Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль электростатического фактора в генезисе и мелиорации солонцов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Роль электростатического фактора в генезисе и мелиорации солонцов"

.( - с п'

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

На правах рукописи

КУРБАТОВ Анатолий Иванович, кандидат химических наук, доцент

УДК 631.445.53 :631.6

РОЛЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ФАКТОРА В ГЕНЕЗИСЕ И МЕЛИОРАЦИИ СОЛОНЦОВ

Специальность: 03.00.27 — почвоведение

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре физической и коллоидной химии Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Официальные оппоненты — академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. П. Панов; член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор И. П. Айдаров; доктор биологических наук, профессор Д. С. Орлов.

Ведущее предприятие — Почвенный институт им. В. В. Докучаева.

Защита состоится « » оЛ^-лЬ^-уъЯ' . . 1992 г. в «'У» час., на'заседании специализированного совета Д 120.35.02 в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в^ДНБ ТСХА.

Автореферат разослан «'. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат сельскохозяйственны^

наук М. Наумова

-ФсКАЙ ■■■■мигами зЛйОТЕКА

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы. В классических работах К. К. Гедройца, 1912, 1926, 1928; К. Д. Глинки, 1926; В. Р. Вильямса,1930, определены основные пути генезиса солонцов, вскрыто влияние разнообразных факторов на проявление солонцового процесса. Однако, ряд вопросов, касающихся влияния на формирование солонцов материнских (изверженных) пород, состава глинистых минералов, возникновения повышенного термодинамического и электрокинетического потенциалов, ионного состава почвенного раствора, электрокинетических свойств ППК не нашел должного объяснения.

Развивая взгляды классиков на процессы формирования солонцов в последующих работах многие исследователи склоняются к мысли, что наряду с ионами натрия, пептизирую-щим действием обладают и ионы магния, причем их диспергирующая роль значительно усиливается в присутствии даже небольших количеств натрия — П. И. Шаврыгин, 1935; А. Н. Розанов, 1935; П. М. Брешковский, 1937; Н. Д. Градобоев, 1966; И. Я. Половицкий, 1969; Н. П. Панов, 1972; И, Н. Гоголев, 1976; С. Н. Ellys, О. С. Goddwell, 1955; W. R. Gill, G. D. Sharman, 1952 и другие. На высокую резистентность магния к ППК солонцов указывает М. Б. Минкин, 1973. Однако, в ряде работ — И. Н. Антипов-Каратаев, 1926; В. Н. Михайли-ченко, 1975; А. И. Курбатов, П. П. Гончаров, 1983 и др., показано, что магний даже в присутствии натрия не всегда повышает дисперсность почв.

Ряд других исследователей — Л. И. Прасолов, И. Н. Антипов-Каратаев, 1930; С. Я Сушко, 1933; В. А. Ковда, 1937; Н. В. Орловский, 1937; А. М. Можейко, 1936, 1960; В. И. Ки-рюшин, 1975; W. R. Kelly, 1937; С. F. Bently, С. О. Rost, 1957 и др. — считает наличие солонцов, особенно с незначительным содержанием натрия, реликтовым явлением.

Влияние материнских пород на формирование солонцов отмечает Б. В. Андреев, 1956, объясняя образование солонцов наличием гидрофильных коллоидов, продуктов гальмиролиза минеральной части почв, подвергшихся длительному воздействию солей.

С появлением в 30—40-х годах т. с. новых физико-химических методов исследования — рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, дифференциальный термический анализ (ДТА), позволяющих идентифицировать минералогический состав почв, ученые обращаются к изучению первичных и глинистых минералов и их влиянию на образование солонцов. В работах И. Д. Седлецкого, 1940, 1942; был установлен глинистый минерал, обусловливающий, по данным автора, специфические свойства солонцов, который он предложил назвать гедройцитом. В последующих работах Н..И. Горбунова, 1956, 1963 с применением рентгеноструктурного и ДТА было показано, что солонцы и зональные почвы имеют качественно идентичный состав глинистых'минералов, наличие гед-ройцита в солонцах не обнаружено. К подобным выводам пришли и другие исследователи—Б. П. Градусов, 1967; С. Н. Алешин, А. И. Курбатов, 1965, 1966; Н. П. Панов, Н. А. Гончарова, 1971; В. И. Кирюшин, 1972, 1975.

В. И. Кирюшин, 1975, проверил экспериментально гальми-ролизную теорию образования солонцов и показал отсутствие каких-либо изменений в химическом и минералогическом составе почв после их длительного взаимодействия с различными, электролитами в анаэробных условиях, а накопление подвижных форм алюминия и железа автор связывает с биохимическими восстановительными процессами.

Важную роль в процессах пептизации и стабилизации почвенных золей иллювиальных горизонтов солонцов В. Н. Ми-хайличенко, 1975, 1978, отводит «гидрофильной молекулярной плазме», которая обладает защитным действием по отношению к коллоидам; плазма не коагулирует, высаливается, что придает солонцам высокую устойчивость, обусловливает их гидрофильные свойства.

Еще в работах К. К. Гедройца отмечался по ряду косвенных показателей повышенный заряд коллоидов солонцов по отношению к зональным почвам. Однако экспериментальные измерения заряда не проводились. Более поздние исследования В. М. Гортикова, 1935; С. Маттсона, 1938; Н. И. Горбунова, 1948; С. Н. Алешина и А. И. Курбатова с соавторами, 1965, 1970, 1975, 1986; А; Ф. Вадюниной, 1974; М. Б. Минкина, 1973, 1976; В, И. Кирюшина, 1980, В. В. Окоркова, 1978, 1979, 1990, показали, что почвенные коллоиды являются гидрофобными, но проявляют различную степень гидрофильности. Устойчивость коллоидов солонцов определяет их более высокий электрокинетический потенциал, а значит нарушение аг-регативной устойчивости золей солонцов должно подчиняться коллоидно-химическим правилам и законам.

В настоящей работе дана экспериментальная оценка роли указанных явлений в генезисе солонцов, поскольку от их ре-

шения зависит выбор теоретической предпосылки мелиорации последних.

1.2. Цели и задачи исследовании. Работа посвящена изучению коллоидно-химических свойств солонцов различных природных регионов страны с позиций электростатической природы образования повышенной их дисперсности и устойчивости полученных дисперсий, установления влияния состава первичных и глинистых минералов на формирование солонцов, влияния ионного состава ПГ1К на формирование повышенного термодинамического и электрокинетического потенциалов солонцов, разработке приемов и способов снижения этих потенциалов с целью уменьшения степени дисперсности солонцов и получения пригодных для сельскохозяйственного использования почв, изучению влияния состава мелиорантов на изменение свойств солонцов, обеспечение их элементами питания. В этой связи особое внимание было уделено использованию в качестве мелиорантов полупродуктов и побочных продуктов промышленного получения минеральных удобрений (неупаренные азотная и фосфорная кислоты, фосфогипс), строительной индустрии (известняк-ракушечник), нефтехимии (отработанная при крекинге нефти серная кислота). Таким образом, наряду с мелиорацией солонцов решались вопросы охраны окружающей среды, сбережения энергетики, удешевления мелиоративных работ, повышения производительности труда. Разработка надежных критериев при определении доз мелиорантов позволила подойти более эффективно к мелиорации мало- и многонатриевых солонцов.

В процессе выполнения работы решались задачи:

1. Установить величины термодинамического и электрокинетического потенциалов солонцов и зональных почв различных регионов страны с целью выявления влияния потенциалов на коллоидно-химические характеристики этих почв.

2. Определить критическую величину дзета-потенциала коллоидов солонцов при которой резко меняются их коллоидно-химические характеристики.

3. Установить зависимость дзета-потенциала глинистых минералов и почв ог состава ионов раствора, его концентрации, рН среды, содержания гумуса и других параметров.

4. Разработать методики определения электрокинетического потенциала почв, обеспечивающие получение объективных показателей их состояния, позволяющие установить степень солонцсватости почв и оценить мелиоративное состояние солонцов, подвергшихся мелиорации.

5. Разработать экспрессную методику определения доз мелиорантов солонцов по порогу коагуляции с учетом величины дзета-потенциала, позволяющую надежно и эффективно опре-

делять оптимальные дозы мелиорантов для солонцов с различным содержанием натрия, магния, соды.

6. Изучить состав первичных и глинистых минералов солонцов и зональных почв ряда регионов страны с целью уяснения их роли в развитии солонцового процесса почвообразования.

7. Исследовать влияние мелиорантов различных классов — кислот разбавленных, концентрированных, глиногипса, фосфо-гипса, известняка-ракушечника на состав и свойства ППК почв в условиях богары и орошения. Установить оптимальные дозы применения мелиорантов с учетом их экологической безопасности.

1.3. Научная новизна исследований. В работе впервые экспериментально показана многофакторность природы генезиса солонцов (полигенетическая природа — Н. П. Панов, 1972). Решающую роль в обеспечении повышенной дисперсности солонцов и устойчивости этих дисперсий играет электростатический фактор, действие которого может быть охарактеризовано величинами термодинамического и электрокинетического потенциалов. В работе показано, что анионы повышают термодинамический и электрокинетичсский потенциалы, т. е. являются пептизаторами ППК. Обменные катионы снижают величину электрокинетичсского потенциала тем сильнее, чем выше их валентность. При замене двух- и трехвалентных ионов на одновалентные дзета-потенциал возрастает, происходит «опосредованная пептизацня».

В работе впервые показано, что в естественных ценозах исходным материалом для формирования солонцов является специфический состав первичных минералов. Установлено, что минеральная часть ППК солонцов образовалась из продуктов выветривания пород с высоким содержанием ^-минералов (гранодиорит), а зональные (черноземные) почвы образовались на продуктах выветривания пород с высоким содержанием К-минералов (микроклиновый гранит).

Показано, что выветривание протекает с изменением химического состава и строения кристаллической решетки Ыа-ми-нерала (олигоклаза — Ыао.эСасмА^зОв) с одновременным подщелачиванием среды (рНЭПО), за счет гидролиза алюмо-силикатной поверхности и выходом ионов Ыа в обменное состояние, микроклин (КА^зОв) превращается в процессе выветривания в гидрослюду и каолинит, с понижением рН до близкой к нейтральной, калий при этом легко фиксируется в межлисточковых наветах.

Переход из твердой в жидкую фазу обменного натрия и необменная адсорбция гидроксильных ионов алюмосиликат-ной поверхностью приводит к формированию высокого эффек-4

тивного заряда ППК на солонцах. В формирование заряда большой вклад вносят и ионы НЭЮз-, образовавшиеся при гидролизе алюмосиликатной поверхности.

Для определения заряда (^-потенциала) разработаны новые методики: а) электрофоретический метод с использованием ротационной камеры, позволяющей поднять во взвешенное состояние частички ППК, имеющие заряд ниже критического; б) метод потенциала протекания, с учетом поверхностной проводимости. При этом нами была модифицирована для работы с солонцами ячейка Самарцева-Остроумова, на оригинале которой невозможно получить почвенную диафрагму из солонцов.

Используя в качестве критерия степени солонцеватости величину ^-потенциала обоснованы параметры соотношений почва : вода для определения величины доз мелиорантов по порогу коагуляции. Найденные таким образом дозы мелиорантов были апробированы на мало- и многонатриевых солонцеватых почвах и получили экспериментальное подтверждение в полевых опытах.

Установлено, что механизм коагуляции высокодисперсных частиц солонцов носит в основном нейтрализационный характер, что позволило прогнозировать, и в дальнейшем нашло подтверждение в опытах, длительное последействие мелиорантов, особенно в условиях богары, которая не так сильно подвержена влиянию поровых растворов. С длительностью эксплуатации солонцов их мелиоративное состояние улучшается.

