Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физико-химические процессы в мелиорированных торфяных почвах северо-восточной части Среднеамурской низменности

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Физико-химические процессы в мелиорированных торфяных почвах северо-восточной части Среднеамурской низменности"

На правах рукописи

РГБ ОД

2 5 НОЯ 1996

Матрошилов Юрий Алексеевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕЛИОРИРОВАННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ СРЕДНЕАМУРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

(03.00.27 - почвоведение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток - 1996

Работа выполнена в Институте водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН

Научные руководители: доктор биологических наук

Н.М. Костенков кандидат биологических наук М.А. Климии

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

A.П. Сапожников

кандидат сельскохозяйственных наук

B.И. Ознобихин

Ведущее учреждение: Дальневосточный научно-исследовательский институт сельского хозяйства ДВО РАСХН

на заседании диссертационного совета Д 003.97.02 при Биолого-почвенном институте ДВО РАН по адресу: 690022, г. Владивосток, проспект 100 лег Владивостоку, 159, Биолого-почвенный институт, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ДВО РАН.

Защита состоится "/?-" декабря 1996 г. в 10 часов

-и

Автореферат разослан

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

с

Л.Н.Пуртова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Среднеамурская низменность, занимаящая в пределах России площадь около 7 млн. га (Хомеитовский, 1968), является основной сельскохозяйственной базой Хабаровского края. В то же время большая часть ее территории занята болотами, вовлечение которых в земледелие невозможно без проведения мелиорации. Широкомасштабное осушение болот Среднеамурской низменности и 30-летнее сельскохозяйственное использование мелиорированных торфяных почв привели к возникновению ряда проблем, обусловивших снижение урожайности на мелиорируемых землях юга Дальнего Востока (Худяков и др., 1987). Основными из этих проблем в регионе являются несовершенство мелиоративных приемов, некритическое перенесение опыта мелиорации почв в других регионах страны на Дальний Восток (Степанов, 1987), недоучет специфики климата, а также неустойчивость эффективного плодородия и высокая эрозионная уязвимость местных почв (Зархина и др., 1983), что приводит к ускоренной минерализации органического вещества вплоть до полного исчезновения органогенного слоя торфяных почв за 2-3 десятилетия интенсивного сельскохозяйственного использования (Климин, 1993). Названные проблемы в значительной мере связаны с недостаточной изученностью современных процессов, протекающих в мелиорируемых торфяных почвах, в том числе и изменений физико-химических свойств торфа при эксплуатации осушенных болотных массивов. Поэтому актуальным является изучение этих вопросов на существующих мелиоративных системах Приамурья.

Цель и задачи работы. Цель работы - выявить закономерности изменений физико-химических свойств и направленность физико-химических процессов в торфяных почвах северо-восточной части Среднеамурской низменности при мелиорации и сельскохозяйственном использовании, в связи с чем решались следующие задачи: 1) изучить преобразование морфологических и физико-химических свойств торфяных почв при их освоении и использовании; 2) исследовать сезонную изменчивость состава обменных катионов и емкости катионного обмена (ЕКО) в торфяных почвах с различной степенью трансформации и выявить взаимосвязь физико-химических и гумусообразовательных процессов; 3) определить показатели интенсивности физико-химических реакций и устойчивости физико-химических равновесий в почвах; 4) дать оценку преобразованиям физико-химического состояния торфяных почв, происходящим при мелиорации.

Научная новизна. Впервые дается представление о направленности изменений и стабильности физико-химических равновесий в мелиорированных торфяных почвах Среднеамурской низменности на основании изучения сезонной динамики основных физико-химических свойств с применением термодинамического подхода. Проведена адекватная сравнительная характеристика сильно различающихся по физическим свойствам торфяных почв. Выявлена роль различных форм органо-минеральных производных гумусовых кислот в сезонной изменчивости ионобменных равновесий между почвенным поглощающим комплексом (ППК) и почвенным раствором (ПР) в целинных и мелиорированных почвах.

Защищаемые положения. 1. Интенсивное антропогенное воздействие на торфяные почвы обусловливает преобладание минерализаци-онных процессов над гумусообразоватсльными и появление новых форм органо-минеральных производных гумусовых кислот. 2. Трансформация торфяных слоев в минерально-органические и органо-минеральные горизонты сопровождается снижением их буферной способности. 3. Смещение равновесия минеральных соединений азота в сторону образования нитратных и нитритных форм, накапливающихся в продукции, связано со снижением кислотности ПР ниже 6 единиц рН при известковании торфяных почв.

Практическая значимость. Полученные новые данные о направленности и интенсивности основных физико-химических процессов в мелиорированных торфяных почвах Приамурья необходимы для корректировки применяемых и проектируемых систем внесения химических мелиорантов и минеральных, удо'брений па разных стадиях агрогешюй трансформации подобных почв. Рекомендации по материалам исследований переданы в проектно-изыскательский институт-Дальгипроводхоз.

Апробация. Результаты исследований представлялись на IV конференции молодых ученых ИПФС (Пущино-на-Оке, 1989), на научно-технической конференции "Принципы и метода: химических мелиорации почв Дальнего Востока" (Уссурийск, 1989), II делегатском съезде Российского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996) и конференциях молодых ученых и специалистов ИВЭП ДВО РАН (Хабаровск, 1987-90)

.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и списка литературы, включающего 130 наименований. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, в том числе содержит 10 таблиц и 22 рисунка.

Глава 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

По почвенно-гсографическому районированию Приамурья район исследований входит в зону бурых лесных оподзоленных, бурых лесных поверхностно-глсевых, бурых лесных, лугово-болотных и болотных почв "марен" (Ливеровский, Рубцова, 1962).

