Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

АМОРФНЫЙ ОКСИД КРЕМНИЯ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ

ВАК РФ 04.00.03, Биогеохимия

Автореферат диссертации по теме "АМОРФНЫЙ ОКСИД КРЕМНИЯ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ"

и 1

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕЕИ1Л, ОРДЕНА ОКТЯЕДОКОЙ РЕКШЩЙИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ¡ЗШЖНИ ГОСУДАРСТВЕ! И® УНИВЕРСИТЕТ им. М. В, ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЩИШ

На правах рукошгси

МАТЫЧЕНКШ Владимир Викторович

УДК 631.811.93

ШШ ОКСИД КРЕШН В ДЕРН0Ш-ПОДГаИ'.СТЙ1 ПОЧВЕ И ЕГО ШИШЕ НА РАСТЕНИЯ

Специальность 04.00.03 - биогеохист.й

I.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ¡■ясноП сто пени кандидата биологических наук

Москва - 1990

Райота выполнена на кафедре химик почв факультета почвоведения Московского государственного университета им.ЮДоыо-

I

Носова,

Научный руководитель - кандидат технических наук

старший научный сотрудник Я.М.Амиосова

Официальные оппоненты - ад,-корр АН СССР, доктор

химических наук М.Г.Воронков

кандидат биологических наук, доцентЕ.П.Дуринина

■ Ведущее учреждение - Ленинградский сельскохозяйственный институт.

Автореферат разослан " "_ 1990 года.

Защита состоится ¿¿ЯС^РМвС 1990 г, в 15 чао .30 ШШ.

на заседании специализированного совета но йиогвохимии в МГУ ИМ.Ы.ВЛомоносова в аудитории М-2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Ученого Совета. Отзыв на автореферат в 2-х экз. просим направлять но адресу: 119899, Москва, Ленинские горн, М1У, факультет Почвоведения.

Ученый секретарь Совета Р

Агапкина Г.И.

Актуальность.тещ. Для использования всего потенциала плодородия почв, более рационального применения удобрений, усовершенствования методов и приемов ведения сельского хозяйства, предотвращения неблагоприятных экологических ситуаций - необходимо глубокое и всестороннее изучение биогеохтшческих циклов* элементов. В первую очередь это относится к элементам - бкофа-лам, одним из которых является кремний, Еще В.И.Вернадский писал: "Кремний вырисовывается в мироздании как элемент, облацаювдй исключительным значением". Кремний - второй по распространенности элемент в Земной коре. А оксид кремния, крешеэем, - самое распространенное вещество на Земле. При рассмотрении содержания кремнезема в различных слоях Земной коры прослеживается закономерность: увеличение содержания оксида кремния с уменьшением глубины слоя. Самая обогащенная фешеземом оболочка - почва -33?5 массового кремния.

Кремний и его роль в круговороте веществ изучали такие великие ученые прошгого, как Я.Берцелиус, ЮЛибга, Л .Пас тер, С,Н. Виноградский, В.И.Вернадский. Однако на .долгие годы кремний был незаслукенно забыт, отнесен к разряду инертных по отноианяв к жизни элементов. Развитие биологических, химических, сельскохозяйственных наук заставляет вернуться к изучении активных форм кремния в природе* изучению биогеохимического шиша кремния. Это требуется для решения многих кпк теоретических (подзолообразование, гучусообразование, слитизация, солонцеобраэошште, новообразование минералов и др.), так и практических (увеличение плодородия почв, решение некоторых экологических проблем, совершенствование приемов и методов ведения сельского хозяйства) задач почвоведения.

ЦЕНТРАЛЬНАЯ

науч! '."-п б:-,ьл' .отека

Мосгс. свлис.-Ох'.-с, г.:кадэч!Ш

им К, А. "I и:<'.р;к-свл

Инв. №............................

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось нзучение влияния аморфного оксида кремния на некоторые химические свойства еочв, определение его процесса трансформации в почве и поведение ъ системе почва-растение, Для осуществления этой цели йи->■ ли поставлены следующие основные задачи:

1. Определить состояние и трансформационные изменения аморфного кремнезема в почве,

2. Изучить влияние аморфного кремнезема на некоторые химические свойства почвы.

3. Выявить и изучить некоторые механизмы влияния кремниевых- удобрений на плодородие почвы и урожайность растений.

4. Установить эффективные дозы внесения аморфного тонкодисперсного оксида кремния, применяемого в качестве удобрений на дерново-подзолистые почвы,

5. Изучить возможность применения некоторых модификаций аморфного оксида кремния (вторичное сырье металлургических комбинатов) в качестве ¡фемниевих удобрений.

Научная новизна. Впервые было прослежено изменение содержания растворимых форы кремния непосредственно в почвенном растворе при внесении кремниевого удобрения, а также показан процесс его трансформации в почве. Эти исследования позволили дать объяснения снижению и повышению эффективности кремниевых удобрений .при разных дозах. Впервые была доказана в полевых и модельных экспериментах гипотеза вытеснения фосфат-анаонов силикат-анионом из труднорастворимш: соединений. С помощью метода цитофото-метрил впервые было показано положительное влияние кремниевых удобрений на жизнестойкость растений.

