Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

АДСОРБЦИЯ НИТРАТОВ ПОЧВАМИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "АДСОРБЦИЯ НИТРАТОВ ПОЧВАМИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ"

Я-2&136

-> г-

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

- МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи ИРЬЯ НОВА Елена Михайловна

УДК 631.413.2:831.416.1

АДСОРБЦИЯ НИТРАТОВ ПОЧВАМИ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ (Специальность 06.01.03 — почвоведение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА—1987

/ 0(с

Работа выполнена в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева и в Ижевском сельскохо-зяйственном'институте.

- Научный руководитель —доктор сельскохозяйственных наук/профессор В. П. Ковриго. •.."•'.'

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.- П. Градусов, кандидат биологических наук, доцент В. В. Кндин. -*•- д ; •

Ведущая организация — Институт почвоведения и фотосинтеза. АН СССР; - _:♦../. с /~-л'л •••

Защита диссертации состоится'"« , л-. » *4~6$уы?* 198&. в «/£.» часов на заседании Специализированного совета К 120.35.01 в Московской сельскохозяйственной, академии им. К. А. Тимирязева."' . - ~ -.;

Адрес: 127550, г. Москва, И-550, ул. Тимирязевская, 49. Сектор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

- Автореферат разослан « :/." > .04<Т&&Я 198* г.

Ученый секретарь 1;~.

Специализированного совета ЛЛУт-р С М. Саблина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- Актуальность проблемы. Для направленного воздействия из процессы:'биоцикла Лазота в агроценозе необходимо знать структуру баланса этого элемента. Адсорбция нитратов почвой является одной .из статей баланса почвенного азота', поскольку :влияет на запас этих ценных для растений питательных веществ, удерживая их от'вымывания за пределы корнеобитаемого* слоя. :В-двадцатых :годах'возможиость положительной адсорбции тггратовЛв почвах 'была предметом дискуссии, которая'не привела К'Однозначномурешению'это-го вопроса..Дальнейшие работы ряда зарубежных исследователей токаззли существование этого'явления в>кислых пепло-♦вых "почвах -вулканического I происхождения. !Но природа адсорбции 'осталасьЛневыясненной; а' ее механизм в -основных ♦чертах отождествляйся :с : механизмом адсорбции фосфатов, -что маловероятнотз-за значителвных .различий в химических

♦ свойствах ?этих анионов. Не исследована динамика адсорбированного :почвой;азотатй*рратов,.'нет методики, 'позволяющей ♦определятьшлН'раесчвтывать содержание в 'почвах адсорбированного N—N63. Необходимо -'создание -теории процесса

♦ почвенной адсорбции : нитратов,.: на1 < основании которой можно •быто ;бы .'разработать Лприемы -егофегулирования' и которая -стала бы теоретической-основой"при'планировании доз азот-♦ного удобрения,-так:как сущеетвующиеЛметоды их определе-' '.ния или совсем те 'учитывают эффективное Лплодородие поч-:вы в отношении 'азота.'или учитывают его лишь косвенно.

!Цель.н задачи исследований.'Цель работы заключалась в -изучениишроцесса 'адсорбции нитратного'азота 'наиболее распространенным^ почвами Среднего Шредуралья и возможности его регулирования. Для осуществления этого1 ;необходимо было решить следующие, задачи:

- 1. 'Выяснить природу взаимодействия-'нитратов с почвой, Лустановить тип* уравнения,юписывигащего адсорбцию.

: • ....2..>Изучить ,адсорбционные 'параметры чг условия, оказывающие влияние на "величину почвенной' адсорбции нитрат-шого азота. ......

-.. . 3. Исследовать в; сравнении адсорбционную способность' в

еакскг ттт-

Ж

£1-22,414

отношении N — N63 почв разной степени окультуренности и их целинных аналогов.

4. Определить нитратную буферную способность исследованных почв и степень влияния на нее условий, изменяющих адсорбционную способность почв по отношению к нитратному азоту.

5. Установить возможность регулирования нитратной адсорбционной способности почв.

6; Исследовать поведение адсорбированного почвой азота нитратов в полевых условиях под сельскохозяйственными культурами.

Научная новизна й практическая ценность работы. Впервые в отечественной науке проведено систематизированное исследование адсорбции N—N03 нечерноземными почвами. Определена природа почвенного взаимодействия с нитратами, разработана методика определения в почвах адсорбированного N—ЫОз и осуществлена градация форм почвенного нитратного азота в зависимости от степени его подвижности. Впервые определена нитратная буферная способность почв, разработана методика ее определения. На основании исследований адсорбционной и буферной способности почв в отношении нитратов предложено использовать эти показатели в качестве дополнительных параметров диагностики их окуль-туренности. Установлена возможность увеличения нитратной адсорбционной способности почв в результате внесения бентонитовой глины. В условиях полевых опытов с возрастаю-.щими дозами азотного удобрения проанализирована динамика нитратной адсорбции под влиянием сельскохозяйственных культур и определена емкость поглощения N — N0 дерново-среднеподзолистой слабоокультуренной почвы. На основе комплексного подхода к изучению почвенной адсорбции нитратов и применения современных методических и экспериментальных приемов получены фактические данные и сделаны теоретические обобщения, являющиеся новым направлением в исследовании ионного обмена в почвах. Разработанные теоретические аспекты адсорбционного связывания почвами нитратных анионов и полученные сведения о динамике почвенной адсорбции нитратов представляют теоретическую основу планирования доз азотного удобрения. Результаты работы дают основание для разработки научно обоснованных приемов рационального применения нитратных удобрений.

