Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ КАТИОНОВ НА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ КАТИОНОВ НА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ"

-мзяз МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

- МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА

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

На правах рукописи НУРИ МУСА АЛЬ МУРАДИ

ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ КАТИОНОВ

НА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПОЧВЫ

(специальность 06.01.03 — почвоведение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата слеьскохозяйствеиных наук

МОСКВА — 1980

Работа выполнена на кафедре почвоведения Московской, сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный консультант — доктор с.-х. наук профессор Н. П. Панов.

Научный руководитель — кандидат сельскохозяйственных наук доцент В. И. Савич.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук профессор Бахтин П. У., кандидат химических наук доцент Курбатов А. И.

Ведущее предприятие— Почвенный институт имени. В. В, Докучаева (лаборатория генезиса солонцов).

; Защита состоится «Я.М» СА^К^Я?• • ■ 1980 г.

в «/.< » час. на заседании Специализированного совета К-120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева. - .

Адрес: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская, 47. Сектор защиты диссертаций ТСХА.

_ /г С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБгТСХА.

/Ученый секретарь Я ' —^ игсГО

Специализированного совета

доцент С^А - . Л. А. Дорожкина

, Актуальность проблемы. С ростом интенсификации сельскохозяйственного производства все большее значение приобретает создание оптимального водно-воздушного режима и благоприятных для роста и развития культур водно-физических и физико-механических свойств почв. Одним из путей создания оптимума по указанным свойствам является химическая мелиорация. Поглощенные катионы оказывают значительное влияние на изменение физико-механических и водно-физических свойств почв. Это обусловливает актуальность разработки темы диссертации.

Нсмотря на большое число работ, выполненных по'изучению влияния поглощенных катионов на водно-физические и физико-механичесчше свойства почв (П И. Шаврыгин, 1935; К. К. Гедройц, 1937; Н. И. Горбунов, 1948, 1967; Н. П. Панов, 1972) до настоящего времени остаются неясными вопросы о влиянии на эти процессы'природы (ППК) — почвенно-погло-щающего комплекса; о совместном влиянии при поглощении нескольких катионов, о влиянии на эти свойства влажности и температуры.

Цель работы. Целью работы являлось решение следующих вопросов: 1) оценить однозначность влияния поглощенных катионов на физико-механические и водно-физические свойства для почв разных типов; 2) . провести углубленное изучение некоторых параметров, характеризующих ППК, и выяснить их взаимосвязь с изученными водно-физическими и физико-механическими свойствами почвы; 3) оценить влияние поглощенных катионов на изучаемые свойства при разной плотности заряда ППК; 4) выяснить взаимное влияние поглощенных катионов.

Научная новизна. В диссертационной работе показано неоднозначное влияние поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв в зависимости от особенностей состава их почвенного поглощающего комплекса. Впервые подтверждены экспериментально высказанные в литературе взгляды о наличии индуктивного эффекта, эффектов синергизма и антагонизма для катионов, поглощенных ППК. Подтверждено экспериментально высказанное в литературе

_ '1

Цэ:гг?. науч;:ая йлОя :впт Моей. орд. Лзгаа стаз. акад. ни, К. А. Тишрвздйа ' й-......

теоретическое положение о влиянии на поглощение ионов 1 плотности заряда ППК н температуры.

Полученные результаты позволяют уточнить процессы со-лонцеватости, генезис малонатриевых солонцов и явления, протекающие при химической мелиорации солонцов. Экспериментальные данные, подтверждающие наличие индуктивного эффекта поглощенных катионов, влияние на свойства почв плотности заряда ППК, температуры, дают возможность наметить пути поиска новых приемов для улучшения водно-физических и физико-механических свойств почв, в том числе солонцов.

Апробация. Результаты работы докладывались на научной конференции ТСХА в 1978 году.

Публикация. По материалам диссертации опубликована одна статья. Работа выполнена на кафедре почвоведения ТСХА в период с 1/1Х—77 г. по 1/1У—80 г.

