Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Изменение структурно-минералогической основы, состава и свойств слитых почв при воздействии на них веществ различной природы (промышленные отходы, стандартные удобрения, мелиоранты) в условиях Центрального Предкавказья

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Изменение структурно-минералогической основы, состава и свойств слитых почв при воздействии на них веществ различной природы (промышленные отходы, стандартные удобрения, мелиоранты) в условиях Центрального Предкавказья"

На правах рукописи

КУБАШЕВ Сергей Казиуллович

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ, СОСТАВА И СВОЙСТВ СЛИТЫХ ПОЧВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ (ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОТХОДЫ, СТАНДАРТНЫЕ УДОБРЕНИЯ, МЕЛИОРАНТЫ) В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ

06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва, 2005

Работа выполнена в лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. В.В.Докучаева и в отделе ландшафтного земледелия Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства.

Научные руководители:

доктор сельскохозяйственных наук ЧижиковаН.П.

доктор сельскохозяйственных наук Годунова Е.И.

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук Сапожников П.М. кандидат биологических наук Зборищук Н.Г.

Ведущая организация: Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева.

Защита состоится «» 2005

диссертационного совета Д 006.053.01 при

_часов на заседании Почвенном институте им.

В.В.Докучаева РАСХН по адресу: 119017, г. Москва, Пыжевский пер., 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного института им. В.В.Докучаева РАСХН.

Автореферат разослан 2005

г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук

И.Н.Любимова

Актуальность

Черноземы слитые в Центральном и Восточном Предкавказье занимают площадь свыше 450 тыс. га (Тюльпанов и др., 1998). Они характеризуются глинистым гранулометрическим составом, сильной набухаемостью при увлажнении и высокой усадкой при высыхании. Во влажном состоянии эти почвы обладают высокой липкостью, прилипаемостью к рабочим органам почвообрабатывающих орудий, а при высыхании становятся твердыми, как бетон.

В целом они обладают неблагоприятными водно-физическими свойствами, из-за чего урожайность сельскохозяйственных культур на них ниже по сравнению с зональными почвами.

Проведены многочисленные исследования по улучшению слитых почв с применением мелиорантов различной природы, в том числе отходов промышленности и удобрений. Из мелиорантов на Ставрополье рекомендованы фосфогипс, являющийся отходом Невинномысского завода "Азот", лигнин -отход Георгиевского биохимического завода, известняк-ракушечник, как в чистом виде, так и совместно с навозом и неорганическими кислотами (HNO3 и H2SO4). В крае разработаны рекомендации по применению на этих почвах органических удобрений, таких как навоз, биогумус, полученный из навоза и лигнина.

В настоящее время огромное количество лигнина и фосфогипса, скопившееся за последние годы, нигде не используется. Кроме того, успешно работающий химкомбинат "Азот" постоянно пополняет запасы фосфогипса.

Применение фосфогипса и лигнина в с.-х. производстве, запасы которых позволяют проводить мелиорацию в течение многих лет, несомненно, отразится на свойствах и минералогическом составе почв, от которого зависит их потенциальное плодородие.

В связи с отсутствием исследований в этом направлении изучение влияния используемых мелиорантов и удобрений на минералогический состав черноземов слитых - актуальная задача для земледелия, решение которой позволит выбрать оптимальный прием для мелиорации этих почв.

Цель исследований

Целью работы является изучение влияния веществ, которые традиционно используются в качестве мелиорантов и удобрений в Ставропольском крае на свойства и минералогический состав черноземов слитых на основе проведения модельного эксперимента, имитирующего контактную зону взаимодействия вносимых веществ с почвой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучить свойства и минералогический состав илистой, тонко- и средне пылеватой фракций черноземов слитых;

- дать оценку плодородию изучаемых черноземов слитых с позиции запасов элементов питания по резервам;

- установить влияние веществ применяемых мелиорантов и удобрений на свойства черноземов слитых;

- провести анализ изменения агрегатного состояния черноземов слитых под влиянием веществ широко используемых мелиорантов и удобрений на разных иерархических уровнях, включая изучение морфостроения агрегатов, микроагрегатного состояния, гранулометрического состава, оценки прочности связи илистых частиц методом дробной пептизации;

- установить изменение минералогического состава черноземов слитых испытывающих воздействие веществ мелиорантов и удобрений в условиях модельного опыта;

- на основе установленных изменений свойств почв, минералогического состава и переорганизации тонкодисперсного вещества обосновать целесообразность применения используемых мелиорантов и удобрений.

Научная новизна

В модельном опыте, имитирующем контактную зону взаимодействия, впервые проведено комплексное исследование влияния веществ мелиорантов и удобрений, наиболее широко используемых в Ставропольском крае, на свойства и состав черноземов слитых. Установлено, что изменение почвенной массы под влиянием вносимых веществ происходит одновременно на нескольких иерархических уровнях строения элементарных частиц, микроагрегатов, макроагрегатов. Вещества мелиорантов и удобрений различной природы приводят к широкому спектру изменений структурного состояния почв от почти полной дезагрегации почвенной массы до создания хорошо выраженных агрегатов. Использовался метод дробной пептизации, раскрывающий поведение тонкодисперсных веществ слитых почв, меняющихся под влиянием веществ мелиорантов и удобрений. Раскрыты особенности структурного состояния смектитового компонента в подфракциях дробной пептизации черноземов слитых.

Практическая значимость и реализация результатов

На основе модельного эксперимента возможен прогноз изменения свойств и составов черноземов слитых под влиянием веществ мелиорантов и удобрений при длительном периоде применения на полях Ставропольского края.

Из предложенных вариантов опыта наиболее целесообразно использовать органические вещества биогумусов из лигнина и навоза КРС, навоз КРС. Не целесообразность применения веществ минеральных удобрений на слитых почвах обусловлено значительным разрушающим воздействием веществ этих удобрений на агрегацию почвенной массы; наибольший эффект на разрушение агрегатов и переход почвенной массы в пептизированное состояние с последующей цементацией почвенной массы отмечается при использовании аммиачной селитры.

Полученные результаты целесообразно внести в рекомендации по сохранению экологического состояния черноземов Ставропольского края.

Защищаемые положения

1. Оценка обеспеченности почв на высокосмектитовых глинах элементами минерального питания растений рассчитаны по Горбунову с дополнениями на основе структурно-минералогических данных, состава и

характера почв по дисперсности, соотношениям валовых и других количеств элементов - биофилов.

2. Разносторонняя характеристика результатов изменений свойств и составов почв при взаимодействии в модельном опыте с веществами, применяемыми при сельскохозяйственном использовании и мелиорации земель в хозяйствах Ставрополья, включающих отходы промышленности, комплексные смеси обогащенные органическими соединениями, а также вещества стандартных удобрений.

3. Обоснование для выделения групп веществ, используемых для почвоулучшения земель в условиях Ставрополья, их воздействие на структурно-минералогические особенности, дисперсность и пептизированность твердой фазы почв.

Публикации и апробация работы

Результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: Первой международной конференции: «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия», г. Ставрополь, 2001г., Вторая международная научная конференция: «Эволюция и деградация почвенного покрова», г. Ставрополь, 2002 г., Молодежная конференция: VI Докучаевские чтения г. Санкт-Петербург 2003 г., на Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» г. Санкт-Петербург 2004 г., на расширенном заседании отдела ландшафтного земледелия СНИИСХ, 2003 г., на заседании лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева, 2003г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 21 таблиц и 36 рисунков. Список используемой литературы включает 160 наименования, в том числе 15 иностранныхавторов.

Автор благодарен своим руководителям Н.П. Чижиковой, Е.И. Годуновой за постоянную помощь и поддержку при выполнении работ, а также Б.П. Градусову, Н.Б. Хитрову за ценные советы и замечания при написании работы.

Содержание работы

В главе 1 дана подробная характеристика условий почвообразования, подчеркнута специфика почвообразующих пород, на которых формируются слитые почвы. В главе 2 представлен литературный обзор, в котором раскрыты следующие направления: распространение слитых почв в мире и в Центральном Предкавказье, минералогический состав слитых почв в мире, существующие методы мелиорации слитых почв.

Слитые почвы считаются агрономически «трудными», требуют специальной обработки. Будучи потенциально очень плодородными, о чем можно судить по запасам элементов питания (Годунова, Чижикова и Кубашев, 2002), эти почвы обладают плохими физическими свойствами (сильная набухаемость, липкость к почвообрабатывающим орудиям, водонепроницаемость при

увлажнении и высокая усадка с образованием трещин при высыхании), обусловленными высоким содержанием минералов смектитовой группы. Большой проблемой является преодоление неблагоприятных сторон водно-воздушного режима почв. Сухость почв в сухой период и плохой дренаж во влажный - такова двойная проблема, затрудняющая ведение хозяйства на этих почвах. С этими проблемами сталкивались в Индии (Kanwar et ah, 1982; Зонн, 1986; Патил Джаянтрао, 1983;), Болгарии (Койнов, 1964), Югославии (Стебут, 1946; Filipovski, 6iri6, 1963), странах Африки (Денисов, 1971), Австралии (Smith, Jule, Coughlau, 1983), Венгрии (Herke, 1956); США (Kelley, 1934); Молдавии (Яковлев, Русу, Бородин, 1983; Сувак, 1979; Ильин и Бондаренко 1985); России (Цуриков с соавт., 1979; Тарасенко, 1980; Цуриков, 1983; Быстрицкая и Тюрюканов, 1971; В. Д. Соловиченко с соавт., 1998; Т. Л. Быстрицкая с соавт., 1988; Градобоев и Алексеева, 1975; Березин, 1976; Семендяева и Попова, 1979; Семендяева и Добротворская, 1991; Самбур и Ковда, 1950; Самбур, 1950 и др.).

