CC BY
68
ВЛИЯНИЕ ИОННОГО СОСТАВА ППК НА СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ РАЗЛИЧНЫХ ПО ГЕНЕЗИСУ ПОЧВ
Т.В. Шнее1, С.Э. Старых1, Т.А. Фёдорова2
кафедра физической и органической химии РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева ул. Тимирязевская, 49, Москва, Россия, 127550
2Кафедра ландшафтной архитектуры и дизайна Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8/2, Москва, Россия, 117198
Плодородие почвы зависит в той или иной мере от величины, характера и состава ППК, что в конечном итоге определяет величину получаемого урожая. От состава находящихся в ППК обменных ионов зависят физические, физико-химические свойства почвы, взаимосвязь между почвой и растением, производительность почвы.
Ключевые слова: почвенный поглощающий комплекс, электрокинетический потенциал (^-потенциал), почвенный коллоид, коагулирующая сила, обменный ион, емкость поглощения.
Большая роль в поглотительной способности почв отводится почвенным коллоидам. В зависимости от их состояния во многом определяется само плодородие почвы. Важнейшие свойства почвы — водопроницаемость, влагоемкость, набухаемость, структура, рН почвенного раствора и другие — определяются соотношением между адсорбируемыми ППК ионами [1]. Благодаря разнообразию природных условий и особенностям почвообразовательного процесса состав обменных катионов различных почвенных типов неодинаков.
Настоящая работа посвящена изучению величины электрокинетического потенциала (дзета-потенциала) [2] различных по генезису почв как фактора, отражающего влияние состава ионов почвенного раствора на состояние почвенных коллоидов.
Объектами данного исследования были:
1) дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая почва учебного хозяйства «Михайловский», Московская область (опыт И.С. Шатилова — (контроль)) [3];
2) почвы каштановой зоны опытной сельскохозяйственной станции Волгоградской области — светло-каштановая почва, светло-каштановая слабо-солонцеватая почва и солонец автоморфный каштановый.
Некоторые свойства этих почв представлены в табл. 1.
Дерново-подзолистая почва характеризуется низкими значениями рН — 3,70—4,65, вниз по профилю его величина несколько увеличивается, но остается сильно кислой.
Таблица 1
Некоторые коллоидно-химические свойства исследуемых почв
Почва Горизонт, глубина, см рН (водный) Емкость катионно-го обмена (мг-кв/100 г) Na, % от ЕКО 4 ® 104, См/м ^-потен-циал, (-) мВ Т 1010, 2 , см сек / г* R 105 См**
Дерново-подзолистая среднесугли-нистая Апах 0—28 А2/В 28—34 В1 34—57 В2 57—90 С 90 — 3,70 ± 0,10 4,13 ± 0,12 4,65 ± 0,11 4,25 ± 0,12 3,34 ± 0,11 14,40 10,90 12,00 13,90 13,40 нет 1,8 2,1 2,1 1,9 1,7 12,25 ± 0,58 14,15 ± 0,60 14,97 ± 0,61 15,00 ± 0,55 13,67 ± 0,56 1,17 1,10 0,91 0,88 1,13 2,65 0,99 1,20 1,32 1,31
Светло-каштановая Апах 0—32 В1 33—42 В/С55—65 7,28 ± 0,12 7,36 ± 0,11 8,65 ± 0,12 37.0 25,2 24.1 нет 0,8 1,12 2,7 3,6 3,9 8,40 ± 0,75 17,33 ± 0,83 16,25 ± 0,77 22,61 6,25 3,56 6,21 2,30 2,01
Светло-каштановая слабо солонцеватая лег-ко-сугли-нистая Апах 0—25 В1 26—41 В/С52—62 7,38 ± 0,11 7,78 ± 0,11 8,65 ± 0,10 28,7 34,1 31,9 5,2 6,1 4,9 2,9 3,9 4,4 18,26 ± 0,85 23,93 ± 0,75 18,45 ± 0,70 19,64 2,15 2,90 6,12 1,25 1,94
Солонец ав-томорфный каштановый, сред- ненатриевый А1 0—10 В1 10—27 В/С 62— 8,06 ± 0,06 8,34 ± 0,08 8,72 ± 0,08 47.2 54,1 42.3 22,1 30,7 31,1 3,7 4,9 3,9 38,74 ± 1,25 47,81 ± 1,30 46,54 ± 1,15 1,82 0,95 0,81 1,45 0,82 0,76
* — Т — коэффициент фильтрации; ** — средний радиус пор.