Объем работы. Работа представляет собой рукопись объемом 145 страниц машинописи, включает 31 таблицу, 7 рисунков. Приложения в количестве 28 таблиц. В списке литературы 60 наименований советских и 50 иностранных авторов

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны 9 типов почв, обладающих различными физическими свойствами, и 3 минерала. Это позволило оценить влияние поглощенных катионов на физико-механические и водно-физические свойства почв в зависимости от некоторых особенностей ППК. Для исследования использовались следующие почвы. 1. Красная ферралнтная почва из республики Мали (Лкр ) горизонт А„. 2 Лугово-черноземная почва (Чл) горизонт А„ 0—20 см. Темноцветная почва западин (Ч) А1— 0—8 см. 4. Солонец лугово-степной черноземный среднестолб-чатый (Си ) горизонт А1 0—12 см. 5. Дерново-среднеподзоли-стая почва (Пя) горизонт Ап 0—20 см. 6. Светло-каштановая почва (Кс ) горизонт А„ 0—20 см. 7. Чернозем выщелоченный (Чв) горизонт Ап 0—20 см. 8. Бурая почва из республики Мали (К6 ) Ап 0—20 см. 9. Солонец светло-каштановый лугово-степной, среднестолбчатый (С» ) А1 0—16 см.

Из минералов для исследования использованы каолинит, бентонит, вермикулит, каолинит+гуминовая кислота, бентонит-}-гуминовая кислота, вермикулит+гуминовая кислота.

Характеристика объектов исследования приведена в таблицах 1 и 2.

Для оценки влияния поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв в зависимости от состава ППК важно знать или углубленную характеристику состава и строения ППК, или величину параметров водно-физических и физико-механических свойств естественных почв.

Характеристика объектов исследования

Индекс Содержание частиц рН водной Гумус, % Емкость поглощения, Удельная поверхность,

почвы <0,01 мм, % суспензии мг-экв/100 г м2/г

Лкр Чл 30,1 5,3 0,4 8 38,4

22,3 6,4 4,7 24 107,4

ч 25,1 6,8 7,2 23 105,8

сч„ 24,3 7,0 5,3 30 ■ 85,8

П-* 41,0 5,6 1,6 15 46,4

кс 33,5 6,8 2,3 21 63,5

чв 30,2 7,0 5,3 42 131,9

Кб 26,2 5,4 2.7 23 81,1

ск„ 30,7 7,7 1,2 25 115,8

Именно через эти свойства проявляются те характерные особенности строения ППК, которые важны для оценки влияния поглощенных катионов. По полученным нами данным наибольшей удельной поверхностью обладают следующие почвы: лугово-черноземная, темноцветная, чернозем выщелоченный, черноземный солонец, солонец каштановый. Для этих почв характерна и большая емкость поглощения катионов, большая величина теплоты смачивания, большая величина набухания, пластичности, липкости, гигроскопии, максимальной гигроскопичности, величина капиллярного подъема воды.

Таблица 2

Физико-механические свойства исследуемых почв

Индекс почвы Теплота смачивания, кал/г Набухание, В ;% от объема Число пластичности Гигро-скопия Максимальная гигроскопичность

в % от веса

Л кр 2,0 9,3 4,6 1,8 7 А

Чл 4,7 16,4 14,0 4,1 9,3

Ч 5,5 5,7 10,9 11,0 4,3 9,4

рч 10,7 10,3 3,4 7,2

п* 3,1 3,4 4,9 1,8 4,0

кс 3,9 9,5 5,7 2,7 5,7

Ч, 6,3 25,9 18,1 5,6 12,3

Кб 3,6 7,3 8,9 3,2 9,0

с*„ 4,8 19,6 13,8 5,6 11,7

Так как сорбция воды пропорциональна плотности заряда сорбционных мест, то в первом приближении молено считать, что эти почвы обладают большей плотностью заряда. Наименьшей из сравниваемых почв плотностью заряда обладают красная ферраллитная и дерново-подзолистая почва.