В Ставропольском крае проблемой мелиорации черноземов слитых солонцеватых занимались: Петров, 1986; Хаджинов, 1990, 1993; Быстрицкая с соавт., 1988; Тюльпанов 1980, 1984; Прокопенко, Годунова, 1988; Годунова, 2000.

На основе литературных данных показано изменение тонкодисперсной части почв при агрогенных воздействиях, которые являются чаще всего необратимыми и приводят к формированию горизонтов, отличных от естественных аналогов, с более низким плодородием.

3. Объекты и методы исследований

Объектом исследований является минералогический состав тонкодисперсных фракций и подфракций дробной пептизации черноземов слитых среднемощных малогумусных среднесолонцеватых среднеглинистых (ЧС).

Традиционный подход исследования влияния мелиорантов заключается в разработке внесения небольших количеств мелиорантов и распределении их по всему объему почвенного горизонта: они могут включать несколько разных норм внесения вещества и различаться по характеру изменения какого-либо свойства почвы. В зависимости от количества внесенного вещества судят о возможном эффекте от внесенного мелиоранта. Непосредственный контакт осуществляется в локальных участках почвенного горизонта, а оценка влияния производится на основе усредненного анализа большого объема образца, в котором эти локальные участки маскируются остальным объемом почвы. В этих условиях затруднительно судить о реальном характере взаимодействия внесенных веществ с почвенной массой.

Нами был заложен модельный эксперимент, в котором имитируется контактная зона взаимодействия вносимых веществ с почвой. Способ имитации состоит в нанесении на поверхность почвы слоя веществ мелиорантов и удобрений, влияние которых изучается, а результаты влияния оцениваются по характеру изменения свойств и составов почвы на границе контакта.

Влияние веществ на почву моделировали путем закладки в сосуды тщательно перемешанного поверхностного гумусового горизонта ЧС. Сверху

вносились мелиоранты и удобрения слоем 2,5 см. Опыт однофакторный включает 13 вариантов, повторность четырехкратная. Схема опыта: 1. Контроль - почва, 2. Фосфогипс, 3. Лигнин + аммиачная селитра, 4. Биогумус из лигнина, 5. Биогумус из навоза КРС, 6. Навоз КРС, 7. Суперфосфат, 8. Аммиачная селитра, 9. Нитроаммофоска, 10. Фосфогипс + лигнин + аммиачная селитра, 11. Фосфогипс + биогумус из лигнина, 12. Фосфогипс + навоз КРС, 13. Известняк-ракушечник + навоз КРС. Сосуды экспонировались под открытым небом с 2000 по 2003 г. Образцы на анализы отбирались ежегодно в пределах верхних 3-х см в четырехкратной повторности. Опыт проведен в естественных природных условиях в районе распространения ЧС. В течение трех лет осуществлялся мониторинг изменения ряда физико-химических свойств, гранулометрического, микроагрегатного составов, подфракций дробной пептизации (ПДП), их минералогического состава.

Отобранные образцы анализировались следующими методами: гранулометрический и микроагрегатный состав - по Н. А. Качинскому, влажность почвы и гигроскопическая влага - высушиванием воздушно-сухой почвы при температуре 105 °С, воднорастворимые соли - методом водной вытяжки по К. К. Гедройцу, поглощенные основания - методом Пфеффера в модификации Н. И. Беляевой с определением кальция и магния трилонометрически, натрия - на пламенном фотометре, рН водной и солевой вытяжек - потенциометрически. Общий гумус - по И. В. Тюрину, подвижный фосфор, калий - по Мачигину.

Минералогический состав фракции менее 1 мкм определен рентгендифрактометрическим методом с помощью универсальной рентгендифрактометрической установки фирмы Карл Цейсе Йенна (Германия).

Выделение фракции менее 1 мкм, 1-5 мкм и 5-10 мкм проведено по методике Н.И. Горбунова (1963). Разделение илистой фракции на подфракций дробной пептизации (ПДП) по Н.И. Горбунову в модификации Б.П. Градусова, Н.П. Чижиковой и др. (1985).

Содержание основных минеральных фаз во фракции менее 1 мкм и в подфракциях воднопептизированного ила (ВПИ), агрегированного ила 1 категории прочности связи (АИ-1) и агрегированного ила второй категории связи (АИ-2) рассчитано согласно методике Р. Биская (Biskaye, 1964). Количественное содержание минералов средней и тонкой пыли по методике Кука с соавторами (Cook et all, 1977).

Полученные данные обрабатывали методом многомерной статистики — методом главных компонент (МГК) - по Рожкову (1974).

4. Свойства, минералогический состав фракции ила, тонкой и средней пыли и запасы элементов питания ЧС.

Почвы характеризуются нейтральной - слабощелочной реакцией среды (рН водн 7,30-8,75), высокой емкостью катионного обмена (33,1 - 41,0 мг-экв/100 г почвы), преобладанием в ППК в верхних горизонтах Са++ (до 57,4%), в нижних Mg++ (до 47,2%), наличием в ППК обменного Na+ (от 3,6 % в пахотном горизонте

до 22,7% в материнской породе). ЧС содержат воднорастворимые соли на различной глубине. В нашем случае почва среднезасолена с глубины 74-84 см (горизонт ВС) и сильнозасолена с глубины 110-120 см (горизонт С). Тип засоления - сульфатный.

Гранулометрический состав исследуемых ЧС характеризуется высоким содержанием физической глины (78,7% - 85,0%) и илистой фракции (56,4 -64,3%). Распределение фракций по профилю - равномерное (табл.1).

Таблица 1

Содержание тонкодисперсных фракций в ЧС (выделение по Н.И. Горбунову), %

Генетический Глубина Скелетная Средняя Тонкая Ил Глина

горизонт образца, часть (>10 пыль пыль (<1 (<10

см мкм) (5-10 (1-5 мкм) мкм)

мкм) мкм)

А пах 0-22 19,2 5,0 15,8 60,0 80,8

А п/пах 26-36 21,3 6,1 14,6 58,0 78,7

В1 44-54 17,4 6,6 14,3 61,7 82,6

В2 59-69 18,2 3,5 14,0 64,3 81,8

ВС 74-84 15,0 9,9 17,7 57,4 85,0

С 110-120 16,5 7,2 19,9 56,4 83,5

Содержание гумуса колеблется от 4,49% в верхних горизонтах до 1,25% в нижней части профиля (табл.2). Снижение его содержания происходит постепенно.

В верхних горизонтах наибольшее количество гумуса зафиксировано в более крупных фракциях, чем в илистой. Такая закономерность отмечается в пределах верхней полуметровой толщи. Ниже по профилю разница в содержании

Таблица 2

Содержание органического вещества в ЧС и выделенных из него фракциях (<1, 1_5, 5-10, >10 мкм), %_

Генетический горизонт Глубина образца, см Содержание органического вещества, %

почва < 1 мкм 1-5 мкм 5-10 мкм > 10 мкм

А пах 0-22 4Д2 2,98 6,94 4,96 4,23

А п/пах 26-36 4,49 3,29 6,21 3,92 3,29

В1 44-54 3,39 2,92 6,94 4,65 3,81

В2 59-69 2,45 2,04 4,28 2,98 2,45

ВС 74-84 1,83 1,63 2,92 2,45 1,72

С 110-120 1,25 1,31 1,72 1,62 0,68

органического вещества между фракциями становится менее существенной, а в горизонте С различия в его содержании становятся минимальными.

Основным компонентом илистой фракции профиля ЧС являются минералы смектитовой фазы (52,1-58,3%). Для профильного распределения минералов характерен их равномерный характер с небольшим увеличением смектитовой

фазы в верхнем горизонте. В верхних органогенных горизонтах среди смектитовой фазы доминируют неупорядоченные смешаннослойные слюда-смектитовые образования с высоким содержанием смектитовых пакетов с небольшой примесью индивидуального смектита монтмориллонит-бейделитовой природы, в нижних горизонтах присутствует палыгорскит. Диагностированы также гидрослюды ди-триоктаэдрического типа, каолинит со следами хлорита (табл. 3).

Основу фракции тонкой пыли составляют кварц (28,3-28,5%) и полевые шпаты (10,9-18,4%). Наибольшее количество полевых шпатов в верхних горизонтах, наименьшее в почвообразующей породе. Среди слоистых силикатов доминируют гидрослюды 20,7-31,6%. В верхних горизонтах количество гидрослюд минимальное, они представлены в большей мере триоктаэдрическими разностями биотит-флогопитовой природы. В нижней части профиля доминируют мусковит-серициты, количество которых достигает 31,6%, минерал совершенен по своим кристаллохимическим параметрам. Компоненты, суммированные как каолинит и хлорит, имеют тенденцию к увеличению вниз по профилю. Причем, если в верхней части профиля в пределах суммы доминирует каолинит, то в нижней части профиля, особенно в горизонте С, резко возрастает функция хлорита, как индивидуального, так и смешаннослойного хлорит-смектита (табл. 3).