Реализация результатов работы. Разработанные в процессе исследований методики определения содержания в почве нитратного азота разной степени подвижности и определения нитратной буферной способности почв используются в работе Удмуртской государственной сельскохозяйственной опытной станцией и Удмуртской республиканской проектно-изыска-

тельской станцией химизации;сельского хозяйства, а также в-учебном процессе кафедры ботаники Удмуртского, государственного университета и кафедры агрохимии и почвоведения Устиновского сельскохозяйственного- института. _, •

Апробация. Результаты исследований докладывались на расширенном заседании. Удмуртского отделения ВОП АН СССР в 1978 г. и на научных конференциях Ижевского сельл 'скохозяйственного института в 1980—1983 гг. Материалы работы доложены на. XXIV научно-производственной конференции (Свердловск, 1980 г.), на второй республиканской.конференции молодых ученых (Ижевск, 1981 г.), на третьей научной конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Волго-Вятского региона (Горький, 1982 г.), на конференции-молодых ученых (Ижевск, 1982 г.), на конференции в Урал НИИСХоз (Свердловск, 1983 г.), на Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам, программирования урожаев сельскохозяйственных культур (Минск, 1983 г.), на научной конференции в ТСХА в 1983 г. и на 4-й научной конференции почвоведов, агрохимиков .и земледелов Волго-Вятского региона (Горький, 1987 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в семи печатных работах. Особенно большой объем представлен в сборниках научных трудов «Методы повышения плодородия почв, на Урале»; Пермь, 1981 г., «Повышение эффективности применения удобрений», Пермь, 1983-г., «Генезис и. плодородие земледельческих почв», Горький, 1983 г. и в журнале «Агрохимия», № 10, Москва, 1982 г.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста, кроме того, содержит 20 таблиц, 41 рисунок и список использованной* литературы, включающий 122 наименования, в том числе-51—зарубежных авторов. Работа состоит из введения, пяти глав- и. выводов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. «Адсорбция нитратов почвами—одна из-статей баланса почвенного- азота». В главе кратко изложены литературные данные,. касающиеся истории изучения почвенной адсорбции нитратов в частности и адсорбции анионов вообще и степени изученности этого процесса в настоящее время. Особое внимание уделено рассмотрению закономерностей взаимодействия анионов с почвой. Отмечена абсолютная недостаточность изученности природы закрепления почвой азота нитратов, полное отсутствие сведений о динамике адсорбированного почвами К—N0,,.

. Глава 2. «Объекты и методы исследований». Объекты исследований. В качестве объектов исследований выбраны, наи-

более распространенные на территории Удмуртской АССР почвы: дерново-среднеподзолистые суглинистые, серые лесные оподзоленные тяжелосуглинистые и дерново-карбонатные слабовыщелоченные легкоглинистые — разных степеней оку-льтуренности и их целинные аналоги. Образцы отбирали на стационарных ключевых почвенных площадках кафедры агрохимии и почвоведения Устнновского сельскохозяйственного института, на территории Можгинского государственного сортоиспытательного участка, на граничащих с сортоучастком землях колхоза «Гигант» Можгинского района УЛССР, на опытном поле УстСХИ и на территории Удмуртской государ -ственной сельскохозяйственной опытной станции. Характеристика почв дана в табл. 1.

Методологические основы и методики исследований. Исследования проводили с использованием комплекса методов. Экспериментальная работа выполнялась маршрутно-полевым, стационарным полевым, лабораторным и лабораторно-анали-тнческими методами. При изучении адсорбционной способности в отношении N —N03 почв разной степени окультуренно-сти и неокультуренных применяли методы ключевых площадок и сравнительно-аналитический. При постановке опытов использовали приемы моделирования почвенных процессов. В работе применялся метод меченых атомов (стабильный изотоп Основным методом исследований был модифицированный нами метод Л. Л. Шмука — «незаполненной почвенной влагоемкости». В целях унификации использования результатов исследований адсорбционной способности почв в отношении N —N03 осуществлена градация почвенных нитратов на группы: свободные, подвижные и адсорбированные. При этом мы исходили из разработанной нами методики определения нитратов разной степени подвижности. Описание количественных закономерностей почвенной адсорбции нитратов осуществлено по методу определения типа изотермы адсорбции. Оценку эмпирических изотерм адсорбции и адсорбционных параметров проводили статистическими методами: корреляционным и регрессионным анализами экспериментальных данных. При определении нитратной буферной способности почв учитывалось содержание в них в исходном состоянии (до внесения нитратов) подвижного и адсорбированного N—N03. Адсорбционные ветви изотерм Q/I построены по результатам исследований нитратной адсорбционной способности почв; проведенных в различных экспериментальных условиях, оказывавших влияние на адсорбцию N —N03 (переменные влажность почвы при внесении N —N03 и кати-онный состав вносимых солей). В. результате корреляционного и регрессионного анализов экспериментальных изотерм Q/I были получены регрессионные уравнения, на основании"

Химические и с

Таблица 1

шзико-химические показатели верхних горизонтов почв

Место взятия образца Степень окуль-туренности почв и Л» разреза (или год проведения опыта) Горизонт, глубина взятия образца, см Гумус, % Кислот о-растворимый фосфор (ГА) Обменный калий • (КО) рН солевой вытяжки Гидролитическая кислотность Сумма обменных оснований Степень насыщенности основа- %

