Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

РОЛЬ ГИДРОФИЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ИЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТОВ СОЛОНЦОВ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "РОЛЬ ГИДРОФИЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ИЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТОВ СОЛОНЦОВ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

—$,6 31 9 Яа правах рукописи

Людмила Павловна РОДИОНОВА

РОЛЬ ГИДРОФИЛЬНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СОЕДИНЕНИЯ В ФОРМИРОВАНИИ ИЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТОВ солонцов

(специальность 06.01.03 —почвоведение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени „ кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА —197»

Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения Московской ордена Ленина и ордена Трудового Крас* ного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. П. Паков.

Официальные' оппоненты: доктор сельскохозяйственных; наук Н. И. Базилевнч, кандидат химических наук Б. А. Рыбакова*

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

Защита диссертации состоится « 1980 г.

часов на заседании Специализированного совета К-120.35.01 (06.01.03 — почвоведение, 06.01,04 — агрохимия) в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

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

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА (10-й корпус).

Автореферат разослан «-/9» ■.©е.^сло':/ -гг.■ , 1979 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, . . ; *

донйГг А; Дорожкина

Актуальность проблемы. В решениях XXV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства на 1976—1980 гг., а также в постановлении июльского Пленума ЦК КПСС 1978 г. подчеркивается, что интенсификация сельскохозяйственного производства на основе его всемерной механизации и электрификации* химизации и мелиорации земель остается основным направлением политики партии на современном этапе. Особое место отводится мелиорации земель как надежной основе в создании устойчивого сельскохозяйственного производства. Отмечается необходимость расширения работ по гипсованию и мелиоративной обработке солонцовых почв, занимающих в СССР большие площади.

Успешная разработка мероприятий по освоению солонцов возможна только на основе конкретных теоретических предпосылок их мелиорации, для создания которых необходимы ясные представления об основных причинах и факторах со-лонцеобразования. Между тем, генезис малонатриевых солонцов все еще не нашел всестороннего объяснения. Одной из причин специфических свойств солонцов является высокая гидрофильность коллоидов иллювиального горизонта, которая определяется наряду с обменным натрием природой самих коллоидов. Ведущее значение при этом отводится гидрофильным кремниевым соединениям {В. А. Ковда, 1939; Б. В. Андреев, 1956; В. Н. Михайлнченко, М. А. Яцыннн, 1975). Однако экспериментальные данные о влиянии подвижных кремниевых соединений на свойства почв в литературе отсутствуют. Недостаточно изучены формы передвижения и аккумуляции кремния в почвах южных регионов, а также роль этих процессов в дифференциации профиля солонцовых почв. Мало данных о биогенных формах кремния и их превращениях в почве.

Цель работы. 1. Выяснить масштабы, формы миграции и источники подвижных кремниевых соединений в почвах солонцового комплекса, а также выявить условия, усиливающие или ограничивающие миграцию кремния.

2. Изучить роль гидрофильных кремниевых соединений в явлениях солонцевато^ ц формировании иллювиального го-

Цшр. нацч;;^ £::8л отсн Кзсъ орд. с:*.-.«, шд, ta- Í!. А. Ьд^шеа

.. -

рнзонта. солонцов, п том числе малонатриевых (содержание обменного натрия меньше 20% от емкости).

. Научная новизна. Методами фотометрии и гельфильтра-цин установлено наличие в почвенных растворах 2-х форм растворимой кремнекислотьг: мономерной ортокремниевой или ее щелочных солей, и коллоидной. Доказана тесная обратная связь между содержанием в водной вытяжке мономерной ортокремниевой кислоты и содержанием легкорастворимых солей, коэффициент корреляции—0,87.

Впервые экспериментально показано, что подвижные кремниевые соединения (водорастворимые, аморфные) усиливают отрицательные агрофизические свойства, активную дисперсность солонцового горизонта. Вместе с тем установлено, что аморфные кремниевые соединения не имеют самостоятельного значения в формировании отрицательных свойств иллювиального горизонта солонцов, а свойства их определяются составом поглощенных катионов почвенно-поглощающего комплекса. Данные модельного лабораторного опыта (с гор. В| солонца, А] и С лугово-каштановой почвы; образцы искусственно насыщались Са и N3) свидетельствуют, что при преобладании обменного нона Са++ [(более 80%' от емкости обмена) образуются необратимые, иен а бухающие гели кремниевой кислоты. При повышенном содержании в составе катионов N3+ (20% и более от суммы поглощенных катионов) создаются предпосылки для образования гидрофильных, набухающих, в значительной, степени пептизирующихся гелей, усиливающих действие обменного натрия. Внесение монокремниевой кислоты или силиката натрия в образцы почв увеличивает набухаемость, количество водапептизнруемого ила. снижает водопроницаемость горизонтов А1 и В[ солонца (обменного Иа 7 и 10% от емкости соответственно )и светло-каштановой солонцеватой лочвы .(обменного N3 —7%), но не отражается на водно-физических свойствах чернозема обыкновенного (гор. А'пзх. ). Пептизирующее влияние силикат натрия оказывает при концентрат!н 0,02% 5102, монокремниевая кислота— 0,3—1,0% ЭЮд.