Северо-восточная часть Среднеамурской низменности по рельефу представлена несколькими морфологическими уровнями равнин - предгорной пологоиаклонной увалистой, плоской низменной междуречной и плоской расчлененной приречной (Анисимов, 1973). Для хозяйственных целей наиболее пригодна территория плоской низменной междуречной равнины, однако значительная часть ее заболочена. Широкому развитию здесь процессов болотообразования способствовали особенности природно-климатических условий: высокий коэффициент увлажненности, муссонный характер выпадения атмосферных осадков, пониженные температуры почв, обусловленные длительной сезонной мерзлотой: а также малые уклоны поверхности, слабая водопроницаемость рыхлых осадков тяжелого гранулометрического состава и др. Состав растительных остатков и условия гумусообразования в торфяных почвах и определяют, в основном, их физико-химические свойства.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на мелиоративной системе "Вознесенская" Амурского района Хабаровского края. К началу мелиорации здесь находилось гетеротрофное кустарничково-сфагновое болото с торфяными отложениями мощностью ог 0,5 до 1,2 м, повсеместно подстилаемыми глинами и тяжелыми суглинками. Ввиду широкого распространения этого типа болот, они являются одним из типичных объектов мелиорации в Приамурье.

Осушительные работы, начавшиеся здесь с середины 60-х и продолжавшиеся до 90-х годов, обусловили на.шгчие широкого спектра мелиорированных почв. Изучение почв проводилось на пяти участках, различающихся по длительности осушения и характеру использования (рис. 1).

На каждом участке были заложены опорные разрезы. Из них по генетическим горизонтам отбирались образцы почв, в которых общепринятыми в почвоведении методами определялись физические и физико-химические свойства. На всех участках в 1987-89 г.г. изучалась сезонная динамика состава обменных катионов, емкости катионного обмена (ЕКО), а также обменной и гидролитической кислотности.

и, см

80

Осушение, лет

Оч

Т1

Т2

ТЗ

ТМ

с

Тд

Т1

Т2

тм

Апах1

Апах2

ТМ

Апах1

Апах2

ТМ

А пах1

Апах2

ТМ

0/0

10/0

17/4

21 / 14

21 / 14

Рис. 1. Схема строения опорных почвенных разрезов

Почвы: 1 - торфяная маломощная (целинная); 2 - дерново-перешойно-торфяная (освоенная, под многолетними травами); 3 -перегнойно-торфяная (новоосвоенная, пахотная, под пропашными культурами); 4 - перегнойно-торфяная (старопахотная, под пропашными культурами); 5 - перегнойно-глесвая (старопахотная, под пропашными культурами); осушение, лег: до черты - всего, после черты - из них закрытым дренажем. Оч, Т1, Т2, ТЗ, Тд, Апах1, Апах2,ТМ, С - индексы горизонтов.

При изучении сезонной динамики физико-химических свойств на всех участках на годичных площадках (20x20 м) ежемесячно производился отбор смешанных образцов из 5-ти точек опробования (прикопок), расположенных регулярной сеткой. Все определения производились в свежих образцах с учетом их естественной влажности. При взятии навесок на анализ они выравнивались по сухой массе. Для равновесных вытяжек учитывалось разбавление их влагой, содержащейся в навесках.

Обменные формы кальция, магния, аммония, алюминия и водорода определялись в 1н КС1-вытяжке после часового взбалтывания и промыванием на фильтре до отрицательной реакции на Са. В фильтрате Са и анализировали трилонометрически, А1, Н - по Соколову, аммоний -феноловым методом по Важенину. Гидролитическая кислотность определялась по Каппену в вытяжке 0,1 н СН3СОСЖа. Обменные катионы натрия и калия вытесняли 1н раствором ЫН4С1 при соотношении почва : раствор = 1:50 с последующим суточным настаиванием и определением их на пламенном фотометре. Определение ЕКО проводили по методу С.Н.Алсшина насыщением почвы 1н раствором ВаСЬ с последующим добавлением аликвоты Ш504 (0.05 н) и отгитровываиием ее остатка.

4

Глава 3. ФИЗИКО-ХИМИЧНСКЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТОРФЯНЫХ ПОЧВ

Торфяные маломощные почвы Среднсамурской низменности вследствие специфики физико-географических условий при осушении и сельскохозяйственном освоении подвержены значительным и более интенсивным, чем в других регионах страны, преобразованиям. Ускоренная минерализация органического вещества (особенно при возделывании пропашных культур на осушенных закрытым дренажем торфяных почвах) приводит к существенным изменениям их морфологических, физических и физико-химических свойств.

В процессе агрогенной трансформации торфяных почв от целинной к перепшйно-глееной их морфологический профиль из органогенного (ТУТг-ТМ-С) преобразуется в органо-минеральный (Ашх-ТМ-О) (рис.1). Снижение содержания органического углерода с 48 до 12% сопровождается возрастанием объемной массы с 0,13 до 0,60 г/см3. Обогащение сть органического вещества азотом повышается: отношение С:И снижается с 34 до 17. Состав гумуса из гуматно-фульватного переходит в гуматно-фульвагный, степень гумификации снижается, а доля фракции 3 гуминовых и фулъвокислот возрастает (Климин, 1993).

В результате неоднократного известкования и применения минеральных удобрений значительно снижаются актуальная и потенциальная формы кислотности от слабокислой реакции среда в почвенном растворе (рНш> 4,3-5,5) целинной почвы, до нейтральной - в перегной-но-торфяных (рНпр 5,6-7,4) и до слабощелочной - в перегнойно-глеевых пахотных почвах (рНпр 7,1-8,2). Степень насыщенности основаниями при этом увеличивается с 26% в целинной до 96% в перегнойно-глеевой. Возрастают и содержания подвижных форм фосфора (с 9 до 55 ) и калия (с 13 до 56 мг/100 г), соответственно.