МГ/100 Г ; мэкв/100 г

Дерново-среднеподзолистые среднесугл. почв парные ключевые под лесом, 3 А 9-19 площадки* " слабая, 1' . (Ап 0-22 колхоз'«Гигант» слабая,'402 ' *Ап,0-22 Можгинский ГСУ сильная, 310 Ап 0-30 опытное поле УСХИ 1979 г. -Ап 0-20 Удм.ТСХОС 1950 г. Ап 0-20 Дерново-среднеподзолистая легкосугл. несмыт опытное поле УСХИ I . 1931г. I Ап 0-20 ы на покр '2,57 ; г 2.51 2,03 ' 2,65 ' "2,0 , 2.10 • ая,почва 2,26 овных кр следы 7,50 : 1,87 , 5,62 , 11.30 ;-11,0 . на покров 6,30 : асно8ато:б • 9,5 ', 8,2 • 9,5;. ' 15,0 ; 11.4 : 13,8 ном красн I не опр. урых тяже 4,69 ; •5,19:-, 5,27 Г 5,48 4,75 4,60': э-буром ог I 5,0 лых сугли \ 5,70 !•» 3,80 V. • 2,60.:; , 3,60 " 4,10, Ь 3,20 , есчаненно I 2,89 нках и гли .11,61 \ 16.39 :. 15,90 17,30 • ; 7,80 !» 13.40 м суглинк I 11,80 нах 67.1 81.2 85,9 82,8 65.6 80.7 80,0:

Дерново-среднеподзолистая тяжелосугл. среднесмыгая почва на покровном красно-буром опесчан. суглинке опытное поле УСХИ | 1981г. [ Ап 0-20 Г 0,81. ; j 6,95,- ; | не опр! | 4,59: |. 3,26 ; | 17,80 •; | 84,5-

Серые лесные оподзоленные тяжелосуглинистые почвы на покровных'жёлто-бурых тяжелых суглинках и глинах

85.4

88.5 94,7 94,0

парные ключевые • площадки* колхоз «Гигант» Можгинский ГСУ

под лесом, 11-слабая, 10 А, 10-20 . 6,67 :.. 2,50 4 . 18,5'" 5,12? 5,29., ' 30,94 |

Ап 0-22 6.29- ;- 3,75 : ; 14,з 5,01: '4,02 ' 30,80

слабая, 403 Ап 0-23 • 4.96" • 5,0 ; 12,о;; 5,58" "'' Г,80 ,32,40

сильная, 229 Ап 0-26 9.61 20,0 "27.4: 6,38 2,60 41,0

Дерново-карбонатные слабовыщелочетые легкоглинистые на карбонатных красно-бурых глинах под лесом, 9 А 4-14 слабая, 2 Ап 0-20

средняя, 304 Ап 0-22 По данным В. П. Ковриго.

парные ключевые площадки* Можгинский ГСУ

6,23 1,87 12,0 5,00 : 5,70 25,78

4,20 1,87 16,4 5.10 2,10 28,18

3,68 1,87 13,4 5,88 1,90 28,50

81,993,1 92,2

*

которых определены значения факторов емкости и интенсивности. По отношению этих величин мы судили о буферной способности почв в отношении нитратов. Кроме того, нитратную буферную способность почв разной степени окультурен-. ностн мы оценили по тангенсу угла наклона начальных частей изотерм адсорбции.

Относительный общий заряд почв определяли по разности между величинами рН в солевой и водной вытяжках.

В процессе исследований были заложены два модельных лабораторных опыта разных сроков длительности, в которых были смоделированы условия периодического высушивания и промачивания почвы. Л\атематическая обработка результатов опытов проводилась статистическими методами: с помощью корреляционного и регрессионного анализов, выравнивание эмпирических рядов регрессии проводили, применяя способ простой скользящей средней. В опытах изучалась динамика почвенной адсорбции нитратов, удерживающая способность" почв по отношению к нитратному азоту, кинетика десорбции из почв адсорбированных нитратов, влияние бентонитовой глины на нитратную адсорбцию и ее динамику в почве.

Естественная нитратная адсорбционная способность дерново-подзолистой суглинистой почвы и ее динамика под влиянием сельскохозяйственных культур изучалась в пяти полевых опытах с удобрениями.

Глава 3. «Исследование природы и механизмов почвенной адсорбции нитратов». Разработка модели адсорбции почвой нитратных анионов. Природу и механизмы адсорбции нитратного азота почвами изучали в статических лабораторных условиях и в модельных лабораторных опытах. Исследования проводились с образцами пахотных горизонтов почв разной степени окультуренности, взятыми на территории Можгнн-ского государственного сортоиспытательного участка и на граничащих с ним землях колхоза «Гигант» Можгинского района Удмуртской ЛССР. Использование метода «ненасыщенной влагоемкости» позволило установить, что почвенный нитратный азот можно подразделить по степени подвижности на свободный, подвижный и адсорбированный. Следовательно, характеристика обеспеченности растений доступным азотом только по количеству нитратов, определяемому в однократной водной вытяжке, весьма поверхностна. Почвы разной степени окультуренности содержали в исходном состоянии довольно большие количества адсорбированного нитратного азота (табл. 2), прямо пропорционально связанные с их окультуренностью и превышавшие в одной из них содержание свободного N—N03. В непосредственной связи с- содержанием в почвах адсорбированных нитратов находится их от-

Таблица '2

Содержание К—К03 в пахотных горизонтах почв разной степени окультуренности и исходная величина АрН

Степень окуль- Свободный Подвижный Адсорбиро-

туренносга ДрН К — К0з ?-КОа к—™ Л/С Л/В

почв, № раз- ДрН (С) (В) (ЛВ 0з Л/С Л/В реза ( )