Практическая ценность и реализация результатов. Полученные результаты позволили уточнить роль кремниевых соединений в явлениях солонцеватости и формировании иллювиальных горизонтов солонцов. Эти данные расширяют существующие представления о генезисе солонцов и солонцеватых почв и помогут в выборе критерия для установления степени солоицеватости и расчета доз мелиорантов по выходу водо-пеггтизированного ила.

Апробация. Результаты работы доложены на научных конференциях ■■ Московской сельскохозяйственной академии им-К. А. Тимирязева 1977 н 1978 гг.

Публикация. Основные материалы диссертации опубликованы в двух статьях.

Объем работы. Работа представляет собой рукопись объемом 172 страницы машинописи, включает 35 таблиц, 11 рисунков и список литературы из 265 наименований советских и зарубежных авторов.

Работа состоит из двух частей. В главе 1 первой части дан литературный обзор. На основании анализа работ отечественных и зарубежных исследователей освешаются свойства подвижных кремниевых соединений, их миграция и аккумуляция в профиле почв и участие в явлениях солоицсватости, а также современное состояние вопроса генезиса малонатриевых солонцов. Экспериментальная часть состоит из трех глав. Глава II. Объекты и методы исследования. Изучение размеров и форм миграции кремния проводили на почвах солонцового комплекса лимана Большой Царын ,Сарпннской низменности на целинном участке и, с целью выявления влияния избыточного увлажнения на фоне гипсования на процессы миграции кремния, на производственных полях совхоза «Восход» Мало-дербеговского района Калмыцкой ЛССР. Было заложено 7 ключевых разрезов —3 на целине; солонец среднестолбчатый, светло-каштановая солонцеватая, лугово-каштановая слабосолонцеватая и 4—на пашне с разным сроком возделывания риса {1—3 года): солонец среднестолбчатый, лугово-каштано-вая слабосолонцеватая. Исследуемые солонцы относятся к ма-лоиатриевым, характеризуются ярко выраженной физической солонцеватостью и .высоким содержанием обменного магния (40—45% от емкости). Из разрезов отбирались образцы для лабораторных исследований и закладки модельных опытов.

Миграция кремния по профилю почв солонцовых комплексов изучалась методом лизиметрических хроматографических колонок |(Кауричев, Ноздрунова, I960). Сорбентом служила окись алюминия для хроматографии. Колонки были вынуты через 3 года. В сорбенте определялось: ■

1. Органическое вещество по Тюрину.

2. Кремний в вытяжке 0,5 и NaOH с последующим колориметрическим определением на ФЭК-56-М по Хашимото и Джексону (до и после разрушения органического вещества).

Изучение форм миграции кремния производили в водных вытяжках н лизиметрических водах, собранных с помощью лизиметров-воронок на тех же полях через 2 года после закладки хроматографических колонок, т. е. на полях 3-го и 7-го года пользования под посевами риса. Определение кремния из растворов лизиметрических вод и водных вытяжек осуществляли следующим образом: '■ v

1. Определение ионных и низкомолекулярных форм кремниевой кислоты с молибдатом аммония' (Alexander, 1953).

В окрашенных растворах органическое вещество осаждал» коллоидным фосфатом кальция (Резников, Муликовская, Соколов, 1963).

■Для более точного представления о формах миграции кремния использовали метод систематизированной гелевой хроматографии (Детерман, 1970). Благодаря молекулярно-сн-товому эффекту этот метод позволяет выделить и пространственно разделить формы кремниевой кислоты, а также определить молекулярные массы этих соединений. Молекулярно-ве-совое фракционирование проводили в колонках с использованием набора гелей с перекрывающими друг друга пределами разделений по молекулярным массам (ММ): молселект й-Ю (ММ от О до 700), молселект й-оО (ММ от 500 до 10000). В стекающих из колонок растворах ¡(фракциях элюатов) определяли содержание кремния фотометрическим методом после прокаливания сухого остатка и разрушения органического вещества (5пе11у, 1949). Строились кривые выхода и рассчитывалось соотношение присутствующих форм кремнекислоты в почвенных растворах. Для установления наличия органического вещества .во фракциях элюатов определяли оптическую плотность при длине волны ?„ = 240 им и содержание углерода по Тюрину (микрометодом). Кроме того, в почвах определяли потении ал ыюподвиж и ые формы кремния, алюминия и железа в 0,1 н Н2504, аморфную кремнекислоту н аллофаноиды в 0,5 н ЫаОН после обработки реактивом Мера и Джексона, Для выявления роли кремния в солонцовом процессе почвообразования были заложены лабораторные модельные опыты: освобождение кремния из растительных остатков полыми черной (Аг(ет1&1а раисШога), ковыля (вира сарНЫа) и лишайника (род. РагтеНа), а также из различных по устойчивости минералов— олигоклаза, бентонита и каолинита при их раздельном и совместном компостировании. Компостирование производилось при комнатной температуре и влажности, равной 60% от ГШВ. Срок опыта —■ 16 месяцев- В течение этого срока в динамике производили сквозное промывание разлагающегося материала. В промывных водах определяли: рН, углерод и формы кремния.

