК В1-горизонта (табл. 3).
Коэффициент использования половинной дозы доломитовой муки в слое
9. Сравнение рассчитанных и экспериментально установленных значений рНН2О при соотношении почва:вода 1:0,5 в слоях колонок, мелиорированных доломитовой мукой и гипсом
Вариант Слой колонки, см рН почвы рассчитанный р^ 1:0,5
Доломитовая мука и гипс по 0,5 НГ в 2 слоя 0-10 5,25 5,22
10-20 5,26 5,10
20-30 4,16 4,20
30-40 4,11 4,09
Доломитовая мука по 0,5 НГ + гипс 0,25 НГ в 2 слоя 0-10 5,24 5,11
10-20 5,24 5,22
20-30 4,16 4,43
30-40 4,12 4,28
Примечание. Для слоев 0-10 и 10-20 см использовали рК 4,84, а для слоев 20-30 и 30-40 см - 4,44.
колонки 0-20 см варьировал от 0,92 до 0,94, а полной - в пределах 0,71-0,72. Добавление разных доз гипса к доломитовой муке слабо влияло на его величину. Это обусловлено практически полным использованием мелиоранта на снижение кислотности слоя 0-20 см. При применении половинной и полной доз доломитовой муки небольшое количество ее расходуется на увеличение равновесной концентрации ионов кальция и магния в жидкой фазе (табл. 4), что несколько снижает теоретическую величину коэффициен-
та использования мелиоранта. Особенно сильно повышается в жидкой фазе концентрация двухвалентных катионов при применении гипса и его сочетании с доломитовой мукой (по сравнению с контрольной колонкой в 11-16,7 раз), что увеличивает ее коагулирующую способность в отношении отрицательно заряженных почвенных коллоидов. Коэффициент использования гипса на снижение гидролитической кислотности и повышение суммы поглощенных оснований составил всего 5 %.
Сопоставление коэффициентов ис-
№ 2 (64) 2013
¡^аЭимгрсШ Земледелий
10. Влияние доз доломитовой муки и гипса на физико-химические свойства различных слоев колонок В1-горизонта дерново-подзолистой почвы
Глубина слоя, см НГ Б НГ + Б Н ОБМ Т, % А| б . обм мг/100 г рН 1:0,5 1 водн '
мг-экв/100 г почвы
1. Контроль
0-10 2,82 6,4 9,22 0,66 69,4 2,25 5,60
10-20 3,50 5,8 9,30 0,82 62,4 3,00 5,09
20-30 2,97 6,6 9,57 0,62 69,0 2,50 5,46
30-40 2,80 6,4 9,20 0,60 69,6 2,52 5,47
2. По 2,06 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (7,21 мг-экв/колонку)
0-10 2,10 8,8 10,9 0,08 80,7 0,45 6,10
10-20 1,92 8,2 10,1 0,05 81,0 0,25 5,95
20-30 3,32 6,2 9,52 0,75 65,1 1,89 5,26
30-40 3,50 6,0 9,50 0,77 63,2 2,79 4,99
3. По 4,12 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв/колонку)
0-10 1,75 9,0 10,75 0,04 83,7 0,18 6,36
10-20 1,57 8,8 10,37 0,02 84,9 Нет 6,55
20-30 1,92 7,5 9,42 0,20 79,6 0,63 6,07
30-40 2,80 6,4 9,20 0,57 69,6 2,16 5,51
4. По 2,06 мг-экв/100 г почвы доломитовой муки и гипса в 2 слоя (по 7,21 мг-экв)
0-10 1,92 8,68 10,6 0,06 81,9 0,50 5,52
10-20 1,75 8,38 10,1 0,03 82,7 0,45 5,77
20-30 2,30 7,10 9,40 0,37 75,5 1,53 5,45
30-40 2,70 6,55 9,25 0,51 70,8 2,43 5,16
5. По 4,12 мг-экв гипса на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв)
0-10 3,06 7,00 10,1 0,28 69,3 3,06 5,15
10-20 2,71 6,80 9,51 0,32 71,5 3,42 4,97
20-30 3,59 6,30 9,89 0,38 63,7 3,69 4,91
30-40 3,73 6,50 10,2 0,59 63,7 2,97 5,00
6. По 2,06 мг-экв дол. муки и 1,06 мг-экв гипса на 100 г почвы в слоя (7,21 + 3,61 мг-экв)
0-10 1,92 8,70 10,6 0,17 82,1 0,27 6,08
10-20 1,84 7,60 9,44 0,12 80,5 0,20 6,12
20-30 2,71 6,80 9,51 0,55 71,5 2,52 5,34
30-40 2,94 6,75 9,69 0,67 69,7 2,98 5,24
пользования доломитовой муки и ее смесей с гипсом со степенью гидролиза карбонат-ионов показало их хорошее совпадение (табл. 5).