Методика исследования. Для оценки влияния поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв образцы почв насыщались катионами К+, Са2+, Л13+ при взаимодействии почв с 0,1 н хлористыми солями. Насыщение проводилось до потери реакции на Са или Ре. Затем механически сорбированные ионы отмывались водой до потери реакции на С1. Аналогичное насыщение проводилось и для минералов. В трех опытах в качестве сорбатов использовали смесь 0,1 н ^С1+МйС12= 1 : 1; 4 : 1; 1:4. Насыщение проводилось при комнатной температуре (20°С) и 40°С. После насыщения и промывки водой почву высушивали, растирали и просеивали через сито 1 мм. В дальнейшем образцы использовались для проведения анализов. рН определяли в почвенной суспензии при отношении почва : раствор = 1 : 5 потен-цнометрически с использованием стеклянного измерительного электрода и хлорсеребряного электрода сравнения. Аналогичные электроды использовали при проведении потенциометри-ческого титрования. Окислительно-восстановительный потенциал определяли с платиновым электродом. Этот электрод использовался и при проведении нотенциометрического титрования при определении ЕЬ. Измерительным являлся хлорсереб-ряный электрод. Гумус определяли по методике Тюрина. Механический состав — но Каминскому. Удельную поверхность определяли по сорбции паров воды по методу Кутелика. Теплоту смачивания определяли по методу Андрианова. Набухание — на приборе Васильева. Пластичность почв — по Васильеву. Определение водопроницаемости, липкости, высоты капиллярного поднятия проводили по общепринятым методикам с некоторыми модификациями. Определение гигроскопии проводили общепринятым методом, максимальной гигроскопии— методом А." В. Николаева. Расчет констант диссоциации функциональных групп Г1ПК проводили но зависимости рН = Г (мг-экв. тнтранта НС1, ^таОН) (Н. Г. Зырин, Д. С. Орлов, 1964) и по зависимости Е1г=ЦрН) (Б. П. Никольский, 1975). Плотность заряда ПИК, индуктивный эффект, эффект синергизма и антагонизма рассчитывали по оригинальным методикам. Статистическую обработку материала проводили по методикам, изложенным В. И. Савичем (1972). Относительная ошибка результатов не превышала 10;%.

Теоретическая оценка влияния поглощенных катионов на физические, водно-физические и физико-механические свойства почв

Поглощенные катионы влияют на физические, водные и физико-механические свойства почв, в первую очередь в связи со следующими причинами: 1) изменяется плотность поло-

жительного заряда на поглощенном катионе; 2) в связи с наличием индуктивного эффекта поглощенные катионы изменяют плотность электронного облака на сорбционном месте ацидоидов ПИК. Оба вышеуказанных фактора приводят к изменению сорбции и прочности связи воды с почвой, к изменению дзета-потенциала и величины диффузного слоя, прочности связи ионов с ППК. Указанные факторы служат одной <из причин изменения степени дисперсности и гидрофильностн системы и отдельных компонентов ППК. В конечном итоге изменение всех вышеуказанных свойств приводит к изменению физических, водных и физико-механических свойств почв. Теория влияния поглощенных катионов на плотность заряда ППК может быть представлена в следующем виде. Поглощенные катионы образуют с сорбционными местами ацидоидов ППК связь различной степени прочности. Катионы, имеющие большую плотность положительного заряда, связываются более прочно. Плотность заряда изучаемых катионов имеет следующие величины: Л13+ (5,3)>М£2+- (2,6)>Са2+ (1,9)>Ыа+ (1,0) >К+ (0,8). Катионы с большей плотностью заряда имеют большее число гидратации, которое, определенное но методу ЯМР, составляет для катионов следующие величины: К+ (8,0)<1\та+' (3,5) <М^2+ (3,8) <Са2+ (4,3) <Л13+ (5,9) (Дж. Гордон, 1979).

Сорбция диполей молекул воды на катионах с большей плотностью заряда должна быть более прочной, при этом и сорбируется большее число молекул воды. Однако при замене одного двухвалентного иона на два одновалентных (если это возможно по конфигурации сорбцнонных мест) количество молекул воды, сорбируемых почвой, будет выше.