В модельных опытах изучалось влияние кремниевых соединений на порог коагуляции суспензий минералов и почв и на водно-физические свойства почв. Для последнего опыта использовались образны из гор, и В1 светло-каштановой солонцеватой почвы и солонца и Л„эх. чернозема обыкновенного, а также монокатионные образцы гор. В] еолояца и гор. А1 и С лугово-каштановой почвы. Монокремниевую кислоту получали пропусканием 0,05 н раствора силиката натрия через Н+-катнонит (.КУ-2) до рН раствора 5,0. Золь кремниевой кис-доты получали при взаимодействии силиката натрия и соляной

кислоты. После диализа золь имел рН 5,1. концентрация SiO£—>3%. Растворы кремння вносили пипеткой порциями, в течение всего срока опыта до заданного количества ¿Юг (от 0,02 до 2% от веса почвы). Срок опытов 70 дней, влажность 60% от ППВ, Температура 20—22°. Повторность четырехкратная. В образцах определяли гигроскопическую влажность, максимальную гигроскопичность, набухаемость, водопроницаемость, содержание общего и водопептизируемого ила (Агрохимические 'Методы исследования, 1975; Аринушкина, 1970.)

Глава Ш. Масштабы и формы миграции кремния в почвах солонцового комплекса

1. Формы и концентрация растворенного кремния в почвах' солонцового комплекса- Изучение масштабов миграции кремния методом лизиметрических хроматографических колонок показало, что более половины водорастворимого кремння аккумулируется в иллювиальном горизонте солонца (табл. I), в то время как в лугово-каштановой почве он мигрирует глубже. При определении кремння в щелочной вытяжке с сорбента до и после разрушения органического вещества существенных различий не обнаружено, что может указывать на ■преимущественную миграцию кремния не в виде кремннйорганн-ческих соединений. iB.месте с тем отмечается высокая подвижность органического вещества в солонце.

Таблица I

Количество кремнезема,и' органического вещества, сорбированных в течение трех лет хроматографнческнми колонками при фильтрации почвенных растворов (г/м9); п —С

Горизонт SiOi M±tm

Почва, угодие из-под которого вынута колонка обишй не связан, с органнч. вещество« Углерод M=tm

Солонец средн столбча-

тый, целина . , . , Л, ■ 9,4 = 1,16 9,1*0,65 15,9*2,58

Bi 4,0*0,77 3,8=0,65 6,С ±1,50

Л угоэо каштановая, сла-

босолонцеватая, цели-

на ........ At 12,6±0,77 12,03:0.47 0,0*0.99

Bi •10,7 ±4,75 10,Oil ,50 6,2 ±0,86

Солонец средне столбча- 30,1 ±1,03

тый, рис 3 года . . . Л ПИ* 30,7*'1.50 30,7*1,80

Bi 13,1 ±1,50 12,9 ±0,86 18,8=1,89

Лугово-каштановая, рнс

3 года ...... Л ш- 23,4*1,51 25,1*1,23 30,2±2,&7

21,1 = 1,93 24,1=0,43 25.3*3,00

Подвижность кремния в почвах под культурой риса, несмотря па гипсование, возрастает в 2—3 раза (с большими показателями для солонца), а органического вещества в 4— 5 раз в лугово-каштановой почве и в 2—3 раза в солонце. По-видимому, в почвах развиваются процессы, аналогичные осо-лодению и поверхностному оглеению с перемещением иллювиального горизонта в более глубокую часть профиля.

Орошение риса обеспечивает вынос легкорастворимых солей. В составе водорастворимых солей произошли изменения, обусловленные внесением гипса и удобрений. Все это отразилось на поведении кремния — исчезли коллоидные формы. Миграция его осуществит я ется только в ионной форме (лизиметрические исследования). Интенсивность ■миграции кремния с ростом срока использования тючв под культуру риса и увеличения длительности гипсования снижается.

Представление о формах миграции кремния в исследуемых почвах можно получить также на основании анализов водных вытяжек :(табл. 2).

С усилением степени солокцеватости почв увеличивается количество водорастворимого кремния '(исключая гор. А( лугово-каштановой почвы). В лугово-каштановой и светло-каштановой почвах содержание его убываете глубиной, в солонце же максимум приурочен к солонцовому и подсолоицовому горизонтам, Относительное содержание кремния в форме .мономерной ортокремииевой кислоты минимально в подсолонцо-вом горизонте солонца. Абсолютные ее концентрации убывают от верхних горизонтов к нижним у всех почв.

Одна из наиболее характерных черт поведения кремния в водных растворах — тенденция к полимеризации. Равновесие между молекулярной и коллоидной формой определяется в данном случае концентрацией легкорастворимых солей (дегидратирующие соединения), которые способствуют полимеризации монокремниевой кислоты. Между содержанием Н45Ю4 и величиной -плотного остатка существует тесная отрицательная корреляционная связь^г — —0,87). В отношении коллоидных форм зависимость обратная.

По-видимому под воздействием гипсования активность миграции кремния на рисовых полях уменьшается. В основном кремний мигрирует в форме 'моном ер ной ортокремниевой кислоты. Лишь вследствие повышения содержания солей в гор. В появляются коллоидные формы кремнезема. Однако Солее высокая концентрация солей в солонцовом горизонте солонца вновь приводит к осаждению коллоидных форм кремнезема и уменьшению их содержания в растворе.

