Assessment of relevant and exchange acidity of cespitose-podsolic sandy loamy soil when the Hotynetsky field zeolite is used

Full Text

Введение

Динамика растворимости и связывания различных ионов между почвенным раствором и почвенно-поглощающим комплексом (ППК) является ключевым набором процессов, определяющих окислительно-восстановительное состояние почвы и, как следствие, жизнеобеспеченность почвообитающих организмов, в том числе их микроскопических форм, а также высших растений. Поэтому кислотно-основное равновесие в профиле почвенного тела является генеральным аспектом, востребованным в изучении при влиянии на него различных агромероприятий.

В настоящее время [1] особую актуальность приобрело изучение поведения природных кремнийсодержащих материалов в почвах различных климатических зон, которые зачастую представляют собой сыромолотые породы различного происхождения и свойств, применяемые в земледелии в качестве нетрадиционных удобрений и мелиорантов. Данные вещества способствуют оптимизации показателей эффективного плодородия почв [2–8] и, как следствие, повышению продуктивности посевов [9–13], повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням и вредителям [14; 15], а также существенной трансформации почвенно-биотического комплекса [16; 17]. Подобная комплексность воздействия природных высококремнистых материалов на систему «почва–растение» определяет еще больший интерес к изучению их взаимодействия с почвообитающей микробиотой и с ППК, являющимися главными звеньями формирования почвенного тела.

Целью данной работы явилась оценка изменения актуальной и обменной кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Нижегородской области в зависимости от дозы цеолита Хотынецкого месторождения.

Объекты исследования

Объектами исследования явились цеолит Хотынецкого месторождения (Орловская область) и дерново-подзолистая легкосуглинистая почва в условиях Нижегородской области.

Цеолиты представляют собой набор алюмосиликатных минералов различной степени гидратированности, которые в зависимости от доминирующего минерала в составе подразделяются на клиноптилолитовый, морденитовый, филлипситовый и шабазитовый типы цеолитовых пород. Все они обладают комплексом свойств, ионная обменность и каталитическая способность из которых являются наиболее значимыми с точки зрения агрономического почвоведения. Некоторые свойства Хотынецкой цеолитовой породы отражены в таблице 1 в виде химического состава [18].

 

Таблица 1 – Обобщенный химический состав Цеолита Хотынецкого месторождения

Порода	ИЕ*	Элемент в оксидной форме (на абс.-сух. вещество)
		SiO₂	P₂O₅	K₂O	CaO	MgO
Цеолит	48
– валовая форма, %		56,6	0,23	1,82	13,3	1,90
– подвижная форма, мг/кг		7950	260	250	4800	1600

Примечание. * – ионообменная емкость, мг-экв./100 г.

 

Почва поля – дерново-подзолистая среднедерновая неглубокооподзоленная неоглеенная легкосуглинистая [19], обладающая среднекислой реакцией (рН_KCl 4,8 ед. рН), низким содержанием гумуса (1,21%), средним содержанием подвижных соединений фосфора и калия (соответственно 86 и 110 мг/кг по Кирсанову), а также средним уровнем дефицита в балансе – актуального и потенциального кремния (соответственно 16 и 213 мг/кг по Матыченкову).

Материалы и методика исследований

Эксперимент представлял собой микрополевой опыт, заложенный в 2014 году в условиях картофелеводческого хозяйства ООО «Элитхоз» в Борском районе Нижегородской области. Схема опыта включала вариант естественного плодородия почвы (Контроль), а также варианты с внесением в почву высоких доз цеолита – из расчета 3 т/га (Цеолит-1), 6 т/га (Цеолит-2) и 12 т/га (Цеолит-3). Породы вносили однократно в летний период 2014 года при разбивке участка на делянки. В годы испытаний выращивалась озимая пшеница сорта Московская 39 (2015 г.), ячмень сорта Велес (2016 г.) и горох посевной сорта Чишминский 95 (2017 г.). Агротехника выращивания культур – общепринятая для микрополевых экспериментов, все работы проводились вручную. Учетная площадь делянки – 1 м², расположение делянок рендомизированное, повторность в опытах – четырехкратная.

Образцы почвы отбирали в дни уборки урожая культур: точечные – методом конверта из пяти точек с делянки, соединяя их в один объединенный образец. Далее почвенные образцы высушивали, подготавливали к анализу путем отбора посторонних включений, размола и просеивания через сито с диаметром ячеек в 1 мм. Затем в образцах определяли актуальную и обменную кислотность в виде измерения рН водной и солевой вытяжек (дистиллированная вода и 0,1 Н раствор KCl соответственно) по ГОСТ 26483–85 [20] на рН-метре-милливольтметре МАРК-903.