Содержание водородных ионов колеблется в пределах 10-4—10-5 моль/л. Емкость катионного обмена исследуемых почв невелика, вниз по профилю она практически не изменяется. Содержание гумуса в верхнем горизонте составляет 2,14%, вниз по профилю резко уменьшается — 0,65—0,21%. Минералогический состав дерново-подзолистой почвы по результатам термического анализа представлен большим количеством кварца и полевого шпата. Глинистые минералы выражены слабо, представлены вермикулитом и А1-монтмориллонитом. Это сказывается на содержании коллоидной фракции данных почв, где ППК практически не содержит хорошо набухающих минералов, органические коллоиды, вследствие высокого содержания в почвенном растворе ионов водорода, слабо диссоциируют на ионы, то есть в данных почвах не создается условий для создания повышенного заряда ППК.
В дерново-подзолистых почвах обменными ионами являются ионы водорода и алюминия. По своему коагулирующему действию эти ионы обладают наибольшей коагулирующей силой, то есть они более других ионов способны снижать заряд почвенных коллоидов, что и подтверждается нашими исследованиями. О величине заряда ППК можно судить по величине электрокинетического потенциала почвенной суспензии. Величины дзета-потенциала невелики и практически одного порядка — 12—14 мВ. Удельная электрическая проводимость, по которой можно судить о концентрации почвенного раствора, низкая и практически одинаковая по всему профилю дерново-подзолистой почвы — 1,8—2,110-4 см/м.
Величина дзета-потенциала и самого ППК невысока вследствие высокого содержания ионов водорода в почвенном растворе. Ионы водорода в составе ППК дерново-подзолистой почвы занимают места, которые могли бы в иных условиях занимать ионы кальция или магния, обеспечивая почве лучшие физико-химические свойства. Двухвалентные ионы кальция и магния по своим коагулирующим свойствам уступают катиону водорода, и при их незначительном количестве, на что указывает емкость поглощения, не оказывают большого влияния на заряд почвенных коллоидов и всего ППК в целом. Таким образом, дерново-подзолистые почвы, вследствие невысокого заряда ППК, не способны адсорбировать и удерживать ионы из почвенного раствора, тем самым создавая условия для невысоких в агрономическом отношении свойств.
По результатам термического анализа в зоне каштановых почв преобладают хорошо набухающие смешанно-слойные минералы группы монтмориллонита, причем в засоленных почвах их содержание возрастает, особенно в горизонте В1. Минералы группы монтмориллонита представлены магнезиальной разностью — сапонитами.
Светло-каштановая почва — зональная почва Волгоградской области, наиболее плодородная. рН верхних горизонтов — нейтральный, вниз по профилю увеличивается и в горизонте В/С становится щелочным. Емкость катионного обмена выше по сравнению с дерново-подзолистой почвой в 2—3 раза. Также выше и значения удельной электрической проводимости, что указывает на повышение концентрации почвенного раствора.
В составе обменных катионов появляются ионы натрия. В верхнем горизонте его практически нет, а горизонте В1 его содержание составляет 0,8% от ЕКО, в горизонте В/С — 1,12%.
Дзета-потенциал светло-каштановой почвы находится в пределах его критических значений (18—23 мВ): для верхнего пахотного горизонта он даже ниже, чем в дерново-подзолистой почве, и составляет 8,40 мВ. Это можно объяснить более высокой концентрацией почвенного раствора, содержанием и состоянием органических коллоидов и нейтральной реакции среды, где органическое вещество представлено в виде ионов.
В горизонте В1 величина электрокинетического потенциала достигает 17,33 мВ, вниз по профилю его величина увеличивается, как и рН, так и удельная электрическая проводимость.
Светло-каштановая почва обладает хорошими фильтрационными свойствами. При таких значениях дзета-потенциала коллоиды почвы коагулируют, объединяясь в крупные агрегаты, тем самым создавая хорошую почвенную структуру. Об этом свидетельствуют достаточно высокие значения коэффициента фильтрации и среднего радиуса пор.