Изучение сезонной динамики физико-химических свойств: емкости катионного обмена (ЕКО), состава обменных катионов, гидролитической кислотности, - показало, что в исследуемых почвах они обладают высокой лабильностью в зависимости от гидротермических условий. При этом в контрастном по увлажненности 1988 г. на оно далось повсеместное нарастание ЕКО от июля к октябрю с некоторым торможением этого процесса в самый засушливый период (начало августа). В сентябре-октябре ЕКО повышается почти на 50% во всех почвах, исключая перегнойно-глеевую (уч. 5). При этом не вся не насыщенная основаниями доля емкости представлена гидролитической кислотностью, а появляется труднодоступная для обмена часть, которая не обнаруживается при воздействии на почву нейтральных и слабощелочных

растворов, а вступает в реакции обмена только после обработки сильной кислотой, которую применяют при определении ЕКО по метод}' Алешина и при декальцировании во фракционно-групповом анализе гумуса. Этот эффект появления "прибавочной" емкости наиболее выражен в сильно нейтрализованных горизонтах старопахотных почв. Такая динамика ЕКО может быть обусловлена сезонным ходом процесса гумусообразования: накопление промежуточных продуктов разложения растительных остатков и гуминовых кислот (июль-август); новообразование бурых гуминовых кислот с высоким содержанием карбоксильных трупп (август-сентябрь) и дальнейшее формирование их органо-минеральных производных (сентябрь-октябрь). При этом в торфяных горизонтах целинной и мелиорированных почв в условиях слабокислой реакции среды формируются комплексно-гетерополярныс соли гумусовых кислот, которые легко пиптезируются щелочами. Часть алюминия, входящего в их состав, вытесняется катионом нейтрально!! соли, остальная высвобождается только после их разрушения кислотой (рН<4,5). В сильнонейтрализованных пахотных горизонтах при совместной коагуляции кальцием золей аморфных полутораокисей и гуминовых кислот образуются адсорбционные А1- и Ре-гуминовые комплексы, разрушающиеся только в сильнокислой среде (рН<3) (Александрова, 1980). Поэтому при определении фракционно-группового состава гумуса они не экстрагируются щелочной вытяжкой, в нее переходят только более конденсированные фракции гуминовых кислот, вследствие чего удельная оптическая плотность растворов этих гуматов резко возрастает. Обработка сентябрьских образцов с участков 4 и 5 сильной кислотой при фракционно-групповом анализе гумуса вызывает разрушение адсорбционных комплексов, и они, добавляя в последующую щелочную вытяжку новообразованные высокомолекулярные бурые гуминовые кислоты, снижают удельную оптическую плотность гетерогенной смеси гуматов. Дополнительного выхода фульвокислот в вытяжку после декальцирования не происходит, что служит показателем устойчивости внутримолекулярных связей в гуминовых кислотах, которые прочнее, чем межмолекулярные в адсорбционных комплексах (Климин, 1993).

Изучение сезонной динамики физико-химических свойств мелиорированных торфяных почв Приамурья показало их высокую изменчивость, обусловленную трансформацией системы гумусовых веществ. Эхо позволяет высказать гипотезу о том, что в сильно нейтрализованных органогенных почвах гумификация тормозится на стадии образования бурых гуминовых кислот с их последующим закреплением в виде неустойчивых адсорбционных комплексов, скоагулированных высокими концентрациями солей Са и Мц.

Глава 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСИЯ В ТОРФЯНЫХ ГЮЧВЛХ ИЛ РАЗНЫХ СТАДИЯХ ИХ ТРАНСФОРМАЦИИ

Мелиорированные торфяные почвы, сильно различающиеся по физическим свойствам (плотность, набухаемость, порозиость), невозможно сравнивать по обеспеченности элементами питания растений, а также судии, о протекании в них обменных, окислительно-восстановительных и других реакций по содержанию подвижных форм элементов, отнесенным к сухой массе.

Применение термодинамического подхода, характеризующего поведение элемента в почвенном растворе его химическим потенциалом, дает возможность объективно сопоставлять различные почвы и оценивать направленность и интенсивность протекания в них различных реакций по значениям термодинамического потенциала равновесия (рК*): чем ниже потенциал, тем интенсивнее идет обогащение ПР и тем выше обеспеченность растений элементом (продуктом реакции).

Рассматриваются зри типа равновесий в системе почвенный раствор - почвенный поглощающий комплекс (ПР-ППК): 1) окислительно-восстановительные; 2) кислотно-щелочные; 3) катионно-обменные.

Изучение сезонной динамики окислительно-восстановительных (ОВ) равновесий в исследуемых почвах в наиболее контрастном по увлажнению 1988 г. показало, что в наблюдаемом диапазоне колебаний значений ЕЬ (550-270 мВ) и рН (4,48-8,40) доминирующими ОВ-реакциями являются реакции нитрификации-деиитрификации:

N03' + 2Н+ + 2е - N02" + НгО, рК'= ^Кк = 28,2; (1)

N03" + 10Н+ + 8е = МН4+ + ЗН2О, рК" = 119,25. (2)

Этими равновесиями и определяются соотношения растворимых минеральных соединений азота в почвенном растворе. Используя выведенные Г.Спозито (1984) уравнения расчета о тносительных долей

(а) нитратных, нитритных н аммонийных ионов:

«N03 = [1+102(^ 1 -рН-ре) + 108(14,4-1,25рН-ре)]-1; (3)

€(N02 = 102П4, 1 - РН - ре) аН0?, (4)

аЫНд = 108(14.9-|.25Рн -r'>aNOз, (5)

рассчитали теоретически ожидаемые концентрации нитритов в ПР, ко торые не определялись экспериментально (табл. 1).

Таблица 1

Динамика окислительно-восстановительных равновесий и минеральных форм азотк в целинной и мелиорированных торфяных почвах (1988 г.)

Уч-к Гор. Дата I рН ре ЕЬ [ЫН4+] [N03-] [N02-]* N¡.«¡11.