2. Изучение форм миграции кремния методом систематизированной гелевой хроматографии. Для уточнения форм кремнекислого использовали метод гельхроматографии — 6

Количество и формы кремния в водных вытяжках из почв солонцовых комплексов

Почва, угодие Горизонт Глубина взятия образца, см SiO н 3 та о », мт/Н почвы г * ■е-'-л m X 10 г о 5 " S о я Ï i Е-m s-©- о § о g О fc 40 * я ° s= я о

Солонец среднестолбчатый.

целина ........ А, 0—15 14.7 11,4 3,3 22,1

В, 15—25 24,4 6,6 il 7,8 73.0

Bj 32—42 23,6 3,1 20,5 86.7

С 130-140 5.2 2.3 2.9 55,8

Лугово-каштановая слабо-

солонцеватая, целина . , А, 0—21 ,19,6 19.6 _ —

В, 28—38 11,6 11,6 _ _

Bj 50—60 8,8 8,8 _ —

С 150—160 9,6 2.3 7,3 76,0

Светло - каштановая солон-

цеватая, целина . . . . А, 0—13 12,0 9,7 2.3 19.2

В] го—за 12.0 7,4 4,6 38.3

в, 45—55 .10,8 2,3 8,5 78,7

С 145—155 7,6 1,7 5,3 77.6

Солонец среднестолбчатый.

рис 2 года...... Апах О-25 10,8 10,8 — —

Вг 25—50 8,4 6,8 1,6 19,0

Лугово-каштановая слабо-

солонцеватая, рис 2 года А ил 0-25 14,4 13,7 0,7 4,8

Вг 25—50 10,0 2,6 7,4 74,0

Солонец с рел нестолбчатый,

рис 7 лет....... А пах 0—25 8,8 8,4 0,4 4,5

В, 25—50 8.4 6,6 1,8 21,8

Лугово-каштановая слабо-

солонцеватая, рис 7 лет А пал 0—25 8,8 8.8 — —

BÎ 25—50 17,8 10,3 7.5 42,1

фракционирование исследуемых веществ в водной пытяжке в сравнительно мягких условиях, без химического воздействия какими-либо реагентами. Также были определены молекулярные массы выделенных фракций. На геле-мол сел екте (3-10 выделена кремниевая кислота с молекулярной массой около 100 единиц, что соответствует формуле Н^ЭЮ« — монокремниевой кислоты .{табл. 3). Последняя присутствует во всех объектах. При последующем фракционировании на геле-молселекте О-оО выделены формы кремниевой- кислоты с молекулярной массой 2140, 3980 и 6310. Отсутствие органических веществ свидетельствует о том, что это полимерные формы кремниевой

кислоты, а не кремнийорганпческие ■соединения. При этом полимерные формы кремниевой кислоты обнаружены только в солонце.

Таблица 3

Молекулярные массы (Л1М) кремниевой кислоты н органических веществ водной вытяжки из солонца и лугово-каштановой почвы (целина)

ЗГОг С орг

Объект исследований Л» фракции и 1 5 о ^ га п. 5 о О И к % от общего содержания и X 1 к и ^

Солонец, гор. А(

Кремниевая кислота . . I 6310 2,0 0,18 8,6

2 3980 2,0 0,24 11,4 — —

3 107 <15,0 1,68 80,0 — —

Органические вещества 1 700 12,0 _ 1,62 38,0

2 525 .18,0 - — 2,10 49,3

> 3 398 9,0 —" 0,54 12,7

Солонец, гор. В)

Кремниевая кислота . .

Органические вещества

6310 4.0 0,56 27,7

2 2140 4,0 0,72 35,4 — —

3 И 2 15ь0 0,75 36,9 — —

1 700 12,0 _ _ 1,20 27,7

2 589 6,0 — — 0,60 13,7

3 490 21,0 — _ 1.71 39,5

4 363 12,0 — — 0,811 .19,1

Лугово-каштановаи почва, гор. А|

Кремниевая кислота . . Органические вещества

1 104 18,0 1,55 100,0 —

] 700 >12,0 __ ._ 1,32 44,0

2 525 9,0 — 0,72 24,0

3 457 '12,0 — 0.96 32,0

Таким образом, проведенные исследования показывают, что миграция растворенной кремнекислоты осуществляется в виде истинного раствора монокремниевой кислоты л полимерных ее форм.

В составе органических веществ отмечено наличие фракций с молекулярными массами от 363 до 700, т. е- резко отличными от кремниевой кислоты. Для органических вешеств иллювиального горизонта солонца характерно преобладание

ннзкомолекулярных фракций (ММ. 363—490 в сумме составляющих 59%). В лугово-каштановой почве степень дисперсности органического вещества меньше.

3. Потенциальная подвижность кремния и других элементов в почвах солонцового комплекса (переходящих в 0,1 н НгБО« вытяжку). Распределение подвижных форм кремния, а также алюминия и железа по профилю солонцов носит ярко выраженный элювиально-иллювиальный характер (табл. 4).