Таблица 3

Минералогический состав тонкодисперсных фракций ЧС

*- наличие палыгорскита **- доминирует хлорит В составе фракции средней пыли содержание кварца увеличивается в еще большей мере, достигая 50,6% в пахотном горизонте. Наименьшее количество отмечается в нижней части профиля. Здесь ее количество достигает всего 31,233,3%. Второе место занимают полевые шпаты 18,1-36,0%. Наибольшее их содержание отмечается в верхней полуметровой части профиля и минимум в почвообразующей породе. Среди слоистых силикатов доминируют слюды-

гидрослюды триоктаэдрического типа. Каолинит составляет 7,1-12,9%. Хлорит имеет тенденцию к увеличению в нижней части профиля, достигая в горизонте ВС - 13,0%. Помимо индивидуального магнезиального хлорита во фракции этой размерности отмечается смешаннослойное хлорит-смектитовое образование с различной нормой чередования пакетов (табл.3).

Рентгенографирование остатка почвы после выделения всех тонкодисперсных фракций свидетельствует об отсутствии слоистых силикатов в пределах всего профиля. То есть слоистые силикаты в данной почве представлены тонко дисперсным материалом.

В валовом химическом составе содержание оксидов ряда макроэлементов в ЧС отражает довольно типичную картину, как по их соотношениям, так и по распределению их по профилю (табл.4).

Таблица 4

Валовой химический состав ЧС и в выделенных из него фракций

Фракция тонкой пыли отличается более высокими значениями содержания оксида кремния, как от образцов ила, так и от образцов почвы в целом, доказывая тем самым доминирование кварца в этой фракции. Здесь снижено содержание оксидов железа, алюминия. Однако количество оксида титана более высокое, что свидетельствует о наличии минералов типа ильменита, размерностью тонкой пыли. Содержание оксида кальция несколько выше, чем во

фракции ила, весьма вероятно за счет зерен крупнокристаллического кальцита. Количество оксида магния значительно ниже, чем в почве и в 2 раза ниже, чем в илистой фракции. Количество оксида калия в этой фракции превышает таковые ила и почвы в целом. Как следует из данных таблицы 3, именно в этой фракции сосредоточены гидрослюды, основной источник калия. Некоторую долю сюда могут внести калиевые полевые шпаты, количество которых здесь более высокое, чем в более тонких фракциях. Источником повышенного содержания оксида натрия в данном случае является наличие натриевых полевых шпатов.

В валовом химическом составе средней пыли отмечается еще большее увеличение оксида кремния, достигающее 75,7%. Резко снижается количество оксида А1 и Fe, примерно в 2 раза ниже, чем в почве в целом. Характерно также снижение количества оксида магния до 0,70%, что доказывает отсутствие слоистых силикатов носителей магния или их незначительное содержание во фракции данной размерности.

Однако в данной фракции по-прежнему высокое количество валового калия, который принадлежит в большей мере полевым шпатам, чем слюдам, содержание которых здесь невелико (табл. 4).

Валовой химический состав остатка почвы, после выделения всех тонкодисперсных фракций, по % соотношению схож с таковым средней пыли. Резко доминирует оксид кремния 75,45%. Количество оксида алюминия не превышает 10,5%, оксида железа 6,94%. Количество оксида магния здесь повыше, чем в средней пыли, весьма вероятно за счет крупных пластин хлорита. 2% оксида калия обусловлен наличием калиевых полевых шпатов. Высокий процент ^^ обусловлен наличием натриевых полевых шпатов.

Общий запас калия составляет 2600 мг/ЮОг почвы. Этот показатель остается стабильным в пределах профиля. Основная масса калия исследуемой

Рис 1 Запасы калия в ЧС, мг/100 г почвы

почвы сосредоточена в ближнем резерве - 1620-1467 мг/ЮОг почвы, в потенциальном резерве - 1006,8-935,4 мг/ЮОг почвы, непосредственный резерв калия составляет 26-45 мг/ЮОг почвы (рис.1).

Определено содержание калия во фракциях тонкой, средней пыли и остатке. Установлено наличие минералов носителей калия и их устойчивость к выветриванию. Так, основным источником калия во фракции тонкой пыли (467565 мг/100г почвы) являются слюды-гидрослюды триоктаэдрического типа, содержание которых составляет 25% - в пахотном горизонте и 31% - в почвообразующей породе. Доминирование среди гидрослюд триоктаэдрических разностей свидетельствует о мобильности калия в этой размерности. То есть для данной почвы потенциальный резерв также содержит естественные компоненты -биотиты - легко отдающие природный калий. Некоторая доля природного калия принадлежит калиевым полевым шпатам.

Рис 2 Распределение оксида калия по гранулометрическим фракциям, мг/100

Запасы природного калия во фракции средней пыли минимальные и составляют всего 138,3-228,3 мг/ЮОг почвы. Они также представлены в основном гидрослюдами-слюдами количество которых ниже, чем во фракции тонкой пыли.

Запасы природного калия в остатке (>10 мкм) представлены зернами калиевых полевых шпатов, в меньшей мере листочками слюд как биотит-флогопитового, так и мусковит-серицитового типа (рис. 2).

5. Модельный эксперимент по выявлению влияния веществ мелиорантов и удобрений на свойства, структурную организацию и минералогический состав ЧС 5.1. Влияние мелиорантов и удобрений на свойства ЧС Вещества, внесенных мелиорантов и удобрений, привели к изменению реакции среды. По интенсивности подкисления вещества были подразделены на 4 группы: 1)вещества, которые не приводят к изменению реакции - навоз, известняк-ракушечник с навозом, биогумус из навоза, биогумус из лигнина, а также фосфогипс с навозом и фосфогипс с биогумусом из навоза; 2) вещества, которые подкисляют почву в первые два года с последующим ослаблением подкисляющего действия - фосфогипс и фосфогипс в сочетании с лигнином и аммиачной селитрой; 3) вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска), которые подкисляют почву в первый год

г почвы

с прогрессирующим подкислением в последующие два года; 4) вещества, которые очень сильно подкисляют почву (лигнин с аммиачной селитрой) в течение всего периода взаимодействия с почвой (рис.3).

Варианты (см стр. 4) Рис. 3. Изменение рН при внесении веществ мелиорантов и удобрений

Изменилось содержание органического вещества: при внесении таких веществ мелиорантов как лигнин с аммиачной селитрой, биогумус из навоза и из лигнина произошло увеличение количества органического вещества до 6,05% (биогумус из навоза КРС). Внесение же фосфогипса и суперфосфата привело к некоторому снижению органического вещества за первый год эксперимента. На второй год количество органического вещества значительно возросло, включая вещества таких мелиорантов как фосфогипс, в меньшей мере суперфосфат (рис.

4).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Варианты опыта (см. стр. 4)

Рис.4. Изменение содержания органического вещества при внесении веществ мелиорантов и удобрений

Произошло изменение почвенного поглощающего комплекса;

изменилась как сумма обменных катионов, так и их соотношение. Вещества таких мелиорантов как фосфогипс, биогумус из лигнина и навоза КРС, а также варианты фосфогипса с добавками лигнина с аммиачной селитрой и биогумуса из лигнина способствовали значительному увеличению обменного кальция по сравнению с контролем, с одновременным снижением обменного магния.

Существенным образом изменилось поведение подвижных форм калия. В первый год были получены очень высокие показатели от внесения калий содержащих веществ, с увеличением времени воздействия отмечается уменьшение его содержания. На вариантах, где применялись фосфорсодержащие мелиоранты зафиксировано существенное увеличение подвижного фосфора в почве.

Агрегатное состояние ЧС претерпело ряд изменений. Вещества мелиорантов и удобрений по их влиянию на агрегатное состояние ЧС делятся на три группы: 1) органические вещества, такие как навоз КРС, биогумус из навоза КРС и биогумус из лигнина. За период исследования функционирования почвы с веществами этих мелиорантов образовались ореховато-крупнозернистые агрономически ценные агрегаты; 2) вещества таких мелиорантов как фосфогипс, лигнин с аммиачной селитрой, фосфогипс с лигнином и аммиачной селитрой, фосфогипс с биогумусом из лигнина, фосфогипс с навозом КРС и известняк-ракушечник с навозом КРС в меньшей степени способствуют агрегации почвенной массы, но в тоже время не приводят к ее диспергации. Зафиксировано преобладание крупнозернистой структуры с примесью порошистого материала; 3) влияние веществ минеральных удобрений, таких как аммиачная селитра, нитроаммофоска и суперфосфат привело к разрушению естественной структуры ЧС путем диспергирования почвенной массы: она стала мелкозернисто-порошистой, рассыпчатой и более светлой на поверхности.

На основе данных микроагрегатного и гранулометрического анализов рассчитаны показатели дисперсности почвы.