Совместное применение фосфогипса, известняка и кислот позволяло ускорить процессы мелиорации солонцов и получить положительные результаты уже в первый год мелиорации. Применение фосфогипса с кислотами позволяет снизить дозы фосфогипса, а применение небольших доз фосфогипса не вызывает увеличения водорастворимого фтора. Основная масса его связывается в флюорит и апатит, минералы с прочной кристаллической решеткой.

1.4. Практическая ценность работы. Разработаны и внедрены в производство технологии химической мелиорации солонцов и солонцевато-солончаковатых почв побочными продуктами промышленного производства.

Предложенный метод расчета доз мелиорантов позволяет рациональнее использовать последние в производстве, достигая большего экономического эффекта при мелиорации. На многонатриевых солонцах экономия доз мелиорантов достигает 40—50%.

Обоснована экологическая безопасность применения кислот и фосфогипса в качестве мелиорантов солонцов.

Применение фосфогипса н кислот улучшает фосфатный режим почв за счет фосфора в фосфогипсе и активации почвенных фосфатов, что позволяет обойтись без внесения фосфорных удобрений в течение первых 2—3 лет.

Предложенные технологии мелиорации солонцов позволяют окупить дополнительные затраты в течение 1—2 лет.

1.5. Реализация работы. Результаты исследований вошли в учебное пособие по НИР «Использование электрокинетического потенциала в почвенных исследованиях» (ТСХА, Москва, 1989). Технологические принципы и способы мелиорации солонцовых засоленных почв с использованием побочных продуктов промышленности (фосфогипс, отработанная серная кислота), дозы мелиорантов, рассчитанные по порогу коагуляции с учетом электрокинетического потенциала используются Дагестанской РПИСХ. Эти разработки внедрены на площади более 2500 га. Средняя прибыль с 1 га составила 580— 620 руб. в (в ценах 1990 г.).

1.6. Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзных съездах почвоведов (Тарту, 1966; Алма-Ата, 1970; Москва, 1974; Ташкент, 1985), Всесоюзных научно-технических совещаниях по мелиорации и использованию солонцов (Омск, 1973; Ростов-на-Дону, 1976; Новосибирск, 1986), Всесоюзном совещании по исследованию и использованию глин и глинистых минералов (Москва, 1966), Всесоюзном совещании по термографии (Москва, 1969), Всесоюзном рабочем совещании по проблеме «Гумус и его роль в почвообразовании» (Ленинград, 1973), научно-производственной конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Урала и Поволжья (Уфа, 1988), на Всесоюзных координационных совещаниях по мелиорации солонцов (1977, 1981), научных конференциях ТСХА (1964, 1965, 1967, 1968, 1969, 1972, 1974, 1977, 1979, 1984, 1985).

По результатам исследований опубликовано 56 работ, два учебно-методических пособия, учебно-методические указания.

Основные положения диссертации отражены в 46 печатных статьях.

В работе использованы материалы, полученные совместно с Л. В. Березиным, П. П. Гончаровым, Н. А. Гурьевой, Н. Г. Дадаевым, М. М. Овчаренко, В. В. Окорковым, 3. Р. Токовым, В. А. Черниковым, Е. И. Шестаковым, Г. В. Щуриной. Ценные советы и большое участие в выполнении работы были получены от учителя, профессора С. Н. Алешина, который предложил эту проблему для исследования. Всем им автор выражает глубокую признательность.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. Объекты и методы исследований

Объектами исследований явились почвы солонцовых комплексов зоны каштановых степных почв (Волгоградская область), подзон обыкновенных и южных черноземов Северного Казахстана, каштановой зоны и подзоны южных черноземов (Алтайский край), черноземной зоны Западной Сибири, зоны южных карбонатных черноземов Ставрополья и Дагестанской ССР, солончаки Закавказья (Кура-Араксинская низменность). Исследуемые солонцы различались по содержанию обменного натрия, магния, рН, водной вытяжке, засоленности, водопептизируемому илу, механическому составу, сельскохозяйственному использованию и другим позициям. Модельные исследования были проведены на глинах группы хлоритов (прохлорит, пеннин, клинохлор; группы смектитов (бентонит, асканит); группы каолина (каолинит просянов-ский); группы асбеста (палыгорскит); группы слюд и вермикулита (биотит, мусковит, серицит, вермикулит), ряда почв исследуемых солонцовых комплексов.

Полевые и лабораторные исследования проводились также на основе материалов и образцов, отобранных в маршрут-но-рекогносцировочных экспедициях в Кокчетавской и Целиноградской областях, огранизованных В. И. Кирюшиным совместно с геологом ИГЕМ АН СССР П. П. Токмаковым.

Физические, химические и физико-химические свойства почв солонцовых комплексов изучали общепринятыми методами.

Минералогический состав почв и фракции менее 0,01 мм и 0,001 мм, воднопептизированного ила изучался с помощью поляризационной микроскопии на МП-3, дифференциального термического анализа (ДТА) на ПК-2 и дериватографии (ДТА и ДТГ) на дериватографе Ф. Паулика и др., рентгено-структурного анализа на УРС-50ИМ, электронной микроскопии на ЭМ-5, УЭМВ-ЮОБ, инфракрасной спектрофотометрии на иР-10 и иИ-20.

Химический состав гумуса изучали с использованием спектрометрии в видимой и инфракрасной областях на СФ-4 и иЯ-Ю, электронной микроскопии «на просвет» и методом «реплик» на ЭМ-5, УЭМВ-ЮОБ.

Электрокинетический потенциал почв и минералов определяли электроосмотическим методом — А. И. Курбатов, 1970; методом потенциала протекания на модифицированной нами ячейке Самарцева-Остроумова по оригинальной методике — В. В. Окорков, А. И. Курбатов, 1975; электрофоретическим методом на ротационной камере ПАН-1 (Л. ОПпзк1, 1977) по оригинальной методике—А. И. Курбатов, Е. И. Шестаков,

3. Р. Токов, О. Г. Усьяров, 1987. Электрокинетический потенциал воднопептизированного ила определяли электрофорети-чески по методике С. Н. Алешина, 1952.

а) Электроосмос. В случае неподвижного пористого тела (почвенной диафрагмы) в электрическом поле разноимен-ность зарядов фаз приводит к перемещению подвижных про-тивоионов вместе с жидкой фазой к соответствующему полюсу (одноименного с твердой фазой знака). Вычисление ^-потенциала ведется по уравнению:

г _ _4хгп_ * • V „ .

Ь- д • Л

т. к. =к = 0,015 — величина постоянная для водных растворов при одинаковой температуре, 20°С, то вычисление потенциала сводится к определению х-удельной электропроводности раствора, V — объемной скорости жидкости, Л — силе тока в цепи.

В работах О. Н. Григорова и др., 1956, 1964, было показано, что для систем с высокой удельной поверхностью, какими оказались солонцы, необходимо учитывать поверхностную проводимость твердой фазы Тогда удельная электропроводность суспензии равна

+ ки О о Ку ---= Иу • а 1.2.

«V

Уравнение 2.1 приобретет вид:

I = к • XV • сс-у- 2.2

Определение у.з на диафрагмах, сформированных на ячейке С. Н. Алешина для определения ^-потенциала элсктро-осмосом не представлялось возможным, поэтому такие работы были проведены на модифицированной нами ячейке Са-марцева-Остроумова (В. В. Окорков, А. И. Курбатов, 1975), используя метод потенциала протекания.

б) Потенциал протекания. При течении раствора электролита через поры диафрагмы под действием внешнего давления Р возникают потоки ионов в направлении падения давления. Существование дуффузной части ДЭС приводит к тому, что возникает поверхностный ток и разность потенциалов Е на концах капилляров. Вычисление ^-потенциала проводят по уравнению:

£ = к • Ху • сх-|г 2.3

Модифицированная ячейка позволяла формировать почвенные диафрагмы центрифугированием, а не отставанием суспензии. Полученные диафрагмы имели четкие размеры, близкую плотность упаковки, радиуса пор, что давало более сопоставимые характеристики Т, гср, 'л5, ускоряло процесс формирования диафрагм.

в) Электрофорез. В отличие от электроосмоса здесь можно непосредственно измерить линейную скорость движения частицы и, а также падение напряжения поля — Е, при расстоянии между электродами — 1:

С = к • ху • сД— 2.4

Ценность данного способа определения ^-потенциала заключается в том, что все параметры, необходимые для расчета определяются экспериментально. Однако, почвенные коллоиды— термодинамически неустойчивые системы, они быстро оседают, поэтому невозможно определить и.

Обойти эти экспериментальные трудности нам удалось использовав ротационную камеру в польском приборе для изучения электрофореза ПАН-1. В этой камере происходит постоянное перемешивание почвенной суспензии, что позволяет сохранить кинетическую устойчивость дисперсной фазы (Л. ОПпэЙ, 1977). Суспензия в результате электрофореза перемещается в измерительную кювету. По увеличению веса измерительной кюветы рассчитывали величину дзета-потенциала почв.

Изучение набухания солонцов проведено на приборе Васильева; предложен и отработан новый способ подготовки образца солонцов для определения в нем набухания — А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, 1985. При определении набухания почв во многих работах зафиксировано или неполное промачивание образцов почвы, особенно у солонцов (А. И. Курбатов, 1965; В. Е. Кушнаренко, 1975; В. П. Грачев, Э. А. Корнблюм, 1982) или просадочные явления при набухании (С. Н. Алешин, И. А. Соломатина, 1966; Д. Г. Голетиани, 1967). Время наступления динамического равновесия также сильно варьирует от 2 часов до 24 суток (А. И. Курбатов, 1965; В. П. Грачев, Э. А. Корнблюм, 1982), причем равновесие это псевдодинамическое, т. к. препарирование набухшего материала показало неполное его промачивание. В этой связи наблюдается значительный разброс полученных данных, их плохая воспроизводимость. Этот показатель при таком состоянии не может служить достоверной характеристикой явления солонцеватости (Н. А. Гончарова, Н. П. Панов, 1969; Э. А. Корнблюм, 1982).

Нами была отработана методика подготовки образца поч-

вы для определения его набухания, путем добавления различных доз инертного материала (кварцевого песка). Из данных табл. 1 видно, что оптимальным количеством добавленного материала является 40—50%. При таком соотношении получается наименьший разброс между параллельными исследованиями, а время набухания образца сокращается до 2,5 часов.

Таблица 1

Зависимость набухания ((Зт) солонца (гор. В[) от количества инертного материала

Содержание инертного материала в образце, °/о Рш. % ±т, % Число наблюдений

0 8,7 30 (16

20 13,3 25 <16

40 '14,7 4,9 16

50 13,2 8,2 '16

60 3,6 М4 16

Определение доз мелиорантов солонцов проводили по порогу коагуляции, с учетом величины дзета-потенциала — оригинальной методике, разработанной нами на основе «Правила придонного осадка» и нашедшей экспериментальное подтверждение в лабораторных, вегетационных и полевых опытах, А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, 1986.

Оценку мелиоративного состояния и процессов, протекающих при химической мелиорации солонцов проводили с учетом величины электрокинетического потенциала, коэффициента фильтрации, среднего радиуса пор почв, что позволяло корректировать дозы мелиорантов на первых этапах опытов, экономя время и трудоресусы.

Полевые опыты закладывали после проведения почвенной съемки в масштабе 1 : 500 по соответствующим схемам, в четырехкратной повторности, площадь делянок— 100—400 кв. м, в производственных опытах — от 1,2 до 2 га. В работе использованы материалы 7 полевых опытов. Учет урожая проводили дифференцированно по солонцовым пятнам, в десятикратной повторности, вручную. Результаты исследований обработаны с использованием статистического и дисперсионного методов анализа — Е. А. Дмитриев, 1972; Б. А. Доспехов, 1985.

3. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ СОЛОНЦОВ

3.1. Состав глинистых минералов. Исследования минералогического состава почв солонцовых комплексов показыва-

ют идентичность состава глинистых минералов солонцов и несолонцеватых почв комплексов, что согласуется с данными других авторов (Н. И. Горбунов, 1963; Н. И. Горбунов, Б. П. Градусов, 1966; Н. П. Панов, Н. А. Гончарова, Б. П. Градусов, 1968; И. Я- Половицкий, 1969; М. М. Овчаренко, С. Н. Алешин, А. И. Курбатов, 1974; В. И. Кирюшин, 1976 и др.).

Среди глинистых минералов солонцов наиболее часто встречаются смектиты и гидрослюды, в качестве сопутствующих — каолины, смешанослойные минералы, причем их содержание может значительно варьировать и определяется в основном составом почвообразующих пород, что особенно хорошо прослеживается на почвах, сформированных на изверженных породах, где процессы выветривания затронули небольшие глубины пластов. Среди исследуемых солонцов встречались почвы, где преобладающими были гидрослюдистые минералы (Ставрополье), гидрослюдисто-каолиновые ассоциации с преобладающей долей как первых, так и последующих глин (Северный Казахстан).

Идентичность состава глинистых минералов солонцов и несолонцеватых почв, обнаруживаемая исследователями, вытекает по крайней мере из двух причин: а) как было установлено нами и показано в этой работе (разд. 3.2) в почвах, сформированных на изверженных породах присутствуют одинаковые первичные минералы, но в разных количествах, естественно при их выветривании образуются одинаковые глинистые минералы, но в разных количествах (табл. 4); б) исследование минералогического состава проводят, обычно, в илистой фракции при получении которой на основании закона Стокса с равной скоростью и оседают частицы равного размера и одинаковой массы

и — 3.1

бЯ • Г) • г

где: то — масса дисперсионной среды в объеме частицы, т — масса частицы, 5 — ускорение силы тяжести, г — радиус частицы.

Так как размеры частиц глинистых минералов (степень дисперсности), гидрофильность сильно варьируют, то с одинаковой скоростью движутся только частицы одинаковых минералов, равной степени дисперсности и гидрофильности, которые и находятся в тонкодисперсной фракции, отбираемой для анализа. К таким в первую очередь относятся смектиты, гидрослюды, смешанослойные образования со смектитами и гидрослюдами, хлориты, высокодисперсные каолины. Так наши данные с Г. Н. Щуримой, 1976, показали различное со-

о

держание 14, 10, 7 А минералов в илистой фракции и исход-

ной почве, причем для разных минералов коэффициент варьирования отличался.

Эти причины приводят к нивелированию количественного состава глинистых минералов солонцов и зональных почв, кажущейся идентичности минералогии зональных почв и солонцов.

3.2. Состав материнских пород солонцового комплекса Северного Казахстана

3.2.1. Минералогический состав. При изучении минералогического состава в почвах солонцового комплекса Северного Казахстана (Целиноградская обл., с-з Трудовой) в обнажении карьера на 6-метровую глубину были отобраны образцы «светлой» и «красной» коренной породы, первая из которых была идентифицирована как гранодиорит биотитовый, вторая — гранит микроклиновый. На выходах гранодиорита сформировался солонец, па выходах гранита —чернозем. Обе породы дресвянисты, однако гранодиорит имеет более рыхлое сложение, а гранит—более глыбистое и менее выветре-лый. Из средних проб, отобранных по профилю образцов, были изготовлены шлифы и с помощью поляризационного микроскопа изучен состав первичных минералов. Как видно из табл. 2, минералы в каждой из этих пород качественно однотипны, но различаются по количественному содержанию— в гранодиорите превалирует содержание плагиоклаза— до 40% и меньшее содержание ортоклаза — 28%, в граните— содержание плагиоклаза — 7%, ортоклаза — 57%.

Таблица 2

Породообразующие минералы

Название породы Состав первичных минералов, % Сформиро-равшаяся почва

■плати- 1 оклаз ортоклаз биотит-хлорит кварц

Гранодиорит биотитовый . . . . Гранит микроклиновый . . . 40 7 28 57 9 4 20 32 солонец чернозем

Таким образом, в породах основными компонентами среди первичных минералов являются полевые шпаты. Гранодиорит обладает более основными свойствами — содержание кварца в нем 20%, в граните — 32%. Согласно атласу ИГЕМ АН СССР «Химические анализы изверженных горных пород и породообразующих минералов», 1964, Казахский мелкосопоч-

ник широко представлен исследуемыми породами, что показывает их типичность для данного региона и позволяет распространить сделанные выводы о процессах почвообразования на весь регион.

Плагиоклазы в исследуемых породах представлены оли-гоклазом (№№ 10—15), где 10—15% занято анортитом — СаА1281208 и 85—90% альбитом — ЫаА151308; ортоклазы представлены микроклином — КА151308.

По данным И. И. Гинзбурга, 1963, микроклин и альбит имеют небольшие значения энергии решетки по сравнению с анортитом, а поэтому разрушаются труднее последнего. В поляризованном свете действительно отмечается сернцитизация кальциевых сростков анотита. Что же касается альбита, то он имеет большую энергию кристаллической решетки по сравнению с К-микроклином—диаметр кавет кремнекисло-родного каркаса равен диаметру иона калия и поэтому калий плотно стягивает два соседних слоя, принадлежа в равной степени каждому, в то время как нон натрия проваливается в кавету одного из слоев и кристаллическая решетка становится более лабильной. В этой связи скорость разрушения ЫаА^зОз (альбита) должна быть большей, чем КА^зОв (микроклина), что и наблюдалось при отборе образцов породы и мощности дресвянистого слоя.

3.2.2. Химический состав. По валовому химическому составу исследуемых горных пород, можно отметить, что в гра-нодиорите содержится большее количество натрия, кальция, железа, чем в граните. Большее содержание натрия и кальция в гранодиорите усиливает его основные свойства по сравнению с гранитом. При выветривании анортита и альбита рН равновесного раствора может повышаться до 9—10, в то время, как при выветривании микроклина рН раствора не повышается выше 8, Ф. Лугнан, 1964.

Таким образом, в процессе выветривания гранодиорита, находящиеся в нем анортит и альбит, создавая щелочную среду, переводят из кристаллической решетки в состав обменных катионов ионы натрия и кальция, создают условия для формирования солонцов:

№А151з08 + Н20->НА151з08+Ма+-т-0Н_ альбит кислый альбит

При этом в обменном слое реагирующей поверхности оли-гоклаза концентрация ионов натрия будет почти на порядок выше концентрации ионов кальция, что вытекает из химического состава олигоклаза.

Дальнейший гидролиз кислого альбита приводит к образованию минералов каолиновой группы и кремнекислоты.

Вследствие высокой реакции среды кремнекислота ионизи-зируется:

Si,(0H)4-^H4Si04 + 2Na+(K+) + 20,H--*2Na+(K+) + + Si032- + 3H20

и частично связывается кальцием, а частично адсорбируется алюмокремнегидроксильной (кислородной) кристаллической решеткой минералов с образованием вторичной структуры слоистых алюмосиликатов (R. Лег, 1959; J Bondam, 1969; J. Tsuzuki, 1972), повышая термодинамический потенциал минералов. Создаются реальные предпосылки для формирования высокодисперсных почв.

Микроклин, за счет меньшей свободной энергии кристаллической решетки выветривается с меньшей скоростью, а потому продукты выветривания накапливаются в меньших количествах. Реакция среды близка к нейтральной или слабощелочной. В составе обменных катионов в основном ионы калия, из которых до 40% обнаруживается в составе потен-циалопределяющих ионов, за счет фиксирования их в гексагональных пространствах (каветах) алюмокремнекислород-ной решетки (С. Marshall, 1964), тем самым снижая ее отрицательный заряд. Формирующиеся листочки глинистых минералов с низким одноименным зарядом сильнее удерживаются кохезионными силами, образуя пакеты, тактоиды (И. Ф. Ефремов, 1971; М. Grus, 1972). Новообразованные минералы менее дисперсны, созданы условия для формирования зональных почв с более оптимальными коллоидно-химическими параметрами.

Таблица 3

Количественный состав глинистых минералов в исследуемых почвах, %

Название почв Горизонт Каолины Смек-титы Гидрослюды Хлориты

Солонец «а пранодиорлте . . . А 14 26 51 4

■В, 22 31 40 7

С 24 51 15 10

Чернозем ,на микроклиновом гра- А 43 8 49 следы

>ните.......... 'В] 30 19 40 5

B/iC 30 25 40 5

При выветривании микроклина идет образование гидрослюд и каолинов, что и было обнаружено рентгенографически, при изучении глинистых минералов, образовавшихся по микроклину (табл. 3). Дальнейшее выщелачивание ионов

калия из гидрослюд приводит по данным С. Н. Алешина, 1948, к образованию смектитов, гидрослюда — монтмо-

риллонит + К+, которые были также обнаружены рентгенографически в исследуемых образцах глинистых минералов, образованных по микроклину.

3.3. Скорость выветривания минералов и почв. При изучении минерального состава почв, глин, горных пород пирометрическим методом их идентификация проводится в основном по эндотермическим эффектам удаления адсорбционной или конституционной воды. При этом в зависимости от энергии гидратации ионов, адсорбированных на минеральной части, степени выветрелости, окристаллизованности минералов, типа кристаллической решетки и места расположения на ней Н20 или ОН-групп эндоэффект обнаруживается в том или ином интервале температур при неизотермическом нагреве образца. Ряд авторов (Г. В. Мещерякова, Н. Д. Топор, 1967; М. М. Овчаренко, А. И. Курбатов, 1973 и др.) для характеристики качественного и количественного состава глинистых минералов и почв использовали кинетические уравнения химических реакций с целью определения энергией активации (Еа) реакций дегидратации и дегидроксилирования:

--£-с=кС" 3.3.1

dt

dc

где--^ — доля вещества, принимающая участие в реакции,

в единицу времени, к—константа скорости, п — порядок реакции.

Т. к. к = ко • е- 3.3.2, то

Нт= е~ RT' С" 3.3.3

Поскольку реакции дегидратации и дегидроксилирования идут по типу реакций разложения (диссоциации) то есть но типу мономолекулярных, описываемых уравнением реакции первого порядка, тогда уравнение 3.3.3 примет вид:

dc ^^

--=к0-е~^рс1т 3.3.4

Van Krevelen, 1951, показал, что логарифм Еа имеет линейную зависимость от lg^-, тогда окончательный вид

* m

уравнения для расчета Еа примет вид:

21gTM — lgAT + 0,37 3.3.5

где АТ—область температур, в которой доля вещества уменьшается на 50% по обе стороны экстремума эндотермического эффекта (Тм) и рассчитывается по кривым ДТГ и Т.

Таблица 4

Кинетические параметры термодинамической устойчивости кристаллической решетки минералов

¡Минерал №№ п./л реакций Тм, к° ДТ Еа, ккал/мол

Каолинит ......... '1' 871 901 39 А

Галлуазит ......... .1 .378 60 1(1,1

2 858 66 52,8

Монтмориллонит....... 443 100 9,2

2 493 50 22,8

3 853 50 6.7,8

4 993 30 513,2

Нонтронит......... )1 433 80 10,9

2 488 60 1&.5

3 803 85 28Д.