Степень гидролиза карбонат-ионов (СО32-) рассчитывали, используя измененное уравнение Гендерсона-Гас-сельбаха. Так как в слоях 0-10 и 10-20 см колонок при применении доломитовой муки и ее смесей с гипсом рНН2О был ниже 8,0 (табл. 3), то гидролиз С032-ионов по 1-й ступени (рК2 = 10,32, рК2 - отрии 100 десятичный логарифм кон(1+юРА1"'ьТ хоциации угольной кислоты по 2-й ступени) был полным (100 %). Гидролиз по 2-й ступени (НСО3- + Н2О ^ Н2СО3 + ОН-) рассчиты-
вали, используя формулу: а1 =
(1)
где а1 - степень диссоциации слабой угольной кислоты по 1-й ступени, РК1 - отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 1-й ступени.
По разнице 100 - а1 находили степень гидролиза по 2-й ступени. Общую степень гидролиза карбонат-ионов в слоях 0-10 и 10-20 см рассчитывали по формуле:
[100 + (100- а1)]:2 = 100 - а1/2. (2) По сравнению с контрольной колонкой при применении половинной дозы доломитовой муки обменная
кислотность снижается лишь в слое внесения ее. Дополнительное внесение гипса способствует снижению обменной кислотности и в слое 20-30 см (с 4,34 до 3,66-4,08 мг-экв/100 г почвы). С ростом дозы дополнительно внесенного гипса размеры снижения НОБМ повышались. В колонке с полной дозой доломитовой муки обменная кислотность снижалась и в слоях 20-30 и 3040 см. Небольшое понижение Н по
ОБМ
сравнению с контрольной колонкой наблюдалось в слоях 0-10, 10-20 и 20-30 см при внесении полной дозы гипса в 2 верхних слоя.
В основном в слое внесения доломитовой муки установлено и снижение
11. Эффективность использования доломитовой муки и ее смесей с гипсом
Вариант Слой колонки, см НГ, мг-экв/100 г почвы Коэффициент использования доломитовой муки в слое почвы 0-20 см / степень гидролиза Общий коэффициент использования доломитовой муки/степень гидролиза
1. Контроль 0-10 2,82 - -
10-20 3,50
20-30 2,97
30-40 2,80
2. По 2,06 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (7,21 мг-экв/ колонку) 0-10 2,10 0,56/55,7 0,30/55,7
10-20 1,92
20-30 3,32
30-40 3,50
3. По 4,12 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв/ колонку) 0-10 1,75 0,36/54,0 0,49/54,0
10-20 1,57
20-30 1,92
30-40 2,80
4, По 2,06 мг-экв/100 г почвы доломитовой муки и гипса в 2 слоя (по 7,21 мг-экв) 0-10 1,92 0,64/82,8 0,83/82,8
10-20 1,75
20-30 2,30
30-40 2,70
5. По 4,12 мг-экв гипса на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв/колонку) 0-10 3,06 0,07* Увеличение НГ на 8,3 %
10-20 2,71
20-30 3,59
30-40 3,73
6. По 2,06 мг-экв дол. муки и 1,06 мг-экв гипса на 100 г почвы в слоя (7,21 + 3,71 мг-экв) 0-10 1,92 0,62/74,2 0,65/74,2
10-20 1,84
20-30 2,71
30-40 2,94
* - коэффициент использования гипса
подвижного алюминия. Применение только гипса по сравнению с контрольной колонкой не приводило к уменьшению обменного алюминия. В колонках с полной дозой доломитовой муки и сочетанием доломитовой муки с гипсом наблюдали небольшое повышение содержания подвижного алюминия и глубже 20 см. В случае колонки с полной дозой доломитовой муки это может быть связано с небольшим перемещением коллоидов гидроксидов алюминия, стабилизированных карбонат-ионами, в колонках с сочетанием мелиорантов - и с более интенсивным подкислением слоев 20-30 и 30-40 см. По сравнению с контрольной колонкой в этих слоях рНН2О (1:0,5) понизился с 4,89-4,86 до 4,20-4,09 (3-я колонка) и 4,43-4,28 (4-я колонка) (см. табл. 3).