Практическая значимость. Доказано, что применение креыние-

удобрений понижает буферную способность почв по фосфору,

высвобождая его из труднорастворимых соединений и вовлекая в биологический круговорот. Использование этого механизма позволит улучшить экологическое состояние зафосфачекных пота л повысит эффективность использования фосфорных удобрений. Полученные данные позволят установить оптимальные дозы внесения кремниевого удобрения на дерново-подзолистые почвы. Некоторые виды вторичного сырья металлургических комбинатов рекомендованы в качестве кремниевых удобрений.

Апробация работы. Основные соложения, диссертации были доложены на 9-ой конференции молодых учение МГУ (Москва, 1987), на заседании Всесоюзного химического общества им.Д.И.Менделеева, секции химизации сельского хозяйства (Москва, 1989), на 9-ом Me яду народном симпозиуме по биогеохииши шруаащей среды (Москва, 1989) на кафедре химки почв факультета Почвоведения MI7 (1988,1939), а также прэдеташтены на УШ Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989).

рубляуят^та. По теме диссертации опубликовано 3 работы, 3 сданы в печать и 2 подготовлена к печати.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав: литературный обзор, объекты и методы исследования и обсуждение результатов, приложения. Материалы диссертации изложены на 173 страницах машинописного текста, содержат 15 рисунков, 33 таблицы, описок, литературы состоит из 293 названий (из них 113 - зарубежные).

Глава I. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВГОГЕОХШЩ КРЕШШ В ПОЧВЕ (по литературным данным)

Наиболее изученными фортки кремния в почзвх является минералы. Они слагают основную долю твердой фазы почвы и являются

" ~'преобладающими формами соединена Й кремния. Однако в почвенном растворе всегда сод ерш гея накоторое количество растворимых 1фемне содержащих веществ. ИХ концентрация колеблется ог I до 200 мг/л £¡(1^ (Котаба-Кенд, 1989).

Количество растворенных форм соединений кремния зависит от маогвд факторов. Во-первых, от минеральной фракции почвы. Бо-вто-рнх, от водного режима почвы. В-третьих, от свойств почвн, которые эдгяяют на растворение силикатов, адсорбцию, десорбцию растворимого кремнезема, образование новых шнералов.

Кроме того, кремний является признанным элементом биофилом, Еще В.И.Вернадский (1922 г.) отмечал, что ни один живой организм не может обходиться без кремния. Сейчас доказано, что кремний играет вакную роль в ДЙС и РНК растений {Алешин, 1983) является агентом для сшивания макромолекул у животных (Воронков и др.,1978).

Почва является сосредоточием разнообразных биогеохимичес-кшс процессов и циклов, кладовой питательных элементов для растений и микроорганизмов. Для изучения йиогеохимического цикла какого-либо элемента необходимо изучить формы соединений этого элемента в природе. Растворимые соединения кремния в природных водах, в том числе и почвенных, находятся в грех формах: моно-мерно-дашерной кремниевой кислоты» полимерной кремниевой кислоты л полимерной форме соединений кремния, связанных, с органическим веществом. Методика для юс определения в природных водах была разработана Г.М.Варшал и Л.В.ДрачевоП (1974), а затем усовершенствована для почвенных растворов к грунтовых вод В .15. Призе одько а Я.М.Аммосовой(1978).

Долгое время считалось, что растворенный кремнезем не играет существенной роли в образовании вторичных юшеролов в почве.

Сейчас имеется много доказательств активного влияния растворенного кремнезема на образование глинистых минералов. Он участвует в синтезе каолинита (Горбачев, 1930), Кремнекислота может изменять структуру монтмориллонита, каолинита, гиббсита (Н.Тан, 1973). Кремнезем может аккумулироваться в почве. Этот процесс универсален (Ковда, 1986), Йз аллювиальных и горизонтальных ландшафтов кремнезем выносится, а в аккумулятивных и аккумулятивно-гидродарфных видах ландшафта с транспирационным и испарительным балансами почленно-грунтовых Вод происходит накопление подвитых форм кремнезема, образование крешиевнх новообразований. Этот процесс, вероятно, связан с подзолообразованием (Ковда, 1986).

Наиболее важный продукт почвообразования - это производные органоминеральных соединений. Особое внитние уделялось и уделяется изучению взаимодействия гумусовых веществ с почвенными минералами (Орлов, 1984). Влияние же растворимых соединений кремния на органическое вепество почвы изучено крайне слабо. Существует ряд косвенных доказательств существования кремнийорганкчес-

о

них содинений в почве (Вронков и др.ДЗТЭ), прочной связи кремния с гумусовымп веществами (Фотиев, 1971; Чебаевскпй, 1983). Интересные данные получили В.В.Стрелко с соавторами (1984), доказавшие возмозкность полимеризации ацеталъдегида я аминоспиртов в нормальных условиях в присутствии геля кремниевой кислоты. Крем-нийорганические соединения могут попадать в почву вместе с растительным опадом (Алешин и др.,1978).

Особый интерес представляет влияние краше зет на плодородие почв и уро:иайность растений. Крешиевые "удобрения широко используются в таких странах как Китай, Япония, США.. Однако они применяются пока только на культурах кремниефтлах (рис, сахарный тростник и др.). Но существует множество доказательств необ-

ходимости кремния для норшльного роста и развития растений не являющихся кремниефилами.