Таблица 4

Содержание потенциально-подвижных и аморфных веществ в целинных почвах солонцового комплекса

Горизонт, глубина, см БЮг Ре101 АЬОз ею» Р^Оз А],0,

потенция чыю-подвижные, иг/100 I* аморфные, %

Солонец среднестолвчатый

Л, 0-15 05 263 563 10,15 3,18 2,50

в, 15-25 144 489 1173 8,25 2,12 2,10

Вг 32-12 244 381 1061 8,47 1,87 1,40

С 130—140 220 325 905 8,25 2,05 ■1,50

Светло-каштановая солонцеватая

Л, 0—13 115 391 1141 9,75 2,03 1,90

в, г»—зо 104 381 829 9,75 2,23 .1,90

В! 45—55 210 399 963 7,50 1,95 1,60

С 145—135 215 39* 920 7,40 2,03 1,20

Л у го во-к аш та н о ва я слабо-солонцеват а и

Л1 10-24 244 270 888 13,65 2,03 1,96

В, 28—33 80 388 1042 13,35 2,17 1,96

Вг 00-60 120 373 1025 6.75 2,03 1,40

С 153—100 220 104 1021 6,75 1,89 1,40

В распределении этих элементов но профилю светло-каштановой и лугово-каштановой почв не наблюдается столь заметной дифференциации. При возделывании на почвах 'солонцового комплекса культуры риса при постоянном затоплении, несмотря на гипсование, содержание подвижных элементов увеличивается. Возрастание концентрации подвижного железа в пахотном горизонте является, по-видимому, следствием мобилизации его под действием восстановительных процссов. Одной из причин увеличения подвижности соединений кремния и

алюминия являются процессы гидролиза алюмосиликатов в условиях высокой дисперсности минеральной части солонцового горизонта и щелочной реакции среды.

4. Аллофаноиды и аморфная кремнекислота в почвах солонцового комплекса (извлекаемые кипящей 0,5 и Г\ГаОН после обработки реактивом Мера и Джексона из абсолютно сухих фракций ¿0,001 мм).

Количество аморфных форм кремния, алюминия и железа на 1—2 порядка больше, чем потенциально подвижных. Содержание аллофанондов увеличивается с переходом от породы к собственно почвенным горизонтам 1(табл. 4). Для всех почв максимальное содержание аморфных форм кремния приурочено к гумусовому горизонту, что, по-видимому, связано с биогенным его генезисом (Тюрин, 1936; Базилевнч и др., 1954). Однако свободная аморфная кремнекислота в гор. В солонца находится п основном п высокодисперсной илистой фракции (60—75%); в илистой фракции иллювиальных горизонтов других почв ее но более 60% ■ Возделывание культуры риса сказалось только на уменьшении содержания аморфных форм железа, в связи с его восстановлением и большей мобильностью.

Глава IV. Освобождение кремния при разложении растительности к выветривании минералов. Для выяснения роли кремния в почвообразовании важно выявить долю участия биогенной и минеральной форм кремния в процессах миграции и аккумуляции и профили почв, а также формы к закономерности освобождения кремния из органических остатков растений и минералов.

В условиях лабораторного опыта изучалось освобождение кремния из следующих растений: лишайника, полыни черной, ковыля,.а также из различных минералов — олнгоклаза, бентонита, каолинита.

Результаты опыта свидетельствуют о том, что основной формой освобождения кремнии фнтолнтов и минералов является мономерная ортокремниевая кислота. Биогенный кремний принимает активное участие в процессах миграции в почвенном профиле. Количество растворенного кремнезема зависит от содержания кремния в исходном материале, интенсивности минерализации растительных тканей и реакции среды, определяемых характером растений. При нейтральной и слабощелочной реакции за 16 месяцев от 22 до 55% кремния фнтолнтов растворяется и мигрирует в водорастворимой форме.

По устойчивости к выветриванию в воде исследуемые минералы располагаются в следующем порядке; олигоклаз — наиболее устойчивый, вынос 5Юг в % к валовому содержанию составил 0,10%; каолинит—менее устойчив, вынос ЭЮ;— Ю

0,39%; бентонит — легкоразлагаемый, вынос Si02 равен 0,70%. Действие продуктов аэробного разложения органических остатков растеиий на минералы показало, что дополнительных количеств кремния в раствор не поступало. Подвижность образующихся органических веществ определяется зольным составом растений. Водорастворимые органические вещества лишайника н ковыля имели нейтральную и слабощелочную реакцию, разрушающего воздействия их на минералы в опыте не установлено. Лишь в вариантах с совместным компостированием полыни и минералов отмечалось увеличение скорости растворения минералов во 2-й и 3-й сроки опыта (3 и 5 месяцев) за счет высокой щелочности среды. При разложении полыни образуется наибольшее количество водорастворимых органических веществ.

Глава V. Влияние подвижных кремниевых соединений на свойства почв

1. Действие электролитов на илистые суспензии, стабилизированные золем кремниевой кислоты. Отсутствие корреляции между содержанием обменного натрия н дисперсностью иллювиального горизонта солонцов свидетельствует о наличии в малонатриевых солонцах других факторов, обеспечивающих стабильность дисперсной системы и усиливающих действие обменного натрия.