мг/100 г

Дерново-среднеподзолистые среднесуглинистые -почвы

слабая, 402 -1,07 0,55 0,15 0,41 0.7Т 2,7

сильная, 310 -0,76 1,32 0,15 0,51 0.4 3,4

Серые лесные оподзоленные тяжелосуглинистые почвы

слабая,403 -1,08 0,18 0,08 • 0,40 2,2 5,0

сильная, 229 0,44 1,82 0,37 0,71 0,4 1,9

Дерново-карбонатная слабовыщелоченная легкоглинистая почва средняя, 304 1—1,021 0,45 ' I .0,10 | 0.42 | 0,9 \ 4,2

носительный общий заряд (ДрН), который также характеризует нитратную адсорбционную способность почв. Установлены нелинейные регрессионные уравнения, описывающие зависимость адсорбции нитратного азота от его равновесной концентрации в растворе, соответствующие уравнению Лэнгмю-ра. Вычислены адсорбционные максимумы и константы сродства (табл. 3), которые свидетельствуют о большей адсорбционной способности по. отношению к нитратам у сильноокуль-туренных почв. Адсорбция нитратов почвами уменьшала их общий отрицательный заряд, определявшийся по величине АрН, причем у сильноокультуренных почв.эта'зависимость проявлялась слабее при менее отрицательной исходной величине АрН (табл. 2), чем у слабоокультуренных. Нитратная адсорбция возрастала при уменьшении влажности почвы и становилась максимальной от последующего после внесения азотнокислых солей высушивания почвы. При этом высушивание после внесения солей уменьшало зависимость ДрН почв от их нитратной адсорбции — нитраты удерживались почвами прочнее, слабее диссоциировали в раствор и меньше влияли на АрН почв, чем при нормальном увлажнении. Кроме того, при высушивании с ростом адсорбции нитратов меньше подкислялась водная вытяжка из почв. ;

На величину почвенной адсорбции нитратов оказывал влияние кати'онный состав вносимых солен. В • образцы дерново-среднеподзолнетых слабо- и сильноокультуренных почв вносили нитраты в равных концентрациях в виде аммиачной, калийной и кальциевой селитр, а также азотнокислый нат-

Таблица 3

Адсорбция нитратов в пахотных горизонтах почв разной степени окулиуренности: уравнения регрессии, константы и показатели связи

Степень окультуренности почвы. № разреза, влажность

Уравнение регрессии

Коэффициент корреляции, ^ый^к^ Константа ный максимум, м-экв/100 г

' ±тг.'уровень значимости Р

сродства, л/м-экв

Экспериментальный максимум, м-экв/100 г

Дерново-среднеподзолистые среднесуглинистые почвы

слабая, 402, 20% сильная, 310, 20% сильная, 310, сухая

Г=0,163С/(С+0,844)

Г=0,20С/(С+0,294)

Г=0,216С/(С+0,321)

0,948+0,11; Р<0,001 0,163 1,18 0,153

0,941±0,13; Р<0,00 1 0,20 3,40 0,187

0,975+0,08; Р<0,001 0,216 3,12 0,225

Серые лесные оподзоленные тяжелосуглинистые почвы

слабая, 403, 20% сильная,.229, 20% сильная, 229, 17%

Г=0,157С/(С+1,104) Г=0,231С/(С+0,610) Г=0,335С/(С+0,275)

0,965±0,08; 0,881 ±0,19; 0,968±0,11;

Р<0,001

Р<0,01

Р<0,001

0,157 0,231 0,335

0,91 1,64 3,64

0,112 0,203 0,303

Дерново-карбонатная слабовыщелоченная легкоглинистая почва средняя, 304, 20% Г=0,131С/(С+1,857) 0,952±0,14; Р<0,001 0,131 0,54 0,088

рий. Адсорбция нитратов обеими почвами из кальциевой селитры оказалась наибольшей, а из аммиачной и натриевой — наименьшей.

Для объяснения этих экспериментальных данных мы предлагаем модель образования положительно заряженных участков на почвенной поверхности в результате взаимодействия ее с азотнокислой солью в водном растворе и последующей адсорбцией на них нитратных анионов. Для простоты принято, что в качестве противононов во внешней обкладке двойного электрического слоя находятся ионы НЛи ОН-. Вытесненный катионом соли "протон может взаимодействовать с гидроксильным анионом поверхности, либо протежируя ее, либо с выходом молекулы воды в раствор. . . .

Второй механизм представляется -< нам более вероятным, так как но закону-действия масс по мере подкислеиня среды гидроксильные анионы, должны становиться подвижнее. Появление катионов водорода, подкисляющих раствор, обуслов--. лено преобладанием в почве катионной адсорбции над анионной и подтверждается экспериментальными результатами о иодкислении водной-вытяжки с ростом адсорбции нитратов в почвах. ;. • > • • ' • '

В образовании положительно заряженных* адсорбционных центров на почвенной поверхности, могут участвовать только катионы водорода, поэтому почвы, содержащие в обменном состоянии больше водорода, чем алюминия, проявляют более выраженную адсорбционную способность в отношении нитратных анионов. Кроме того, повышенная нитратная адсорбционная способность почв сочетается с более высоким содержанием катионов водорода во внутреннем-слое Гельмгольца. У почв с одинаковыми величинами гидролитической кислотности число положительно заряженных адсорбционных центров выше при большей степени насыщенности основаниями. Именно поэтому адсорбция нитратов в почвах высокой окульту-ренности не связана простой зависимостью с их кислотностью. Менее отрицательный общий заряд сильноокультуренных почв и слабее проявляющаяся зависимость его от адсорбции нитратов но сравнению со слабоокультуренными также объясняются большим числом, положительно заряженных участков на поверхности почв с высокой степенью ркультуренности. Влияние катионного состава вносимых солей на почвенную адсорбцию нитратов также хорошо согласуется;с предложенной моделью. Причина разного влияния на нитратную адсорбцию катионов . аммония и калия заключается, по-видимому, только в их разных реакционной н адсорбционной.способностях, приводящих к разному числу освобождающихся адсорбционных участков. Тогда как адсорбцию почвой азотнокислого кальция можно назвать «псевдомолекулярной», поскольку спецнфиче-