Амор^ие форш оксида кремния влияют на растения как непосредственно, так а косвенно через почву. При внесении кремниевых удобрений, " цредставлящнх собой часто аморфный оксид кремния, увеличивается количество легко доступных фосфатов. Существует ряд гипотез объясняющих это.

К.Л.Аскинази (1966) высказал предположение, что анион кремниевой кислоты вытесняет фосфат-апион из труднорасгворимых соединений. Кроме того, силикат-анион явллется конкурентом фосфат-аниону в местах адсорбции. Ф.В.Вольвоч и др. £1982) предложили гипотезу ой образовании силико-фосфатных комплексов в почве.

Кроме влияния кремнезема на ^сфор почвы, он стихает токси-кацщо таких элементов, как алюминий, железо, марганец ( м.Нойвоп 1988, А.М*Ьаитега ,1974). Существуют доказательства влияния кремниевых соединений на кальций, почвенные нитраты (Левашкевич, 1934).

Одним из основных звеньев биогеохидаческого круговорота кремния является поглощение и накопление его в растениях, где кремний играет значительную и пока полностью не изученную роль. Растения поглощают кремшй в основном в форме простых низкош-лекулярных кислот ( А.М.Ьашгёга" ,1974). В самих растениях основная масса кремния находится в труднорастворимом состоянии, в вида особых образований - фитолитов (Добровольский и др.,1988). Однако, в последние годы било определено, что растительная клетка может использовать кремний в биохимических и энергетических процессах (Воронков, 1978). Нехватка крешия сильно сказывается на росте и развитии растений. Так при выращивании томатов на бе екреюшевой среде растения росли угнетенными и не плодоносили

( з.шгеи! , 1936), Растения .выросшие на обедненных подвитым 1фемщем почвах больше подвержены заболеваниям, вредителям, имеют меньший рост, меньшую урожайность (Бахнов и др.,1384).

Все перечисленные факты свидетельствует о большой важности кремния как элемента биофила, который может быть существенным фактором в обеспечении плодородия почвы.

На основе литературных источников и собственных данных нами бняа разработана концептуальная схема биогеохимического круговорота 1фешия в почве (рио,1).

Глава г. ОБЪЕКТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для изучения поведения аморфного были проведены модельные я полевые опыты.

При проведении модельного эксперимента был использован следующий набор аморфных оксидов кремния: "аэроспл" (имеющий поверхность около 300 "белая сажа" (с поверхностью около 30 к?/г), полученная в заводских и лабораторных условиях, отходы металлургических комбинатов г.Запорожья и г.Боокресенска. Кроме того, были использованы размолотый в пудру кварц и растворы силиката натрия с концентрациями от 20 до 2000 мг/ л Изучалось растворение следящих фосфатов: СаНРО^, Са^СРО^^ , АЦЯ^РО^д и РеНР04.

■ Все модельные эксперименты проводились в полиэтиленовых флаконах. После проведения экспериментов исследовали как осадок (методами ИКС, рентгенографии), так и надосздочную жидкость, (Фотометрически и атомно-адсорбшонным методами),

В полевых условиях бшл проведены шкроделяноч1шй и микрополевой эксперименты. Оба цоля располагались на территории агро-биостанцяи "Чагагшково" - опытной станции факультета Почвовадения МГУ им.1,1.В .Ломоносова, Шкроделяночнай опыт был валожен.на цэ-

а о

£

о

со о

£ £ сс> о я

о я

г

>71

о га о

.■8 ®

!Я

"Э <0

я

¡3 »

ТО

Еоздействие органического ведасгва потоке:

--->• поликремниевой кислоты

-<* монокиекннеЕоИ кислоты

| | -твердая фаза почвы -жидкая фаза почвы

» 1

липкой дерново-подзолистой средаесуглиннстой- почве. Мнкрополевой - на поле, входящем а севооборот а1робиостаншга, на дерново-подзолистой средиасу глинистой окультуренной почве. В качестве крешкевого удобрения использовали препарат "белая сака" заводского производства. В целинную почву вносили в верхний десяти-сантиметрсвый слой следугацие дозы "белой саяи" - 30,100,500, 1000 и 3000 кг/га Síftj. 6 окультуренную - 30,50,100,300,500,700 и 1000 кг/га. Йсследуеше культуры: кукуруза и ячмень. Кроме того, на целинной почве исследовалось последствие кремниевого удобрения и влийние eixj на почву и растения при ежегодном внесении в почву. Почвенные образцы отбирались из верхнего горизонта. В них определяли рНв0Д. рНсдл, содержание общего углерода, фосфор по Кирсанову, фосфор по Гинзбург-Лебедевой, буферную способность почва по фосфору, содер*дание нитратов, содержание кремния в водной; 0,5 м К HgPOj вытяжке; в 0,In HCl внтяяке. Кроме того, из дерново-подзолистой целинной потом был выделен почвенный раствор по методу Никитина, в котором определены фермы кремниевых соединений, проведен учет уродая кукурузы и ячменя в 1987, 198Э гг. Помимо учета урожая были проведены исследования по изучению возможного влияния кремниевого удобрения на сами растения, Для этого измеряли содержание хлорофилла в листьях кукурузы, исследовали полученные зерна ячменя на прорастание и определяли их кпзнэ-стойкость методом цитофототетрин. Цитофотометрический аналзга зерен показывает увеличение или снижение жизнеспособности растений при действии на него какого-либо фактора на уровне ЩК по методу И.П.Ермакова . Для вшолненич этого анализа проращивают зерна, : полученные корешки гидролнзуэтт и окрапиваш1 реактивом Ииффа. Далее приготавливают "давленный препарат и проводят измерение относительной концентрации ДНК в клетках зоны деления корешков на