1 т. VI 4,98 8,57 508 0,22 0,03 0,31. 0,62

т. VII 4,92 8,62 510 0,13 0,01 0,13 0,27

Т1 VIII 5,25 8,29 491 0,14 0,05 0,67 0,86

Т1 IX 5,68 7,73 458 0,12 0,03 0,72 0,87

1 Т2 VI 6,25 7,00 414 0,23 0,04 2,02 2,29

' Т2 VII 4,81 8,75 518 0,14 0,01 0,12 0,27

ъ VIII 4,84 8,84 523 0,11 0,08 0,56 0,75

Т2 IX 5,09 8,45 500 0,12 0,02 0,27 0,41

2 Тд VI 4,82 8,83 523 0,26 0,09 0,74 1,09

Тд VII 6,07 7,28 431 0,32 0,14 4,55 5,01

Тд IX 5,20 8,33 493 0,18 0,04 0,57 0,79

2 Т1 VI 5,28 8,26 489 0,24 0,10 1,33 1,67

Т1 VII 4,72 8,89 527 0,34 0,04 0,38 0,76

Щ IX 5,40 8,12 481 0,11 0,05 0,74 0,90

3 Апах1 VI 4,48 9,34 553 0,21 0,38 1,39 1,98

А пах1 VII 5,07 8,74 517 • 0,15 3,14 12,28 15,57

А пах1 X 5,92 7,56 448 0,25 0,63 11,13 12,01

4 Апах1 VI 6,30 7,14 423 0,17 1,20 25,38 26,75

А пах1 VII 7,03 6,28 372 0,22 3,71 146,2 150,1

А пах1 IX 7,27 5,99 355 0,14 3,14 151,9 155,2

4 Апах2 VI 4,80 8,98 532 0,32 1,26 5,48 7,06

Апах2 VII 7,01 6,29 372 0,15 2,09 84,46 86,70

Апах2 VIII 5,96 7,58 449 0,09 0,79 10,70 11,58

Апах2 IX 5,14 8,57 507 0,25 1,15 7,12 8,52

5 Апах1 VI 8,35 4,86 288 0,11 1,20 73,00 74,31

Апах1 X 8,40 4,73 280 0,22 1,58 139,3 141,1

5 А пах2 VI 8,15 5,09 302 0,13 1,31 67,19 68,63

Апах2 IX 7,94 5,48 325 0,18 3,92 88,57 92,67

Апах2 X 8,17 4,98 295 0,28 1,60 128,5 130,3

Примеч.. [] - молярные концентрации форм азота (ммоль/дм3); ЕЬ в мВ; * - концентрации, рассчитанные по системе уравнении (3)-(5)

В изучаемом ряду торфяных почв нитриты имеют примерно один порядок концентрации с аммонийными ионами для первых двух почв, у которых ОВП редко снижается ниже 480 мВ; в пахотных же почвах в поверхностных горизонтах расчетные концентрации нитритов на 1-2 порядка превосходят концентрации нитратов и на 2-3 порядка -аммонийных ионов. Нитриты здесь становятся доминирующей минерал!,ной формой азота и обусловливают значительное возрастание, общей концентрации минерального азота. Отмечается определенная взаимосвязь между повышением рН от 6 и более единиц и резким возрастанием концентрации нитритов (рис.2), которая с высокой достоверностью аппроксимируется полиномом 6-го порядка.

Вероятно, образованию нитритов в пахотных почвах способствуют как прямое, так и опосредованное влияние извести - стимулирование активности аммопификаторов и тарификаторов, что приводит к накоплению минерального азота. Складывающиеся здесь уровни рН и ЕЙ, которые сильно изменены антропогенным фактором (осушение, распашка, известкование), тормозят как нитрификацию, так и денигри-фикацию на стадии нитритов.

¡N0,1 К03 /N4 4-

рН

Рис. 2. Взаимосвязь равновесия минеральных форм азота с кислотностью почвенного раствора в верхних горизонтах пахотных торфяных почв 1 - концентрация нитритов, ммоль/дм3; 2 - отношение нитраты: аммоний

Рассматривая сезонную динамику минеральных форм азота в целом для всех изученных почв, можно отметить ряд особенностей. Во-первых, общую тенденцию к повышению концентраций аммонийных ионов при подкислении среды и возрастании ОВП. Во-вторых, повсеместно наблюдается нарастание концентраций нитратов и, особенно, нитритов в условиях повышения щелочности и снижения окисленностн, создающихся в результате сильного обводнения почв муссонными дождями.

Обращают на себя внимание гипервысокпе расчетные концентрации нитритов в верхних горизонтах пахотных почв, что может быть результатом по1реишоетей при расчете мольных долей нитратов, поскольку, наряду с реакциями (1) и (2), вероятно протекание еще одной реакции денитрификации: ИОз- + 4Н+ + Зе = N0 + 2НгО; рКя = 48,4 (6)

Это вытекает из близости фактических потенциалов данной реакции для всех почв (49-51) и равновесного (рКк). Восстановление нитратов до N0 протекает полнее в условиях более закисной и щелочной обстановки, чем при восстановлении до аммиака, так как по реакции (6) на восстановление азота необходимо в 2,5 раза меньше протонов и электронов, чем по реакции (2).

Изучение сезонной динамики актуальной кислотности в почвенном растворе исследуемых почв также указывает па ее повышенную лабильность. Кислотно-щелочное равновесие в системе ППК-ПР определяется одновременным протеканием основных процессов с участием Н+ - иона:

а) растворением СО2 и диссоциацией угольной кислоты -

С02 + Н20 = Н2СО3, Н2СО3 = НСОз- + Н+, НСОз- = СОз2 + Н+; (7)

б) диссоциацией функциональных 1рупп ППК - ЯН = Я- + Н+; (8)

в) ионым обменом между ППК и ПР - Л(Н)п + ЯКЛ + пН+; (9)

г) гидролизом солей алюминия - А13+ + НОН - А10Н2+ + Н+. (10)

При внесении известняка в мелиорированных почвах добавляется

еще реакция его растворения в ПР: СаСОз = Са2+ + СОз2 . - которая , вследствие гидролиза карбонатов, смещает равновесие в сторону под-щелачиваиия. Н+-иоиы участвуют и в ОВ- реакциях (1,2, 6).