Размеры перемещения алюминия с фильтратом глубже 40 см составили в контрольном варианте 0,37 мг/колон-ку, при сочетании половинных доз до-
ломитовой муки и гипса 1,09, при сочетании половинной дозы доломитовой муки и 0,25 дозы гипса 1,04, при применении полной дозы гипса 0,77 мг/ колонку. Одной из причин повышения подвижности и перемещения алюминия с фильтратом является понижение рН фильтрата (табл. 6).
В случае применения половинной и полной доз доломитовой муки перемещение двухвалентных катионов глубже 40 см в пересчете на СаСО3 составило 167 и 162 кг/га (табл. 7), а в контрольном варианте - 156 кг/га. Дополнительное перемещение СаСО3 при мелиорации доломитовой мукой составляет всего 6-11 кг/га. При использовании для мелиорации почвы гипса размеры выноса двухвалентных катионов возрастали на порядок. В пересчете на гипс они варьировали от 2,1 до 3,0 т/га.
Была сделана попытка установления условий достижения равновесия в процессе взаимодействия мелио-
рантов с поглощающим комплексом иллювиального горизонта. Для этого вначале для контрольной колонки (для исходного образца иллювиального горизонта рКпочвы = 5,26) в среднем для 4-х слоев была рассчитана величина рКпочвы, характеризующая силу почвенных кислот, по формуле:
рКпочвы = рН1:0,5 + 1§(НГ/Б). (3)
Эта величина составила 5,24. Используя последнюю величину и данные НГ и Б для каждого слоя мелиорированных доломитовой мукой колонок, по формуле 3 рассчитали равновесные значения рН почвы. Получено хорошее совпадение рассчитанных значений рН почвы (табл. 8) с экспериментально установленными при соотношении почва:вода 1:0,5 (табл. 3).
Другим уравнением для условия достижения равновесных значений рН в процессе взаимодействия доломитовой муки с поглощающим комплексом кислых почв является уравнение
№ 2 (64) 2013
g^aduMipckiù Земледелий
12. Влияние мелиорантов на рН водной вытяжки (слой 0-20 см) при соотношении почва: вода 1:0,5, среднюю величину рН порций фильтрата для колоноки и степень гидролиза карбонат-ионов в колонках
Вариант РНн20 почвы Средний рН порций фильтрата рН двух последних порций фильтрата Степень гидролиза карбонат-ионов
по рНн2о почвы по рН фильтрата по рН 2-х порций фильтрата
1. Контроль 5,34 6,73 6,77 - - -
2. По 2,06 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (7,21 мг-экв/ колонку, 0,66 нормы по НГ) 6,02 7,10 7,21 83,0 57,1 55,7
3. По 4,12 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв/колонку, 1,31 нормы по НГ) 6,46 7,16 7,23 71,0 56,3 54,0
4. По 2,06 мг-экв/100 г почвы доломитовой муки и гипса в 2 слоя (по 7,21 мг-экв, по 0,66 нормы по НГ) 5,64 5,75 6,04 91,4 89,4 82,8
5. По 4,12 мг-экв гипса на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв, по 1,31 нормы по НГ) 5,06 5,17 5,04 - - -
6. По 2,06 мг-экв дол. муки и 1,06 мг-экв гипса на 100 г почвы в слоя (7,21 + 3,61 мг-экв, по 0,66 и 0,33 нормы по НГ) 6,10 6,14 6,42 81,2 80,1 74,2
13. Величина рН в порциях фильтрата
№ Порции с ильтрата Средняя по колонке
1 2 3 4 5 6
1 6,70 6,46 6,77 6,92 6,78 6,76 6,73
2 7,04 7,05 7,02 7,07 7,27 7,15 7,10
3 7,03 7,07 7,22 7,20 7,14 7,32 7,16
4 5,60 5,45 5,62 5,75 5,95 6,13 5,75
5 6,01 5,02 4,97 4,94 5,03 5,05 5,17
6 6,40 6,20 5,68 5,75 6,35 6,48 6,14