»

ски сорбируемый катион- кальция притягивает свободной валентностью один нитратный анион, а второй- адсорбируется на участке, образованном протоном, вытесненным катионом кальция. При таком адсорбционном механизме происходит такое же подкпсленпе раствора, как и при взаимодействии с азотнокислым калием, но относительный общий заряд почвы при взаимодействии с нитратом кальция быи существенно менее отрицателен, что свидетельствует об участии в адсорбции нитратов большего количества адсорбционных центров. Дополнительными адсорбционными участками являлись свободные валентности кальция. . ;

Рост-адсорбции нитратов под влиянием высушивания почв происходил за счет увеличения числа адсорбционный мест." Причем нитраты адсорбировались в этом случае прочнее, чем при [Нормальном почвенном увлажнении — относительный общий/заряд почв быи более отрицательным. Меньшее подкпс-ленпе раствора при высушивании почв, чем без него; подтверждает, что свободные положительно заряженные участки во- -зникали на поверхности именно в результате ее дегидратации. Таким образом, положительное влияние на почвенную адсорбцию нитратов высушивания почвы после внесения азотнокислых' солей объясняется, по нашему мнению, во-первык, уменьшением конкуренции.со стороны гидроксильных анионов за освобождаемые положительно заряженные участки и,- во-вто- . вых, увеличением,общего числа адсорбционных участков в ре- { зультате удаления остаточных прочно связанных молекул* воды. Слабая диссоциация нитратных анионов, адсорбирован-нык почвой после ее высушивания, объясняется также умень-„ шением толщины поверхностных водных пленок, приводящим' к «сжатию» диффузного слоя.

В соответствии с модифицированной теорией ГуиЛи теорией Грэма мы представили распределение нитратных анионов у положительно заряженного участка поверхности после установления равновесия следующим образом: нитраты, на-/ холящиеся во внешнем слое Гельмгольца, являются адсорбированными, нитраты диффузного слоя, наиболее близко ориентировавшиеся к внешнему слою Гельмгольца, представля- , ют собой подвижные нитраты, остальные нитратные анионы диффузного слоя мы назвали свободными. С точки зрения этих представлений, очевидно, что определение нитратов в однократной водной вытяжке, то есть определение свободных нитратов, не дает полной информации о содержании их в почве. ........

О возможности регулирования адсорбционного поглощения почвами нитратного азота. Изученные закономерностн почвенной адсорбции нитратов и разработанная адсорбционная модель позволили установить возможность регулирования, ад-

сорбцнонной способности почв в отношении нитратов путем увеличения общего количества активных протонодонорных центров на почвенной поверхности, в частности, за счет внесения веществ, содержащих активных цетры. Одним из таких веществ является бентонит, который при внесении в образец пахотного горизонта дерново-нодзолистой слабоокультурен-ной почвы в количестве, соответствующем 10 т/га, удваивал адсорбцию нитратов и стабилизировал содержание в почве адсорбированного нитратного азота, одновременно уменьшая -почвенную кислотность. Сам бентонит адсорбировал до 60% от внесенной дозы нитратов.

Глава 4. «Сравнительная оценка нитратной адсорбционной способности лесных и пахотных почв». Изучение подвижности адсорбированного нитратного азота. Объектами исследований на данном этапе были образцы верхних горизонтов почв, взятых из-под леса и с пашни на парных стационарных ключевых почвенных площадках в Завьяловском районе Удмуртской АССР (табл. 1). Все почвы парных ключевых площадок, за исключением дерново-карбонатной окультуренной, в исходном состоянии (до внесения нитратов) довольно прочно удерживали адсорбированный ими нитратный азот, причем лесные почвы — прочнее, чем пахотные, а дерново-подзолистые— прочнее почв двух других, типов, что было связано с большей кислотностью целинных и дерново-подзолистых почв по сравнению с остальными. В этом проявилась простая зависимость нитратной адсорбции в неокультуренных и сла-боокультуренных почвах от их кислотности, в отличие от силыюокультуренных почв, нитратная адсорбция в которых определяется взаимосвязью ряда факторов, и все зависимости гораздо сложнее. Подвижность адсорбированного нитратного азота мы.изучали в годичном лабораторном опыте (1), заложенном на образцах пахотных горизонтов почв парных ключевых площадок. Результаты исследования динамики нитратной адсорбции в условиях, промывного режима, смоделированного в опыте,'показали, что дерново-подзолистаЛ почва наиболее прочно удерживала адсорбированные нитраты, а в дерново-карбонатной они были наиболее подвижны. Процесс вымывания из почвы неспецифически сорбируемых нитратных анионов хорошо описывается кинетическим уравнением первого порядка. Константа скорости десорбции позволяет вычислить для данной почвы величину нитратной емкости поглощения но количеству нитратного азота, определенному однократным вытеснением фосфатом натрия.