микроскопе со встроенным спектрофотометром, По полученным' данным строят гистограмма и вычисляют среднее значение концентрации ДНК» Увеличение среднего значения относительного содержания ДНК в клетках корешка означает положительное влияние изучаемого фактора на * жизнеспособность растения. ■

■ Глава 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Трансформация и миграция кремнезема в почве

Для изучения состояния и трансформации вносимого аморфю-го оксида кремния в почве было необходимо в модельных условиях изучить раотворение различных форм исследуемых аморфных кремнеземов. Изучая трансформационные процессы, происходящие в модельных опытах, и сравнивая их с природными, можно лучше понять процессы и механизмы трансформации кремнезема в почве.

Результаты модельных исследований растворения различных форм кремнезема представлены в табл.1. Наибольшей растворимостью обладают отходы ( ¿¡С^) Запорожского металлургического комбината - 43,8 кг/л 5;02 и "аэросил" - 43,4 мг/л ^О^. В основном аморфные формы кремнезема существенно не изменили значение рН среды. Лить отход Воскресенского металлургического комби-вата сильно подкислил воду - до 3,7, что может быть связано с наличием в нем цримесей окиси алюминия. Определение содержания 1фемния в кадосадочньк водах проводили молибденовым методом, т.е. определяли только мономерно-димеркые формы кремниевой кислоты. Надосадочные воды в эксперименте с "белой сажей", применяемой в дальнейшем в полевых экспериментах, били проанализированы и атом-мо-адсорбционным методом, дня того чтобы определить общее содержание растворимых форм кремнекислогы. Среднее содержание общего растворенного кремния составило 45,0^3,2 мг/л . А содеряа-

..... Таблищ I .

Содержание кремния мг/л в надосадочных водах

Препарат ри

"аэросил" 43,44 6,71

"белая сажа" лабораторная 29,40 7,21

"белая сажа" заводская 41,84 8,01

Отходы металлургических 43,86 7,04

комбинатов г.Запорожья

г.Воскресенска 16,70 3,77

кварц 2,24 7,32

0,00 6,79

Таблица 2

Содержание SiOi (мономерно-димернне формы) в различных вытяжках из дерново-подзолистой окультуренной почвы, мг/л л = 12

Доза SiOj кг/га V 0,5м KgKPO^ ОДп HCI

Август

Контроль 16,49 13,87 35,55

30 17,67 13,38 35,31

50 19,96 ,18,20 32,21

100 16,42 12,77 36,32

' 300 17,57 11,68 26,96

500 18,23 11,69 34,86

700 12,95 0,90 33,21

1000 12,31 ' 11,67 29,28

Сентябрь

Контроль 10,06 10,22 40,60

30 9,31 11,75 60,75

50 9,02 10,13 48,41

ICO 10,58 ГЯ ,57 62,16

300 13,05 12,40 42,82

500 11,49 14,09 45,35

700 10,92 11,86 41,33

1000 12,55 10,39 43,77

кие монокремниевой кислоты 41,8+1,26 мг/л Sfi^ . Отсвда следует, что "белая сада" заводского изготовления при растворении дает в раствор в основном монокремниевые кислота.

В целинную и окультуренную дерново-подзолистые среднесугли-нжстые потаи был внесен аморфниЙ тонкодисперсннА оксид кремния -"белая са^а", изготовленная на заводе. Введение в почву высокоактивного кремнезема дает возможность проследить его трансформацию в почве и обнаружить изменения, происшедшие в самой почва, как результат влияния ÜiOj, , Использование серии доз аморфного кремнезема позволяет определить степень этих взаимодействий, а также решить практическую задачу -г установить оптимальную дозу внесения такого кремниевого удобрения, как "белая сака", на дерново-подзолистые почви. Проведение модельных экспериментов по растворению некоторых Форм аморфного кремнезема бнло необходимо: во-первых, для определения других потенциально возмо:шых кремниевых удобрений, во-вторых, для выявления механизма воздействия "белой сажи" на почву.

При исследовании растворимого кремнезема в почве нас в первую очередь интересовало количество мономерно-димерной кремниевой кислоты. Зто связано с тем, что именно эта форма растворимого вдемнезема наиболее активна. Водная и фосфатная (0,5 м К^НРОд) вытяжки извлекают наиболее легкорастворимые формы кремнезем. Кислая Бытяглса (0,1н HCl) является более агрессивной и выносит в раствор кре)лниевой кислоты в 2-4 раза больше, чем водная вытяжка (табл.2,3). Это объясняется тем, что кислая вытяетса растворяет некоторую часть почвенного аморфного кремнезем». При добавлении тонкодисперсного кремнезема в почву происходит увеличение содержания моно1срешиевой кислот и в витяжках при дозах до 300 кг/га. При дозах 500-700 кг/га £»0i наблюдается уменьшение содергания