буферных растворов, образованных слабой угольной кислотой (Н2СО3) и солью этой кислоты - Са(НСО3)2. Это обусловлено тем, что в процессе взаимодействия доломитовой муки с поглощающим комплексом карбонат-ионы почвенного раствора по 1-й ступени гидролизуются полностью. Тогда рН почвы будет определяться уравнением: рН = рК + !§(С /С ), (4)
Г- Г- 1 01 соли' кислоты'' * '
где Ссоли - концентрация в растворе ионов НСО3", т.е. концентрация карбонат-ионов, которые не подверглись гидролизу по 2-й ступени, С - кон-
кислоты
центрация угольной кислоты в растворе, т.е. карбонат-ионов, подвергшихся гидролизу по 2-й ступени.
При коэффициенте использования полной дозы доломитовой муки 0,90 на снижение НГ (величине степени гидролиза карбонат-ионов 90 %) уравнения по взаимодействию мелиоранта с поглощающим комплексом будут следующими:
степень гидролиза карбонат-ионов = (100 + 80) % : 2 = 90 %; рН = рК1 + !§(0,20/0,80) =
= 6,32+ Ig0,25 = 5,72; ДрН = lg-^-L - lg— .
0,IHr
Hr
(5)
(6)
Параметр ДрН означает величину рН, на которую должно повыситься исходное значение рН жидкой фазы, т.е. рНисх + ДрН = 5,72.
Для колонок, мелиорированных смесью доломитовой муки и гипса, в слоях ее внесения наблюдается удовлетворительное совпадение рНН2О при соотношении почва:вода 1:0,5 с данными, при расчете которых используются средние величины рКпочвы, определенные для контрольной делянки и колонки с гипсом (табл. 9). Для более глубоких слоев (без мелиорантов) для расчета рН почвы использовались величины рКпочвы, определенные для колонки с гипсом.
Это свидетельствует о том, что в процессах взаимодействия гипса с поглощающим комплексом кислых почв участвуют более сильные кислотные группы, а в процессах взаимодействия с доломитовой мукой - все функцио-
нальные кислотные группы.
В третьей серии колонок использовали иллювиальный горизонт дерново-подзолистой почвы более легкого механического состава (содержание илистой фракции 13,3 %, а физической глины 22,7 %) с небольшими потенциальной (НГ = 3,14 мг-экв/100 г почвы) и актуальной кислотностями (рНКС1 4,04). Степень насыщенности основаниями около 70 % (табл. 1), рНводн при соотношении почва:вода 1:0,5 около 5,4-5,5, содержание подвижного алюминия около 2,5 мг/100 г почвы.
Применение половинной дозы доломитовой муки (0,66 НГ) обеспечило в слоях внесения снижение гидролитической кислотности с 2,8-3,5 до 1,92-2,1 мг-экв/100 г почвы, обменной - с 0,66-0,82 до 0,08-0,05 мг-экв/100 г, обменного алюминия - с 2,25-3,00 до 0,45-0,25 мг/100 г почвы, повышение суммы поглощенных оснований и степени насыщенности ими, возрастание рНН2О с 5,60-5,09 до 6,10-5,95 (табл. 10). В слое почвы 20-40 см произошел небольшой рост гидролитической кис-
14. Взаимосвязь коэффициентов использования доломитовой муки со степенью гидролиза карбонат-ионов, определяемой по средним величинам рН двух последних порций фильтрата
Коэффициент использования доломитовой муки (у, доли) Степень гидролиза карбонат-ионов, определяемая по средним величинам рН двух последних порций фильтрата (х, %)
практический теоретический
0,56 0,52 55,7
0,49 0,51 54,0
0,83 0,79 82,8
0,65 0,71 74,2
у = 0,45 + 0,010 (х - 50), п = 4, 1 = 6,12, г = 0,974, г2 = 0,949, коэффициент Фишера равен 37,5, что выше табличного 18,5.