В лабораторном модельном опыте изучалось влияние СаСЬ и Nad на величину порога коагуляции суспензий илистой фракции каолина, бентонита и солонцового горизонта, насыщенных Na* до 95%, при добавлении золя кремниевой кислоты. Установлено, что порог коагуляции суспензий но отношению к СаС1а заметно возрастает по сравнению с контролем. Наиболее интенсивно с ростом концентрации кремниевой кислоты увеличивается порог коагуляции бентонитовой суспензии. Стабилизирующее действие кремниевой кислоты н этом случае проявляется при концентрации 100 мг SiO^ в 1 л. Для као-линитовой суспензии тенденция к стабилизации намечается с концентрации 200 мг SiOa в 1 л, а более заметный эффект проявляется при концентрации Si02 300 мг/л. Подобные закономерности наблюдаются и для илистой фракции солонцового горизонта.

При значительно меньшей коагулирующей силе Na^ — ионов закономерности, свойственные суспензиям каолинита и бентонита сохраняются. Для илистой суспензии солонцового горизонта эффект стабилизации коллоидным раствором кремниевой кислоты проявляется уже при концентрации SiOn 100 мг/л. Выявлено, что чем больше гндрофнльность суспензии, тем меньше необходимо кремниевой кислоты для повы-

шения устойчивости системы. Возрастание устойчивости дисперсной системы объясняется дополнительной сольватацией частиц за счет сорбции кремниевой кислоты.

2, О пептизирующем действии силиката натрия и монокремниевой кислоты. В лабораторном модельном опыте изучалось влияние силиката натрия и монокремниевой кислоты на -водно-физические свойства почв — горизонта Ai солонца, светло-каштановой почвы и чернозема обыкновенного, а также горизонта Bi солонца и светло-каштановой почвы.

.Внесение кремниевой кислоты и силиката натрия увеличивало пептизлруемость почв из горизонтов Ai и В[ солонца и светло-каштановой солонцеватой почвы и практически не отразилось на водно-физических свойствах чернозема. Пентнзи-рующее действие кремниевой кислоты проявляется прн концентрации Si02 0,3—1,0% от веса почвы ,(табл. 5). Эффект стабилизации дисперсной1системы обусловлен, вероятно, явлениями сольватации, поскольку при рН Z9, 7 единственной мономерной формой кремниевой кислоты в водных растворах является H4S1O4 (Мьгшляева, Краснощекой, 1975). В условиях же модельного опыта реакция среды была не более 8,07. Таким образом, сорбция кремння происходила в форме H4Si04, а не ионов HjSiOj-.

■Силикат натрия оказал более сильное.пептизнругощее действие уже при концентрации S1O2 0,02%. При более высоких концентрациях i(0,3 SiOa и выше) силикат натрия придает почве гидрофобные свойства' — снижает дисперсность, набухаемость почв, уменьшает удельную поверхность.

3- Свойства гелей кремниевой кислоты в зависимости от состава обменных катионов. Изучение свойств коллоидной кремниевой кислоты показало, что при коагуляции получаются быстростареющне хрупкие кремнегели, нерастворимые и нена-бухающие в воде '(Песков, -1932; Думанский, 1937; Дсрягин, 1937; Чухров, 1955). Имеются данные, свидетельствующие о зависимости свойств крёмнегелей от состава электролитов (■Гедройи, 1912 и др.). Отмечается обратимая коагуляция в присутствии одновалентных • катионов (.Dépassé, Watillon, 1970). Участие кремния в процессах солониеобразования .может проявляться при наличии обратимых, легкопептизнрую-хцихея гелей кремнезема.

■ После внесения в почву, насыщенную калышем, золя кремниевой кислоты (1%' Si02 к-весу почвы) водно-физические свойства солонца и лугово-каштановой почвы улучшились (табл. 6), Кремнекнслота произвела-оструктурнвающее действие, уменьшилось количество водопептизируемого ила, снизилась набухаемость. Это объясняется высокой коагулирующей способностью катиона кальция. -Кремнекнслота-в мо-

12

Влияние кремниевой кислоты и силиката натрия на водно-физические

свойства почв

Варианты % SiOj piltro Гигроскопическая влажность, % Максимальная гигроскопичность, % Степень дисперсности, % Пабуха- цис 10-* см/г Погло-шсош г воды, I г почвы Удельная поверхность, м!/г Теплота смачн-ваиня, кал/г