• Определение нитратной буферной способности ночв. Для более полной характеристики; нитратного состояния ночв проведена оценка их нитратной буферной способности. С помощью корреляционного ,и регрессионного анализов экснери-

и

: ментальных изотерм 0/1, образцов верхних , горизонтов всех; * изучавшихся почв -.(лесных.и! пахотных), получены уравнения регрессии, на основании которых рассчитаны факторы емкости и интенсивности По отношению этих, величин определе-"* на нитратная буферная способность почв (табл. 4). Пересе-' ченйе изотерм.с осью абсцисс соответствует содержанию ~в почвах свободных: нитратов в данных условиях установившегося равновесия, а пересечение с»осью ординат — количеству нитратов, находившихся на поверхности и составлявших ни-/ дратную емкость, поглощения! в тот. момент времени, посколь— ку десорбнионные участки изотерм получены с учетом содержания в почвах, подвижногоппадсорбированного нитратного .азота. Нитратную .буферную Способность. почв разной степе-, - ни окультуренности мы оценили также* по Лтангенсу угла на-.клона начальных частей изотёрм.адсорбиии. (табл. 4)..Дерно-во-подзолистые " почвы; обладающие,, наибольшей1 анионооб-менной способностью, и прочнее остальных исследованных. -почв удерживающие; нитратные анионы,., проявили; и ;более 'выраженную нитратную буферную способность. Довольно значительные величины, буферной способности в отношении ни- : тратов, проявленные лесными1 дерново-подзолистой и дерново*-' карбонатной почвами, очевидно, объясняются большой удерживающей способностью:этих.почв по отношению к адсорбированным ими нитратам, обусловленной их.повышенной Лкислот-ностью по сравнению:с:пахотными.Л-и л -.и.-..-.: _- .л'и'С;

Глава 5: «Динамика адсорбции нитратов в дерново-подзолистых суглинистых почвах под влиянием сельскохозяйственных культур». Исследование,адсорбционной способности в отношении нитратов /дерново-среднеподзол истых суглинистых "почв (их пахотных горизонтов— табл. 1), проявляемой ими в естественных условиях,-проводилось нами в пяти полевых* опытах с удобрениями. :Результаты ;исследований;.показали, что внесение возрастающих | доз -азотного удобрения,* повышая содержание в:почвах адсорбированного нитратного" азота, увеличивало его подвижность', которая, зависела также от метеорологических условий. Азотное удобрение в-дозах, пре-вышавшихЛ кг/га, Сказалось неэффективным, поскольку не обеспечивало роста "урожайности и не повышало содержания в почве адсорбированного '.нитратного азота. При нормальном увлажнении почвы "адсорбированные нитраты в/начале вегетационного периода под ячменем представляли собой запас нитратного азота,-расходуемый" по мере роста растений. - Применение органического Лудобрения совместно с. минеральным уменьшило "почвенную,'/адсорбцию, нитратов: в 'почве опыта с внесеииемЛорганического удобрения начальный, уро-, вень содержания/адсорбированного К —N0,, был в среднем в два раза ниже.'чем в опыте без органики. Корреляционный

•• 12 . . ; V : - > •*..... *••• •••»- • ••• • / ' .

Определение нитратной буферной способности почв

Таблица 4

Почва, степень окультуренности, № разреза, горизонт

Условия эксперимента: ка-тионный состав вносимой соли, абсолютная влажность почвы

Уравнение регрессии

Коэффициент корреляции, г±тг

Уровень значимости Р

Буферная способность

0/1

Дерново-среднеподзолистые среднесуглинистые почвы

под лесом, 3, А слабая, 402, Ап

сильная, 310, Ап

под лесом, 11, А 1 слабая, 403, Ап сильная, 229, Ап

под лесом, 9, А средняя, 304, Ап

•К+, 20%

ОТ4+, 20% К+, 20%

К+, с бентонитом, 20% К+, с высушиванием СаН, 20% Са2Г, 10%

Са2-н, с высушиванием Щ+, 0% К+, 20%

К+, с высушиванием Са+-, 20%

Са2-н, с высушиванием

у=—0,085+0,146х 0,991+0,09

у=—0,217+0,080х у=—0,152+0,108х у=—0,197+0,189х у=-0,155+0,187х у=—0,137+0,127х у=-0,157+0,238х у=—0,231+0,303х

у=-0,177+0,190х у=-0,236+0,216х у=—0,229+0,278х у=—0,241+0,349х у=—0,197+0,378х

0,979+0,12 0,979 + 0,07 0,989+0,09 0,988 ±0,07 0,982+0,08 0,991+0,06 0,991±0,04

0,957 ±0,17 0,988+0,08 0,982+0,14 0,984+0,13 0,961 ±0,20

Р<0,01

Р<0,001 Р<0,001 Р<0,001 Р<0,001 Р< 0,001 Р<0,001 Р<0,001

Р<0,01 Р< 0,001 Р<0,01 Р<0,01 Р<0,01

К+, 20% К+, 20% К+, 20% К+, 17%

К+, 20% К+, 20%

Серые лесные оподзоленные тяжелосуглинистые почвы

-0,050+0,079х =-0,103+0,038х = — 0,305+0,145х —0,214+0,325х

Дерново-карбона гные слабовыщелоче ' у=—0,044+0,122х у=-0,175+0,087х

0,987+0,11

0,960+0,09

0,944+0,13

0,975±0,10

ые легкогли!

