Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние легкорастворимых солей на химические свойства темно-каштановой почвы в условиях модельного опыта

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Горобец, Андрей Васильевич, Москва



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

Горобец Андрей Васильевич

ВЛИЯНИЕ ЛЕГКОРАСТВОРИМЫХ СОЛЕЙ НА ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕМНО-КАШТАНОВОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ

МОДЕЛЬНОГО ОПЫТА

Специальность 03.00.27- почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Л.А.Воробьева

МОСКВА - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................3

Глава 1. Влияние легкорастворимых солей на химические свойства почв ....5

1.1.Легкорастворимые соли в почвах..............................................................5

1.2.Влияние растворов легкорасторимых солей на химические свойства почв почв в модельных экспериментах...........................................................6

1.3.Влияние легкорасторимых солей на минералогический состав почв .........................................................................................................................12

Глава 2. Объекты и методы исследования....................................................19

2.1. Природные условия и почвы...................................................................19

2.2. Методы исследования............................................................................30

Глава 3. Влияние легкорастворимых солей на щелочность почвы..............34

3.1. Влияние легкорастворимых солей на рН...............................................39

3.2. Влияние легкорастворимых солей на состав компонентов, обусловливающих щелочность почвы ..........................................................44

3.3. Роль кремния в формировании титруемой щелочности........................48

3.4. Влияние годичного хранения почвенных образцов на показатели щелочности.....................................................................................................51

Глава 4. Влияние легкорастворимых солей на состав обменных оснований .........................................................................................................................55

4.1. Методы определения состава обменных оснований..............................61

4.2. Влияние легкорастворимых солей на катионообменные свойства почв .........................................................................................................................63

Глава 5. Влияние легкорастворимых солей на подвижность кремния, железа, марганца, фосфатов и на групповой состав соединений железа.....76

5.1. Влияние легкорастворимых солей на подвижность кремния................78

5.2. Влияние легкорастворимых солей на подвижность фосфатов............106

5.2.1. Состояние фосфора в почве................................................................107

5.2.2. Влияние легкорастворимых солей на концентрацию фосфатов в водных вытяжках.........................................................................................113

5.2.3. Определение минеральных фосфатов по константам и диаграммам растворимости труднорастворимых соединений........................................115

5.3. Влияние легкорастворимых солей на подвижность железа и марганца ........................................................................................................................123

5.4. Влияние легкорастворимых солей на групповой состав соединений железа............................................................................................................128

Выводы.........................................................................................................139

Литература...................................................................................................141

Приложение..................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Засоленные почвы формируются в различных природных условиях и имеют различные морфологические, физические, химические и биологические свойства. В одну группу их объединяет наличие в почвенном профиле легкорастворимых солей, которые оказывают преобладающее влияние на процессы почвообразования (Szabolcs, 1989). Наличие солей в почвенном растворе обусловливает не только морфологию почвенного профиля, но также и те физические, химические и биологические свойства, которые, как правило, ведут к низкому плодородию и невысокой ценности сельскохозяйственных угодий, подверженных засолению (Richards, 1954).

Очевидно, что все почвы содержат некоторое количество легкорастворимых компонентов, но они могут быть классифицированы как засоленные только в том случае, если их концентрация в почвенном растворе превышает определенный пороговый уровень. Его величина зависит от геохимических и природных условий, от физических и химических свойств почв, а также от химического состава легкорастворимых солей. Различия в степени и химизме засоления могут привести к формированию засоленных или щелочных почв в зависимости от условий (Szabolcs, 1989).

При исследовании засоленных почв большое внимание уделяется изучению процессов взаимодействия легкорастворимых солей с почвами, что в значительной степени связано с широким использованием минерализованных вод для орошения черноземов и каштановых почв. Для того чтобы решить эту проблему, важно располагать данными о механизмах и процессах изменения химических свойств почв под влиянием легкорастворимых солей, аккумулирующихся в почвах в результате вторичного засоления, масштабы которого на многих оросительных системах весьма большие (Мамонтов, 1990).