Зона каштановых почв находится в регионе, где создаются условия для солонцового процесса — повышенная минерализация грунтовых вод, при значительном содержании солей натрия, выпатной режим и так далее.
Нами исследовалось два типа засоленных почв — светло-каштановая слабо солонцеватая легко-суглинистая и солонец автоморфный каштановый.
Светло-каштановая слабо солонцеватая почва по своим свойствам мало отличается от зональной почвы: рН водной вытяжки верхнего горизонта практически нейтральный вниз по профилю несколько увеличивается. Сумма обменных катионов несколько выше, причем содержание ионов магния практически в 2 раза выше, чем кальция. В составе обменных катионов появляется значительное содержание ионов натрия — 6,1% от ЕКО. Несколько повышается значение удельной электрической проводимости, но она остается в тех же пределах, что и в зональной почве.
Катионный состав почвенного раствора несколько изменяется — кроме двухвалентных катионов кальция и магния появляется одновалентный катион натрия, который обладает меньшей коагулирующей способностью.
Входя в состав обменных ионов почвенного поглощающего комплекса, он менее других обменных ионов понижает величину дзета-потенциала почвенных частиц. Это отражается на свойствах исследуемой почвы. Величина дзета-потенциала повышается, особенно в горизонте Вь где она составляет 23,93 мВ, что находится в переходном пределе коагулированных и устойчивых золей почвенных коллоидов.
В верхнем пахотном горизонте коэффициент фильтрации и средний радиус пор остаются практически такими же как и в зональной почве. Значение дзета-потенциала этого горизонта еще не превышает критической величины. В горизонте В1, при несколько повышенном значении заряда, коллоиды почвы начинают переходить в более устойчивое состояние, что приводит к разрушению почвенных агрегатов и увеличению степени дисперсности. Это сопровождается уменьшением среднего радиуса пор и ухудшением фильтрационных свойств. Так, средний радиус пор в горизонте Вх уменьшается практически в 2 раза по сравнению со светло-каштановой почвой. Вследствие этого ухудшаются и фильтрационные свойства почвы — коэффициент фильтрации уменьшается почти в три раза. Такая же зависимость наблюдается и для нижних горизонтов светло-каштановой легко солонцеватой почвы.
Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод, что состояние почвенных коллоидов существенно влияет на физико-химические свойства почвы. Наиболее заметны эти изменения в солонцовых почвах. рН равновесных растворов солонцов примерно на единицу выше, чем соответствующих горизонтов зональной светло-каштановой почвы. Почти в 2 раза по сравнению с зональной почвой увеличивается емкость катионного обмена и в иллювиальном горизонте составляет 54,1 мг-экв/100 г почвы. В исследуемом солонце отмечается высокое содержание ионов натрия — 22,1—31,1% от ЕКО, поэтому данные почвы можно отнести к многонатриевым. Значение удельной электрической проводимости также увеличивается по сравнению с зональной почвой.
Как известно, увеличение концентрации интермицелярной жидкости приводит к уменьшению дзета-потенциала. Кроме самой концентрации на величину дзета-потенциала оказывает значение состав ионов, входящих в почвенный раствор.
Увеличение щелочности в солонцовой почве обусловлено высоким содержанием содовых солей натрия. Высокое содержание карбонат и бикарбонат-ионов
в почвенном растворе уменьшает содержание ионов кальция и магния (так как карбонаты кальция и магния мало растворимы в воде) и увеличивает долю натрия в составе ППК. Карбонат-ионы адсорбируются твердой поверхностью СаСО3 (в нашем случае М^СО3, как преобладающий ион в составе ППК) в качестве по-тенциалопределяющих, создают повышенный термодинамический потенциал почвенных частиц. В щелочной среде повышается диссоциация кислотных групп органического вещества, приводящее к повышению ионизации.
Все это приводит к повышению плотности заряда поверхности коллоидных частиц солонца, то есть термодинамического потенциала, а повышенное содержание ионов натрия, имеющих наименьшую коагулирующую силу, приводит к повышению дзета-потенциала.
Величина дзета-потенциала солонцовых почв увеличивается по сравнению с зональной светло-каштановой почвой практически в 2,5—3 раза.