0,996+0,07

0,983±0,07

Р<0,01 Р<0,001 Р<0,001 Р<0,001 стые почв1 Р<0,001 Р<0,001

0,1459

0795 1076 1885 1870 1271 2827 3034

1895 2161 2779 3487 3783

0,0791 0,0384 0,1445 0,3253

0,1222 0,0371

0,0704

и регрессионный анализы показали, что нитратная адсорбция в почве этого опыта при внесении-азотного удобрения в до-л зах свыше 601 кг/га была постоянна'!!.равна 1,76 мг N—Ж)3 на 100 г почвы. Эта величина представляет собой емкость поглощения нитратов данной;почвы.\ _ , - '"/'

Сравнительное исследование нитратной адсорбции в не-смытой и эродированных дерново-подзолистых почвах полевых- опытов под озимой пшен! ицей показало, ;что содержание адсорбированного нитратного!,азота в несмытой почве в целом было выше, чем в почвах, Лподверженных эрозии. Подвижность адсорбированных— нитратов в почвах была незна-. чительной, но смытыепочвы удерживали их прочнее.

~ Основные выводы ~]

_ 1. Результаты проведенных нами исследований меняют установившиеся представления р непоглощаемости почвами без участия живых организмов Лнитратных, анионов. Нитраты адсорбируются почвами в еЪтёственных.шрёдёлах влажности и .кислотности. ~..",\ '\%"(-^1г. Л"Л *л:5 • •'. . ''У"\

2. Установлено,, что нитратный азотов почвах находится в свободном, подвижном и адсорбированном состояниях. Содержание всех форм N—fN03( следует, учитывать при характеристике обеспеченности растений доступным азотом. Показатель содержания в почвах: адсорбированных нитратов предлагается использовать в качестве дополнительного критерия оценки их азотного режима,'объективно выявляющего резервы содержания нитратного азота и позволяющего на его"; основе планировать дозы; азотного, удобрения. Разработана и предложена к использованию "методика* определения в почвах азота нитратов разной;степени-подвижности. ; " - 3. Зависимость почвенной [адсорбции нитратов от концен-~ трации соответствует уравнению Лэнгмюра. Вычисленные по регрессионным уравнениямЛ адсорбционные параметры показали высокое сродство нитратных анионов к исследованным почвам. Для. дерново-подзолистых почв установлена более выраженная адсорбционная, способность в отношении нитратных анионов по сравнению,с, серыми.лесными идерново-кар-. бонатными. '-'" • ;г£. Кг:Ч-|"ЧЧ-% •-•-•"" • >! V. -4. Изученные закономерности адсорбции нитратов почвами и выявленные связи адсорбционных констант с почвенными свойствами позволили;определить механизмы и,разрабо-тать модель адсорбционного связывания нитратов почвенной поверхностью при взаимодействии с азотнокислой солью и распределения нитратных:анионов У положительно заряженных участков. . • '-,' " |; ; . V ' V,' _ 5. С помощью модели .'.нитратной адсорбции установлена возможность; регулирования адсорбционной способности почв

в отношении нитратов, заключающаяся в увеличении общего количества активных иротонодонорных центров на почвенной поверхности, в частности за счет внесения веществ, сод ер -жащих активные центры. Одним из таких поверхностно-активных веществ является бентонит, внесение которого в образец пахотного горизонта, дерново-подзолистой слабоокуль-туренной почвы из расчета 10 т/га удваивало адсорбцию нитратов и стабилизировало содержание в почве адсорбированного нитратного азота, одновременно уменьшая почвенную кислотность.

6. Нитратная адсорбционная способность почв возрастает при их,окультуривании в результате увеличения числа активных положительно заряженных адсорбционных центров на почвенной поверхности.

7. Среди исследованных почв трех типов, распространенный в Удмуртской АССР, дерново-подзолистые наиболее прочно адсорбировали нитратный азот; нитраты, адсорбированные дерново-карбонатной слабоокультуренной почвой, обладали значительной подвижностью. Следовательно, потери нитратного азота от вымывания нз пахотного горизонта более вероятны в дерново-карбонатных почвах, чем в дерново-подзолистых и серых лесных. Верхние гумусовые горизонты целинных почв, этих типов удерживали адсорбированные нитратные анноны прочнее пахотных.

8. Десорбция адсорбированных почвами нитратных анионов хорошо описывается кинетическим уравнением первого порядка. Для пахотный горизонтов слабоокультуренных дерново-подзолистой, серой лесной и дерново-карбонатной почв определены, константы скорости десорбции адсорбированного нитратного азота и емкости поглощения нитратов. Предложено использовать константу десорбции N — N63 в качестве коэффициента для расчета.общей почвенной емкости поглощения нитратных анионов, упрощающего аналитическое определение этого показателя.

9. Определение нитратной буферной способности верхних горизонтов дерново-подзолистык, серый лесных и дерново-карбонатных почв (пахотных и целиннык) позволило дать объективную оценку способности этих почв обеспечивать растения нитратным азотом.. Дерново-иодзолнстые почвы, имеющие наибольшую нитратную адсорбционную способность и прочнее остальных исследованных почв удерживающие нитратные анионы, обладают и более выраженной нитратной буферностью. Разработана методика определения буферной способности почв в отношении нитратов (БСШ~^°8). Предложено использовать показатель ВСЫ-Ж))для суждения об условиях обеспечения растений почвенным нитратным азотом, а

•Также в качестве - Дополнительного параметра диагностики окультуренности почв. _.?*''' *' .-'-'-;'-.•' , 10. Естественная нитратная Ладсорбционная способность дерново-подзолистой суглинистой почвы; изучавшаяся в пяти полевых опытах с удобрениями "под "сельскохозяйственными культурами, является концёнтрационнообусловленной в пределах емкости поглощения и -зависит/от степени_увлажнения .почвы: при низкой, почвенной;влажности содержание адсорбированных нитратов'превосходило содержание свободных,. а прочность адсорбционного*связывания нитратов увеличивалась.. • .• . ,.,-....- .с-'-пши'Д.С"й'...';'•'•'-• -".'-У--;-~«.'_:;_ •'*•