Как видно из данных табл. 4, Еа дегидрации адсорбционной воды для различных минералов колеблется в пределах 9—11 ккал, что говорит о близкой природе сил взаимодействия адсорбционной воды и поверхности различных глинистых минералов. Причем, Еа больше у галлуазита и нонтро-нита по сравнению с монтмориллонитом, т. к. первые имеют форму трубочек (по данным электронной микроскопии) и I этой связи удаление воды затруднено. Видимо различна} форма кристаллов галлуазита и каолинита, минералов одно! группы, сказывается и на Еа дегидроксилирования—у као линита — 39,4 ккал, у галлуазита — 52,8 ккал, хотя эндоэф фект фиксируется при одинаковых температурах.

Л. Пойлингом, 1947, было показано, что по соотношению ра диусов элементов кристаллических решеток силикатов харак теризуется тип координации и форма структурных соедине ний. Для тетраэдров с атомами & характерно отношение ра диусов 0,22—0,43, для октаэдров — 0,43—0,73. Если соотнс шение радиусов катионов в решетке выходит за эти преде лы, то решетка характеризуется нестабильностью и меньше Еа для ее разрушения (анортит и альбит по сравнению микроклином). Аналогичная картина наблюдается у нонтрс нита по сравнению со смектитом: Еа нонтронита реакций д< гидроксилирования 2, 3 соответственно равны 18,5 ккал '28,1 ккал в то время, как у смектита 22,8 и 67,8 ккал, чт

объясняется следующим. Соотношение радиусов ионов алюминия и кислорода равно 0,407; у трехвалентного железа и кислорода 0,478, в этой связи А1 может находиться как в тетраэдрах, так и в октаэдрах не деформируя кристаллическую решетку, в то время как железо только в октаэдрах, решетках менее прочных. Кроме этого прочность связи решетки, выражаемая электростатической валентностью связи, у А1 больше, чем у железа.

Еще меньше величина связи у двухвалентного железа и магния, поэтому решетки с этими ионами еще менее прочные (хлориты).

Термограммы глинистых минералов солонца, сформированного на гранодиорите, имеют эндоэффекты, характеризующие удаление адсорбционной воды (+Н20)—в области 105—180°С с энергией дегидратации от 8,8 до 10,8 ккал, увеличивающейся по профилю. Эндоэффект, характеризующий дегидроксилирование кристаллической решетки (—Н20) смектита с максимумом 555—580°С характеризуется Еа от 45,6 до 61,6 ккал, что меньше, чем у чистых смектитов и обусловлено его частичной выветрелостью; эта величина также увеличивается по профилю.

Термограммы глинистых минералов чернозема, сформированного на граните микоклиновом имеют эндоэффекты с экст-тремумом при 140°С, 210—220°С,580°С. Удаление + Н20 проходит с меньшей Еа, т. к. в составе обменных катионов большое количество ионов калия, обладающих отрицательной гидратацией (О. Я. Самойлов, 1957). Наряду со смектитами по кривым ДТА, ДТГ идентифицируется каолинит, Еа — 38,5 ккал. У чернозема, так же как и у солонца, величины Еа дегидроксилирования минералов увеличиваются вниз по профилю, являясь функцией процессов выветривания.

Резюмируя раздел необходимо отметить что в естественных ценозах наличие в составе первичных минералов элювия изверженных пород олигоклазов №№ 10—15, характеризующихся высоким содержанием натрия, большой нестабильностью кристаллической решетки приводит к интенсивному выветриванию этих пород и появлению большого количества натрия в составе обменных катионов, образованию высокого заряда на поверхности решетки, щелочной реакции среды, формированию по олигоклазам глинистых минералов смектитов и гидрослюд, что обусловливает генезис солонцов по олигоклазам.

По ортоклазам (К-микроклинам) формируется зональная почва, т. к. кристаллическая решетка микроклина более устойчива и менее дефектна, что обусловливает меньшую скорость выветривания, меньший заряд на поверхности ре? 17

шетки, катионы калия сильнее, чем катионы натрия снижают заряд решетки, в составе глинистых минералов, сформированных по микроклину преобладают каолины и гидрослюды, реакция среды близка к нейтральной; все вместе обусловливает формирование грубодисперсных зональных почв.

Энергия активации — Еа дегидратации и дегидроксилирования чистых минералов больше, чем Еа аналогичных минералов почв, т. к. выветривание частично разрушает кристаллическую решетку и облегчает процессы дегидроксилирования. Вниз по профилю, где скорость выветривания замедляется, Еа глинистых минералов почв близка Еа чистых минералов, отражая таким образом скорость выветривания различных частей профиля почв.

4. Влияние ионного состава на электрокинетические свойства глинистых минералов и почв

4.1. Влияние обменных катионов. В литературе еще со времени К. К. Гедройца установилось мнение, что высокая дисперсность солонцов обусловлена наличием в составе обменных катионов ионов натрия. По коагулирующей силе К. К Гедройц составил следующий лиотропный ряд катионов:

и+<ЫН<+<Ыа+<К+<НЬ+<Ме2+<Са2+<5г2+< Н+<Ее3+<А13+

из которого видно, что в соответствии с правилом Шульце-Гарди одновалентные катионы обладают меньшим коагулирующим действием, чем двухвалентные и трехвалентные. Так, если сравнить пороги коагуляции хлоридов Ыа, Са, Ре на золь асканита Ма-формы, то они соотносятся в следующих пропорциях:

Сиась Ссась : Сресь = 752 : 16 : 1.

Ограниченное количество экспериментального материала и уровень физико-химических исследований не позволили в то время объяснить различное действие ионов как разной валентности, так и ионов одинаковой валентности. Определение с помощью рентгеноструктурного анализа кристаллохимиче-ских размеров ионов, эффективных (гидратированных) размеров ионов, разработка теории гидратации ионов позволяет внести ясность в этот вопрос. Действие заряда иона, сосредоточенного в ядре, определяется его плотностью на поверхности эффективного размера иона. Плотность заряда увеличивается с увеличением атомной массы (табл. 5), что вызывает увеличение коагулирующей силы иона.

Эффективные размеры, числа гидратации и плотность зарядов на поверхности ионов

Ион Кр ист алло -графический ■радиус, нм Эффективный радиус, им Число гидратации Уменьшение плотности заряда, раз Величина эффективного заряда, кл/нм2

и+ 0,С60 0,37 7 38 0,58 е

0,097 0,33 5 12 0,73 е

ме2+ 0,055 0,44 12 46 0,82 е

Саг+ 0,099' 0,42 10 18 0,90 е

А13+ 0,057 — — — —

реэ+ 0,067 •—■ — — —

По данным О. Я. Самойлова, 1957; О. А. Осипова и И. К. Шеломова, 1958, одновалентные ионы, радиус которых больше 0,130 нм гидратируются отрицательно (к ним относятся К+ —0,133 нм, №+ — 0,149 нм, Сэ+ —0,165 нм), т. е. существует некоторый критический радиус иона, превышение величины которого не создает условия для тетраэдрического окружения иона молекулами воды, эффективный радиус иона практически равен кристаллографическому. Таким образом, с увеличением атомной массы уменьшается эффективный радиус и возрастает плотность заряда иона на его поверхности, а значит увеличивается и коагулирующее его действие. Так, рассчитанные нами величины плотности заряда на поверхности эффективных радиусов ионов (табл. 5) показывают, что самая маленькая плотность заряда у лития, поэтому он слабее всех ионов снижает величину термодинамического потенциала мицеллы, что обусловливает наибольший дзета-потенциал и наибольшую дисперсность золей. Именно поэтому К. К. Гедройц обнаружил наименьшее коагулирующее действие у катиона лития, но т. к. в составе ионов ППК он практически отсутствует, также как и аммоний, следующим ионом в лпотропном ряду находится натрий, который определяет степень дисперсности почвенных агрегатов, как это наблюдается в солонцах.

У ионов магния плотность заряда занимает промежуточное положение между натрием и кальцием, но ближе к последнему. Наибольшей плотностью заряда обладают ионы Ие34", А13+, которые вызывают наибольшую коагуляцию, усиливающуюся их адсорбцией по месту потенциалопределяющих ионов.

В нашей работе с В. В. Окорковым, 1976, экспериментально было установлено влияние ионов Ыа и Са на дзета-потенциал каолинита, асканита и бентонита. На каолините изме-

нение содержания ионов натрия от 0 до 10% от емкости обмена (ЕКО) не оказывало влияния на дзета-потенциал, дальнейшее увеличение натрия приводило к линейному росту ^-потенциала каолинита. На асканите и бентоните также наблюдается рост дзета-потенциала при увеличении содержания . натрия, однако на этих минералах увеличение натрия до 30% от ЕКО ведет к увеличению ^-потенциала с одним угловым коэффициентом:

£= 11,5 + 0,967 ЕКО 4.1

и при увеличении натрия более 30% ЕКО, рост ^-потенциала наблюдается с другим угловым коэффициентом.

На каолините величина критического значения дзета-потенциала достигла при содержании натрия 20—30% ЕКО, в то время как на бентоните и асканите эта же величина ^-потенциала достигла при содержании натрия 5—10% ЕКО.

Сравнительное действие катионов Ыа, К, Са на величину дзета-потенциала солонцов показало, что при контрентрации 3.10-2 ^С^ 1.10 2 м/л происходит резкое увеличение ^-потенциала малонатриевого солонца, причем действие катионов К и Са было достаточно близким, натрий начинал пептизиро-вать почвы при более низкой концентрации.

4.2. Влияние анионов. Согласно правилу Фаянса-Панета адсорбция анионов происходит в том случае, если они образуют труднорастворимые соединения с ионами красталличе-ской решетки (А13+, Ее3+, Са24-) или ее достраивают. С этих позиций потенциалопределяющими ионами для ПИК почв и глин являются ОН-, анионы фосфорной, угольной, кремниевой, гумусовых кислот различной замещенности. На Са2+, Ре2+, Ре3+ формах асканита нами с В. В. Окорковым, 1976, было показано, что асканит сорбирует ионы ОН-, НСОз-, С032_ и повышает дзета-потенциал дисперсной системы (табл. 6).

Влияние одновалентных ионов ОН- и НС03- на величину дзета-потенциала было близким (при равных действующих массах пептизатора) и уступало влиянию двухвалнтного иона С032-. При увеличении действующей массы пептизатора дзета-потенциал возрастает с 39 до 54 мВ. В ряду поглощенных катионов Са2+—Ре2+— Рс3+ действие пептизатора ослабевает. Аналогичной карбонат-ионам силой воздействия обладают ионы кремнекислоты, что было показано в работе с П. П. Гончаровым, 1986.

Высокое пептизирующее действие ионов ОН-, НС03-, С032- проявляется на натурных объектах — содовых солонцах, имеющих высокие значения дзета-потенциала и поэтому трудных в мелиоративном отношении.

Таблица 6

Влияние анионов на величину дзета-потенциала асканита

Адсорбент

Действующая масса пептизатсра

S s О

Н-» О о

iJH О О

аа а

Саг+ ■

Fe^ — асканит Fe3+ — асканит

Вода N'a ОН NaHC03

Na2iC03 Na^C03 NazC03 Na2C03

50 50 50 50 100 100 100

0.05 0,05 0,05 0,C5 0,05 0,05

8,44 11,50 7,60 9,67 9,72 7,52 6,10

Роль гумуса в электрокинетичсских явлениях связана с дуализмом природы последнего. Солонцы имеют высокие значения рН, что резко повышает степень ионизации кислотных групп гумуса, а значит повышается и заряд ППК солонцов. При окислении гумуса пергидролем величина дзета-потенциала солонцов уменьшается по сравнению с контролем. Однако, свежие растительные остатки, гумифицируясь и адсорбируясь на поверхности ППК солонцов, снижают величину дзета-по-генциала, что особенно хорошо видно на луговых солонцах.