Чернозем обыкновенный . , . 2,11

А пах. контроль...... — 6,90 2.27 4,23 5,0 181 0,615 76

Anai+I'íSiOi...... 0,02 6,71 2ДЗ 4,11 6,0 193 0j627 74 2,05

Ansí +H,SiO,...... 0,3 6,90 2,35 4,28 4,7 161 0,607 77 2,14

А паи + H4Si04...... 1.0 6,60 2,21 4,39 5,5 167 0,034 79 2,19

AniIfH,SÍO,..... . 2,00 6,40 2,34 4,51 6,3 160 0,631 81 2,25

A nai -|-Каг5|03...... 0,02 7,15 2,75 4,71 12,5 192 0,656 85 2,36

Aflax+NaiSi03 0,3 7,99 2,26 4,43 10,3 75 0,500 80 2,21

Апах+NajSiOj...... 1.0 8,90 2,36 4,60 5,0 81 0,523 82 2.30

Солонец, гор. В] контроль , . 8,07 5,51 9,90 51,4 170 0,547 178 4,95

Bi+HtSi04........ 0,02 8,12 5,47 9,01 ■19,0 164 0,510 173 4,80

B,+H4S¡Ot........ 0,3 7,67 G,88 9,73 56,7 203 0,708 175 4,87

Ri+HtSi04........ 1,0 7,40 7,Oft И JO 75,6 2ä0 0,750 203 5,65

B,+H,Si04........ 2,0 7,35 7,17 11,71 70,0 275 0,743 210 5,85

B,+NaiSiOj........ 0,02 7,97 7,85 ■10,90 70,3 312 0,712 196 1,15

Bj+NajSiO»........ 0,3 8,51 5,30 8,95 40,0 85 0,480 161 4,48

Bj+NajSiOs........ 1,0 8,96 5,00 9,15 35,9 76 0,420 165 4,58

Таблица 6

Свойства гелй кремниевой кислоты в почвах, искусственно насыщенных кальцием

Почва X л о а о. о Вариант 1 Общий ил, % Кз §с Й 3 1* ч £ а: й. £ ^ т и а- 5 Я , Р 2 о ¿г Рг < С ¡ц и*. я % <я Й й» «о 1 х2 Поглощено г воды 1 г почвы, г Удельная поверхность. Теплота смачивания, кал/г

Солонец среднестолбча- 5,16

шй........ В| Контроль (Са—форма) .■ . 37Д 5,1 7,4. О50 1031.. 140 0,540 166

Контроль+1% золя 510^ , 38,1 3,3 7/3 6,44 10,97 125 0,550 195 5,43'

Лугов о-каш та нова я . . . А! Контроль (Са—форма) . . 34,0 1,8 6,9 4,41 8,23 182 0,656 148 4,12

Контроль-И % золя Б Юз . 52,3 и 6,7 4,57 8,64 -158. 0,575 156 4,32

Л у гово-каштановая . . С . Контроль (Са—форма) , . 40,5 3,5 7,4 3,66 8.11 168 0,582 146 4,06

Контрапь+1% золя ¿¡О-. . 40,0 1,3 7,2 4,32 8.83 135 0,511 159 4.42

Свойства гелей кремниевое кислоты а почвах, искусственно насыщенных натрием

Почва Горизонт Вариант О 2 X « я ь Щ С. 3 о 3? X е. о ш^гг Р « -Й а Ц о и В" X к и . 5е» ц* о о •£ к е. В И с- и < * 2 и г Х-Ь^ <4 (_■ ^ 52 Поглощено воды ] г почвы, г Удельная поверхность, м=Уг к" х Я ь п ° * и С с® г;

Солонец среднестолбча-тий В, Контроль (Ка-форма) . . Коптроль+1% золя 5«02 , 30.8 37.9 81,4 97,9 8,9 8,5 7,10 7,59 10.90 17,83 329 350 0,740 0,768 301 321 8,45 8,93

Лугов о -кашт а но в а я А, Контроль (\та—форма) . . Контроль+1% золя 5Юа . 36,5 30,0 77.3 85.4 7,9 7,8 7,30 7,82 14,01 15,23 280 330 0,730 0.7И 252 274 7.01 7,С2

Лугов о-ка ш та нов а я С Контроль (Ка-форма) . . Контроль-Н % золя 5Юг . 42.0 43.1 93,3 99,5 9.4 9,2 0.31 7,57 13,70 15,00 300 321 0,737 0,742 247 270 0,85 7,50

мент образования геля цементирует почвенные частицы в агрегаты. Коагуляция в 'присутствии двухвалентных катионов необратима.

При насыщении почв Ма4- создаются предпосылки для об-, разования набухающих, гидрофильных, в значительной степени пептнзнрующихся осадков, усиливающих действие обмен-' ного натрия >(табл. 7).

.Влияние натрия на свойства гелей кремния начинает проявляться три содержании его в кол]гчестве 20% от состава поглощенных катионов.

Таким образом аморфные формы кремниевой кислоты не имеют самостоятельного значения в формировании неблагоприятных свойств иллювиального горизонта солонцов и солонцеватых почв. Необходимым условием проявления отрицательных свойств иллювиальных горизонтов солонцов является обменный натрий. Однако процесс осолонцевания не ограничивается ионообменными реакциями и злектрокннетичеекими явлениями. При участии натрия синтезируются качественно новые гидрофильные'гели кремнезема, усиливающие пептизи-рующее действие натрия. Эти соединения являются одной из причин, тюддержнвающих неблагоприятные агрофизические свойства и в малонатриевых солонцах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Агрегативная устойчивость высокодисперспых частиц1 иллювиального горизонта солонцов определяется наряду с обменным натрием природой этих частиц, наличием аморфных веществ, а также -присутствием;и почвенном растворе таких стабилизаторов как силикат натрия, кремниевая кислота к органические вещества.