Для выявления доминирующего влияния какого-то из этих процессов на показатель актуальной кислотности в ПР исследуемых почв анализируется сезонная динамика химических потенциалов основных реакций с участием Н+-иона и парциального давления С02. Расчет

последнего показателя производился по формуле: Рсо: = (аН+ х а НСОз")/кК] , где аН+ - активность ионов водорода в ПР; аНСОз- -активность бикарбонатов в ПР; к - коэффициент растворимости СОг в воде при 25°С - 3,38x10 2 кмоль/(м3хатм); К1 - первая константа диссоциации Н2СО3" (Роппатрегшпа е: а1., 1966).

Во всех почвах наблюдаются синхронные изменения рН и известкового потенциала (рН-рСаМ§/2), а также показателя рССЪ(-^Рсо2). Эго свидетельствует о наличии между ними корреляционной связи, которую оценивали с помотыо коэффициента детерминации (И.2), показывающего на сколько процентов варьирование одного признака связано с изменением другого (табл.2)

Таблица 2

Взаимосвязи значений рН почвенного раствора с основными показателями кислотно-основного равновесия в торфяных почвах

№ Гори- Показатели Коэффициенты регресии Коэффициент

уч-ка зонт а ь детерминации

1 Т| рН-рСа!^/2 1,72 1,01 0,96

рНСОз 16,9 -3,05 0,93

рС02 3,40 1,49 0,98

Тг рН-рСаМг/2 1,23 1,10 0,99

рНСОз 19,5 -3,74 0,86

рСОг 3,57 1,36 0,98

2 Т! рН-рСаМд/2 1,67 0,97 0,99

рНСОз 12,4 -2,00 0,93

рСОг 3,22 1,99 0,93

Т2 рН-рСаМ§/2 1,22 1,09 0,98

рНСОз 72,4 -18,4 0,09

рСОг 4,12 1,06 0,97

3 А пах 2 рН-рСаМь>/2. 0,78 1,15 0,99

рНСОз 14,4 -2,38 0,91

рСОг 3,98 1,45 0,93

т рН-рСаМЭ/2 1,52 0,99 0,99

рНСОз 21,4 -4,17 0,56

рСО; 3,54 1,32 0,93

4 А пах 2 рН-рСаМ^>/2 1,12 1,06 0,99

рНСОз 16,4 -3,23 0,73

рСО: 3,01 1,73 0,95

Т! рН-рСаЛ^/2 1,19 1,01 0,99

рНСОз 22,1 -4,85 0,92

рС02 4,10 1,26 0,99

Примечание. Коэффициенты в уравнении рН= а + ЬХ рассчитаны методом наименьших квадратов с применением программы Ехе! 5.0

Поскольку ионообменные процессы в почвах результируют все остальные химические и фшико-химические равновесия, то наиболее важным показателем, характеризующим всю систему в целом, будет показатель ионообменного равновесия. Самым подходящим для описания взаимодействий между ПР и ППК является коэффициент селективности Гейнса-Томаса, часто использующийся во многих исследованиях обмена катионов, особенно в тех случаях, когда он мало зависит от состава обменника (Спозито, 1984). Этот показатель характеризует предпочтительность поглощения обменным комплексом одного из пары катионов, участвующих в реакциях замещения на границе между' твердой и жидкой фазами.

Органогенная почва представляет собой полифункциональный ка-тионит с переменной емкостью обмена. Последняя увеличивается с ростом рН и ионной силы раствора и меняется в зависимости от ионного состава системы. В почвенном интервале рН (4-9) емкость обмена почв может меняться более чем на одии порядок (Кокотов, 1986). В наших исследованиях также наблюдались подобные изменения, а вышеуказанная зависимость в отдельных случаях не соблюдалась. Учет этого явления при количественном описании почвенных процессов представляет трудную задачу, поэтому ограничимся обсуждением изменчивое!и некоторых термодинамических характеристик, рассчитанных по результатам изучения сезонной динамики состава обменных катионов и почвенных растворов, полученных отпрессовыванием при давлении 20 атм и проанализированных А.П.Неудачиным (1995).

Для характеристики интенсивности и направленности ионообменных реакций, а также стабильности их равновесий выбраны три показателя - по тенциалы реакций десорбции (рК*), коэффициенты селективности Гейнса-Томаса (Кк) и показатели чувствительности ((1\С/с1с).

Следует отметить однонаправленные изменения всех показателей для различных почв и горизонтов. При этом интенсивность вытеснения из ППК трехвалентного А1 двухвалентными катионами сильно различается по участкам и потенциал реакций десорбции для этой пары повышается от целинной почвы к пахотной перегнойно-торфяной, где эти показатели переходят в положительную область. Максимальные значения данные потенциалы имеют в начале августа (период иссушения) во всех почвах и горизонтах, но самые высокие отмечены в пахотных горизонтах почв участков 3 и 4 (рис.3). На основании этого можно было бы ожидать возрастания коэффициентов селективности ППК к А13+ против Са2+, но они заметно снижаются, достигая минималь-

ных значений в наиболее нейтрализованном горизонте (уч. 4, А1Ых).

рА*-рСаМд —□—рСаМ;;-р\'аК—й— рСаМд-р.\"Н4

\1 \11 \1П IX X VI VII МП IX X VI М1 VIII IX X V] . \11 МП IX X

—О—А1-СаМд —О— С'аМд-ЫэК —й—С^Мд-Ь;Н4

Рис. 3. Сезонная динамика потенциалов обменных реакций десорбции (Л) и коэффициентов селективности (Б) в верхних горизонтах торфяных почв

Такое разнонаправленное колебание показателей рК* и К5 для этой пары катионов вызвано значительными изменениями обменных свойств ППК, вследствие чего условия эквивалентности обмена нарушаются. Поэтому, когда в августе повсеместно происходит нарастание ЕКО, а также концентрирование и подацелачивание ПР раствора, селективность почвы к адсорбции А1 относительно щелочных и щелочноземельных оснований снижается. Предпочтительнее идет адсорбция на

новых обменных позициях ППК о/то- и двухвалентных катионов вследствие их более высокой активности 15 растворе, чем трехвалентных. Последние, вытесняясь в Г1Р, насыщают его относительно растворимости гидроксидов полутораокисей. Поэтому снижение показателя рК* для этих пар связано не с обменным поглощением алюминия, а скорее с гидролизом его солей и переходом в твердую фазу.