4.3. Влияние концентрации электролитов. Из теории Деря-гина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) известно, что наибольшей устойчивостью коллоиды обладают при некоторой эптимальной концентрации дисперсионной среды, выше и ниже которой устойчивость коллоидов уменьшается, эта концентрация зависит от материала коллоида и вида противо-[юнов, L. Baver, 1930.

В наших работах с В. Окорковым, 1975, также отмечалось увеличение дзета-потенциала каолинита и асканита при увелн-1ении концентрации КС1 от 10~3 м/л до 10~2 м/л; дальнейшее увеличение концентрации до 1 м/л сопровождалось уменьшением дзета-потенциала, глины коагулировали.

Солонцы часто засолены легкорастворимымп солями, в •.олончаках, концентрация таких солей значительно возрастает. Использовние дзета-потенциала для диагностики мелио-зативного состояния почв, долгосрочного прогнозирования юлевого режима, требовало изучения методики подготовки юлонцов и солончаков для определения ^-потенциала.

Определяли величину дзета-потенциала солончака в исходном состоянии и при отмывании из него растворимых со-

лей. Отмывание солей проводили двумя последовательными порциями воды (табл. 7). Понижение концентрации солей привело к уменьшению ^-потенциала, но не пропорционально этому понижению. В некоторых образцах величина ^-потенциала даже повысилась. Исследования, проведенные И. Н. Антиповым-Каратаевым, 1953; И. С. Кауричевым, 1958, 1959; (Мег, БИатЬе^, 1979; И. П. Айдаровым, 1985, показали, что солонцеобразование не ограничивается ионообменными реакциями между ППК и электролитами почвенного раствора. Происходит гидролиз алюмосиликатов с освобождением кремния, железа, алюминия, которые адсорбируясь на поверхности ППК изменяют величину термодинамического потенциала.

Таблица 7

Влияние концентрации солей на величину ^-потенциала солончака

Глубина, см Исходная почва Почва промыта водой

1 порция 2 порция

К мСм/см 1 мВ К и См /си 1, :М|В х, мСм/см мВ

0—(I 3,54 17 0,974 14 0,245 5,0

7—>14 4,63 23 1,43 13 0,445 10

14—26 6,51' 32 2,52 21 ¡1,09 20

28—4.0 3,99 22 0,846 15 0,340 17

50—70 5,05 22 1,06 19 0,326 11

90—100 5,54 24 >1,08 17 0,374 22

120—140 4,86 23 0,943 24 0,340 38

При отмывании солей вместе с промывными водами удаляется гумус, который также влияет на величину ^-потенциала.

Удаление растворимых солей спиртом, чтобы избежать гидролиза алюмосиликатной части глин и потери гумуса, уменьшало величину ^-потенциала солонцов до одинакового уровня, значительно ниже критического, независимо от исходных параметров исследуемых почв — рН, гумуса, содержания водопептизируемого ила, обменного Ыа.

На основании проведенных работ рекомендуем проводить определение ^-потенциала в исходной почве без какой-либо дополнительной подготовки образца, чтобы не допустить искажения исходной картины, т. к. это отражается на дозах мелиорантов, рассчитанных с учетом ^-потенциала почвы.

Таким образом, резюмируя раздел 4 можно отметить, что при равных действующих массах анионы одинаковой валентности повышают термодинамический и дзета-потенциалы до 22

равного уровня, при увеличении валентности их действие на величину потенциала возрастает.

Обменные катионы снижают величину термодинамического потенциала тем слабее, чем меньше плотность заряда эффективной (гидратированной) поверхности иона. Так, при равном заряде поверхности минерала ион лития снижает проявление этого заряда на окружающую среду слабее всех катионов (наибольший дзета-потенциал), трехвалентные катионы снижают заряд сильнее всех катионов (наименьший дзета-потенциал). При замене трех- и двухвалентных катионов на одновалентные ^-потенциал возрастает («опосредованная пептизация»).

Пептизирующее действие катиона зависит от состава глинистых минералов. Так, каолинит достигает критических величин ^-потенциала в Ыа—Са системе при содержании натрия 20—30% ЕКО, в то время как на смектитах эта величина составляла около 7;% ЕКО.

Величина ^-потенциала глин и почв достигает наибольших значений при концентрации солей калия и кальция в интервале Ю-3 м/л; для натрия нижний предел достигает меньших величин (на 10—15%). За этими пределами система находится в неустойчивом состоянии и коагулирует.

5. МЕЛИОРАЦИЯ СОЛОНЦОВ

При освоении солонцов наиболее эффективных результатов Юстигают с применением химической мелиорации. При этом 1аиболее часто используются гипсосодержащие материалы: :ыромолотый гипс и фосфогипс (И. Н. Антипов-Каратаев, 1953; А. И. Гринченко, 1958; А. М. Можейко, 1958; Г. Н. Сам-Зур, 1954; К. П. Пак, 1962; 1975; Н. П. Панов, 1972; В. И. <ирюшин, 1975; В. Н. Михайличенко, 1968; А. Ф. Новикова, 972; И. П. Айдаров, А. И. Корольков, 1984; И. П. Айдаров, 985; В. В. Окорков, А. И. Курбатов, 1983 и др.). Широкое фименсние в мелиорации нашли известняк, дефекат, приемы ссамомелиорацип» за счет внутрипочвенных кальциевых со-1ей (В. А. Ковда, А. Ф. Большаков, 1938; И. Н. Антипов-Ка->атаев, К. П. Пак, 1953; К. А. Байтканов, 1968 и др.). В За-;авказье были получены хорошие результаты при мелиорации :олонцов железным купоросом и отработанной серной кисло-ой, используемой при крекинге нефти (Г. П. Петросян, 1971;

И. Читчян, 1971), в Сибири и Поволжье — чистой серной :ислотой (Н. Д. Градобоев, Л. В. Березин, 1973; Н. В. Семенова, 1973; Н. П. Панов, Н. Л. Гончарова, У. М. Абдуллин, 979).

В ряде работ была предпринята попытка совместить ме-[иоративное воздействие мелиоранта с улучшением питатель-

ного режима. Для этих целей были использованы азотная и фосфорная кислоты, полупродукты получения минеральных удобрений (С. Н. Алешин, С. К. Мочульский, А. И. Курбатов, Г. А. Словцова, 1968; В. В. Окорков, 1976; Н. И. Хаджинов, 1975; Н. П. Панов, Н. И. Хаджинов, О. Д. Сидоренко, 1986; В. И. Кирюшин, 1986 и др.). Было установлено, что на богаре мелиоративный эффект от применения кислот проявляется быстрее, чем от других мелиорантов (С. Н. Алешин, А. И. Курбатов, 1965; Н. Д. Градобоев, 1973). Однако широкое применение кислот в качестве мелиорантов сдерживалось слабой теоретической проработкой вопросов взаимодействия кислот с ППК. В ряде работ (К- П. Пак, 1973; К. П. Пак, И. А. Цюрупа, 1975) были высказаны опасения по поводу разрушения ППК- Слабый мелиоративный эффект от кислот наблюдался на орошаемых затоплением участках солонцов.

Основная задача наших исследований заключалась в том, чтобы изучить влияние кислот на коллоидно-химические, физико-химические свойства ППК, минералогический состав и гумус, доступность питательных веществ для растений, изучить причины слабого мелиоративного эффекта при орошении затоплением.

Изучение процессов взаимодействия кислот с ППК велось в лабораторных вегетационных опытах, на полевых мелко-деляночных и производственных опытах в период с 1964 по 1990 год на солонцах каштановых (Волгоградская областная опытная станция), солонцах черноземных лесостепных корковых мало- и многонатриевых (Голубковский стационар Омского СХИ), черноземных лугово-степных слитых почвах Ставропольский край, рисосовхоз «Восход»), солонцах-солончаках Армении (Араздаянскнй массив, стационар НИИПА), черноземных степных малонатриевых солонцах Северного Казахстана (Целиноградская область, совхоз «Новорыбинский»), слитых солонцевато-солончаковатых черноземах (совхоз «Да-хадаевский» Махачкалинского района, Дагестан).

5.1. Определение доз мелиорантов по порогу коагуляции. Как было установлено в ряде работ (В. В. Окорков, А. И. Курбатов, 1975; А. И. Курбатов, В. В. Окорков, Л. В. Бере-зин, 1975; А. Ф. Вадюнина, С. Т. Арсенова, 1979; А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, 1987 и других) критической величиной дзета-потенциала солонцов является потенциал в интервале 18—22 мВ, выше которой агрегированность дисперсной системы резко уменьшается, что приводит к ухудшению физических и коллоидно-химических свойств солонцов — уменьшается радиус пор, коэффициент фильтрации и другие. В этой связи считаем более объективным использовать величину ^-потенциала при расчете доз мелиорантов и показателя мелиоративного состояния почв, т. к. подходы к расчету доз без

учета ^-потенциала дали противоречивые результаты — Л. Я. Мамаева, 1956; Б. И. Лактионов, 1962; Н. С. Пономарева, А. И. Парфенов, 1966; Н. П. Панов, Г. И. Неретин, А. И. Еськов, 1969; Н. П. Панов, Н. А. Гончарова, У. М. Аб-дуллин, 1979; Н. В. Семендяева, Н. И. Гасс, 1984 и другие.

В работе 10. М. Глазмана, Б. В. Барбоя, 1972, было установлено, что пороги коагуляции гидрофобных каллоидов зависят от концентрации дисперсной фазы и размера коллоидных частиц. Аналогичная зависимость установлена нашими исследованиями (А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, 1987), для солонцов — существует оптимальное соотношение почва : вода в приготовленной суспензии, при котором двойной электрический слой (ДЭС) имеет наибольшее развитие, а суспензия — наибольшую усточивость. Пограничные от оптимума концентрации дают либо слаборазвитый, либо размытый ДЭС, суспензия имеет низкую устойчивость и коагулирует при добавлении небольших концентраций электролитов. Поэтому дозы мелиорантов, рассчитанных при малых соотношениях почва : вода носят заниженный характер (Н. С. Пономарева, А. И. Парфенов, 1966; Н. П. Панов, Н. А. Гончарова, У. М. Абдул-лин, 1979), при больших соотношениях — завышенный (Н. В. Семендяева, Н. И. Гасс, 1984). Величины ^-потенциалов суспензий при оптимальных соотношениях почва : вода имеют наибольшие величины, для солонца коркового многонатриевого—68,6 мВ, для солонца коркового малонатриевого и слитого солонцевато-солончаковатого чернозема соответственно 45,6 и 40,3 мВ. Оптимальные соотношения почва : вода для солонца многонатриевого установлены 1 : 50, для солонца малонатриевого — 1 : 30. Необходимо отметить, что устойчивость суспензии наибольшая в области максимальных значений величины ^-потенциала. Пороги коагуляции пептизиро-ланных суспензий, коррелируют с величиной g-потенциала последней, достигая максимальных значений при максимальной величине g-потенциала суспензии, табл. 8.