Математическую обработку полученных данных проводили методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову [21] с использованием программного пакета Microsoft Office Excel.

Результаты исследований и их обсуждение

Под кислотностью почвы понимается ее способность проявлять кислотные свойства в отношении воды почвенного раствора, минеральной и органической частей почвы и обитающих в ней организмов [22]. Кислую реакцию почве придает наличие ионов водорода (Н⁺) в почвенном растворе, а также обменных ионов водорода (Н⁺), алюминия (Al³⁺), железа (Fe²⁺, Fe³⁺) и марганца (Mn²⁺) в почвенном поглощающем комплексе при неполной их нейтрализации гидроксид-анионами (ОН‾), а также катионами кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) и натрия (Na⁺).

Актуальная (активная) кислотность почвы – это кислотность почвенного раствора, то есть непосредственно жидкой фазы почвы (свободной воды). Она обусловлена, главным образом, наличием в растворе почвы свободных органических и минеральных кислот (щавелевая, лимонная и угольная кислоты, фульвокислоты, а также гидролитически кислые соли). Несмотря на высокую динамичность показателя, зависимую от множества факторов, актуальная кислотность показывает кислотное состояние свободной жидкости в почвенной массе, что значимо для оценки первичного кислотно-основного состояния почвы.

Данные таблицы 2 отражают состояние актуальной кислотности дерново-подзолистой почвы в зависимости от дозы цеолитовой породы.

В результате проведенных исследований было установлено значительное нейтрализующее влияние цеолита на актуальное кислотное состояние почвы. Так, уже при минимальной дозе в 3 т/га показатель рН_ВОД. повышался на 11% по отношению к контролю с сохранением аналогичной закономерности на 2-й и 3-й годы исследования (на 12% и 13% соответственно).

 

Таблица 2 – Динамика актуальной кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в горизонте А_ПАХ в зависимости от дозы цеолитовой породы

Вариант	2015 год		2016 год		2017 год		В среднем за 3 года
	рНВОД., ед. рН	± к контр.	рНВОД., ед. рН	± к контр.	рНВОД., ед. рН	± к контр.	рНВОД., ед. рН	± к контр.
Контроль	5,88	–	5,96	–	5,92	–	5,92	–
Цеолит-1	6,54	0,66	6,66	0,70	6,71	0,79	6,64	0,72
Цеолит-2	6,97	1,09	7,03	1,07	7,09	1,17	7,03	1,11
Цеолит-3	6,93	1,05	6,99	1,03	7,04	1,12	6,99	1,07
НСР₀₅		0,31		0,34		0,15		–

 

Максимальное снижение актуальной кислотности почвы прослеживалось на варианте со 2-й дозой цеолитовой породы – на 19%, 18% и 20% относительно контроля по годам исследования. Однако на варианте с наибольшей дозой степень данного влияния оставалась на уровне варианте с внесением в почву 6 т/га материала. В среднем за 3 года проведенного эксперимента прослеживалась аналогичная закономерность.

Нужно отметить сохранение тенденции положительного влияния цеолита на нейтрализацию кислотных катионов в жидкой фазе почвы в течение всех лет проведения эксперимента.

Обменная кислотность почвы обусловлена катионами водорода (Н⁺), алюминия (Al³⁺) и железа (Fe²⁺, Fe³⁺), входящими в диффузный слой коллоидных мицелл ППК почвы, которые, в свою очередь, определяют реальный кислотно-основной обмен при взаимодействии твердой фазы почвы с почвенным раствором. В богатых перегноем и гумусом горизонтах она обусловлена преимущественно катионами Н⁺, в малогумусных минеральных – катионами Al³⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺.

В таблице 3 показано изменение показателя обменной кислотности дерново-подзолистой почвы при ее взаимодействии с цеолитом Хотынецкого месторождения.