15. Концентрация суммы кальция и магния в порциях фильтрата, м-экв/л
№ Порции с ильтрата Средняя по колонке
1 2 3 4 5 6
1 5,96 1,74 1,69 1,98 1,89 1,71 2,49
2 4,64 2,96 1,77 2,05 1,98 2,27 2,69
3 5,24 2,42 2,06 2,38 2,33 2,25 2,84
4 33,3 32,3 30,2 18,9 15,4 9,36 23,8
5 36,9 37,3 38,4 33,9 30,1 24,8 33,6
6 23,1 23,1 15,5 12,2 11,8 9,78 16,2
лотности. По сравнению с контрольной колонкой остальные параметры физико-химического состояния изменились незначительно.
Увеличение дозы доломитовой муки в 2 раза способствовало дальнейшему улучшению параметров физико-химического состояния. Оно затронуло и более глубокий слой (20-30 см), в который мелиорант не вносился. Это свидетельствует о возможности достаточно высоких доз доломитовой муки быстро улучшать физико-химические свойства почв глубже слоя ее внесения.
Сочетание половинных доз доломитовой муки и гипса, внесенных в 2 слоя, по сравнению с половинной дозой одной доломитовой муки привело к снижению НГ и обменной кислотностей, обменного алюминия в более глубоких слоях (20-30 и 30-40 см), понижению рНН2О в слое 0-20 см, но небольшому повышению последнего показателя в слое 20-40 см. Физико-химические параметры колонки с половинной дозой доломитовой муки и четвертной дозой гипса занимали промежуточное состояние между колонками с половинной дозой доломитовой муки и сочетанием половинных доз гипса и доломитовой муки. Полная доза гипса обеспечивала лишь заметное снижение величины обменной кислотности не только в слое внесения, но и в более глубоком слое 20-30 см.
При применении доломитовой муки в половинной и полной дозах
коэффициент использования мелиоранта на снижение гидролитической кислотности в слое 0-20 см составлял соответственно 0,56 и 0,36, а для всего слоя 0-40 см - 0,30 и 0,49 (табл. 11). Величина коэффициента использования половинной дозы доломитовой муки в слое 0-20 см совпадала со степенью гидролиза карбонат-ионов (55,7 %). Следовательно, в слое 0-20 см гидролиз карбонат-ионов по 1-й ступени протекает полностью, а по 2-й - на 11-12 %. Этот фильтрат передвигался вниз по колонке слабо измененным (практически не влиял на состав твердой фазы почвы), так как различия в величинах рН фильтрата контрольной и мелиорируемой колонок были невысокими (6,73 - в контрольной колонке и 7,10 - в мелиорируемой). Уменьшение коэффициента использования этой дозы мелиоранта для слоя 0-40 см обусловлено возрастанием НГ в слоях 20-30 и 30-40 см по сравнению с ее величиной в контрольной колонке.
В колонке с дозой доломитовой муки выше полной (1,31 НГ) степень гидролиза карбонат-ионов практически сохранилась прежней (уменьшилась всего на 2 %). В слое 0-20 см влияние ее на снижение НГ по сравнению с колонкой внесения дозы доломитовой муки, составляющей 0,66 НГ, возросло всего на 21 %. Очевидно, в равновесный раствор этого слоя СО32--ионов поступало значительно больше, но они передвигались в более глубокий слой (20-30 см),
снижая гидролитическую и обменную кислотности. Состав же жидкой фазы (величина рН) по сравнению с колонкой внесения «0,5 дозы» доломитовой муки изменился незначительно (см. табл. 13). Поэтому коэффициент использования этой дозы мелиоранта в слое 0-40 см достиг 0,49 (табл. 11).