При практическом выборе оптимального соотношения почва :вода, для определения порога коагуляции, нет необходимости проводить определение ¿-потенциала суспензии в широком интервале соотношений (от 1 : 1 до 1 : 100). Достаточно с учетом «правила придонного осадка» — по наибольшей высоте и наибольшей плотности осадка — установить колориметрически область наиболее оптимальных соотношений почва : вода и в этом интервале уточнить наибольшее значение величины ^-потенциала непосредственным измерением. Дальнейшую работу по определению порогов коагуляции проводят при найденном соотношении, внося мелиоранты в возрастающих дозах и после 24-часового отстаивания отмечают наименьшую концентрацию мелиоранта при которой произошло

Влияние концентрации суспензий почв на их ^-потенциал и коагуляцию

Солонец многонатриевый Солонец малонатриевый

Соотношение ПО|РОГ 1ПО|РОГ

почва : вода коагуляции. —М|В коагуляции,

V мл 0,01 м V мл 0,01 м

Н2504 Н2304

1 1 28,2 1 22,0 1

1 1,25 34,0 5 26,4 1

1 5 36,9 8 28,2 2

I 10 39,0 14 32,4 3

1 20 43,6 '16 38,1 7

1 30 47,2 ■19 45,6 112

1 40 56,2 23 35,9 5

1 50 68,6 26 28.6 4

1 60 53,4 24 20,9 3

1 70 34,1 20 19,? 2

1 80 25,3 16 — —

1 90 19,1 13 — —

1 100 20,4 10 — —

полное оседание суспензии. Это и будет необходимая доза мелиоранта.

5.2. Влияние химических мелиорантов на электрокинетические свойства солонцов на богаре и при орошении. Исследования влияния мелиорантов на физико-химические, коллоидно-химические свойства солонцов в модельных опытах проводились на солонцах многонатриевом и малонатриевом, слитом солонцевато-солончаковатом черноземе, А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, 1987. В качестве мелиорантов исследовались серная и азотная кислоты, фосфогипс. Исследовалась эффективность доз мелиорантов, определенных а) по обменному натрию, б) по порогу коагуляции.

Данные опыты, табл. 9, показали, что при мелиорации многонатриевых солонцов доза мелиоранта, рассчитанная по обменному натрию почти на 100% превышает дозу мелиоранта, рассчитанную по порогу коагуляции, в то время как дзета-потенциал в обоих вариантах был ниже критического. Система была неустойчива, коагулировала, что приводило к улучшению коллоидно-химических показателей — коэффициент фильтрации увеличивался в 15—20 раз, средний радиус пор увеличивался в 4—7 раз. Различия этих показателей находились в интервале от 4 до 1 при разных дозах мелиорантов.

Наряду с коллоидно-хиическими показателями изменялся состав обменных катионов содержание обменного натрия уменьшилось в 2—5 раз, количество обменного кальция увеличилось в 2—2,5 раза, обменный магний остался на одном уровне.

Влияние химических мелиорантов на электрокинетические свойства солонцов

Вариант Доза, тД~а СО в 1 2 о ' еч н в а и <о О и ^ 1- и Доза, т/га ш и: 1 - И ГП <" 2 у ¡-"а о и сэ О "&3 (- у

Контроль Фосфогипс Серная кислота Азотная кислота м 52,0* Соле ногонап 30,8 14,,3 нец гриевый 4,8 53,7 6,2 29,1 113,0 Со малон 26,4 21,3 лонец атриевь 8,2 21,9 1Й 7,7 16,5

26,0 29,1 17,4 5,8 47,4 89,2 28,4 40,3 16,0 7,1 18,8 19,9 30,4 23,0 20,8 17,8

14,7 38,4 12,7 6,4 81,6 90,1 34,5 38,2 9,2 9,2 7,9 19,4 70.2 22.3 32,3 17,3

18,9 13,2 87,4 36,3 12,0 8,3 67,5 31,6

* Числитель—доза мелиоранта ло обменному ¡натрию, знаменатель — доза мелиоранта по порогу коагуляции.

При мелиорации малонатриевого солонца доза мелиоранта, рассчитанная по обменному натрию была на 18—25% меньше дозы, рассчитанной по порогу коагуляции, дзета-потенциал солонцов мелиорированных дозой по обменному натрию был на уровне критического, поэтому система обладала удовлетворительной устойчивостью, что мало улучшало коллоидно-химические показатели — коэффициент фильтрации и средний радиус пор увеличились незначительно. На варианте, где мелиоранты были внесены в дозе по порогу коагуляции дзета-потенциал был ниже критического, что приводило к существенному изменению: Т — увеличился почти на порядок, гср — увеличился в 4—5 раз.

Изменяется состав обменных катионов: увеличивается содержание обменного кальция, уменьшается содержание обменного натрия примерно на 30—50%, обменный магний изменялся незначительно.

При сравнении вида мелиоранта можно отметить более эффективное действие кислот по сравнению с фосфогипсом, что можно объяснить как лучшей растворимостью кислот, так и явлением гетерокоагуляции на этих вариантах, вызванным образовавшимися мицеллами положительно заряженных золей гидроокиси железа—А. И. Курбатов, В. А. Папи-нян, П. П. Гончаров, 1973; В. В. Окорков, 1990.

При исследовании мелиорации слитого солонцевато-солон-чаковатого чернозема были получены результаты аналогич-

ные солонцу малонатриевому, что может быть объяснено невысоким содержанием натрия в черноземе и аналогичным механизмом снижения величины заряда поверхности ППК; это позволяет полученные результаты обобщить и распространить на широкий круг объектов.

Мелиорация солонцов в полевом опыте проводилась аналогичными дозами мелиорантов, рассчитанными по обменному натрию и по порогу коагуляции с включением мелиорантов: фосфогипс, азотная-гфосфорная кислоты, азотная + фосфорная кислоты + известняк-ракушечник (в дозе эквивалентной фосфогипсу) в богарных условиях (опыт № 3) и при поливе затоплением (опыт № 4). Химическая мелиорация фосфо-гипсом в богарных условиях не оказывает существенного влияния на электрокинетические свойства слитых солонцева-то-солончаковатых черноземов в год внесения. Мелиорация азотной и фосфорной кислотами, использование этих кислот с известняком в богарных условиях приводило к снижению дзета-потенциала ниже критического уровня, что в свою очередь способствовало увеличению среднего радиуса пор и коэффициента фильтрации. Мелиоративное действие фосфогипса на богаре начинает проявляться на второй год, причем, его воздействие проявляется в основном локально, по месту внесения, в то время как кислоты воздействуют и на нижележащие слои почвы.

В отличие от богары, мелиоративное воздействие фосфогипса в затопляемых почвах проявляется в год внесения, как в пахотном, так и в нижележащем горизонтах. Кислоты совместно с известняком в аналогичных условиях приводят к близким с фосфогипсом результатам. Мелиорация азотной и фосфорной кислотами в условиях орошения риса затоплением не оказала существенного влияния на электрокинетические свойства слитых солонцевато-солончаковатых черноземов.

Под действием химической мелиорации повышается агре-гированность почвенной массы, увеличивается фильтрация, создаются лучшие условия для развития растений. Особенно заметно это на делянках, где дозы мелиорантов вносили по порогу коагуляции — урожайность озимой пшеницы на богаре возросла более чем на 30%, по сравнению с контролем. Урожайность пшеницы на вариантах с применением в качестве мелиорантов кислот и кислот с известняком превосходит урожайность на вариантах с фосфогипсом, табл. 10.

Химическая мелиорация фосфогипсом и кислотами совместно с известняком слитых солонцевато-солончаковатых черноземов в условиях затопления приводила к повышению урожайности риса в среднем на 17—30%, причем как и на богаре действие мелиорантов в дозах по порогу коагуляции было более эффективным, но в отличие от богары дей-

Влияние химической мелиорации слитых солонцевато-солончаковатых черноземов на урожай

Вариант Богара, опыт № 3, оз. пшеница Затопление, опыт № 4, рис

средняя урожайность, ц/га отклонение от контроля % средняя урожайность, ц/га отклонение от контроля %

Контроль ......... 20,8 Я1,8* 4,8 51,3 60,3 17,5

Азотная и фосфорная кислоты . Азотная и фосфорная кислоты + известняк......... 22,6 24,9 8,6 19,7 64,8 52,1 26,3 1,6

2:8,4 23,7 36,5 13,9 50,9 60,9 —0,8 1,8,7

27,3 31,2 67,2 31,0

* Числитель — урожайность на вариантах, где доза мелиоранта определена по обменному натрию; знаменатель — урожайность .на вариантах, где доза мелиоранта определена по порогу коагуляции

ствне фосфогипеа при затоплении идентично действию кислот говмество с известняком. Другим отличием богары от затопления является отсутствие эффекта мелиорации кислотами на урожайность риса, наблюдается даже некоторое снижение урожайности.

5.3. Влияние последействия химической мелиорации на электрокинетические свойства слитых солонцевато-солончако-затых черноземов. Использование в пашне слитых солонцева-го-солончаковатых черноземов без химической мелиорации (контроль) в богарных и орошаемых условиях привело (в результате простого перемешивания горизонтов) к некоторому зыравниванию дзета-потенциала этих горизонтов, при этом его зелпчина значительно выше критической. В остальной части лрофнля существенных изменений в величине дзета-потенциа-аа не обнаружено. Шестилетнее возделывание риса при этом триводит к возрастанию щелочности, уменьшению коэффициента фильтрации, уменьшению среднего радиуса пор.

Применение химической мелиорации в богарных условиях (полевой опыт № 1) в течение последующих шести лет привете к снижению элсктрокинетнческого потенциала, увеличе-гию среднего радиуса пор, увеличению коэффициента фильтрации, снижению щелочности. Более существенные измене--шя в коллоидно-химических свойствах почв произошли под зоздействием азотной и фосфорной кислот и совместном при-

менении этих кислот с известняком-ракушечником по сравнению с фосфогипсом. Кислоты подвергли мелиорации большую толщу почвы, захватив и иллювиальный горизонт. Этг изменения носят устойчивый характер, что обусловлено гете-рокоагуляцией на кислованных вариантах. Заметных различий воздействия на коллоидно-химические параметры одних кислот или кислот совместно с известняком в богарных условиях не наблюдается.

В литературе имеется значительное количество работ, констатирующих изменение реакции среды почв в условиях длительного затопления—Б. А. Неунылов, 1965; С. Н. Алешин Н. Ви, 1967; Н. П. Панов, В. П. Гущин, 1973, 1978; В. П. Гущин, 1975, 1983. При этом отмечается, что рН среды стремится к некоторой средней величине, около 8,2 — Н. Ви, 1967. в этой связи в кислых и нейтральных почвах щелочность возрастает, в сильнощелочных — снижается до слабощелочных величин.

Химическая мелиорация солонцеватых черноземов и последующее шестилетнее воздействие на них риса с затоплением (опыт № 2) приводит к существенным изменениям щелочности и электрокинетических показателей.

Использование в качестве мелиоранта фосфогипса приводит к снижению рН почв по сравнению с контролем как в пахотном горизонте, так и по всему профилю. Снижение дзета-потенциала слитых солонцевато-солончаковатых черноземов ниже критических величин ведет к увеличению среднего радиуса пор и скорости фильтрации.

Использование на затопляемых участках в качестве мелиорантов кислот в сочетании с известняком по своей эффективности близко к действию фосфогипса, однако гетерокоагуля-ция, вызываемая посредством кислот, усиливает действие кальция гипса и электрокинетические явления имеют большую выраженность.

Применение в качестве мелиоранта азотной и фосфорной кислот в условиях орошения оказали менее существенное влияние на коллоидно-химические параметры слитых солонцевато-солончаковатых черноземов — величина дзета-потенциала на вариантах с кислованием находится на уровне критической, а фильтрационные свойства низкие. На повышенную дисперсность почв этих вариантов указывает большая поверхностная удельная проводимость — реакция среды близка рН контроля. Все это оказывает негативное влияние на неблагоприятный фракционный состав агрегатов — увеличивается содержание первичных агрегатов.