Вещества, внесенных мелиорантов и удобрений, привели к изменению коэффициента дисперсности. Они делятся на три группы по этому показателю: 1) вещества мелиорантов и удобрений, которые понижают коэффициент дисперсности. К ним относятся вещества фосфогипса, биогумуса из навоза, навоза, суперфосфата, фосфогипса + биогумус из лигнина, фосфогипса + навоз,

известняка-ракушечника + навоз; 2) вещества которые не приводят к изменению коэффициента дисперсности: биогумус из лигнина, нитроаммофоска, фосфогипс

ли т

— варианты опыта

контроль

+ лигнин + аммиачная селитра; 3) вещества повышающие коэффициент дисперсности: лигнин + аммиачная селитра; аммиачная селитра (рис.5).

Таблица 5

Изменение гранулометрического и микроагрегатного составов ЧС под _влиянием веществ мелиорантов и удобрений, %_

Вариант Содержание гранулометрических фракций и микроагрегатов размером (мм) Коэффициент дисперсности

Т1 (Ч о" 1 о о" 1 ш гч о" о о" 1 ю о о" I п 58 о о" ° Я о °„ о о о о о V о о" V

1 Контроль-почва 0 14 013 13 47 26 94 9 54 27 78 8 09 13 63 18 57 24 28 50 18 7 24 76 85 45 16 14

2 Фосфогипс 0 17 042 14 64 46 66 14 77 2143 10 93 12 80 1801 16 22 4148 2 48 70 42 31 50 6

3 Лигнин + аммиачная селитра 061 0 43 16 38 32 88 7 90 22 00 10 37 12 23 17 42 22 94 47 32 9 52 75 10 44 69 20

4 Биогумус из лигнина 1 98 1 13 16 06 40 00 10 14 24 45 9 88 12 44 16 44 16 02 45 50 5 96 71 82 34 42 13

5 Биогумус из навоза КРС 2 15 2 13 20 34 44 79 13 65 27 56 11 79 6 87 10 26 17 21 41 81 144 63 85 25 52 3

б Навоз КРС 1 26 0 97 22 44 44 06 9 43 26 00 8 58 7 14 19 20 19 54 39 08 2 29 66 86 28 97 6

7 Суперфосфат 0 50 0 70 22 16 68 74 9 47 17 33 17 84 145 21 34 9 73 28 68 2 05 67 86 13 23 7

8 Аммиачная селитра 0 43 1 07 11 28 17 87 14 18 34 24 8 06 13 34 16 78 20 48 49 26 13 01 74 10 46 83 26

9 Нитроаммофоска 0 36 051 9 77 49 15 11 73 17 92 4 86 13 15 22 45 11 89 50 84 7 37 78 15 32 42 14

10 Фосфогипс + лигнин + аммиачная селитра 0 23 0 62 18 28 46 59 6 71 18 93 6 71 1036 25 21 17 49 42 86 6 03 74 78 33 87 14

11 Фосфогипс + биогумус из лигнина 0 10 048 8 91 44 31 1099 27 52 6 65 6 22 23 60 18 83 49 76 2 64 80 00 27 69 5

12 Фосфогипс+навоз КРС 0 58 0 88 16 76 46 36 9 35 26 93 3 91 10 79 18 78 11 55 50 64 3 48 73 32 25 83 7

13 Известняк-ракушечник+навоз КРС 1 65 3 58 11 23 41 13 8 96 30 53 8 52 6 78 19 50 16 54 50 14 144 78 16 24 76 3

Примечание В числителе - гранулометрический состав, в знаменателе - микроагрегатный состав

В исходной почве в соответствии с данными микроагрегатного анализа, доминируют агрегаты крупнопылеватой размерности (табл.5), количество которых достигает 27.8%. Далее по убывающей следуют фракции мелкого песка (26,9%), тонкой пыли (24,4%), средней пыли (13,6%). Компоненты фосфогипса способствовали увеличению микроагрегатов больших размеров - доминировать стала фракция размерностью 0,25-0,05 мм. Количества фракций <0,001 мм и 0,005-0,001 мм значительно уменьшилось (табл.5).

Вещества лигнина привели к увеличению количества микроагрегатов размерностью 0,25-0,05 мм в ЧС, но в тоже время увеличивается количество

фракции размерностью менее 0,001 мм. В данном случае сказывается пептизирующее влияние аммония селитры добавленной в лигнин.

Внесение веществ органических мелиорантов, таких как биогумус из навоза, биогумус из лигнина, навоз в существенной степени сказалось на снижении количества фракций менее 0,001 мм и способствовало значительному увеличению фракции 0,25-0,05 мм (40-44%).

Вещества суперфосфата оказали существенное влияние на микроагрегацию ЧС. В этом варианте опыта количество фракции 0,25-0,05 мм максимальное и составляет 68,7% от суммы всех фракций. Компоненты аммиачной селитры способствовали диспергации ЧС, что привело к увеличению фракции менее 0,001 мм до 13%. Содержание агрегатов мелкопесчаной размерности (всего 17,9%) наименьшее из всех вариантов опыта. Вещества фосфогипса с добавками способствовали увеличению показателей по содержанию фракции 0,25 - 0,05мм. На контакте с известняком-ракушечником + навоз структурообразование наблюдается во фракциях размерностью 0,25 - 0,05 мм (41,1%) и 0,05 - 0,01 мм (30,5%). Количество фракции менее 0,001 мм составляет столько же, как и с органическими мелиорантами, т.е. всего 1,4% (табл. 5).

В результате влияния веществ мелиорантов и удобрений на гранулометрический состав произошло перераспределение фракций ЧС в зоне контакта.

Под влиянием веществ фосфогипса и фосфогипса с лигнином + аммиачная селитра отмечается снижение количества фракции менее 0,001 мм (41,48-42,86%). В то же время здесь отмечается более высокое количество средней пыли для варианта с фосфогипсом и тонкой пыли для варианта с фосфогипсом +ЛИГНИН + аммиачная селитра-25,21%..

Вещества лигнина + аммиачная селитра, биогумуса из лигнина дали схожие результаты по выходу илистых фракций 45,5-47,3%, 16,44-17,42 % -фракция 1-5 мкм и 9,88-10,37% - фракция 5-10 мкм. Похожие показатели получены на варианте фосфогипс + биогумус из лигнина 49,76; 23,60 и 6,65 % соответственно для фракций ил, тонкой и средней пыли. Фосфогипс совместно с органическими удобрениями как бы сохраняет агрегатное состояние ила тонкопылеватой размерности, количественные показатели которой наибольшие в этой фракции (23,6-25,2%). Наиболее оструктуренное состояние размерностью 15, 5-10 мкм отмечается в опыте с суперфосфатом. Количество илистой фракции здесь минимальное всего 28,68%, в то время как тонкой пыли - 21,34% и средней - 17,84%. Действия навоза КРС и биогумуса из навоза КРС также способствовали сохранению агрегатов тонкопылеватых и более крупных фракций. Здесь даже снижается общее количество глинистых фракций 63,83-66,86% при ее количестве 76,85% в контрольном варианте.

Вещества аммиачной селитры и нитроаммофоски не способствовали перераспределению фракций, эти показатели составляют 49,26 и 50,84% содержание ила и 16,78 и 22,45% - количество тонкой пыли соответственно.

Вещества, применяемых мелиорантов оказывают влияние на

переорганизацию частиц микронной размерности, фиксируемой методом дробной пептизации.

Влияние веществ применяемых мелиорантов и удобрений на пептизацию почвенной массы позволяет разделить их на следующие категории. Наибольший эффект по предотвращению пептизации почвенной массы фиксируется на варианте с суперфосфатом. Здесь пептизируется всего 1,12% от суммы илов ПДП или 0,04% от массы почвы. В меньшей мере, но по-прежнему сильными агентами, предотвращающими пептизацию являются вещества: фосфогипса, фосфогипса с лигнином и аммиачной селитрой, нитроаммофоски. Эти вещества дают возможность перехода в пептизацию только 2,48; 2,31 и 2,94% соответственно от суммы илов ПДП, что составляет всего от 0,12 до 0,13% от массы почвы. Наиболее сильное влияние на пептизацию тонкодисперсной части почв оказали вещества аммиачной селитры: количество ВПИ здесь достигает 44% от общего содержания ила, 40% находится в АИ-1 и только 16% - в АИ-2. Действие веществ биогумуса из лигнина, биогумуса из навоза КРС, навоза КРС, фосфогипса с навозом КРС и известняка-ракушечника с навозом КРС в среднем по выходу твердой фазы в пептизированное состояние схожи с показателями контрольного

Рис.6. Содержание ПДП в ЧС модельнго опы

варианта (5,17 - контроль и 4,32; 6,06; 6,84; 6,06 и 5,37% соответственно).

Полученный материал показал насколько важно предсказать поведение почвенной массы, переход ее в пептизированное состояние под влиянием тех или иных веществ мелиорантов и удобрений. При использовании аммиачной селитры происходит существенная пептизация почвенной массы, с последующим активным сплыванием ее, полной или частичной дезагрегацией. Заплывший слой

почвы становится водонепроницаемым. Происходит застой воды на поверхности, что мы и наблюдали в своем эксперименте.