Таблица 3

Содержание 5!(^мг/л (моношрно-димерные форш) б различию: Ентякках из дерново-подзолистой целинной почвы /I =12

Год Доза кг/га Н2° 0,5гл КзНР04 ОДн НИ

Контроль 7,39 11,29 17,94

> 30 9,47 15,29 22,31

1987 ТОО 11,97 14,13 25,28

500 9,34 8,18 21,93

1000 6,06 10,38 21,61

- 3000 10,58 12,20 35,14

Контроль 5,32 7,95 23,92

30 6,15 9,17 26,39

100 6,03 7,23 27,19

1988 500 7,11 8,46 25,74

. 1000 4 ,88 6,92 25,41

3000 5,79 7,58 32,58

Таблица 4

Содержание различных форм растворимых соединений кремния в поч-

венном растворе. 1989 Г. Дерново-подзолистая целинная почва.

Доза Мг кг/га А Мономерн о -дитер-кые формы ш/л В С - Общий кремний ОбсщД кремний без ?'А.мрА связанного с орга-' ничееккм в-вом А&мг/л

Контроль ад1 21, ,53 21,53

100 П,79 23, ,00 22 Д 7

500 10,72 20,24 21,97

1000 23,34 66,36 64,10

3000 19,74 94, Д2 92,23

Доза ал кг/га Д Поллкремниевые к-тн по разности Д=С-А К Со един опия сачзанные с оргашгч.в-вом К=В-С ОДоу:

Контроль 13,42 1,09

100 9,55 0,83

500 9,52 —

1000 40,76 2,26

3000 70,39 1,75

кремниевой кислоты. Интересно, что в случае с целинной почвой эта закономерность прослеживается более строго (табл,3,3). При увеличении времени со дая внесения оксида кремния в почву содержа^ ние моно-диморных форм кремния в водных вытяжках уменьшается, а ; в кислых увеличивается. Это происходит как в контроле, так и при , внесении кремниевого удобрения. Изменения содержания кремния в вытяжках объясняется климатическими факторами и переходом свободной кремниевой кислоты в амэрфный кремнезем. В окультуренной ' и целинной почвах эти процессы идут с разной интенсивностью, что связано, вероятно, с различиями в фоновом содержании подвижных форм щземния в них. Для понимания процессов трансформации кремнезема в почве бьш получен'по методу ТГищтина почвенный раствор и исследован. Этот метод оказался в несколько раз чувствительнее и информативнее при определении содержания растворимых форм кремнезема в почве по отношению к методам различных вытяжек (табл.4). Изучение распределения подвижных форм кремния в почвенном растворе подтвердило наши предположения о трансформационных изменениях "белой сажи" в почве, степень которых зависит от дозы. Так, при дозе до 500 кг/га концентрация монокремниевой кислоты ' увеличивается при увеличении дозы, но примернд соответствует поликремниевой кислоте. Дальнейшее увеличение дозы аморфного тонкодисперсного оксида кремния резко увеличивает оодеркание поликремниевой кислоты в почвенном растворе. В почвенном растворе содержится некоторой количество поликрешиевых кислот, связанных ч органическим веществом (см.табл.4).

Полученные результаты показывают, что при дозах кремниевого удобрения до 300 кг/га идет увеличение монокремниевой кислоты в почве, что объясняет эффективность этих удобрений. При дальнейшем увеличений дозы "белой сажи" начинается интенсивный процесс

образования поликремниевых кислот, на образование которых расходуются монокремниевне кислоты. Можно предположить, что s результате этого снижается эффективность "белой сами". Поликремниевыа кислоты при периодическом изменении увлажнения почвы оса;кдаются, образуя аморфный оксид кремния. Эта доказывают и трансформационные, изменения "белой сажи", которые были исследованы методом электронно-растровой микроскопии. Исследовались препараты оксида кремния до внесения в почву и после взаимодействия с ней. Найти частицы кремниевого удобрения в почве удалось только при максимальных дозах его внесения и отделялись они от почвы р помощью лупы и пинцета. Исходный препарат "белой сажи* - пороаок с чрезвычайно большой по площади и рыхлой поверхностью, При увеличении 300 и 1000 была обнаружена однородная аморфная масса, в которой практически невозможно выделить отдельности. После пребывания в почве кремнезем претерпел существенные изменения. У ara при увеличении 100 мокно выделить отдельные зерна с четкими, ровными Границами. При увеличении 300 были обнаружены оплывшие пластины , кремнезема а ровными границами, Всо это несомненно свидетельствует об уменьшении площади поверхности кремниевого удобрения, а следовательно, уменьшении растворимости кремнезема. Кроме того, наблюдается укрупнение частиц кремнезема. Наши данные подтверждаются исследованиями РЛЙлера (1986) показывающими, что при последовательном, сезонном изменении влажности почвы происходит укрупнение кремнеземистых частиц. Анализируя полученные данные мы пришли к выводу, что при внесении больших доз "белой сажи" с ней происходят различные трансформационные и миграционные изменения. Пони: гае тс я площадь поверхности крешезеыа. При больших дозах (свыше 500 кг/га) в почве интенсивно образуются поликреглте-вые кислоты и честиш с меньшей площадью поверхности, чем "белая

cam" и, следовательно, уменьшается скорость вовлечения кремния в бногеохишческлй круговорот веществ. При малых дозах "белой сакщ", очевиднее идет процесс укрупнения кремнеземистых частиц, так как расстояние меяду ниш в почвенной толще велико. В резуль тате почти весь внесенный кремнезем активно используется в почвенном биогеохимическом круговороте кремния.