Высокая степень насыщенности ППК основаниями, в том числе и щелочными, в рассматриваемый период не способствует агрегации органо-минеральных коллоидов, поскольку значительная их часть легко диспергируется водой. При этом хотя и отмечается повышение селективности ППК к двухвалентным катионам относительно трехвалентных и к одновалентным относительно двухвалентных, к началу сентября эти показа'» .ли снижаются до июльских значений, а иногда и более низких (рис. 3). Этот факт может быть обусловлен, с одной стороны, повышением активности ионов А13+ при разбавлении ПР обильными осадками в сентябре, что сопровождается возрастанием гидролитической кислотности, с другой - образованием адсорбционных комплексов и переводом части емкости в необменное состояние.

Сезонные изменения потенциалов реакций десорбции ионов аммония двух- и одоовалентными катионами в летние месяцы от июня к августу снижаются и лежат в отрицательной области. К осени они повышаются почти до нуля, а для пары калий-аммоний переходят в положительную область. Это свидетельствует о нарастании поглощения аммония на обменных позициях ППК к началу августа, при иссушении почв, и о его десорбции при увлажнении почв в период муссонных дождей.

Известны примеры неэквивалентности обмена на гумусовых кислотах аммония на кальций с уменьшением константы обмена при повышении концентрации кальция в исходном растворе, что свидетельствует о более сложном механизме взаимодействия и частичной трансформации аммония в необменную форму (Александрова, 1980). В исследуемых почвах также отмечается понижение коэффициента селективности к Са и М§ против аммония и в моменты смещения равновесия в сторону обогащения раствора щелочноземельными катионами. Это единственная реакция, для которой показатели рК* и К5 изменяются согласованно.

Значения потенциалов реакций десорбции калия щелочноземельными катионами, мало изменяясь в летние месяцы, заметно повышаются от авьуста к сентябрю, следовательно адсорбция калия в этот влажный период должна нарастать. Тем не менее динамика значений коэффициентов селективности для калия относительно магния во всех почвах имеет тенденцию к снижению с начала лета. Такое поведение показателя К«

может быть т.пиано тем, что в засушливый период повсеместно отмечается нарастание емкости обмена и степени насыщенности основаниями, которое сопровождается устранением блокирующей роли алюминия и его гидроксосоединений и появлением обменных позиций, не способных к прочному связыванию калия.

В засушливый период по всех почвах наблюдается наибольшая селективность ППК к ионам МН4* относительно На+, К+ и даже а в пахотных горизонтах и Са2+, и К+ против А13+. В сентябре селективность к калию незначительно повышается лишь относительно одновалентных катионов, а против двух- и трехвалентных сильно снижается. Поэтому не отмечается накопления его обменных форм, а снижение калийных потенциалов до рубежа истощенного калийного режима (рК* < 2,12) отражает только обеднение ПР калием вследствие интенсивного потребления его растениями, а также разбавления почвенного раствора атмосферными осадками.

Глава 5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БУФЕРНОСТЬ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ

В традиционном представлении под буферностыо почвы понимают способность почвы противостоять изменению реакции среды при взаимодействии почвы с кислотой или щелочью, или при разбавлении почвенной суспензии (Ремезов, 1957; Кауричев, Орлов, 1984). Буферность природных почв в их естественном залегании отличается от буферное™ отдельных проб почвы, которую определяют в лабораторных условиях. В природных условиях буферность почвы зависит не только от твердых фаз, но и от населяющих се микроорганизмов, от интенсивности нисходящих и восходящих потоков влаги, постоянно нарушающих складывающееся физико-химическое равновесие. Буферность в таких условиях приобретает черты динамического показателя и характеризует способность почв не только противостоять изменению рН при добавлении кислоты пли щелочи, но и восстанавливать его прежнее значение.

Для характеристики буферности в отношении ионообменных реакций из множества пар катионов рассматриваются только реакции с участием аммония и калия как основных элементов питания растений. Расчеты показателей чувствительности (1\0/(к (величины обратные показателям буферное™) в отношении реакции десорбции аммония показали, что во всех почвах отсутствует четкая закономерность изменений этих величин как по участкам, так и по профилям, почв. Отмечается лишь тенденция снижения всех показателей от верхних горизонтов к нижним на всех участках, исключая 4-й, где имеет место обратная картина (табл. 3).

В отношении ионов вытеснителей дня большинства горизонтов наблюдается снижение буферное™ в ряду С а > Н > N3 > К, т.е. наиболее чувствительно равновесие аммонийной формы азота к изменениям концентраций щелочных ионов в почвенном растворе.

Поведение показателей чувствительности ионообменных реакций в перегнойно-торфяной почве отличается от всех остальных. Во-первых, в пахотных горизонтах этой почвы они почти для всех реакций заменю ниже, чем у других почв, что свидетельствует о более высокой буферно-сти этой почвы в отношении десорбции аммонийного иона из ППК.