Основная масса ила контрольного образца находится в агрегированном состоянии - 60,94% (рис. 3), что типично для черноземных типов почв (Чижикова, Барановская, Градусов, 1988; Чижикова, 1990; Чижикова, 1992).

Вещества аммиачной селитры в агрегированном состоянии оставили всего 40% ила - в основном в АИ-1. В АИ-2 количество этой под фракции составляет всего 16%. Как было показано ранее (Чижикова, 1990, 1992) нарушение прочности связи тонкодисперсного вещества, переход его из АИ-2 -прочносвязанной категории в АИ-1 - менее прочносвязанную уже предопределяет дальнейшую пептизацию почвенной массы. Такая переорганизация наблюдается при применении лигнина с аммиачной селитрой. В этом варианте опыта в АИ-1 находится 94,31% от всех категорий илов. Высокий процент АИ-1 зафиксирован при использовании биогумусов как из лигнина (83,74%), так и из навоза КРС (79,94%). От 68,74 до 71,12% находится в АИ-1 в образцах мелиорированных навозом КРС и фосфогипсом соответственно. Высокий показатель по сравнению с контролем по АИ-1 отмечается на варианте -фосфогипс + лигнин + аммиачная селитра - 75,00% (рис. 5). То есть происходит существенная переорганизация тонкодисперсного вещества под влиянием веществ используемых мелиорантов и удобрений.

Наилучшим коагулятором, сохраняющим твердую фазу в прочносвязанном состоянии (АИ-2) является суперфосфат. Вещества этого удобрения предотвращают почти полностью выход ила в пептизированное состояние и переводит большую часть (до 70%) агрегированных илов в более прочносвязанную категорию.

Вещества фосфогипса совместно с биогумусом из лигнина и навозом КРС, а также известняк-ракушечник + навоз КРС способствуют сохранению агрегации ила и даже в некоторой мере (10-15%) перевели тонкодисперсную часть почв в более прочносвязанную категорию.

5.2. Преобразование минералогического состава ПДП ЧС под воздействием веществ мелиорантов и удобрений

ВПИ ЧС представлен ассоциацией минералов, в которой доминирует смектитовая фаза (40,8-80,8%), представленная как индивидуальным смектитом монтмориллонит-бейделлитового типа, так и сложными смешаннослойными образованиями слюда-смектитового, хлорит-смектитового типов с высоким содержанием смектитовых пакетов. Сопровождают этот доминант гидрослюды ди-триоктаэдрического типа, каолинит, хлорит. В качестве небольшой примеси в образцах ВПИ присутствует тонкодисперсный кварц и полевые шпаты (рис.6).

Можно отметить следующие общие закономерности в составе минералов ВПИ: 1 - чем больше ила вышло в пептизированное состояние, тем более его состав и свойства минералов схожи с таковыми «валового» ила; 2 - чем меньшее количество минералов выходит в пептизированное состояние, тем более существенные различия как в кристаллохимии, так и в соотношении слоистых силикатов и тонкодисперсного кварца, полевых шпатов. Существенно меняется

степень окристаллизованности доминирующего компонента.

Однако вещества мелиорантов и удобрений оказали влияние на кристаллохимию и соотношение основных минеральных фаз. Вещества мелиорантов и удобрений по влиянию на минералогический состав и кристаллохимию минералов ВПИ можно разделить на следующие группы:

5. Биогумус из навоза 6. Навоз КРС КРС

7. Суперфосфат

.оП

8. Аммиачная селитра

9.Нитроаммофоска Ю.Фосфогипс+лишин+ П.Фосфогипс+биогумус 12.Фосфогипс+навоз

аммиачная селитра из лигнина

13.Известняк-ракушечник + навоз КРС

КРС

Рис.7. Рентгендифрактограммы ВПИ, выделенных из ЧС модельного опыта (образцы в воздушно-сухом состоянии, значения межплоскостных расстояний в нм)

а) вещества органической природы в значительной мере сказались на составе ВПИ по следующим параметрам: 1) высоким рентгеноаморфным фоном; 2) игольчатыми формами таких минералов, как слюды-гидрослюды, каолинит, кварц; 3) повышенным содержанием тонкодисперсного кварца (возможное пополнение фитолитами или влияние резко кислой среды лигнина); 4) смектитовая фаза находится в супердисперсном состоянии, структура минералов разупорядочена в наибольшей мере.

1.Контроль

2. Фосфогипс

3. Лигнин + аммиачная 4. Биогумус из лигнина селитра

5. Биогумус из навоза 6, Навоз КРС КРС

7. Суперфосфат ,,,, 8 Аммиачная селитра

9 Нитроаммофоска 10 Фосфогипс+липшн+ И.Фосфогипс+биогумус 12.Фосфогипс+навоз

аммиачная селитра из лигнина КРС

13.Известняк-ракушечник + навоз КРС

Рис.8. Ренггендифракгограммы АИ-1, выделенных из ЧС модельного опыта (образцы в воздушно-сухом состоянии, значения межплоскостных расстояний в нм)

б) вещества фосфогипса и фосфогипса с добавками оказывают разнообразное влияние на минералогию ВПИ. Доминирует смектитовая фаза, во всех вариантах с фосфогипсом, но в варианте фосфогипс+лигнин+аммиачная селитра большее влияние оказывает лигнин, также как фосфогипс+биогумус из лигнина. Все параметры ВПИ более близки с таковыми, взаимодействующими с органическими веществами.

в) ВПИ, выделенный после взаимодействия ЧС с веществами удобрений резко различаются: так для минералов перешедших в ВПИ после взаимодействия с веществами аммиачной селитры, спектр более похож на «валовой ил». Вещества суперфосфата способствовали коагуляции тонкодисперсного вещества - количество составляет 1 % и ВПИ представлен в основном рентгеноаморфной фазой и обломочным материалом минералов, смектитовая фаза сильно разупорядочена, находится в супердисперсном состоянии.

В АИ-1 доминирует смектитовая фаза, состоящая из сложного смешаннослойного слюда-смектитового, хлорит-смектитового образования с примесью индивидуального смектита монтмориллонит-бейделитовой природы (49-68%) диагностированы также гидрослюды, каолинит, хлорит. Тонкодисперсный кварц и полевые шпаты отсутствуют. То есть минералогия АИ-1 сходна с таковой «валового ила». Вещества мелиорантов и удобрений сказались на некоторых особенностях структуры минералов АИ-1 и их кристаллохимическом состоянии. Можно отметить следующие закономерности: наименьшее количество смектитовой фазы во фракции отмечается с уменьшением количеств АИ-1. Так, вещества суперфосфата, повлиявшие на коагуляцию массы, способствовали переходу в АИ-1 всего на 27%. Здесь же фиксируется наименьшее количество смектита 49,1%. Интенсивность рефлексов всех минералов значительно снижена (рис.8).

Вещества мелиорантов органической природы несколько снизили интенсивность рефлексов минералов, в первую очередь смектита. Особенно это отмечается в варианте с биогумусом из навоза. Необходимо отметить отсутствие в АИ-1 тонко дисперсного кварца, в том числе и для вариантов с органическими компонентами. Вещества удобрений сказались на интенсивностях рефлексов минералов, степени разупорядоченности их структур. Варианты опыта с фосфогипсом характеризуются как высоким процентом АИ-1, так и наилучшей степенью совершенства структуры минералов, рефлексы которых островершинны, имеют наибольшую интенсивность. Соотношение основных минеральных фаз аналогично контролю.

Агрегированные илы второй категории имеют более разнообразное соотношение основных минеральных фаз, чем АИ-1. Изменилась кристаллохимия гидрослюдистого компонента; в этой категории илов преобладают триоктаэдрические типы. Нарушена закономерность, выявленная для ВПИ и АИ-1, чем больше количество подфракции, тем более совершенны формы структуры минералов. Наибольшее количество АИ-2 зафиксировано после взаимодействия ЧС с суперфосфатом. В значительной мере разрушена структура смешаннослойного слюда-смектитового образования, несмотря на то, что эта

категория илов составляет самый высокий процент (рис. 9).