3.2. Влияние кремниевого удобрения на химические свойства почв

При изучении возможности применения какого-либо нетрадицион ного удобрения необходимо изучить его влияние па свойства почвы для того, чтобы объяснить механизм влияния на растения я выявить все негативные последствия его применения. Кроме того, такое изу чение позволит определить оптимальные дозы, время и метод внесения того или иного удобрения.

Наш исследования показали, что на кислотность почвы, содер жапие углерода и нитратов "белая са;;са" существенно не влияет. Установлено, что существенное влияние кремниевые удобрения оказывает на фосфорное состояние почв. При определении подвижного фосфора по Кирсанову были выявлены большие колебания его содержания в почве во времени. Однако, определенная зависимость содер кания подвижного фосфора от дозы кремниевого удобрения прослеживалась всегда. Максимальное содер;капие подвижного фосфора для окультуренной почвы составляет в сред]tew IS,04 гтг/100 г почвы при дозе Sift - 300 кг/га, в контроле 10,77 мг/ЮО г почвы. Наибольшее содержание под витаю го фосфора по Кирсанову для. целгшкой почвы было определено в вариантах с доозш кремнезема 3000 кг/га - 6,85 мг/ЮО г почвы и 100 кг/га - G.53 мг/ЮО г поч вы при контроле - 4,50 мг/ЮО г почвы.

Таблица 2. Фракционный состав фосфора по Гинзбург-Лебедевой. Ячменное поле 1957 г.

д03а I Фракция П £равди ¡11 фракют ЗУ гракшм У фраташг

кг/га i фак/ р^ ? фак/ р^ г'йак/ р^ ^ ёак/ р^ ~г фак/

г теор т теор * теор ^ теор г теор

Контроль 0,0317 0,0418 0,0373 0,0249 0,0260 0,03>5

30 кг/га 0,0440 0,7 0,0260 4,94 0,0318 1,23 0,0116 1ДЗ 0,0203 2,01 0,0239

50 кг/га 0,0419 0,73 0,0383 0,29 0,0275 1,58 0,0137 2,45 0,С214 1,39 0,0252

100 кг/га 0,0375 0,87 0,0279 3,74 0,0314 0,87 0,0172 2,57 0,0209 1,69 0,0243

300 кг/га 0,0130 1,31 0,0264 2,54 0,0343 0,51 0,0159 ■ 2,24 0,0233 1,07 0,0252

509 кг/га 0,0371 0,36 0,0332 1,25 0,0293 0,86 0,0202 1,55 0,0218 0,88 С,0216

700 кг/га 0,0280 0,68 0,0331 0,77 0,0274 "2,16 0,0186 1,43 0,0216 0,79 0,0259

1000 кг/га 0,0299 0,02 0,0303 1,78 0,0304 0,95 0,0152 1,87 0,0238 0,65 0,0260

Для изучения механизма повышения содержания доступного фос фора под действием аморфного кремнезема был проведен анализ ми, нерально-связанного фосфора почвы по методу Гинзбург-Лебедевой (табл.5). Известно, что фракция Са-Р-ц анализа по Гинзбург-Лебедевой представлена фосфатами, непрочно связанными с кальцием, щелочными металлами и аммонием. Анализ других, менее растворимых фракилй фосфора показал, что их содержание в основном уменьшается, Особенно это заметно, если сложить содержите фосфора во фракциях: Са-Рд; М-Р; Те-Р^Са-?^' Это доказывает, что в почве, под действием растворимого кромнезеш происходит перераспределение содержания фосфора в раэличггых фракциях. Идет уменьшение содержания труднорастворимых фосфатов. При этом буферная способность почвы по фосфору больше уменьшается там, где больше увеличивается содержание подвижного фосфора по Кирсанову.

Для более детального изучения механизма влияния кремниевого удобрения на фосфаты почвы были проведены модельные исследования. Данные по растворимости фосфатов кальция, алюминия и железа в присутствии различных модификаций аморйного кремнезема и силиката натрия представлены в табл.6. Для исследования процесса замещения силикат-анионом фосфат-аниона была изучена динамика растворения двузамещенного фосфата кальция под воздействием различных концентраций Л^51^з(тайл,7). Этот эксперимент показал, что вначале происходит адсорбция силикат-анионов на 'фосфате, а затем вытеснение фосфат-аниона в раствор. Кремнеземы сильно увеличивают растворимость фосфатов, так максимальное увеличение растворимости СаИР04 произошло под действием силиката натрия при его концентрации 500 мг/л 5;£>г и составило 0,3758 мг/л Р, что в 6 раз больше контроля (0,0520 мг/л Р), Исследуя твердую фазу после проведения модельных экспериментов методами ИКС и рентге-

Таблица 6, Влияние различных форм яремнезема и растворов силикат® натрия на растворимость фосфатов за один месяц