Таблица 3

Показатели с1ДС/(1с для реакций десорбции, кДж .м 3 /моль2

Уч. Гор. К+->>Щ 4+ Ка+->ЫН4+ Н+->1ЧН4+ Са2+->ЫН4+ Мй2+->К+

1 Т1 17,8 21,6 18,2 24,5 3,6

т 2 11,8 18,8 87,8 13,6 6,4

2 Т д 34,2 30,6 54,2 29,2 1,0

Т 1 36,6 14,4 9,9 11,1 3,3

Т 2 25,0 20,3 34,7 5,1 5,2

3 А пах1 108 86,6 61,0 39,9 1,1

Л пах 86,4 71,2 18,1 41.0 1,8

2

Т 46,2 67,8 62,7 20,7 2,6

4 А пах1 34,7 17,5 ' 103 5,0 0,4

Л пах 35,3 20,1 10,2 9,4 0,9

Т 62,8 73,5 28,5 25,1 1,3

5 Л пах1 102 96,3 17,5 38,0 0,1

А пах2 69,7 51,0 13,3 19,7 0,1

Примечание. Производная ДО по концентрации десорбируемого иона -коэффициент линейной регрессии функции ДС(с) - для соответствующей реакции

Исключением является лишь потенциал реакции десорбции Н+->МН4+ в гор. Агтх1, где он обладает очень низкой буферностыо, что обусловлено значительным влиянием кислотности среда на изменения концентрации аммонийных ионов в ПР. Во-вторых, в торфяном горизонте этой почвы показатели чувствительности всех реакций возрастают в два и более раз относительно пахотных горизонтов. В то же

время они заметно выше, чем у горизонтов Т1 почв с уч. 2 и 3, особенно для реакций десорбции аммония щелочными катионами.

В верхнем пахотном горизонте перегнойно-глеевой почвы (уч.5), где актуальная кислотность иногда достигает значений рН более 8, также огмечаются повышенные значения показателей чувствительности для реакций десорбции аммония этими элементами. В нижнем - они несколько снижаются, благодаря присутствию здесь органических коллоидов исходного горфо-минерального горизонта, имеющих более селективные к поглощению аммония обменные позиции, чем органо-минеральные коллоиды верхнего горизонта. Почва участка 5 отличается и самыми низкими показателями чувствительности для реакций десорбции калия магнием, что с в идетсль а пуст о высокой насыщенности ППК щелочноземельными катионами и о поглощении калия только па высокоселективных обменных позициях.

Глава 6. ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧНСКОГО СОСТОЯНИЯ ОСУШЕННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ НА УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ

В результате агрогенной трансформации, приводящей к изменениям физико-химических свойств торфяных почв и смещению физико-химических равновесий в почвенном растворе, происходит нарушение в сбалансированности минерального питания выращиваемых культур.

Для выявления этой взаимосвязи в 1988 г. на трех пробных площадках (участки 3, 4, 5) изучалось влияние давности освоения и степени преобразования почв на урожайность и качество картофеля.

Самая низкая урожайность и наименьшая средняя масса клубня зафиксированы на участке 3 с перегнойно-торфяными (новоосвоенными) почвами. На перегнойно-торфяных пахотных почвах длительного использования (участок 4) эти показатели самые высокие, а на перегной-но-глеевых (участок 5) занимают промежуточное положение (табл. 4).

Кроме рассмотренных показателей качество продукции определяется и минеральным составом растений, в значительной степени зависящим от свойств почв. Пахотные перегнойно-торфяные новоосвоенные почвы (участок 3) характеризуются низким содержанием подвижных и водорастворимых форм основных питательных элементов. Слабая нигрификационная способность почв является причиной низкой концентрации нитратов в ПР, а низкое содержание в ней минеральных частиц обусловливает малое количество калия. Так как невысокая урожайность картофеля на этих почвах вызвана, несомненно, дефицитом основных элементов питания растений, то повысить ее можно путем внесения сбалансированной смеси минеральных удобрений.

Таблица 4

Урожайность и качество картофеля на осушенных торфяных почвах

Показатель Уч. 3 Уч.4 Уч. 5

Урожайность (расчетная) , ц 'га 126 145 136

Средняя масса клубня, г 67 107 86

Содержание в продукции:

Нитраты, мг/кг сырого образца 119 290 343

Нитриты, мг/кг сырого образца 0,30 0,50 0,80

Фосфор, % от сухого вещества 0,24 0,22 0,23

Калий, % от сухого вещества 2,52 3,27 3,33

Среднесезоннос содержание

в почве, мг/ЮОг:

Обменный аммоний 27 14 16

Подвижный фосфор (Р205) 10 28 40

Подвижный калий (К20) 31 68 108

Среднесезоннос содержание

в почвенном растворе, мг/дм3:

Нитраты 15 195 * 243

Фосфаты 0,04 0,15 0,02

Калий 5,5 55 78

Примечание. ПДК по нитратам для картофеля 125 мг/кг сырого образца

В пахотных псрегнойно-торфяных почвах длительного использования (уч. 4) наблюдается близкое к оптимальному минеральное питание с небольшим избытком нитратного азота, несколько превышающем в продукции предельно допустимую концентрацию (ПДК).

В перегнойно-1 леевых почвах (уч. 5) зафиксирован значительный избыток подвижных элементов питания растений. Высокая концентрация нитратов в ПР обусловлена повышенной нитрификационной способностью почв и бессистемным внесением минеральных азотных удобрений, создавших остаточный эффект увеличения концентрации. В продукции с уч. 5 содержание нитратов значительно превышает ПДК. Здесь самое большое количество нитритов, которые являются более токсичными соединениями, чем нитраты.

Для обеспечения стабильных урожаев и высокого качества продукции необходим дифференцированный подход к почвам, находящимся на

различных стадиях преобразования. Особенно обоснованно следует относиться к известкованию почв и применению азотных удобрений, а на стадиях перегнойно-глеевых почв вообще нецелесообразно внесение нитратных форм.

ВЫВОДЫ

1. В условиях высокой контрастности гидротермического режима, обусловленной спецификой климата, физико-химические свойства (емкость катионного обмена, гидролитическая кислотность и состав обменных катионов) целинной и мелиорированных торфяных почв подвержены значительной сезонной изменчивости.

2. Однотипный характер сезонных изменений физико-химических показателей торфяных почв, находящихся на разных стадиях агроген-ной трансформации, определяется гидротермическим фактором и тесно связан с сезонным ходом процесса гумификации. Различия в амплитудах этих изменений обусловлены степенью преобразованное™ органогенного слоя каждой почвы в процессе антропогенеза.