Химическая мелиорация фосфогипсом слитых солонцевато-солончаковатых черноземов в условиях орошения затоплением способствовала повышению урожайности риса в среднем

за 3 года на 36,9%, более существенная прибавка — 43,6% была получена при использовании в качестве мелиоранта кислот совместно с ракушечником. Мелиорация одними кислотами в условиях затопления не оказывает влияние на урожайность риса.

5.4. Микроагрегатный состав почв и физико-химическая устойчивость агрегатов. Использование почв на богаре и в орошаемых затоплением условиях по разному отражается на микроагрегатном составе почв и физико-химической устойчивости агрегатов, что в конечном счете определяет плодородие почв. Применение мелиорантов может усилить или ослабить процессы формирования микроагрегатов.

Для изучения влияния затопления почв, воздействия мелиорантов на микроагрегатный состав почв и физико-химическую устойчивость агрегатов был использован метод «анатомирования» последних, И. Н. Антипов-Каратаев, 1948, в модификации Е. С. Мигуновой, 1959. Сущность коллоидно-химического «анатомирования» агрегатов заключается в пеп-тизации клеющих веществ — кутан — путем последовательной обработки почв водой, раствором хлорида натрия, раствором едкого натрия, реактивом Тамма и пергидролем. После каждой обработки из общей навески под бинокуляром измерялись от 200 до 400 агрегатов и по 3—5 агрегатов просматривались на электронном сканирующем микроскопе. Определяемые прн этом агрегаты делятся на фракции разной прочности: 1) непрочные, 2) слабопрочные, 3) прочные, 4) высокопрочные.

Для исследования были взяты агрегаты с размерами 3—1, 1—0,5 и 0,5—0,25 мм образцов почв слитого солонцевато-со-лончаковатого чернозема, используемого в богарных условиях и при затоплении рнса. Структурные агрегаты выделялись методом сухого просеивания по Саввинову. Количество пептизированных водой агрегатов достигает 30% и варьирует в пределах этой величины по горизонтам и размерам структурных агрегатов. В образцах из затопляемой почвы агрегатов пептпзируемых водой в 1,5—2 раза меньше, чем на богаре, что вызвано изменением природы клеющих кутан. Применение кальцийсодержащих мелиорантов уменьшает на 6—8% количество непрочных агрегатов в пахотном горизонте, в подпахотном горизонте их влияния на фракционный состав агрегатов практически не обнаруживается.

Слабопрочные агрегаты связаны своим существованием с действием поглощенного кальция и магния. В богарных почвах пептизируемость клеющего материала, обусловленная обменными основаниями, несколько выше, чем на затопляемых. Применение кальцийсодержащих мелиорантов приводит к увеличению с контролем в составе клеющего материала

количества кальция более чем на 40% на затопляемых почвах и до 20% на богаре. Необходимо отметить, что наряду с кальцием и магнием в раствор переходит заметное количестве железа и кремния. На богарных почвах агрегатов этой группы больше на 3—5% по сравнению с затопляемыми почвами.

В литературе (Н. А. Качинский, 1949; Э. Карабелеш, А. И. Болдырев, 1984; 3. А. Шахотина, 1984; Кдйгига, 1983 и др.) отмечается развитие восстановительных процессов при затоплении почв под рисом, сопровождаемое образованием растворимых в воде закисных форм железа, которые вместе с почвенным раствором пропитывают агрегаты. При сбросе воды начинают преобладать окислительные процессы и окис-ное железо, обладая меньшей растворимостью, чем закисное, размещаясь в порах, цементирует агрегаты. Эти агрегаты обладают высокой механической прочностью, незначительной пористостью (меньше 40%), малой емкостью поглощения (типа конкреций). Как было показано в работе 3. Р. Токова, 1987, прочные агрегаты на затопляемых почвах, находятся в больших количествах, чем на богаре. Было установлено, что эта группа агрегатов на богаре сохраняет свои параметры и при длительном затоплении, в то время как в аналогичных условиях агрегаты затопляемых почв распадались на более мелкие фракции. По мнению Н. И. Горбунова, Д. С. Орлова, 1977, это явление, очевидно, связано с выносом из агрегатов органо-минеральных веществ, легкорастворимых хелатных соединений гумуса с полуторными окислами, низкомолекулярных органических кислот. При этом внутриагрегатные связи, обусловленные этими соединениями становятся крайне неустойчивыми и наблюдается распад этих агрегатов. На затопляемых почвах после обработки прочных агрегатов щелочью и реактивом Тамма последних распадалось в 1,5—2 раза больше, чем на богаре. Внесение кальцийсодержащих мелиорантов приводит к снижению числа этой группы агрегатов, особенно в образцах затопляемых почв.

После указанных обработок, сохраняют свою форму лишь высокопрочные агрегаты, существование которых связано с экстрамицеллярно адсорбированным гумусом. Обработка этих агрегатов концентрированным пергидролем, окисляющим гумус, приводит к распаду агрегатов на первичные механические элементы. Характерной особенностью слитых солонцевато-солончаковатых черноземов является большое содержание высокопрочных агрегатов, причем на богаре их на 10—15% больше, чем на затопляемых почвах. Внесение мелиорантов не оказывало влияние на содержание этой группы агрегатов.

Выводы

1. Исследование коллоидно-химических свойств солонцов и солонцеватых почв различных регионов страны показало, что природа их повышенной дисперсности носит многофакторный характер. Солонцы отличаются от зональных почв более высоким электрокинетическим потенциалом, меньшим размером пор, низким коэффициентом фильтрации. Малонатриевые солонцы имеют дзета-потенциал близкий к критическому, многонатриевые — выше критического.

2. Повышенные значения дзета-потенциалов солонцов обусловлены адсорбцией анионов угольной, кремниевой, фосфорной, гумусовых кислот различной замещенности, гидрок-сильных ионов и протонов. Влияние различных одновалентных анионов на повышение заряда близко между собой, двухвалентные анионы сильнее, чем одновалентные повышают дзета-потенциал. Действие гумуса на величину дзета-ло-тенцнала неоднозначно; с уменьшением гумуса, как правило, увеличивается дзета-потенциал солонцов.

3. Полученные значения дзета-потенциала солонцов обусловлены «опосредованной пептизацией» катионов натрия, которые имеют наименьшую из катионов ППК плотность заряда на поверхности гидратированного иона. Плотность заряда катионов уменьшается с уменьшением атомной массы и валентности, в этом же направлении возрастает пептизирую-щее действие катионов.

4. В опытах с глинистыми минералами и почвами впервые показано, что величина дзета-потенциала в интервале 18^^22 мВ. является критической, нижний предел является началом коагуляции и образования агрегатов, верхний— началом пептизации почвенных золей. В этом интервале значений дзета-потенциала резко меняются электрокинетические свойства глинистых минералов и почв — коэффициент фильтрации, средний радиус пор, поверхностная проводимость и др. показатели.

5. Интенсивность изменения электрокинетических свойств глинистых минералов, обусловленная составом обменных катионов, адсорбцией потенциалопределяющих анионов зависит от строения адсорбента; так у каолинита такие изменения наблюдаются при 20—30% содержания натрия в составе обменных катионов, у скектитов—7—10%, гидрослюды занимают промежуточное положение между каолинитом и смектитами.

6. Минеральная часть солонцов сформированных на элювии изверженных пород образовалась из продуктов выветривания пород с высоким содержанием Ыа-минералов (олиго-клазов №№ 10—-15), а зональные почвы в аналогичных условиях приурочены к продуктам выветривания пород с неболь-

3 33

шим содержанием N8 (ортоклазы). Состав глинистых минералов солонцов и зональных почв различных регионов страны идентичен. Количественное содержание глинистых минералов в солонцах и зональных почвах варьирует незначительно. Нивелирование количественного состава глинистых минералов солонцов и зональных почв связано в значительной мере с методикой подготовки почв к анализу.

7. Механизм действия мелиорантов, особенно ионов водорода и железа, носит нейтрализационный характер (уменьшение термодинамического потенциала), что затрудняет регенерацию заряда поверхность ПИК солонцов и обусловливает длительное последействие мелиорантов. Данный вывод получил подтверждение в полевых опытах, где действие мелиорантов проявлялось на 6—8 год, как на богаре, так и при орошении затоплением.

8. Дозы мелиоратов солонцов по порогу коагуляции необходимо определять при оптимальном соотношении почва : вода; при выборе этого соотношения необходимо руководствоваться критерием максимума дзета-потенциала исследуемой почвы.

9. Дозы мелиорантов, рассчитанные по обменному натрию и по порогу коагуляции оказывают близкое мелиоративное действие на многонатриевых солонцах, хотя дозы, рассчитанные по порогу коагуляции более экономичны; мелиорация малонатриевых солонцов и солонцеватых почв мелиорантами в дозах по порогу коагуляции по эффективности действия превосходит дозы мелиорантов по обменному натрию.

10. Мелиорация солонцов и солонцеватых почв полупродуктами минеральных удобрений — азотной и фосфорной кислотами, известняком в сочетании с этими кислотами в богарных условиях в первые годы более эффективна, чем эквивалентными дозами фосфогипса. При орошении затоплением этих почв эффективны только кальцийсодержащие мелиоранты, использование одних кислот не способствовало улучшению коллоидно-химических свойств солонцов и повышению урожайности.

11. При орошении солонцов затоплением только применение кальцийсодержащих мелиорантов уменьшает количество непрочных агрегатов; на богаре это достигается применением как кальцийсодержащих мелиорантов, так и одних кислот.

Практические рекомендации

1. Дозы мелиорантов солонцов необходимо определять по порогу коагуляции с учетом величины дзета-потенциала «придонного осадка». Предложенный метод расчета доз мелиорантов эффективен для солонцов с различным содержанием нат-

рия, магния, соды, рН среды. На многонатриевых солонцах экономия мелиорантов достигает 40—50% от доз, рассчитанных по обменному натрию.

2. Применение в качестве мелиорантов фосфогипса и кислот улучшает фосфатный режим почв за счет активации фосфора почвенных фосфатов и фосфогипса, что позволяет обойтись без внесения фосфорных удобрений в течение первых 2—3 лет. Наиболее эффективно совместное применение фосфогипса и кислот, позволяющее снизить дозы фосфогипса, а применение небольших доз фосфогипса не вызывает увеличения водорастворимого фтора.

3. Совместное применение фосфогипса и кислот, известняка и кислот на богаре позволяет ускорить мелиоративные процессы и получить положительные результаты уже в первый год мелиорации. Мелиоративное действие фосфогипса и известняка проявляется по месту внесения—в пахотном горизонте, кислоты воздействуют и на нижележащие слои почвы.

4. Орошение солонцов без применения кальцийсодержа-щих мелиорантов ведет к деградации почв: ухудшению физических, коллоидно-химических свойств почв, снижению урожайности.

5. Применение полупродуктов минеральных удобрений (неупаренная азотная и фосфорная кислоты) для удобрения и мелиорации солонцов позволяет снизить себестоимость продукции и экономить энергоресурсы.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

il. А. И. Курбатов, С. ¡H. Алешин. Исследование минералов группы шдроокислов и хлоритов методом ИК-спектроскопии. <—Доклады ТСХА, 19.64, вып. 69, с. 6—110.

.2. 'С. Н. Алешшд, А. И. Курбатов. Качественная и количественная характеристика гуминовых соединений степных почв. Доклады ТСХА, 119,65, вып. .103, с. 5—' 10.

3. А. И. Курбатов, iC. Н. Алешин. Применение видимой и ИК-спекпроскопил при изучении гуминовых соединений некоторых степных почв. — Доклады ТСХА, 1965, вып. ¡103, с. 11—16.