Поглощенные катионы оказывают индуктивное влияние на сорбционные места ППК- Чем больше плотность заряда катиона, тем больше он оттягивает электроны от сорбционного места ацидоида ППК. При этом плотность'заряда ацидоида уменьшается, что ведет к менее прочной связи с ацидоидом других катионов, сорбированных на нем, и к меньшей сорбции на этом сорбционном месте воды. По величине индуктивного эффекта катионы располагаются в следующий ряд: Л13+>Мк2^>Са2+>Ма+>К+. Велична индуктивного эффекта может быть оценена как ор = рК—рКо, где К0 и К—константы диссоциации функциональной группы И-СООН; И-ОН (или групп) ППК без введения заместителя и при введении заместителя. Если в сорбцнонных местах обмен М2+ на 2М+ возможен, то два одновалентных иона окажут большее индуктивное влияние, чем один двухвалентный ион, сильнее ослабят связь с ППК одновременно поглощенного иона М2+\ Например, в малонатриевых солонцах (2 Ыа — ППК—Мк). Увеличение степени ионности связи А^2-1- с ППК приведет к росту

дзета-потенциала, степени дисперсности. Таким образом, влияние поглощенных катионов на изучаемые свойства определяется плотностью заряда самого сорбируемого катиона, его индуктивным эффектом. При этом влияние индуктивного эффекта неоднозначно в том случае, когда возможен обмен М2 + на 2 М+ и когда такой обмен затруднен. Тенденция влияния данных параметров на плотность заряда почвы может иметь в целом противоположную направленность, что зависит от строения ППК. В связи со сказанным влияние поглощенных катионов на физические, водные и физико-механические свойства различных почв теоретически не может быть однозначно.

Влияние катионов определяется и плотностью заряда сорб-ционных мест исходной почвы. При увеличении плотности заряда ацидоида ППК (меньше минералов каолинитовой группы, группы гидроокисей, больше гумуса, минералов типа 2:1) более предпочтительна сорбция многовалентных катионов, а среди них ионов с большей плотностью заряда. При большей плотности заряда сорбционных мест явление солонце-ватости должно проявляться менее интенсивно.

Влияние поглощенных катионов и особенно катионов, находящихся в растворе сорбата, зависит и от температуры, и от влажности. С повышением температуры более вероятна сорбция катионов с большей энергией гидратации. Л13+ (1020)>Мц2+ (470) > Са2+ (365)>^+ (100) > К4" (80) ккал/г-ион. При повышении влажности почвы более вероятна сорбция многовалентных ионов, а среди равнозаряд-ных — ионов с меньшей энергией гидратации (В. И. Савич, 1974, 1979). Учет указанных теоретических положений позволяет дать интерпретацию данных по влиянию поглощенных катионов на изучаемые свойства почв.

Выполненная работа посвящена экспериментальной проверке этих положений.

Экспериментальная часть. В диссертационной работе изучено влияние поглощенных катионов на рН, ЕЬ суспензии почв, точку нулевого заряда, константы диссоциации функциональных групп ППК, содержание гумуса и соотношение 'Сг:Сф, емкость поглощения почв, буферность в кислотном и щелочном интервалах, на гигроскопию, максимальную гигро-скопию, плотность заряда, удельную поверхность, липкость, пластичность, набухание, водопроницаемость и фильтрацию. В основном полученные данные подтверждают ранее известные в литературе. Однако получен вывод, что влияние поглощенных катионов на все указанные выше свойства почв неоднозначно на различных типах почв. Для всех почв нельзя предположить один ряд влияния поглощенных катионов на каждое из вышеперечисленных свойств почв. В таблице 3 представлены обобщенные ряды влияния поглощенных катио-6

нов на изучаемые свойства почв. Как уже указывалось ранее, для разных типов почв эти ряды несколько отличаются.

Таблица 3

Влияние поглощенных катионов на свойства почв

Изучаемые свойства

Ряды по степени влияния поглощенных катионов на изучаемые свойства '

Гигроскопия ......