3. В почвах разной длительности и интенсивности использования взаимодействие гумусовых веществ с минеральными компонентами, находящимися в жидкой и твердой фазах, приводит к образованию различных форм органо-минеральных производных. В освоенных дер-ново-перегнойно-торфяных почвах под пастбищами и сенокосами, где потенциальная кислотность нейтрализована лишь частично, это ком-плексно-гетерополярные соли, в старопахотных почвах, насыщенных основаниями до 95%, - адсорбционные комплексы образующиеся при совместной коагуляции золей гумусовых кислот и аморфных полутора-окисей высокими концентрациями кальция и магния.

4. Интенсивное использование торфяных почв в пропашном земледелии (особенно при известковании повышенными дозами) способствует смещсншо природного равновесия минеральных форм азота в сторону накопления нитритов и нитратов и частичной потере газообразных соединений азота.

5. Процессы гумификации и минерализации органического вещества торфяных почв, значительно изменяя насыщенность почвенных растворов углекислотой, степень диссоциации минеральных и органических кислот "и ОВ-условия, обусловливают высокую динамичность кислотно-щелочного равновесия. Вследствие повышенной лабильности физико-химических свойств ППК торфяных почв, вызывающей нарушение линейности изотерм ионообменной сорбции щелочноземельных катионов, они не обладают высокой кислотно-щелочной буферностыо. Поэтому в условиях контрастного естественного режима увлажнения в этих почвах отмечаются значительные колебания уровня актуальной кислотности, амплитуды которых возрастают по мере сработай торфя-

ного слоя и могут достигать размаха до 2,5 единиц рН. Это негативно сказывается на продуктивности сельскохозяйственных культур, чувствительных к колебаниям рН, поскольку приводит к дисбалансу в питании теми элементами, доступность которых зависит от реакции среды.

6. Сопряженный анализ динамики потенциалов ионообменных реакций и коэффициентов селективности в торфяных почвах показывает, что только по данным состава почвенного раствора нельзя дать однозначную оценку направленности процессов катиопного обмена в системе с непостоянным гетерогенным составом ионообменника. В рассматриваемых почвах наиболее вероятно протекание эквивалентных ионообменных процессов между парами Са2+,1У^2+ - МШ+, поскольку потенциалы обменных реакций и коэффициенты селективности для них изменяются согласованно.

В процессе агрогенной трансформации осушаемых торфяных почв Среднеамурской низменности, сопровождающейся переходом органогенных горизонтов в минерально-органические и органо-минеральные, буферность их систем ППК-ПР в отношении реакций десорбции МН4+-иона снижается, а в отношении реакций десорбции калия магнием и кальцием повышается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ изменений буферных свойств, а также калийного и азотного режимов в исследуемом ряду торфяных почв показал: что их осушение и сельскохозяйственное использование наряду с позитивными моментами (обогащение ПР калием и азотом) имеет и ряд негативных явлений: которые не выявляются при обычных агрохимических обследованиях. К ним следует отнести интенсивную потерю потенциальных резервов калия, снижение кислотно-основной и окислительно-восстановительной буферности и смещение азотного равновесия в сторону нитрификации. Кроме того, избыточное известкование обусловливает торможение реакций денитрификации-нитрификации на стадии нитритов, которые наряду с нитритами накапливаются в растительной продукции в избыточной концентрации. Такая направленность изменений ОВ-состояния пахотных торфяных почв негативно сказывается как на количестве (из-за дисбаланса в азотном питании), так и на качестве урожая. Другой негативный момент в нарушении ОВ-равновесия - ускоренная минерализация органического вещества с газообразными потерями азота.

Поэтому многие агротехнические и агрономические мероприятия (известкование, внесение азотных удобрений, орошение и др.) на осушенных торфяных почвах Приамурья должны проводиться средними и более низкими нормами, чем для минеральных почв. Целесообразно использовать физиологически и гидролитически нейтральные удобрения и не допускать сильного иссушения-переувлажнения почв.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Матрошилов Ю.А., Харитонова Г.В. Влияние восстановительных условий на состояние системы гумусовых веществ в луговых глеевых отбеленных почвах / Хабаровский комплексный НИИ - Хабаровск, 1988. 23 с. Деп. в ВИНИТИ 03.03.88. N 1975-В88.

2. Матрошилов Ю.А., Климин М.А., Неудачин А.П. Изменение гу-мусного состояния и буферных свойств осушенных маломощных торфяных почв Приамурья при сработке торфа // Тезисы докладов IV конференции молодых ученых. Пущино, 1989. С. 79-81.

3. Матрошилов Ю.А. Физико-химические свойства почв и их сезонная динамика // Трансформация мелиорированных торфяных почв в Приамурье. Владивосток; Хабаровск: Дальнаука, 1995. С. 73-80.

4. Матрошилов Ю.А., Неудачин А.П. Взаимодействие почвенных растворов с почвенным поглощающим комплексом // Трансформация мелиорированных торфяных почв в Приамурье. Владивосток; Хабаровск: Дальнаука, 1995. С. 80-86.

5. Матрошилов Ю.А., Климин М.А., Неудачин А.П. Антропогенная дегумификация как фактор деградации мелиорированных торфяных маломощных почв в Приамурье // Тез. докл. II съезда РОП. С.-П..1996. Кн.2. С.315-316.

Матрошилов Юрий Алексеевич

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕЛИОРИРОВАННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ СРЕДНЕ-АМУРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

Автореферат

Лицензия ЛР№ 0 0401 18 ог 15.10.91 г. Подписано к печати 6.11.96 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 :жз. Заказ 230

Опечатано РЦ ИВЭП ДВО РАН

680063, Хабаровск, ул. Ким-Ю-Чена, 65

Издательство "Дальнаука". 680041, Владивосток, ул. Радио, 7