2. Методом лизиметрических хроматографнческих колонок установлена значительная миграция кремния в почвах солонцового комплекса. Прл попользован ни почв под затопляемую культуру риса, несмотря на периодическое тилсование, подвижность кремния-в лугово-каштачовой почве возросла в 2 раза, в солонце — в.З.раза. В профиле солонца более половины водорастворимого кремяня аккумулируется в иллювиальном горизонте.

3. С усилением степени солонцеватости почв увеличивается количество водорастворимого кремния (исключая гор. А1 лугово-каштановой почвы). Распределение его в профиле солонца носит иллювиальный характер, достигая максимума в солонцовом и под солонцовом горизонтах, В лугово-каштановой слабосолонцеватой и светло-каштановой солонцеватой почвах содержание водорастворимого кремния убывает с глубиной.

4. Применение метода фотометрии и гельфнльтрации позво-16

лило доказать, что миграция водорастворимого кремния в лро-филс почв солонцового комплекса осуществляется в виде мономерной ортокремниевои кислоты и продуктов се полимеризации с различной молекулярной массой '('первые около 100 единиц, вторые от 2140 до 6310 единиц). Количество мономерной орто кремни с вой кислоты в водной вытяжке уменьшается с ростом концентрации лсгкорастворимых солей; коэффициент корреляции составляет —0,87.

5. Результаты фракционирования водорастворимых органических веществ по молекулярным .массам свидетельствуют о высокой дисперсности органических веществ почв солонцового комплекса. Для :всех почв отмечено наличие фракций с молекулярными массами от 363 до 700 единиц, т. е. резко отличающихся от фракций кремниевой кислоты. Это может служить доказательством отсутствия миграции кремния в почвах солонцового комплекса в виде кремнийорганнческих соединений.

6. В составе водорастворимых органических веществ иллювиального горизонта солонца преобладают инзкомолекуляр-ные фракции, что является свидетельством сложных превращении, которым подвергаются органические вещества при солонцовом процессе.

7. Результаты лабораторного опыта по аэробному разложению растительности пустынно-степной зоны (лишайника, полыни черной и ковыля) показали, что биогенный кремний принимает активное участие в процессах миграции в почвенном профиле. При разложении ратительных тканей происходит освобождение фитолнто» и их растворение. В условиях нейтральной и слабощелочной реакции среды от 22,0 до 55,0% кремния фнтолитов .(за 16 месяцев) растворяется и мигрирует в виде мономерпой ортокремпиевой кислоты.

8. Определение в илистой фракции почв рентгепоаморфпых алюмосиликатов—аллофаноидов п свободной аморфной крем-некнелоты показало наличие большого количества аморфных соединений кремния, железа и алюминия .в профиле ночи солонцового комплекса. Максимальное количество аллофапои-доп и свободной аморфной кремниевой кислоты характерно для гумусово-аккумулятивных горизонтов всех -почв. Однако свободная аморфная кремиекислота в гор. В солонца находится в основном и высокоднсперсной нлнетой фракции (60— 75%).

9. Значительные размеры миграции кремния, наличие коллоидных форм кремниевой кислоты свидетельствуют о возможном образовании гелей кремнезема в иллювиальном горизонте солонцов. Доказательством этому служит иллювиальный характер распределения легкоподвижных (водорастворимых) и потенципльио-нодвнжных форм кремния в профиле солонцов.

10. Данные лабораторного модельного опыга показали, что

Свойства Гелей кремниевой кислоты определяются составом обменных катионов почвенно-поглощающего "комплекса. При преобладании-кальция образуются необратимые, нен а бухающие крсмнегели. -При повышенном содержании в составе катионов натрия и более от суммы поглощенных катионов) создаются предпосылки для образования гидрофильных, набухающих, в значительной степени пептизнрующихся осадков.

11. Внесение мои о кремниевой кислоты и силиката натрия в образцы почв увеличило набухаемость, количество водопептизируемого ила, снизило водопроницаемость дисперсных горизонтов солонца и светло-каштановой почвы (гор. Aj и Bi) и не отразилось на водно-физических свойствах чернозема обыкновенного '(гор. An)i ), Псптизируюшео влияние силиката натрня проявилось при концентрации 0,02 5Юг, а монокремниевой кислоты — 0,3—1,0% StOa-

12. Аморфные кремниевые соединения не могут играть самостоятельного значения в формировании отрицательных свойств иллювиального горизонта солонцов. Необходимым условием развития неблагоприятных физико-химических и физических свойств этих поч№ является обменный натрий. Однако процесс осолонцевания обусловлен не только ионообменными реакциями и электрокилетическнми явлениями. При участии натрия синтезируются качественно новые гидрофильные гели кремнезема, усиливающие действие обменного натрня. Эти соединения являются одной из причин, поддерживающих неблагоприятные агрофизические свойства* солонцов, в том числе и малонатриевых.

Опубликованные работы по теме диссертации

«О роли кремниевых соединений в формировании иллювиальных горизонтов солонцов» (в соавторстве). Известия ТСХА, вып. 1, 1978.

«Формы и закономерности освобождения кремння из минералов и растительных остатков». Доклады ТСХА, вып. 248, 1979.

Объем 11/4 н. л.

Заказ 1958,

Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. Л. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44