Изучение процессов взаимодействия почв с легкорастворимыми солями имеет исключительно важное значение для раскрытия основных

закономерностей образования солонцовых почв (Кирюшин, 1976). Несмотря на длительный период изучения засоленных почв, многие механизмы воздействия различных количеств легкорастворимых солей на почвенную массу до конца не вскрыты. Практически отсутствуют сведения о влиянии легкорастворимых солей на состояние в почве тех химических элементов, которые не входят в их состав, в частности на кремний, железо, марганец, фосфор. Тогда как эти химические элементы являются типоморфными, а фосфор один из основных элементов питания растений.

В России засоленные почвы составляют 8,8% сельскохозяйственных угодий и 3,6% пахотных земель (Зимовец, 1995), площадь их увеличивается в результате вторичного засоления. В связи с этим изучение механизмов воздействия легкорастворимых солей на почвенную массу представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Целью данной работы было исследование влияния легкорастворимых солей на химические свойства темно-каштановой почвы в условиях модельного эксперимента.

В задачи исследования входила оценка влияния легкорастворимых солей на: 1) щелочность почвы; 2) катионообменные свойства; 3) подвижность кремния, марганца, железа и фосфатов; 4) групповой состав соединений железа в почвах.

В результате проведенного исследования установлены закономерности, отражающие влияние легкорастворимых солей на кислотно-основные и катионообменные свойства темно-каштановой почвы в условиях модельного эксперимента. Выявлены возможные механизмы влияния легкорастворимых солей на степень подвижности кремния, железа, марганца и фосфатов.

ГЛАВА 1 ВЛИЯНИЕ ЛЕГКОРАСТВОРИМЫХ СОЛЕЙ НА ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

1.1. Легкорастворимые соли в почвах

Легкорастворимые соли в твердых фазах почв встречаются почти во всех ландшафтах с недостаточным увлажнением, где процессы испарения преобладают над процессами инфильтрации.

Большую часть солей представляют эвапориты - минералы, образовавшиеся в результате кристаллизации из растворов при выпаривании. Другая часть солей в почвах обязана своим происхождением процессам выветривания. В засоленных почвах и солончаках, формирующихся в аридных и семиаридных условиях, наиболее распространены карбонаты, сульфаты и хлориды. Карбонаты и сульфаты кальция встречаются и в незаселенных почвах пустынь, полупустынь, сухих степей и степей.

Количество солей в твердых фазах почв может быть самым различным - от 0,15 до 90% от массы почвы. При большом содержании они могут образовывать соляные коры - известковые, гипсовые, галитовые -мощностью от нескольких сантиметров до метра. Обычно содержание солей в засоленных почвах составляет 0,15-1%, в солончаках - 1-3% и более (Теоретические основы процессов засоления-рассоления почв, 1981).

Важным фактором, влияющим на засоление почв и перемещение солей, являются гидрогеологические условия. Наиболее распространенной причиной образования современных засоленных почв является процесс испарения и транспирации грунтовых вод в условиях бессточности или замедленного их оттока. Интенсивность испарения грунтовых вод и процесс соленакопления как в грунтовых водах, так и в почвах возрастают с приближением уровня грунтовых вод к поверхности, причем начиная с глубины 2-3 м и меньше процессы соленакопления в условиях аридного климата достигают максимального выражения (Попов, Минкин, 1987).

Огромное разнообразие сочетаний природных, биоклиматических, гидрогеологических и геоморфологических условий в которых формируются засоленные почвы, требует достаточно сложной системы диагностических показателей (Зимовец, 1995). В современной классификации засоленных почв только по оценке состава и содержания солей используется более двадцати числовых показателей (Классификация и диагностика почв СССР, 1977).