Такие мелиоранты как лигнин и его производные способствовали переходу части АИ-2 в АИ-1. Оставшиеся 2% состоят в основном из гидрослюдисто-слюдистого компонента, каолинита, хлорита. Смешаннослойное слюда-смектитовое образование здесь находится в подчиненном положении. Биогумус из лигнина в меньшей мере повлиял на переорганизацию илов и состав его компонентов. Однако можно зафиксировать и отличия; здесь возрастает доля слюда-смектитов с низким содержанием смектитовых пакетов. Вещества биогумуса из навоза КРС переорганизовали тонкодисперсную фазу не столь

и

13.Известняк-ракушечник + навоз КРС

Рис.9. Рентгендифрактограммы АИ-2, выделенных из ЧС модельного опыта (образцы в воздушно-сухом состоянии, значения межплоскостных расстояний в нм)

существенно: АИ-1 - 79,9%, то есть около 19% перешло из АИ-2 в АИ-1, и АИ-2 в настоящий момент содержит 13% от суммы ПДП, состоят из неупорядоченных смешаннослойных слюда-смектитов с высоким содержанием смектитовых пакетов; второй тип слюда-смектитов отсутствует. Вещества навоза КРС в большей мере, чем биогумус и лигнин способствовали сохранению исходной организации тонкодисперсной части почв. Количество АИ-2 равно 24,4%, более приближаясь к контролю. Особое положение занимает ЧС, контактирующий с суперфосфатом. Здесь произошла существенная переорганизация тонкодисперсного вещества: в АИ-2 количество ила составляет 71,7%, то есть основная масса находится в более прочносвязанном виде. Выбивается из общей закономерной картины и такой параметр как соотношение основных минеральных фаз. Смешаннослойных слюда-смектитов в данном варианте значительно меньше, чем на контроле, снизились интенсивности рефлексов всех слоистых силикатов. Можно предположить об особой организации глинистых минералов под влиянием водорастворимого монокальций фосфата, который коагулирует вещества и сохраняет эту более прочносвязанную организацию; свободная фосфорная кислота оказывает влияние на структуру минералов, особенно на смектитовый компонент, который частично разрушается: количество этого минерала высокое, а спектры низкие.

Вещества аммиачной селитры и нитроаммофоски перевели основную массу илистого вещества в ВПИ и на долю АИ-2 осталось всего 15,9% от суммы илов ПДП. Значительно снижено содержание смектитовой фазы, часть ее находится в супердисперсном состоянии, отсутствуют слюда - смектиты с низким содержанием смектитовых пакетов. Гидрослюды отнесены к категории триоктаэдрических.

Под влиянием фосфогипса с биогумусом из лигнина, фосфогипса + навоз КРС и известняка ракушечника + навоз КРС сохраняется внутренняя организация тонкодисперсной части почв и количество АИ-2 в этом варианте опыта аналогично контролю. В составе глинистых минералов соотношение основных минеральных фаз изменилось незначительно; так снизилось количество смектитовой фазы, несколько уменьшились интенсивности рефлексов всех слоистых силикатов.

Выводы:

1. Минералогический состав, изучаемых ЧС, в том числе отобранных в модельный опыт представлен ассоциацией минералов характерных для этого типа почв. Илистая фракция полиминеральна, в ней преобладает смектитовая фаза (52,1-58,3%), ди-триоктаэдрические гидрослюды (25,6-33,2%), каолинит и хлорит (в сумме 14,7-16,1%). Примесь тонко дисперсного кварца.

Смектитовая фаза состоит из: сложных неупорядоченных смешаннослойных образований нескольких типов: слюда-смектитов с высоким содержанием смектитовых пакетов (преобладают), слюда-смектитов с низким содержанием смектитовых пакетов, хлорит-смектитов, индивидуального смектита, отнесенному к монтмориллонит-бейделлитовому типу.

Фракция тонкой пыли фактически не содержит смектитовой фазы: кварц - 20,5-37,1%, полевые шпаты - 10,9-18,2%, гидрослюда - 20,7-31,6%, каолинит + хлорит - 14,4-24,4%, смешаннослойное хлорит-смектитовое образование - 9,414,8%. Средняя пыль состоит из кварца 31,2-50,6%, полевых шпатов - 18,1-36,0%, гидрослюды- 13,9-29,4%, хлорита-5,2-13,0%, каолинита-7,1-12,9%.

2. Исследуемая почва обладает высокими природными запасами калия (общие запасы - 2500-2600 мг/100г почвы; из них потенциальный резерв 1006,8935,4, ближний 1466,7-1620 и непосредственный 26,5-44,6 мг/100г почвы). Установлено, что основным резервом запасов элементами питания ЧС является илистая фракция. Этот резерв состоит из компонентов носителей калия, которые относятся к категории неустойчивых при изменении окружающей среды и быстро отдают природный калий

3. Мониторинг в течение 3-х лет свойств и составов пахотного горизонта ЧС в контактной зоне с веществами наиболее широко используемых в Ставрополье мелиорантов и удобрений позволил зафиксировать изменения ряда, физико-химических, химических, физических свойств и минералогического состава тонкодисперсных фракций.

а. По своему воздействию на кислотно-щелочные свойства вещества мелиорантов и удобрений сгруппированы на следующие категории: 1)вещества, которые не приводят к изменению реакции - навоз, известняк-ракушечник с навозом, биогумус из навоза, биогумус из лигнина, а также фосфогипс с навозом и фосфогипс с биогумусом из навоза; 2) вещества, которые подкисляют почву в первые два года с последующим ослаблением подкисляющего действия -фосфогипс и фосфогипс в сочетании с лигнином и аммиачной селитрой; 3) вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска), которые подкисляют почву в первый год с прогрессирующим подкислением в последующие два года; 4) вещества, которые очень сильно подкисляют почву (лигнин с аммиачной селитрой) в течение всего периода взаимодействия с почвой.

., б. Произошли изменения в почвенно-поглощающем комплексе. Изменилась как сумма, так и соотношения Са2+ и М^2+ в основном в сторону увеличения обменного Са2+.

г. Изменилось количество подвижных форм калия и фосфора на контакте с веществами мелиорантов и удобрений - носителей этих элементов. Однако их количество с увеличением срока воздействия резко снижалось.

4. Внесенные вещества способствовали переорганизации почвенной массы, фиксируемой на разных иерархических уровнях.

а. После первого года взаимодействия веществ мелиорантов и удобрений изменилась морфология агрегатов. Выделены три категории веществ, сказывающихся на агрегации почвенной массы: вещества органической природы создали агрономически ценную крупнозернистую и ореховатую структуру. Вещества фосфогипса, лигнина с аммиачной селитрой, фосфогипса с лигнином и аммиачной селитрой, фосфогипса с биогумусом из лигнина, фосфогипса с навозом КРС, известняка-ракушечника с навозом КРС не существенно сказались

на агрегации почвенной массы. Вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска) разрушили естественные агрегаты почвы, переведя их в категорию пылеватых.

б. Произошло увеличение количества микроагрегатов размером менее 1 мкм на вариантах опыта с применением аммиачной селитры и лигнина + аммиачная селитра, коэффициент дисперсности составил 26 и 20 соответственно. На вариантах с применением фосфогипса, биогумуса из лигнина, биогумуса из навоза КРС, навоза КРС, фосфогипса + биогумус из лигнина, фосфогипса + навоз КРС и известняка-ракушечника + навоз КРС количество микроагрегатов размерностью менее 1 мкм снизилось в 2-3 раза

в. Существенным образом изменилась организация тонкодисперсной части почв, фиксируемая по соотношению илов дробной пептизации микронной размерности. Наиболее сильный эффект получен при взаимодействии почвы с веществами аммиачной селитры, которые перевели в пептизированное состояние более 40% почвенного ила. Вещества лигнина, биогумуса из лигнина и биогумуса из навоза частично предотвратили пептизацию илистого вещества, но перевели более прочносвязанные категории ила в менее прочносвязанные. Фосфогипс совместно с биогумусом, а также известняк-ракушечник с навозом способствовали не только сохранению агрегации тонкодисперсной части почв, но и переходу ее в более прочносвязанную категорию.

5. Минералогический состав ПДП представлен теми же компонентами, которые были зафиксированы в «валовом» иле. Соотношение этих минералов и их структурное состояние резко меняется в зависимости от категории прочности связи и от влияния вещества мелиоранта и удобрения. Наиболее подвержен изменениям оказался ВПИ, минералогия которого отличается: а -супердисперсным состоянием смектитовой фазы; б - более резкими колебаниями в соотношении минеральных фаз; в - наличием тонкодисперсного кварца и полевых шпатов. Наибольший эффект на состав минералов оказали вещества минеральных удобрений. АИ-1 - доминирующая категория илов состоит из минералов в наибольшей мере сходных с таковыми «валового» ила. Отмечаются менее резкие различия по соотношению основных минеральных фаз и их кристаллохимии в зависимости от природы веществ мелиорантов и удобрений. Выделяется АИ-1 контактирующий с веществами суперфосфата.

Агрегированные илы второй категории имеют разнообразное соотношение основных минеральных фаз. Изменилась кристаллохимия гидрослюдистого компонента; в этой категории илов преобладают триоктаэдрические типы. Существенное изменение структуры основного минерала - смешаннослойного образования зафиксированы на вариантах с применением аммиачной селитры, лигнина с аммиачной селитрой, биогумуса из лигнина и суперфосфата.

6. Установлено, что вещества удобрений и мелиорантов, контактирующие с почвенной массой, оказывают разностороннее влияние на свойства и минералогию ЧС. Наиболее экологически оправданными являются вещества органической природы и в первую очередь биогумусы органических

веществ, а также известняк-ракушечник с навозом КРС.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Годунова Е.И., Чижикова Н.П., Кубашев С.К. Минералогический состав тонкодисперсных фракций черноземов слитых солонцеватых озерных котловин Егорлыкско-Сенгилеевского ландшафта// Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия: Материалы Первой Международной Научной Конференции, 24-28 сентября 2001г., Ставрополь: Ставропольская государственная сельскохозяйственная академия, 2001.- С.58-59.