Таким образом, при мелиорации почв, характеризующихся невысокими величинами НГ, известьсодержащими материалами коэффициенты использования полной и несколько более высоких доз их должны варьировать около 0,5-0,6, т.е. степень гидролиза карбонат-ионов должна составлять по 1-й ступени 100 %, по 2-й - 10-20 %. Для степени гидролиза по 2-й ступени 10 % коэффициент использования мелиоранта составит (100 + 10) : 2 = 55 %. Равновесное значение рНН2О почвы будет равно:
рНН2О = рК1 + !§ = 6,32 + 0,95 = 7,27,
где рК1 - отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 1-й ступени. Изменение рН в процессе мелиорации в слое внесения мелиоранта составит:
Очевидно, при мелиорации таких почв доза известьсодержащего материала, эквивалентная НГ и несколько более высокая, может снижать показатели кислотности и глубже мелиорируемого слоя (обычно с более высокими
№ 2 (64) 2013
¡}лаЭимгрс№й ЗемдеШецТэ
15. Концентрация суммы кальция и магния в порциях фильтрата, м-экв/л
Вариант Общее перемещение Са2+ и Mg2+ в расчете на СаСО3, кг/га 3 Дополнительное перемещение Са2+ и Mg2+ в расчете на СаСО3, кг/га Дополнительное перемещение Са2+ и Mg2+ в расчете на гипс, кг/га
1. Контроль 195 - -
2. По 2,06 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (7,21 мг-экв/колонку, 0,66 нормы по НГ) 208,5 13,5
3. По 4,12 мг-экв доломитовой муки на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв/колонку, 1,31 нормы по НГ) 222,3 27,3 -
4. По 2,06 мг-экв/100 г почвы доломитовой муки и гипса в 2 слоя (по 7,21 мг-экв, по 0,66 нормы по НГ) 1922 13,5 2950
5. По 4,12 мг-экв гипса на 100 г почвы в 2 слоя (14,42 мг-экв, по 1,31 нормы по НГ) 2557 - 4060
6. По 2,06 мг-экв дол. муки и 1,06 мг-экв гипса на 100 г почвы в слоя (7,21 + 3,61 мг-экв, по 0,66 и 0,33 нормы по НГ) 1231 13,5 1760
17. Размеры выноса двухвалентных ионов кальция и магния глубже 40 см в пересчете на СаСО3 и гипс в зависимости от гранулометрического состава мелиорируемого иллювиального горизонта
Содержание (%) Вынос СаСО3, кг/га Вынос гипса, т/га
ила <0,01 мм контроль У Н доломитовой муки (д.м.) 1 Н д.м. У Н д.м. + У Н гипса У Н д.м. +У Н гипса 1 Н гипса
25,4 38,4 72 69 58 - 2,58 3,54
18,9 31,3 156 167 162 2,07 2,90 2,80
13,3 22,7 195 208 222 1,76 2,95 4,06
21,6 30,3 - 116 117 - 1,67/1,75* 2,55
Примечание. * - У Н гипса + 1 Н д.м.
параметрами кислотности по сравнению с верхним слоем), увеличивая мощность корнеобитаемого слоя почвы.
Применение « полной нормы гипса» обеспечило небольшое снижение НГ в слое 0-20 см, заметно более высокое - обменной кислотности. Произошло возрастание НГ в слое 20-40 см. В силу этих причин коэффициент использования гипса в слое 0-20 см составил 0,07, а в слое 0-40 см произошло некоторое увеличение гидролитической кислотности (на 8,3 %). Понижение рНводн по сравнению с контролем способствовало некоторому повышению подвижности алюминия.