4. С. Н. Алешин, А. И. Курбатов. Физико-химические исследования почвенного поглощающего комплекса почв сухих степей. — Известия TGXA, 19166, вып. ¡2, с. 1116—12,7.

5. С. Н. Алешин, А. И. К у р б а т о в. Применение дерива.тогра-ф.ии для выяснения природы взаимодействия гумусовой и минеральной частей почв. — Доклады ТСХА, 1966, вып. Ш9, с. ¡1,1—14.

6. А. И. Курбатов, С. Н. Алешин. Изменение минералогического состава осолоделых солонцов. — Тезисы докладов на ß-м Всесоюзи. делегатском съезде почвоведов. — Тарту, .1966, с. 4Г8.

1.С. Н. Алешин, А. 'И. Курбатов. Влияние минералов материнских ¡пород ,на ¡плодородие солонцовых почв. — Тезисы докладов на Всесоюзном совещании по исследованию и использованию глин ai глинистых .минералов. —Москва, 1966, с. '234—235.

8. С. Н. Алешин, С. К. Mo ч у л ьски й,, А. И. Курбатов, Г. А. С ловцов а. Применение азотной -кислоты для мелиорации солонцов,—Доклады ТСХА, 1968, вып. il33, с. .105—108.

9. .С. Н. Алешин, А. И. Курбатов. Определение величины поверхности и формы поглощения органического вещества почвенным поглощающим комплексом термогравимегричесним методом.—Тезисы докладов на 4-.м Всесоюзном совещании по термографии. — Москва, 1.969, с. Iii4— 115.

.10. А. И. Курбатов. Определение электрокинетического потенциала -почв. — Известия ТСХА, Ш70, № б, с. ,2,25—228.

1\1. А. И. Курчатов, ¡C. Н. Алешин. Элекгрокинетические свойства почв и особенности .их проявления в солонцовом процессе. — Тезисы докладов на 4-,м Всесоюзном съезде почвоведов. — Алма-Ата, 1970, кн. 4, с. 6.

1'2. Н. А. Гурьева, А. И. Курбатов. Изучение некоторых физико-химических свойств солонцов ¡Северного Казахстана. — Доклады ТСХА, 10171, вып. 1¡7,2, с. 45—60.

Iß. H. А. Гурьева, А. И. Курбатов. Электрокинетические свойства солонцов и солонцеватых почв Северного Казахстана. — Известия ТСХА, ¡1071, № 6, с. Iil9—(1122.

Т4. А. И. Курбатов, В. П. Сп ;р ел ь ,ч енк о, <Н. А. Гурьева.

К методике определения электрокииетического потенциала засоленных почв.—Доклады TiCXA, 1972, вып. ¡183, с. 105—МО.

15. А. И. Курбатов, iH. А. Гурьева, С. Н. Алешин. К вопросу о минералогическом составе солонцовых почв Северного Казахстана. — Доклады ТСХА, '19.73, вып. 193, с. 69—74.

16. Н. А. Гурьева, А. И. Курбатов. Электрокинетические свойства некоторых почв солонцового комплекса.—Тезисы докладов на Всесоюзном научно-техническом совещании «Новое в мелиорации солонцов».—Омск, 11973, с. 36—37.

¡H7. А. И. Курбатов, Н. А. Гурьева. К теории химической мелиорации солонцовых почв. —■ Тезисы докладов на Всесоюзном научно-техническом совещании «Новое в мелиорации солонцов». — Омск, 1973, с. 50—01.

l'S. М. М. Овчар емко, А. И. Курбатов. Дегидратация глинистых минералов и солонцовых почв.—Известия ТСХА, 1973, № 5, с. '12.0—1132.

19. 'С. М.. Э п ш т е й н , А. И. Курбатов. Термографическое изучение минералов, обработанных синтетическими полимерами. — Тезисы докладов «а рабочем совещании по проблеме «Гумус и его |роль в почвообразовании».— Ленинград, 19713, с. 71.

20. М. М. Овчарен к о, А. И. Курбатов. Процессы почвообразования на изверженных .породах Казахского мелкосопочника. — Доклады ТСХА, 1974, вып. 19,8, с. 99—'105.

21. В. В. Окорков, А. И. Курбатов, С. Н. Алешин. Электрокинетические свойства некоторых типов почв. — Известия ТСХА, 1974, № 6, с. ¡1'21—<127.

22. А. И.Курбатов, В. В. Окорков, Л. В. Березин. Влияние химических мелиорантов на электрокинетические свойства солонцов Западной Сибири.— Известия ТСХА, 19,75, № 5, с. 04—'109.

23. В. В. Окофко.в, А. И. Курбатов. Определение электрокинетического потенциала почв методом потенциала иротека.ния.—Известия ТСХА, 197.5, № 3, с. 1211—127.

24. В. В. Окорков, А. И. Курбатов. О связи между электро-кинетлческими и фильтрационными свойствами минералов и солонцов. — Сб. «Теоретические вопросы агропочвоведения и мелиорации солонцов». — Целиноград, 1975, с. 1-02—120.

25. ,Г. Н. Щур и и а, А. И. Курбатов. Изменение некоторых свойств солончака—солонца прй его мелиорации. — Известия ТСХА, '1976, № 5, с. 1-17—il'24.

26. А. И. Курбатов, Т. С. Шавырина. Электрокинетический потенциал фракции воднопептизируемого ила почв солонцового комплекса. — Тезисы докладов на Всесоюзном научно-техническом совещании «Совершенствование приемов и методов мелиорации солонцовых почв». — Ростов-,на-Дону, 1976, М., ¡19,76, с. 25.

27. .В. В. Окорков, И. Т. Трофимов, А. И. Курбатов, В. Т. Ус о л кии, Ю. А. Гладков. Влияние химических мелиораитоз на электрокинетические свойства некоторых солонцов Алтая.—Сб. «Вопросы мелиорации земель в условиях Западной Сибири».—Труды Алтайского СХИ, т. 106, Новосибирск, 1107,6, с. 68—74.

28. А. И. Курбатов, П. П. Гончаров, Р. Д. Зубарева. Изменение электрокинетических свойств содовых солонцов под влиянием гипсования. — Доклады ТСХ'А, .1980, вып. 2,63, с. 90—9,4.

29. В. В. Окорков, А. И. Курбатов, П. П. Гончаров. О механизме действия некоторых химических мелиорантов <на свойства солонцов. — Известия ТСХА, 1981, № 2, с. 122—129.

30. В. В. Окорков, А. И. К у р б а т о в. Растворимость гипса в суспензиях солонцов и глин. — Известия ТСХА, 1983, № 4, с. 87—92.

31. С. М. Эпштейн, А. И. Курбатов. Адсорбция иолиокси-

этилена из .водных растворов почвенными минералами. —Известия Т.СХА, 1:983, № 6, с. 176—,177.

.32. А. И. Курбатов, Б. .А. .Па пин ян, П. П. /Гончаров. Влияние катионов магния и натрия на факторы дисперсности солонцов-солончаков и лугово-бурых почв Армении. — Сб. «Физико-химические свойства и плодородие лочв». — Москва, .1988, с. 24—30.

33. А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, Е. И. Шеста ко в, Н. А. Гурьева. Экспрессный.метод электрофоретического определения электрокинетического потенциала солонцов.—.Тезисы докладов 7 Делегатского съезда ВОП.—Ташкент, 1985, т. 2, с. 120.

34. 3. Р. Ток о л, А. И. Курбатов. Ускоренный метод определения набухания солонцов. — Тез. докладов 7 Делегатского съезда ВОП. — Ташкент, 1985, т. 1, с. 38.

35. А. И. Кур батов, Е. И. Шестако®, 3. Р. Токов. Экспрессный метод определения дзета-потенциала солонцов и солонцовых почв. — Рукопись депонир. в ВИНИТИ 18.09.85, № 6697г—85, Деп., с. 17.

36. Р. А. Хмельницкий, .А. И. Ку.рбатов, П. П. Гончаров, .Е. И. Шест а ков, .3. Р. Токов. Механизм действия различных мелиорантов при взаимодействия их с почвенно-поглощающим комплексом солонцов — ВНТ —информцентр.— Сб. реф. НИР.—Москва, 1986, шш. № 0В85.О 1.103622, с. 12.

37. А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, Е. И. Шест а ко в. Определение доз мелиорантов ио порогу коагуляции с учетом дзета-потенциала. — Тезисы докладов на Всесозном щучно-техническом совещании «Пути повышения продуктивности солонцовых земель». — Новосибирск, 1986, с. 150—152.

38. Р. А. Хмельницкий, А. И. Курбатов, Е. И. Шее таков, 3. Р. .Токов. Использование метода электрофореза для определения дзета-потенциала мелиорированных почв -Ставропольского края — ВНТ—информцентр.—-Сб. реф. НИР.—Москва, 1986, инв. № 02,86.0 104'200, с. ];8.

39. А. И. Курбатов, Е. И, Шест а к о: в, 3. Р. Токов, О. Т. Усьяров. Определение дзета-потенциала солонцовых почв электрофореттческим методом. — Известия ТСХА, 1987, № 5, с. 92/—-93.

40. P. А. X м е л ь ни щк.и й, А. И. Курбатов, Е. И. Шеста-к о в, 3. Р. Токов. Набухаемость солонцовых почв и ее изменение при мелиорации фосфогипсом и кислотами. — ВНТ—информцентр.—Сб. реф. НИР.—Москва, 19.87, инв. № 02.87.0С63618, с. 15.

41. Р. А. Хмельницкий, А. И. Курбатов, Е. И. Шестаков, 3. Р. Токов. Изменение дзета-потенциала в процессе мелиорации солонцов. — ВНТ — информцентр. — Сб. реф. НИР.—Москва, 1987, инв. № CI2.87.0 0&3I617, с. 20.

42. А. И. Курбатов, 3. Р. Токов, Е. И. Шее та ко в. Исследование набухания солонцовых почв при мелиорации. — ВО «Аг.ропром-издат», Сб. Актуальные вопросы почвоведения, М., 1987, с. 59—68.

43. В. В. Око'рков, А. И. Курбатов, Е. И. Шестаков. Расчет норм гипсования. —ВО «Агропромиздат», Сб. Актуальные .вопросы агрономического ¡почвоведения. М., 1988, с. .108—114.

44. А. И. Курбатов, Е. И. Шестаков, 3. Р. Токов, А. С. Сурков. Влияния мелиорации на физико-химическую устойчивость агрегатов солонцовых почв. — Тезисы докладов 11 научно-производственной конференции почвоведов, агрохимиков и землсделов Урала и Поволжья «Научные основы и практические приемы .повышения плодородия почв Урала и Поволжья». — Уфа, 1Й88, с. 162.

45'. Р. А. Хмельницкий, А. И. -Курбатов, Е. И. Шестаков, 3. Р. Токов. Применение коллоидно-химических свойств почвенных систем в целях определения потребности почв в мелиорантах. — ВНТ — информцентр, .Сб. .реф. НИР. — М., 1983, инв. № 02.8.90.Ш41150, с. 13.

'46. А. И. Курбатов, Е. И. Шестакйв, 3. Р. Токов.

Электрокинетические ,и коллоидно-химические свойства почвенных систем повышенной дисперсности а! их изменение при химической мелиорации. — ВНТ — нформцентр. — Сб. реф. НИР, М., 1988, № 02.8.90 014146, с. 20.

47. Е. И. Шестаков, А. И. Курбатов, 3. Р. Токов. Изменение коллоидно-химических свойств почвенных систем повышенной дисперсности при химической мелиорации.—Сб. «Состав, свойства и плодородие почв». М., 1990, с. 51—62.