В своей работе Н.И.Базилевич и Е.И.Панкова (1968) предложили проводить оценку засоленных почв по трем основным критериям: химизму (типу) засоления, степени засоления и глубине залегания верхнего солевого горизонта. Химизм засоления определяется составом анионов и катионов. Авторы предложили выделять 9 типов засоления по их анионному составу. Классификация почв по степени засоления построена с учетом химизма засоления. В своей работе авторы также предложили метод оценки степени засоления по "суммарному эффекту" токсичных ионов и метод расчета токсичных солей.

Почвы, выделенные по глубине залегания солевого горизонта, разделяются по степени засоления. Для солончаковых почв степень засоления определяется по средневзвешенному содержанию солей и ионов или "суммарному эффекту" токсичных ионов в слое 0-30 см, высокосолончаковатых - 30-50 см, солончаковатых - 50-100 см, глубокосолончаковатых - 100-150 см и глубокозасоленных - 150-200 см (Базилевич, Панкова, 1968).

1.2. Влияние растворов легкорастворимых солей на химические свойства

почв в модельных экспериментах

В исследовании засоленных почв большое внимание уделялось проблеме влияния солевых и щелочных растворов на свойства минералов и почв. Этот вопрос разрабатывался в разных планах, но особенно велико его значение для познания генезиса солонцов (Пак, 1975).

В нашей стране исследования роли солей в формировании солонцовых почв были начаты в 1912 г. К.К. Гедройцем (1955). В дальнейшем их продолжали И.Н. Антипов-Каратаев (1953), В.А.Ковда (1937, 1946) и многие другие исследователи.

К.К.Гедройц (1955) рассматривал закономерности взаимодействия растворов солей с почвой преимущественно с позиций обменных реакций между ионами солей и поглощенными катионами. Отсюда возникла его концепция о ведущей роли обменного натрия в процессе солонцеобразования.

В.А. Ковда (1937), не отрицая большого влияния обменного натрия на развитие солонцовых почв, указывал на несомненную роль в явлении солонцеватости продуктов гидролиза и распада алюмосиликатов, в том числе аморфной кремнекислоты.

При изучении почвенных процессов исследователи нередко прибегают к их моделированию в лабораторных условиях. Такие исследования проводились на отдельных минералах и почвах с целью выявления причины проявления солонцеватости, и воздействия солей на силикатную и алюмосиликатную часть минералов (Ковда, 1946-1947; Андреев, 1956; Кирюшин, 1967, 1972; Гончарова, 1969; Семенкин, 1971; Панов, Гончарова, 1969; Келлерман, 1972; и др.).

Одно из направлений (Андреев, 1956) этих исследований основывается на представлениях о разрушении минералов под воздействием легкорастворимых солей, в результате которого происходит накопление гидрофильных коллоидов, являющихся причиной неблагоприятных свойств солонцов. Б.В. Андреев (1956) провел ряд лабораторных опытов по взаимодействию некоторых минералов, почв и пород с растворами солей, соответствующими составу морской воды. По мнению автора действие солей на почвы и породы не ограничивается обменными реакциями, а сопровождается глубокими изменениями минералов. Последующее опреснение и подкисление вызывает усиленный

распад продуктов изменения минералов под воздействием растворов солей. В целом механизм распада этих продуктов рисуется им по схеме перехода монтмориллонита к каолиниту. При этом освобождаются в свободной форме оксиды железа и алюминия и особенно много кремниевой кислоты.

Н. А. Гончаровой (1969) были проведены исследования по взаимодействию 1 н. растворов натриевых, магниевых и кальциевых солей и их смесей с покровным бескарбонатным суглинком на протяжении 4 месяцев. По данным автора, при воздействии на почвообразующую породу солей и их смесей происходило заметное растворение и изменение алюмосиликатной части, выражающееся в увеличении воднопептизирующегося ила и переходящих в 5%-ную КОН вытяжку кремния, железа и алюминия.