Форш креш?озема s кондент-

инРОц c^frtgj Щнщк

ратаи силиката натрия в Р мг/л рК Р кг/л рН Р иг/л рН Р мг/л рН

SC^ мг/л ■

Контроль HgO 0,0608 7,21 0,0238 6,89 0,1124 2,23 0,1632 3,83

"аэросил" 0,0730 6,98 0,0269 6,96 0,1291 2,29 0,1716 4,05

"белая casca" лабораторная 0,0634 7,18 0,0309 6,91 0,1393 2,30 , 0,1618 4,04

"белая casa" заводская 0Д334 6,49 0,0261 7,22 0,1371 2,37 0,1710 4,43

Отходы ме талл^рппе с кех

комбинатов:

г.Запорожья 0,0628 7,32 0,0238 6,95 0,1365 2,25 0,2542 4,09

г.ВоскресеЕска 0,2564 5,55 0,0313 6,60 0,2067 2,21 0,1983 3,80

раствор сшшката натрия

2000 . 0,2190 8,05 0,0317 6,96 0,1927 2,24 0,3034 6,43

1000 0,3058 7,37 0,СВ77 6,73 ■ - — 0,2630 6,43

500 0,3758 - 7,16 0,0262 6,64 0Д867 2,25 0,2032 5,77

250 0,2038 6,67 0,0263 8,51 - . - 0,1680 5,01

100 0,1396 6,59 - — - — - 0,1444 4,26

50 0Д162 6,63 - - - 0,1468 4,04

20 .0,0762 6,84 — ■ - 0,1668 5,24 0,1448 3,60

Кварц 0,0646 7,14 0,0256 6,98 - 0,1682 3,86—

КСР0(5 0,0063 0,15 0,0048 0,69 0,0093 0,08 0,0089 0,12

Таблица 7 . Динамика растворения СаНРО^ под действием силиката натржя

Концентрация Время опыта

силиката натрия 5; Oí м г/л I час Р мл/л 5 часоз ? кл/л 10 часоз Р !:я/л 34 часа Р вд/л 50 часов Р та/л 7 суток Р l'Jl/л 14 суток Р кп/л 20 суток Р 1'л/л

0,00 0,0493 0,0592 0,С754 0,0692 0,0534 0,0550 0,0600 0,0620

20 0,0300 0,0356 0,0440 0,0554 0,0464 0,0638 0,0744 0,0918

50 0,0313 0,0362 0,0482 0,0678 0,0722 0,0778 0,1348 0,1410

100 0,0306 0,0417 0,0550 0,0748 0,0814 0,0928 0,1694 0,1656

250 0,0358 0,0412 0,0594 ■ 0,0325 0,0946 0,0728 0,2496 0,2418

500 0,0376 0,0452 0, 0770 0,1264 0,1472 0,3283 0,2942 0,3296

1000 0,0412 0,0528 0,0308 0,1466 0,1906 0,4805 0,2930 0,2558

2000 0,0402 0,0504 0,0793 0,0402 0,1740 0,3718 0,3282 0,2574

КСР0,5 0,2077 0,0027 0,0093 0,0087 0,0131 0,0117 0,0103 0,0149

нр1рафии было получено, что в вариантах о фосфатами кальция образовывались силикаты кальция, этот же процесс идет а в вариантах с фосфатом алюминия.'

3.3. Влияние кремниевого удобрения на растения

Проведенные половые эксперименты показали, что "белая сажа" является эффективным удобрением (табл.8). Однако эта эффективность зависит от дозы внесения его в почву. Влияние кремниевого удобрения на фосфорное состояние почвы бесспорно, однако, оно действует и непосредственно. Косвенным доказательством этого может сяущть тесная корреляционная связь мезду содержанием под-мжлогс» кремнезема, извлекаемого 0,1н НС1 вытяжкой и урожаем ку-иккуэы К=0,9700.

При изучении влияния повторного внесения аморфного'кремнезема было установлено, что при повторном внесении "белой сажи" происходит ускорение созревания початков кукурузы и отмечено улучшение качества и количества початков.

Исследования влияния "балой саки" на культуру ячменя проводили на дерново-подзолистой ередн е суглинке той окультуренной почве. Учет уркаая (табл.З) показал, что наибольшая прибавка зерна была при дозе 300 кг/га . Для изучения влияния кремниевого удобрения непосредственно на растения был произведен ряд экспериментов о полученным зерном. При исследовании его на прорастание было установлено, что лучше результаты да от семена, полученные с участков, где вносили дозы "белой сам" - 100-300 кг/га 5|'0£ . Одни из таиболее точных анализов, покаэыващаЯ жизнеспособность растений, является цитофогометрическое исследование проросших зерен (по Ермакову И.П. ,1078). Эти исследования позволяют изучить содержание Д!Ж в интерфазных ядрах гиге ток зоны деления корешка. Показателем жизнеспособности рас ткни!* служит усреднен-

Таблица 8.

Гронай кукурузы и ячменя

Доза Кукуруза Ячмень

кг/га 1987 Г. 1988 г Доза Вес

Вес сухогоорас-тения, гЛг Последствие удобрения 1987г. вес сухопьрас-тения, г/1г 2-х разовое внесение удобрения, вес сухорастения, г/иг ЗД1 кг/га зерна, г/м2

Консоль 419 768 — ■ Контроль 461

"30 557 ÏI20 1144 30 449

100 506 1230 1360 50 569 »

500 314 856 IÏI2 100 527

1000 594 1080 . 952 300 684.