При совместном применении «половинных доз доломитовой муки и гипса» по сравнению с вариантом использования той же дозы доломитовой муки выявлено снижение НГ в слое 20-40 см преимущественно за счет
вытеснения из него обменного водорода более сильных кислотных групп, что снижало величину рН , слабое
' 1 водн'
влияние на содержание подвижного алюминия. Понижение рН почвы в слоях 20-30 и 30-40 см привело к росту степени гидролиза по 2-й ступени, что способствовало возрастанию коэффициента использования доломитовой муки. В слое 0-20 см он составил 0,64, а в слое 0-40 см увеличился до 0,83. Уменьшение дозы гипса в 2 раза (6-я колонка) снизило мелиоративный эффект в слое 20-40 см в отношении уменьшения как НГ, так и обменной кислотностей. Коэффициент использования доломитовой муки для 0-20 и 0-40 сантиметровых слоев колебался от 0,62 до 0,65.
Расчет степени гидролиза карбонат-ионов (табл. 12) можно выполнить исходя из величин рНН2О (при соотношении почва:вода 1:0,5) в слое внесения
мелиоранта (табл. 10), средних величин рН фильтрата (табл. 13) и величин рН 2-х последних порций фильтрата. Наиболее низкие значения рН, но наиболее высокие расчетные величины степени гидролиза карбонат-ионов наблюдаются при использовании данных рНН2О почвы. Очевидно, в этом случае при внесении небольших доз доломитовой муки в процессе инфильтрации воды после полного растворения мелиоранта почва поглощает ионы водорода слабой угольной кислоты, образующейся при поглощении водой СО2 из воздуха. При использовании смеси гипса и доломитовой муки рН жидкой фазы почвы заметно снижается (до 6,04 и 6,42 против 7,2), и влияние СО2 на сдвиг рНН2О почвы уменьшается.
Между коэффициентами использования доломитовой муки и степенью гидролиза карбонат-ионов, рассчитываемой по средним величинам рН 2-х
последних порций фильтрата, получена достоверная линейная взаимосвязь (табл. 14).
Размеры перемещения СаСО3 и гипса глубже 40 см после взаимодействия мелиорантов с иллювиальным горизонтом более легкого механического состава были наиболее высокими (табл. 7, 16). Дополнительное же перемещение двухвалентных ионов кальция и магния в пересчете на СаСО3 по сравнению с немелиорируемой почвой было невысоким и составляло в условиях опыта 13,5-27,3 кг/га. Опасности высокого выноса карбоната кальция при химической мелиорации известьсодержащими мелиорантами в дозах, эквивалентных двойной дозе НГ и ниже, не наблюдается.
Были обобщены результаты выноса двухвалентных катионов кальция и магния в пересчете на карбонат кальция и гипс глубже 40 см по всем колонкам (табл. 17).
Взаимосвязь выноса двухвалентных катионов кальция и магния в пересчете на СаСО3 (у, кг/га) глубже 40 см с содержанием илистой фракции (хил, %) описывалась следующим уравнением линейной регрессии:
у = 372 - 11,8 хил, п = 11, г = 0,981, г2 = 0,962, доверительный интервал = 23,7 кг/га СаСО3.
Достоверная, но менее тесная взаимосвязь наблюдалась между выносом СаСО3 глубже 40 см (у, кг/га) и содержанием глины (хгл, %) в образцах:
У = 282 - 0,145 х2гл, п = 11, г = 0.937, г2 = 0,878, доверительный интервал равен 42 кг/га СаСО3.
Результаты этих исследований совпадают с данными Т.Е. Филипповой[2] о более интенсивном перемещении глубже 40 см кальция и магния на дерново-подзолистой супесчаной почве по сравнению с дерново-подзолистыми почвами тяжелого механического состава. В варианте сочетания повышенной дозы удобрений с известкованием по 3,0 НГ в среднем за 1 год суммарный вынос кальция глубже 40 см достигал максимальной величины 160 кг/га (в пересчете на СаСО3 400 кг/га).
Как следует из данных табл. 17, вынос гипса из слоя почвы 0-40 см увеличивается как с ростом его доз внесения, так и с облегчением механического состава.
По А.В. Лебедеву (цит. по [3]), годовые нормы инфильтрационного питания грунтовых вод за счет осадков в подзонах средней и южной тайги варьируют от 50 до 75 мм (в среднем око-
ло 60 мм). В этих условиях выпадение осадков изменяется от 550 до 650 мм и выше. Следовательно, процент инфильтрационного питания грунтовых вод за счет осадков составляет около 10-12 %.