Более обстоятельные и обширные исследования по данному вопросу были проведены В.В. Келлерман (1972). Образцы из различных горизонтов светло-каштановой почвы и выщелоченного чернозема обрабатывались 0,5 и 1 н. растворами сульфатов и хлоридов натрия и магния при отношении почвы к раствору равном 1:5 в присутствии толуола в качестве антисептика на протяжении одного года. В результате опытов автором сделаны выводы о разрушительном влиянии солей на алюмосиликатную часть почв. Причем наиболее активен в этом отношении, по мнению автора, сульфат натрия.

А.И. Семенкин (1971), в отличие от В.В. Келлерман, проводил подобные опыты с почвами без стерилизации. В опытах автора образцы из верхних горизонтов почв и почвообразующих пород в течение 290 дней взаимодействовали с растворами солей и дистиллированной водой при соотношении 1:5. По мнению автора, в процессе образования солонцов соли не только способствуют поступлению натрия в ППК, но и приводят к разрушению алюмосиликатов, показателем чего служит переход в подвижное состояние большого количества кремния, снижение ЕКО, увеличение в составе ППК натрия и магния и ухудшение физических

свойств почв. С одной стороны, автор связывает этот процесс с анаэробиозисом, с другой - считает, что наиболее активная роль в нем принадлежит солям, которые являются интенсивными разрушителями алюмосиликатов.

В.И. Кирюшиным (1967) также были проведены модельные опыты по взаимодействию почвы и почвообразующей породы с 2 н. растворами хлоридов и сульфатов натрия, магния и кальция на протяжении длительного времени (3 года обрабатывались образцы горизонта А южного карбонатного чернозема и 1,5 года - бескарбонатной глины). Результаты этих модельных эксперементов, проводимых с добавлением толуола в качестве антисептика, показали, что никаких изменений в содержании оксалаторастворимых соединений железа и алюминия (по Тамму) и кремнекислоты (по Гедройцу) при внесении легкорастворимых солей не произошло. В аналогичных опытах, проводившихся автором ранее с обыкновенным черноземом, но без добавления толуола, было отмечено заметное разрушение минеральной части (Кирюшин, 1972). В тоже время органическая часть чернозема претерпела значительные изменения, связанные с переходом в солевой раствор органического вещества, в вариантах с внесением натриевых и особенно магниевых солей (Кирюшин, 1967).

В более поздних исследованиях В.И.Кирюшин (1972) также изучал влияние 2 н. растворов хлоридов и сульфатов натрия, магния и кальция, которые взаимодействовали в течение 1,5 лет с горизонтом А обыкновенного чернозема при соотношении почвы и раствора равном 1:5 с добавлением и без добавления толуола. В результате проведенных исследований автор пришел к тому же выводу об отсутствии каких-либо глубоких изменений в химическом составе минеральной части чернозема в относительно стерильных условиях. Не произошло их также и в процессе отмывания солей водой, то есть при опреснении, когда по Б.В.Андрееву следовало бы ожидать наиболее интенсивного гидролиза минералов. По

мнению автора, наблюдавшиеся изменения в минеральной части почвы (увеличение количества алюминия и железа, переходящих в 0,1 н. Нг804 вытяжку) в условиях опыта без добавления толуола, были обусловлены восстановительными процессами, интенсивность развития которых зависела от состава солей и их концентрации.

По мнению В.И.Кирюшина (1972) , полученные ранее данные многих исследователей (Андреев, 1956; Гончарова, 1969; Семенкин, 1971) о разрушении почвенных алюмосиликатов под влиянием солей являются результатом развития восстановительных условий в модельных опытах, но не процессом гидролиза минералов под влиянием солей.

Таким образом, в литературе содержатся противоречивые сведения о механизмах воздействия легкорастворимых солей на почвенную массу. Большинство из описанных выше модельных опытов исследователей проводилось в условиях влажности почв далеких от реальных. Как правило отношение почвы к раствору в этих опытах б