П. В условиях полевых-опытов проанализирована дина-..мйка нитратной адсорбции и оценено влияние на нее сельско-1. хозяйственных культур.' Показано, что-адсорбированные нитраты в почве в начале вегетационного периода являлись ре- зервом-.для питания.; растений, сохраняясь таким образом ,в пахотном слое от вымывания.: 2 - . »%:у.:у.,1, ., : ./. - -:..о ••; 12. С помощью корреляционного и регрессионного анализов в условиях полевого опыта Гс ячменем определена емкость Л поглощения нитратного азота"дерново-среднеподзолнстой сред-' несуглинистой почвы. Отмечена необходимость учета почвенной емкости поглощения нитратов при планировании доз азотного удобрения, поскольку его I внесение вгзавёдомо избыточных количествах, ориентированных на вынос возделываемой культурой, оказывается Неэффективным и, приводит к значительным потерям.,- - :Т,:.:сЛ::: :л , 4и-':-.-'"

13. Почвенная емкость поглощения нитратного азота уменьшается в результате развития!процессов плоскостной водной'

, эрозии. В эродированных: почвах изменяется механизм нитратной адсорбции и;увеличивается;прочность связывания НИТраТОВ. ' ,...ЛЛ'-*;Х--\С~""..~~Л~,:7 -'•--"" - • •

14.- Уточнены технологические' приемы-рационального применения нитратных_удобренйй (под полевые культуры, направ- • ленные на увеличение нитратной ' адсорбции, предотвращающей потери нитратов из почвы от-вымывания. В частности, установлены предпочтительность кальциевой , селитры перед другими формами,нитратных удобрений и необходимость внесения их в почву с пониженной влажностью. Определена оп--тимальная доза N — N0, для внесения в дерново-среднеподзо-листую среднесуглинистую почву Ги рекомендовано применение нитратных'удобрений отдельно от фосфатных, сульфатных и органических во временном или пространственном (в' разные почвенные слои) измерениях— • с целью предотвращения конкурентного влияния* анионов этих удобрений. ОтмечеЛ-но, что, исходя из природы почвенной"адсорбции нитратов, внесение нитрат-содержащих удобрений поверхностно, с са-«-

молета и во влажную, мерзлую почву абсолютно неприемлемо, поскольку приводит к большим потерям азота.

Рекомендации производству

На основании проведенных лабораторных экспериментов и натурных опытов по изучению адсорбционной и буферной способности но отношению к нитратному азоту целинных лес-нык и пахотный разной степени окультуренности почв, а также результатов исследования кинетики десорбции нитратного азота считаем целесообразным рекомендовать:

1) использовать показатель нитратной буферной способности почв (БСМ~Ш°3; для изучения их азотного режима и суждения об условиях обеспечения растений почвенным нитратным азотом;

2) использовать показатели адсорбционной и буферной способности почв по отношению к нитратам в качестве дополнительных параметров диагностики окультуренности почв;

3) использовать константу десорбции из почв N —N03 в качестве коэффициента для расчета общей почвенной емкости поглощения нитратных анионов, упрощающего аналитическое определение этого показателя;

4) к применению в аналитической работе разработанные методики определения содержания в почвах нитратного азота разной степени подвижности и буферной способности почв в отношении нитратов;

5) применение нитратных удобрений под нолевые культуры на почвах, характеризующихся величинами Б^~^°><0,2, в подкормку в дозах, не превышающих 60 кг/га, что предотвратит конкурентное влияние на почвенную адсорбцию нитратов фосфатных, сульфатных и органических анионов и позволит избежать потерь азота удобрений в результате вымывания и денитрификации, происходящих при избыточном накоплении в почвах свободных нитратов.

Список опубликованных работ

1. Ков р и го В. II., Ирья нов а Е. М. Адсорбция нитратов почвами Удмуртской АССР // Современная наука и передовой опит — сельскому хозяйству. Тез. докл. научно-ироизв. конференции.— Свердловск, 1980 — С. 44—45.

2. И р ь я н о в а Е. ,4. Адсорбция нитратов основными типами г:гчв УАССР//Тезисы докладов второй республиканской конференции молодых ученых.— Ижевск, 1981.— С. 92.

3. Ковриго В. П., Ирьянова Е, М. Исследование адсорбции нитратов почвами Удмуртской АССР // Методы повышения плодородия почв на Урале.— Пермь, 1981.— С. 64—71.

4. Ковриго В. П., Ирьянова Е.М. Почвенная адсорбция ни-тратов//Агрохимия.— 1982 — № 10. — С . 17—22.

5. Ирьянова Е. М., Вараксин И. -И., Киршина Л, В. Адсорбция нитратов, дерново-подзолистыми суглинистыми почвами разной ' степени эродированности// Повышение .эффективности применения удоб-рений.—Пермь, 1983,—С. 72—78. г ?:* ....•• •

6. Ков р и го В;- П:,: Ирьянова Е. М. Адсорбция нитратов почвами разной степени 'окультуренности // Генезис и плодородие земледельческих почв.— Горький,. 1983,— С. .24—26. - " ,, ,,;

7. Ирьянова Е. М. Некоторые" результаты исследований почвенной адсорбции нитратного азота//Тезисы- докладов" Всесоюзной школы-молодых ученых и специалистов по-актуальным проблемам программирования урожаев сельскохозяйственных культур.— М.. 1983.— С. 58 — 59...

Л-58336 24.07.87 г. Объем 1'/ч п. л. ": Заказ 2025. . Тираж 100

•' Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева,....."

127550, Москва-'И-550, Тимирязевская, ул., 44 , •;;.'»с'-