В наших опытах в колонках глубже 40 см проходило от 11 до 25 % годовых осадков. Следовательно, определенные выше размеры перемещения двухвалентных катионов глубже 40 см не должны превышать реальных ежегодных размеров их передвижения.
Выводы
Определены параметры равновесных значений рН жидкой фазы кислых почв при взаимодействии их с известковыми материалами при высоких и низких величинах гидролитической кислотности.
При высоких величинах НГ почв взаимодействие известковых материалов с их поглощающим комплексом вносимых в эквивалентных НГ дозах, происходит за счет гидролиза карбонат-ионов по обеим ступеням, степень гидролиза достигает 90-95 %. Гидролиз по 1-й ступени протекает полностью, а по 2-й - на 80-90 %. Мелиорант практически полностью расходуется на снижение НГ в слое внесения. Для снижения кислотности более глубоких слоев почвы дозы указанных материалов необходимо увеличивать пропорционально их кислотности (НГ) и планируемой мощности.
При низких величинах НГ (3-5 мг-экв/100 г почвы) при взаимодействии полной дозы известкового материала с поглощающим комплексом гидролиз карбонат-ионов в слое внесения в основном протекает по 1-й ступени с образованием бикарбоната кальция и ионов ОН-. Последние снижают НГ в слое внесения мелиоранта, а передвигающиеся вниз бикарбонат кальция и часть СО32--ионов - в более глубоком слое. Действие полной дозы мелиоранта наблюдается глубже слоя его внесения, что обеспечивает формирование более мощного слоя с благоприятными
V.V. Okorkov, L.A. Okorkova. SOME QUESTIONS OF MELIORATION OF ACIDIC SOILS. Experimentally the mechanism of interaction liming materials and their mixtures with gypsum with absorbing complex acidic soils was established as a function of their acidity. It was determined that the differences in infiltration removal of divalent cations greater than 40 cm in the soil reclamation different improver depend on the mechanical composition of soil.
Keywords: the illuvial horizons of sod-podzolic soils, hydrolytic and exchange acidities, exchange aluminium, pH, dolomite powder, gypsum, the degree of hydrolysis of CO 2-.
физико-химическими свойствами.
Применение гипса совместно с известковыми материалами ведет к более интенсивному снижению рН жидкой фазы почвы (против только известкового материала) за счет вытеснения ионами кальция более высокой концентрации ионов водорода более сильных кислотных групп, преимущественно глубже слоя внесения мелиорантов. Это увеличивает степень гидролиза карбонат-ионов (в основном НСО3--ионов) в более глубоком слое.
При мелиорации кислых почв известковыми материалами вынос двухвалентных катионов кальция и магния в пересчете на СаСО3 глубже 40 см уменьшается с утяжелением их механического состава. Определяющее влияние на его размеры оказывает содержание илистой фракции. С уменьшением их содержания в почве от 25,4 до 13,3 % вынос двухвалентных катионов в пересчете на СаСО3 из указанного слоя увеличивается с 60 до 220 кг/га.
Наиболее интенсивно в глубокие слои перемещаются двухвалентные катионы кальция и магния при мелиорации гипсом и его смесями с карбонатом кальция. В пересчете на гипс размеры перемещения их варьировали от 1,7 до 4,0 т/га. Они возрастали на почвах более легкого механического состава и с ростом доз внесения гипса.
Литература
1. Окорков В.В., Окоркова Л.А. О взаимодействии извести и гипса с ППК кислых почв//Владимирский земледелец, 2012, № 1 (59). - С. 2-6.
2. Филиппова Т.Е. Трансформация кальция в почвах болотно-подзоли-стого типа при их комплексной мели-орации//Вопросы известкования почв. Под ред. И.А. Шильникова, Н.И. Акано-вой. М.:Агроконсалт, 2002. - С. 208-214.
3. Кац Д.М. Основы геологии и гидрогеология. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1981. - 351 с.