2. Годунова Е.И., Чижикова Н.П., Кубашев С.К. Черноземы слитые солонцеватые Центрального Предкавказья и устойчивость их функционирования в агроценозах// Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям: Тезисы докладов Всероссийской конференции, 24-25 апреля 2002 г., М.: Почвенный институт им. В. В. Докучаева РАСХН, 2002.- 487с.

3. Кубашев С.К., Годунова Е.И. Минералогический состав чернозема слитого солонцеватого и функциональная роль минералов в оценке плодородия почв// Материалы II международной научной конференции «эволюция и деградация почвенного покрова», т.1, Ставрополь, 2002.- С.41-45.

4. Годунова Е.И., Кубашев С.К. Мелиорация солонцовых почв на Ставрополье// Материалы научно-практической конференции «Рациональное природопользование и сельскохозяйственное производство в южном регионе Российской Федерации. Разработка адаптивных систем природоохранной технологии производства с.-х. продукции в аридных районах России. - М., 2003, с 378-389.

5. Кубашев С.К. Поиск приемов улучшения структуры черноземов слитых солонцеватых Ставропольского края// VI Докучаевские молодежные чтения. Тезисы докладов Всероссийской конференции, Санкт-Петербург, 2003 г. С. 90-91.

6. Годунова Е.И., Кубашев С.К, Чижикова Н.П. Влияние лигнина и его комбинаций с другими веществами на свойства черноземов слитых Ставропольского края// Сборник докладов на Международной конференции «Агроэкологические функции органического вещества и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии. Владимир, 2004, С.375-378.

7. Чижикова Н.П., Годунова Е.И., Кубашев С.К. К вопросу о влиянии веществ мелиорантов и удобрений на свойства и состав черноземов слитых// Доклады международного экологического форума: Сохраним планету Земля. Санкт-Петербург. - 2004, С. 305-309.

Под. к печ. 25.04.2005 г. Заказ № 49 Объем 1 п.л. Формат 1/16. Тираж 150 экз.

Отпечатано: ООО "Графике В " г. Москва, ул. Долгоруковская, д. 33 тел.969-07-72

19 Ш.й 2005

Содержание диссертации, кандидата сельскохозяйственных наук, Кубашев, Сергей Казиуллович

Введение.

1. Условия почвообразования региона исследований.

1.1. Геоморфология и рельеф.

1.2. Климат.

1.3. Геологическое строение территории исследований и гидрология.

1.4. Растительность.

1.5. Почвы и почвенный покров.

2. Обзор литературы по слитым почвам, их мелиорациям и влияние агрогенных факторов на минералогию почв.

2.1. Распространения слитых почв.

2.2. Минералогический состав слитых почв.

2.3. Существующие методы мелиорации слитых почв в мире.

2.4. Изменение минералогии почв под влиянием антропогенного фактора.

3. Объекты и методы исследований.

4. Свойства, минералогический состав фракции ила, тонкой и средней пыли и запасы элементов питания чернозема слитого.

4.1. Некоторые физико-химические свойства чернозема слитого.

4.2. Минералогический состав чернозема слитого.

4.2.1. Минералогический состав илистой фракции чернозема слитого.

4.2.2. Минералогический состав фракции тонкой пыли чернозема слитого

4.2.3. Минералогический состав фракции средней пыли (5-10мкм) чернозема слитого.

4.3. Валовой химический состав чернозема слитого и выделенных из него фракций ила, тонкой пыли, средней пыли, и остатка после выделения всех перечисленных фракций.

4.4. Функциональная роль минералов в оценке плодородия почв.

4.5. Содержание органического вещества, характер его распределения по профилю и по гранулометрическим фракциям разной размерности.

5. Модельный эксперимент по выявлению влияния мелиорантов на свойства, структурную организацию и минералогический состав черноземов слитых

5.1. Влияние мелиорантов и удобрений на свойства черноземов слитых.

5.1.1. Изменение реакции среды.;.

5.1.2. Изменение гумусного состояния.

5.1.3. Изменение содержания обменных оснований.

5.1.4. Изменение содержания подвижных форм калия.

5.1.5. Изменение содержания подвижных форм фосфора.

5.1.6. Изменение морфологии агрегатов черноземов слитых после годичного эксперимента в вегетационных сосудах.

5.1.7. Влияние веществ внесенных мелиорантов и удобрений на распределение фракций микроагрегатного состава.

5.1.8. Влияние внесенных мелиорантов на распределение гранулометрических фракций черноземов слитых.

5.1.9. Влияние веществ мелиорантов и удобрений на переорганизацию тонкодисперсной части черноземов слитых микронной размерности.

5.1.9. Влияние веществ мелиорантов и удобрений на переорганизацию тонкодисперсной части черноземов слитых микронной размерности.

5.1.9.1. Влияние веществ мелиорантов и удобрений на пептизацию тонкодисперсного вещества.

5.1.9.2. Поведение агрегированных илов разной прочности связи АИ-1 и АИ-2 под влиянием мелиорантов.

5.2. Преобразование минералогического состава подфракций дробной пептизации черноземов слитых под воздействием мелиорантов.

5.2.1. Минералогический состав воднопептизированного ила (ВПИ) черноземов слитых модельного опыта.

5.2.2. Минералогический состав агрегированного ила первой категории прочности связи (АИ-1) черноземов слитых модельного опыта.

5.2.3. Минералогический состав агрегированного ила второй категории (АИ-2) прочности связи в черноземах слитых модельного опыта.

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Изменение структурно-минералогической основы, состава и свойств слитых почв при воздействии на них веществ различной природы (промышленные отходы, стандартные удобрения, мелиоранты) в условиях Центрального Предкавказья"

Черноземы слитые в Центральном и Восточном Предкавказье занимают площадь свыше 450 тыс. га (Тюльпанов и др., 1998). Они характеризуются глинистым гранулометрическим составом, сильной набухаемостью при увлажнении и высокой усадкой при высыхании. Во влажном состоянии эти почвы обладают липкостью, прилипаемостью к рабочим органам почвообрабатывающих орудий, а при высыхании становятся твердыми, как бетон.

В целом они обладают неблагоприятными водно-физическими свойствами, из-за чего урожайность сельскохозяйственных культур на них ниже по сравнению с зональными почвами.

Проведены многочисленные исследования по улучшению слитых почв с применением мелиорантов различной природы, в том числе отходов промышленности и удобрений. Из мелиорантов на Ставрополье рекомендованы фосфо-гипс, являющийся отходом Невинномысского завода "Азот", лигнин - отход Георгиевского биохимического завода, известняк-ракушечник, как в чистом виде, так и совместно с навозом и неорганическими кислотами (HNO3 и H2SO4). В крае разработаны рекомендации по применению на этих почвах органических удобрений, таких как навоз, биогумус, полученный из навоза и лигнина.

В настоящее время огромное количество лигнина и фосфогипса, скопившееся за последние годы, нигде не используется. Кроме того, успешно работающий химкомбинат "Азот" постоянно пополняет запасы фосфогипса.

Применение фосфогипса и лигнина в с.-х. производстве, запасы которых позволяют проводить мелиорацию в течение многих лет, несомненно, отразится на свойствах и минералогическом составе почв, от которого зависит их потенциальное плодородие.

В связи с отсутствием исследований в этом направлении изучение влияния веществ используемых мелиорантов и удобрений на минералогический состав черноземов слитых — актуальная задача для земледелия, решение которой позволит выбрать оптимальный прием для мелиорации этих почв.

Цель исследований

Целью работы является изучение влияния веществ, которые традиционно используются в качестве мелиорантов и удобрений в Ставропольском крае на свойства и минералогический состав черноземов слитых на основе проведения модельного эксперимента, имитирующего контактную зону взаимодействия вносимых веществ с почвой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучить свойства и минералогический состав илистой, тонко- и средне пылеватой фракций черноземов слитых;

- дать оценку плодородию изучаемых черноземов слитых с позиции запасов элементов питания по резервам;

- установить влияние веществ применяемых мелиорантов и удобрений на свойства черноземов слитых;

- провести анализ изменения агрегатного состояния черноземов слитых под влиянием веществ широко используемых мелиорантов и удобрений на разных иерархических уровнях, включая изучение морфостроения агрегатов, микроагрегатного состояния, гранулометрического состава, оценки прочности связи илистых частиц методом дробной пептизации;

- установить изменение минералогического состава черноземов слитых, испытывающих воздействие веществ мелиорантов и удобрений в условиях модельного опыта;

- на основе установленных изменений свойств почв, минералогического состава и переорганизации тонкодисперсного вещества обосновать целесообразность применения используемых мелиорантов и удобрений.

Научная новизна

В модельном опыте, имитирующем контактную зону взаимодействия, впервые проведено комплексное исследование влияния веществ мелиорантов и удобрений, наиболее широко используемых в Ставропольском крае, на свойства и состав черноземов слитых. Установлено, что изменение почвенной массы под влиянием вносимых веществ происходит одновременно на нескольких иерархических уровнях: строения элементарных частиц, микроагрегатов, макроагрегатов. Вещества мелиорантов и удобрений различной природы приводят к широкому спектру изменений структурного состояния почв от почти полной дезагрегации почвенной массы до создания хорошо выраженных агрегатов. Использовался метод дробной пептизации, раскрывающий поведение тонкодисперсных веществ слитых почв, меняющихся под влиянием веществ мелиорантов и удобрений. Раскрыты особенности структурного состояния смектитового компонента в подфракциях дробной пептизации черноземов слитых.