 

Таблица 3 – Динамика обменной кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в горизонте А_ПАХ в зависимости от дозы цеолитовой породы

Вариант	2015 год		2016 год		2017 год		В среднем за 3 года
	рНСОЛ., ед. рН	± к контр.	рНСОЛ., ед. рН	± к контр.	рНСОЛ., ед. рН	± к контр.	рНСОЛ., ед. рН	± к контр.
Контроль	4,81	–	4,90	–	4,86	–	4,86	–
Цеолит-1	5,04	0,23	5,17	0,27	5,27	0,41	5,16	0,30
Цеолит-2	5,21	0,40	5,31	0,41	5,49	0,63	5,34	0,48
Цеолит-3	5,16	0,35	5,28	0,38	5,36	0,50	5,27	0,41
НСР₀₅		0,35		0,09		0,27		–

 

Прежде всего, нужно отметить, что степень изменения рассматриваемого показателя оказалась более сдержанной по сравнению с его аналогом, определенным из водной вытяжки. Это говорит о наличии процессов обмена между жидкой фазой почвы и ее коллоидной системой, на которые также оказал свое действие цеолит во всех изучаемых дозах. Например, если при минимальной дозе породы (3 т/га) в течение трех лет исследования отмечалась только позитивная тенденция в снижении показателя рН_СОЛ., то уже при повышении дозы в 2 раза (6 т/га) была отмечена закономерность снижения обменной кислотности почвы – от 8% (2015–2016 гг.) до 13% (2017 г.). Вариант с наибольшей дозой материала не оказал еще большего влияния на показатель по сравнению с предыдущим вариантом со средней дозой, что также было зафиксировано в среднем по трем годам исследования: максимальный эффект нейтрализации кислотных катионов цеолит оказал на варианте с внесением в почву 6 т/га породы.

Поскольку показатели актуальной и обменной кислотности отражают степень перехода кислотообразующих катионов в почвенный раствор, а их разница показывает интенсивность обмена между ППК и свободной водой в почве, оценка изменения ионной обменности системы «почва–раствор» позволяет судить о наличии прямого влияния изучаемой породы на кислотно-основное равновесие в почвенной массе (табл. 4).

 

Таблица 4 – Динамика показателя ионной обменности системы «почва–раствор» дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в горизонте А_ПАХ в зависимости от дозы цеолитовой породы

Вариант	2015 год		2016 год		2017 год		В среднем за 3 года
	Δ рН, ед. рН	± к контр.	Δ рН, ед. рН	± к контр.	Δ рН, ед. рН	± к контр.	Δ рН, ед. рН	± к контр.
Контроль	1,07	–	1,06	–	1,06	–	1,06	–
Цеолит-1	1,50	0,43	1,49	0,43	1,44	0,38	1,48	0,42
Цеолит-2	1,77	0,70	1,72	0,66	1,61	0,55	1,70	0,64
Цеолит-3	1,77	0,70	1,71	0,65	1,68	0,62	1,72	0,66
НСР₀₅		0,36		0,29		0,34		–

 

Выявлено, что внесение цеолита в почву способствовало сдвигу кислотно-основной системы почвенного раствора в щелочную сторону диапазона рН с наибольшим эффектом действия каждой из рассматриваемых доз в 1-й год испытаний. Нужно также отметить, что помимо как такового наличия эффекта изменения ионной обменности системы «почва–раствор» от внесения цеолита в эксперименте установлено положительное влияние его первых двух доз на рассматриваемый показатель.

Подобные закономерности, очевидно, обусловлены высоким содержанием в породе кальция (до 13,3%) и магния (до 1,9%) и, в особенности, их подвижных соединений (соответственно 4800 и 1600 мг/кг). Как известно [23], ионы данных элементов в первую очередь способствуют снижению кислотности почвы, поскольку как напрямую нейтрализуют высвобождаемые из ППК кислотные катионы в жидкой фазе почвы, так и замещают их в самих коллоидах, тем самым подщелачивая состав почвенных мицеллярных структур.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено положительное действие цеолита Хотынецкого месторождения на показатели кислотно-основного режима дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Нижегородской области. Применение 6 т/га цеолитовой породы в наибольшей степени способствовало уменьшению актуальной кислотности почвы на 20%, обменной кислотности – на 13%, а также на 60% повышению ионной обменности системы «почва–раствор» с сохранением силы своего действия в течение трех лет исследования. Таким образом, положительный эффект в отношении нейтрализации избыточной кислотности дерново-подзолистой почвы позволяет расценивать применение цеолита в качестве химического мелиоративного приема.

About the authors

Alevtina Hristoforovna Kulikova

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: agroec@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, head of Soil Science, Agrochemistry and Agroecology Department

Russian Federation, Ulyanovsk

Andrey Vladimirovich Kozlov

Minin Nizhny Novgorod State Pedagogical University

Email: a_v_kozlov@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecological Education and Rational Environmental Management Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Irina Pavlovna Uromova

Minin Nizhny Novgorod State Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: uromova2012@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, professor of Biology, Chemistry and Biological and Chemical Education Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files