Оценка изменения актуальной и обменной кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы при применении цеолита Хотынецкого месторождения

Полный текст

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.

Об авторах

Алевтина Христофоровна Куликова

Ульяновский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина

Email: agroec@yandex.ru

доктор сельскохозяйственных наук, заведующий кафедрой почвоведения, агрохимии и агроэкологии

Россия, Ульяновск

Андрей Владимирович Козлов

Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина

Email: a_v_kozlov@mail.ru

кандидат биологических наук, доцент кафедры экологического образования и рационального природопользования

Россия, Нижний Новгород

Ирина Павловна Уромова

Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина

Автор, ответственный за переписку.
Email: uromova2012@yandex.ru

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры биологии, химии и биолого-химического образования

Россия, Нижний Новгород

Список литературы

Дополнительные файлы