При такой значительной величине дзета-потенциала почвенные коллоиды вследствие электростатического отталкивания находятся в устойчивом состоянии, обладая при этом высокой степенью дисперсности.
С величиной дзета-потенциала связаны также и фильтрационные свойства. При высоком значении электрокинетического потенциала почвенные коллоиды не объединены в агрегаты, создают плотную гомогенную массу, обусловливая малые размеры пор, а отсюда и низкую фильтрационную способность.
При низком значении среднего радиуса пор фильтрационная способность почвы резко понижается, что и видно по результатам исследования. Коэффициент фильтрации солонцов составляет 1,821 О-10 см2 сек/г для верхнего горизонта и 0,95, 0,81 для иллювиального горизонта и горизонта В/С. В связи с этим солонцы обладают самым низким плодородием из изучаемых нами почв.
Таким образом, состав и состояние почвенных коллоидов существенно влияют на свойства почвы. Для дерново-подзолистой почвы, где содержится незначительное количество коллоидной фракции и коллоиды находятся в неустойчивом состоянии, а благодаря присутствию ионов водорода и алюминия в почвенном растворе имеют невысокий дзета-потенциал, отмечается незначительная емкость поглощения и слабые адсорбционные способности ППК.
С увеличением количества коллоидной фракции и увеличением заряда почвенных частиц до критической величины в 18—23 мВ улучшаются физико-химические свойства почвы, увеличивается емкость поглощения, способность к адсорбции ППК почвы, улучшаются ее фильтрационные свойства. С дальнейшем увеличением заряда частиц почвенных коллоидов свойства почвы ухудшаются. Даже при одинаковых значениях таких параметров, как количество органического вещества и содержание кальция почвенного раствора, данная почва переходит в разряд малопродуктивных.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Гедройц К.К. Избр. соч. — Т. 1—3. — М.: Госизд. с.-х. лит., 1955.
[2] Шнее Т.В. Изучение коллоидно-химической природы солонцов и их химическая мелиорация: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. — М., 2002.
[3] Энергомассообмен в звене полевого севооборота / МСХА. Почв. ин-т им. В.В. Докучаева; А.Г. Замараев, Ю.А. Духанин, Г.В. Чаповская, В.И. Савич, И.С. Шатилов и др. — М.: Аг-роконсалт, 2004. — Ч. 1. Оптимальные параметры системы почва-растение на дерново-подзолистых почвах с целью получения высоких устойчивых урожаев полевых культур.
THE INFLUENCE OF ION COMPOSITION OF SOIL-ABSORBING COMPLEX ON SOIL COLLOIDS DIFFERENT ON THE GENESIS OF SOILS
T. Shnee1, S. Starich1, T. Fedorova2
'Department of physical and organic chemistry Russian State Agrarian University — MTAA named after K.A. Timiryazev Timiryazevskaya str., 49, Moscow, Russia, 127550
Department of landscape architecture and design Russian Peoples' Friendship University
Miklukho-Maklaya str., 8/2, Moscow, Russia, 117198
Soil fertility depends to some extent on the nature and composition of soil-norna^aro^ero complex, which ultimately determines the value of the resulting harvest. From the composition of the present in the soil-absorbing complex of ion exchange depend on the physical, physico-chemical properties of soil, the relationship between the soil and the plant, the productivity of the soil.
Key words: the soil absorbing complex, electrokinetic potential (Z-potential), soil colloid, coagulation power, ion exchange, the absorption capacity.
REFERENCES
[1] Gedrojc K.K. Izbr. Soch. — T. 1—3. — M.: Gosizd. s.-h. lit., 1955.
[2] Shnee T.V. Izuchenie kolloidno-himicheskoj prirody soloncov i ih himicheskaja melioracija: Avtoref. diss. ... kand. biol. nauk. — M., 2002.
[3] Jenergomassoobmen v zvene polevogo sevooborota / MSHA. Pochv. in-t im. V.V. Doku-chaeva; A.G. Zamaraev, Ju.A. Duhanin, G.V. Chapovskaja, V.I. Savich, I.S. Shatilov i dr. — M.: Agrokonsalt, 2004. — Ch. 1. Optimal'nye parametry sistemy pochva-rastenie na derno-vo-podzolistyh pochvah s cel'ju poluchenija vysokih ustojchivyh urozhaev polevyh kul'tur.