Практическая значимость и реализация результатов

На основе модельного эксперимента возможен прогноз изменения свойств и составов черноземов слитых под влиянием веществ мелиорантов и удобрений при длительном периоде применения на полях Ставропольского края.

Из предложенных вариантов опыта наиболее целесообразно использовать органические вещества биогумусов из лигнина и навоза КРС, навоз КРС. Не целесообразность применения веществ минеральных удобрений на слитых почвах обусловлена значительным разрушающим воздействием веществ этих удобрений на агрегацию почвенной массы; наибольший эффект на разрушение агрегатов и переход почвенной массы в пептизированное состояние с последующей цементацией почвенной массы отмечается при использовании аммиачной селитры.

Полученные результаты целесообразно внести в рекомендации по сохранению экологического состояния черноземов Ставропольского края.

Защищаемые положения

1. Оценка обеспеченности почв на высокосмектитовых глинах элементами минерального питания растений рассчитаны по Горбунову с дополнениями на основе структурно-минералогических данных, состава и характера почв по дисперсности, соотношениям валовых и других количеств элементов - биофилов.

2. Разносторонняя характеристика результатов изменений свойств и составов почв при взаимодействии в модельном опыте с веществами, применяемыми при сельскохозяйственном использовании и мелиорации земель в хозяйствах Ставрополья, включающих отходы промышленности, комплексные смеси обогащенные органическими соединениями, а также вещества стандартных удобрений.

3. Обоснование для выделения групп веществ, используемых для почво-улучшения земель в условиях Ставрополья, их воздействие на структурно-минералогические особенности, дисперсность и пептизированность твердой фазы почв.

Публикации и апробация работы

Результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: Первой международной конференции: «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия», г. Ставрополь, 2001г., Вторая международная научная конференция: «Эволюция и деградация почвенного покрова», г. Ставрополь, 2002 г., Молодежная конференция: VI Докучаевские чтения г. Санкт-Петербург 2003 г., на Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» г. Санкт-Петербург 2004 г., на расширенном заседании отдела ландшафтного земледелия СНИИСХ, 2003 г., на заседании лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева, 2003г.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Кубашев, Сергей Казиуллович

Выводы

1. Минералогический состав, изучаемых черноземов слитых, в том числе отобранных в модельный опыт представлен ассоциацией минералов характерных для этого типа почв. Илистая фракция полиминеральна, в ней преобладает смектитовая фаза (52,1-58,3%), ди-триоктаэдрические гидрослюды (25,633,2%), каолинит и хлорит (в сумме 14,7-16,1%). Примесь тонкодисперсного кварца.

Смектитовая фаза состоит из: сложных неупорядоченных смешаннослой-ных образований нескольких типов: слюда-смектитов с высоким содержанием смектитовых пакетов (преобладают), слюда-смектитов с низким содержанием смектитовых пакетов, хлорит-смектитов, индивидуального смектита, отнесенному к монтморпллонит-бейделлитовому типу.

Фракция тонкой пыли фактически не содержит смектитовой фазы: кварц -20,5-37,1%, полевые шпаты - 10,9-18,2%, гидрослюда-20,7-31,6%, каолинит + хлорит - 14,4-24,4%, смешаннослойное хлорит-смектитовое образование -9,4-14,8%. Средняя пыль состоит из кварца 31,2-50,6%, полевых шпатов - 18,136,0%, гидрослюды - 13,9-29,4%, хлорита - 5,2-13,0%, каолинита - 7,1-12,9%.

2. Исследуемая почва обладает высокими природными запасами калия (общие запасы - 2500-2600 мг/100г почвы; из них потенциальный резерв 1006,8935,4, ближний 1466,7-1620 и непосредственный 26,5-44,6 мг/100г почвы). Установлено, что основным резервом запасов элементами питания черноземов слитых является илистая фракция. Этот резерв состоит из компонентов носителей калия, которые относятся к категории неустойчивых при изменении окружающей среды и быстро отдают природный калий

3. Мониторинг в течение 3-х лет свойств и составов пахотного горизонта чернозема слито го в контактной зоне с веществами наиболее широко используемых в Ставрополье мелиорантов и удобрений позволил зафиксировать изменения ряда физико-химических, химических, физических свойств и минералогического состава тонкодисперсных фракций. а. По своему воздействию на кислотно-щелочные свойства вещества мелиорантов и удобрений сгруппированы на следующие категории: 1)вещества, которые не приводят к изменению реакции - навоз, известняк-ракушечник с навозом, биогумус из навоза, биогумус из лигнина, а также фосфогипс с навозом и фосфогипс с биогумусом из навоза; 2) вещества, которые подкисляют почву в первые два года с последующим ослаблением подкисляющего действия - фосфогипс и фосфогипс в сочетании с лигнином и аммиачной селитрой; 3) вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска), которые подкисляют почву в первый год с прогрессирующим под-кислением в последующие два года; 4) вещества, которые очень сильно подкисляют почву (лигнин с аммиачной селитрой) в течение всего периода взаимодействия с почвой. б. Произошли изменения в почвенно-поглощающем комплексе. Изменилась как сумма, так и соотношения Са2+ и Mg2+ в основном в сторону увеличения обменного Са2\ г. Изменилось количество подвижных форм калия и фосфора на контакте с веществами мелиорантов и удобрений - носителей этих элементов. Однако их количество с увеличением срока воздействия резко снижалось.

4. Внесенные вещества способствовали переорганизации почвенной массы, фиксируемом на разных иерархических уровнях. а. После первого года взаимодействия веществ мелиорантов и удобрений изменилась морфология агрегатов. Выделены три категории веществ, сказывающихся на агрегации почвенной массы: вещества органической природы создали агрономически цепную крупнозернистую и ореховатую структуру. Вещества фосфогипса, лигнина с аммиачной селитрой, фосфогипса с лигнином и аммиачной селитрой, фосфогипса с биогумусом из лигнина, фосфогипса с навозом КРС, известняка-ракушечника с навозом КРС не существенно сказались на агрегации почвенной массы. Вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска) разрушили естественные агрегаты почвы, переведя их в категорию пылеватых. б. Произошло увеличение количества микроагрегатов размером менее 1 мкм на вариантах опыта с применением аммиачной селитры и лигнина + аммиачная селитра, коэффициент дисперсности составил 26 и 20 соответственно. На вариантах с применением фосфогипса, биогумуса из лигнина, биогумуса из навоза КРС, навоза КРС, фосфогипса + биогумус из лигнина, фосфогипса + навоз КРС и известняка-ракушечника + навоз КРС количество микроагрегатов размерностью менее 1 мкм снизилось в 2-3 раза в. Существенным образом изменилась организация тонко дисперсной части почв, фиксируемая по соотношению илов дробной пептизации микронной размерности. Наиболее сильный эффект получен при взаимодействии почвы с веществами аммиачной селитры,-которые перевели в пептизированное состояние более 40% почвенного ила. Вещества лигнина, биогумуса из лигнина и биогумуса из навоза частично предотвратили пептнзацию илистого вещества, но перевели более прочносвязанные категории ила в менее прочносвязанные. Фосфогипс совместно с биогумусом, а также известняк-ракушечник с навозом способствовали не только сохранению агрегации тонкодисперсной части почв, но и переходу ее в более прочносвязанпую категорию.

5. Минералогический состав Г1Д11 представлен теми же компонентами, которые были зафиксированы в «валовом» иле. Соотношение этих минералов и их структурное состояние резко меняется в зависимости от категории прочности связи и от влияния вещества мелиоранта и удобрения. Наиболее подвержен изменениям оказался ВПИ, минералогия которого отличается: а - супердисперсным состоянием смектитовой фазы; б - более резкими колебаниями в соотношении минеральных фаз; в - наличием топкодисперсного кварца и полевых шпатов. Наибольший эффект на состав минералов оказали вещества минеральных удобрений. АИ-1' - доминирующая категория плов состоит из минералов в наибольшей мерс сходных с таковыми «валового» ила. Отмечаются менее резкие различия по соотношению основных минеральных фаз и их кристаллохимии в зависимости от природы веществ мелиорантов и удобрений. Выделяется АИ-1 контактирующий с веществами суперфосфата.

Агрегированные илы второй категории имеют разнообразное соотношение основных минеральных фаз. Изменилась кристаллохимия гидрослюдистого компонента; в этой категории илов преобладают трпоктаэдрические типы. Существенное изменение структуры основного минерала - смешаннослойного образования зафиксированы на вариантах с применением аммиачной селитры, лигнина с аммиачной селитрой, биогумуса из лигнина и суперфосфата.

6. Установлено, что вещества удобрений и мелиорантов, контактирующие с почвенной массой, оказывают разностороннее влияние на свойства и минералогию черноземов слитых. Наиболее экологически оправданными являются вещества органической природы и в первую очередь биогумусы органических веществ, а также известняк-ракушечник с навозом ЬСРС.