3000 664 I0S4 II53 500 700 553 395

1000 465

ное относительное значение содержания ДНК в них. Для дозы 30 кг/га среднее содержание ДНК в клетках составило 80,46±0,75, контроль -76,54±0,78, а при дозах 50 кг/га и 1000 кг/га - 114,41^0,77 и 117,02^.0,77 соответственно при контроле 110,16±0,76. При других дозах наблкдается некоторое уменьшение содержания ДНК и составляет для доз 100,300,500 и ?00 кг/га аморфного кремнезема -110,84^0,76, 107,02+0,77, 108,77+0,76 и 104+0,77 соответственно при контроле II3,IG±0,77. Наиболее значительное уменьшение наблюдалось при дозе 700 кг/га кремнезема, в остальных случаях уменьшение незначительное. На основе полученных данных можно оказать, что малые дозы аморфного тонкодисперсного кремнезема положительно влияют на физиологическое состояние растений. Большие дозы кремнезема могут несколько замедлить деление клеток корешка ячменя.

ВШОДЦ

На основа полученных данных модельных и полевых экспериментов были сделаны следующие выводы:

I, Показано, что при внесении аморфного тонкодисперсного кремпезема в верхний десятисантиметровнй слой дерноро-подзолистой почвы происходят его трансформационные изменения, степень которых зависит от дозы, Амэрфный оксид кремния цри взаимодействии с водой растворяется с выделением в раствор монокремниевой кислоты, которая может полимеризоваться при определенных концентрациях монокремшювой кислоты и условиях внешней среды. При

, идет

дозе "ОелоП сажи' более 500 кг/га интенсивное образование поликремниевых кислот и уменьшение площади поверхности частиц "белой сгт". при дозах нияа 500 кг/га процесс полимеризации монокремниевой кислоты идет менее интенсивно, что объясняет понижение

эффективности кремниевых удобрений при дозах 500-1000 кг/га,

2. Внесение кремниевых удобрений изменяет фосфатное состоя-■ низ дерново-подзолистой почвы. Показано, что силикат-анион вытесняет фосфат-ион из труд;юрастворимых фосфатов, что объясняет увеличение содержания легкодоступных фосфатов в почве, уменьшение количества труднорастворимых фракций минеральносвязанного фосфора, а также уменьшение потенциальной буферной способности почв по фосфору.

3. Согласно модельным исследованиям кремнезем наиболее сильно повышает растворимость двузамещенного фосфата кальшш, И на первой стации взаимодействия идет адсорбция кремниевой кислоты

на фосфаты, на второй - вытеснение фосфат-ионов в раствор.

4. При исследовании методами инфракрасной спектроскопии и рентгенографии твердого остатка продуктов взаимодействия кремнеземов и фосфатов показано образование алшо- и кальций силикатов.

5. Увеличение количества доступного кремния в дерново-подзолистой почве ускоряло созревание кукурузы, увеличивало содержание хлорофилла в ее листьях, влияло на валовой состав золы разных частей кукурузы. Ячмень, выросший на обогащенной кремнием почве, становится более кизнестойким, что было показано методом прорастания семян и методом цитофотометрии, показывающим изменения происходящие в клетках на уровне ЦК.

6. Наибольшее влияние на плодородие дерново-подзолистой почвы аморфный тонкодисперсный оксид кремния проявляет в количестве 100-300 кг/га, которое дает максимальное увеличение легкодоступных фосфатов по Кирсанову и позволяет получить наибольший урояаЭ ячменя и кукурузы с улучшенным качеством.

7. Установленные закономерности влияния кремнезема па фосфатной состояние почв позволяют рекомендовать использовать аморфные

формы оксидов кремния для более эффективного применения ¡фосфорных удобрений, улучшения экологического состояния всего биогеоценоза ®и расфосфачивашш почв.

8, Показана возможность использования в качестве кремниевых удобрений вторичного сырья металлургических комбинатов.

9. На основании литературных материалов и полученных экспериментальных данншс била составлена концептуальная схема бногео-химического круговорота кремния в почве,

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Исследование ашрйного оксида крешяя ь качестве удобрения // Труды X конференции молодых ученых. М. :1ЛУ,1989.С.5&5Э в соавторстве с Я.М.АммоеовоЙ.

2. Кремний как элемент питания в дистеш "почва-растенкеV/ Тез.докладов Всесоюзного съезда по^шоведов. т,3 Новосибирск, 1989. С.221 в соавторстве с Я .1.1.Аммосовой.

3. Форот шгращщ ^уйшия в почъах и в системе почва-растение //Тез.докладов 9-го Международного симп'^лума по биогаохимии окружающей среды. Ц,,1939. С.44. в соавторстве с Я.М.АммоссаоП.

Автор благодарит д.х.н. В.М.Дьякова за еистематн'всшв консультации, а так ле сотрудников кафедр хиики почв ф-та Почвоведения и физиологаи растений Биологического ф-ти МП/ Э8 ок&звнную помощь в работе.

от 22/1-90Г. Сак. 1Э0р. Гвр.100, Тт.ВЛГЗнание".