.Максимальная гигроскопия .

Набухание.......

Скорость набухания Теплота смачивания . . . . Липкость .

Верхний предел пластичности Нижний предел пластичн. . Число пластичности . . . . Капиллярная влагоемкость . Капиллярный подъем . . .

Впитывание........

Фильтрация .......

Удельная поверхность . . .

Л1>Мк>Са>Ма>К К>Ма>Са>Мк>Л1 ^>Мк>Са>К>Л1 Ма>Са>М£>К>Л1 Мк>СаЖа>Л1Ж Ме>Ма>Са>К>Л1

Л1>Ма>Мв>0>Са>К

Л1>0>Са>Мя>К>«Ма

Ма>М£>К>Са>Л1

Са>Л1>МкЖ>0>Ма

1\аЖ>Мк>0>Са>Л1

Л1>Са>0>МрЖ>Ха

Л1>Са>0>М(?Ж>Ка

Л1>М£>0>Са>МаЖ

О — почва с естественным составом ППК. '

Как видно из представленных данных, приведенные ряды влияния поглощенных катионов на водные и водно-механические свойства почв в основном соответствуют тенденции, установленной в большинстве ранее опубликованных работ. В то же время, как отмечалось и другими авторами, влияние поглощенных катионов неоднозначно на разых почвах и привести один ряд влияния поглощенных катионов на водные и физико-механические свойства почв нельзя.

Величина влияния поглощенных катионов на изучаемые параметры зависит от податливости почв к их изменению, от буферных свойств почв. По полученным данным, податливость почв к изменению изученных свойств может быть представлена в виде следующих рядов (табл. 4).

Как видно из таблицы 4, черноземы наименее устойчивы к изменению гигроскопия, максимальной гигроскогпш, набуханию, уменьшению теплоты смачивания, фильтрации, липкости, капиллярной влагоемкости, удельной поверхности. Красная ферраллитная и дерново-подзолистая почвы чаще более устойчивы к изменению этих параметров под влиянием изменения состава поглощенных катионов.

Индуктивный эффект катионов, поглощенных почвой

В работе показано наличие индуктивного эффекта катионов, поглощенных почвой. Наиболее ярко эта величина оценивается по величине рКа функциональных групп ППК для

Буферные свойства почв по отношению к изменению некоторых их свойств под влиянием поглощенных катионов

Параметры Ряды устойчивости почв по отношению к влиянию поглощенных катионов на изучаемый параметр

Гумус....... Удельная поверхность . Впитывание . . . . . Фильтрация . . . _ . Капиллярная влагоем- кость ....... Время капиллярного подъема ...... Глгроскопия ..... Максимальная гигроско- пия . . ..... Набухание . . . . . Теплота смачивания . . Липкость...... Число пластичности . . Скн>Лкр. ЖсЖб>Пд>Чл >Чв>Счн>Ч Лкр>Пд>Кб>Чл >С„К >Кс>С„ч>Чв>Ч Кб>С„ч >С„К >Чв>Пд>Чл>Лкр.>Ч >КС Лкр.>ПдЖбЖс >Ч>Чл>Снк>Снч>Чв Чл>Счн>Кб>Пд >Кс>Лкр.>Ч>Чв >СМК Лкр.>ПдЖбЖс>Ч>Сч„>Чл>>Чв>С„к ПдЖб>Снч>Ч>Лкр.Жс>Снк>Ч8>Чл Лкр.>Ч>Пд >Счн>ЧвЖс>Сцк>Чл>К6 Лкр.>КсЖб>Пд>Чл>Снч>Ч>Скн>Чв К с>Пд>Кб>Лкр.>Чл>Снч>Ч>Снч>Чв Чл>Пд >Сн<<>Чв>Лкр>Кб>С„кЖс>Ч' Чв>Чл>ЧЖс>Пд >Снч>Сик>Лкр.Жб

естественной почвы и почв, насыщенных различными катионами. Величина рКа определялась по зависимости Eh = f(pH) и pH = f (мг-экв. титранта NaOH, HCl). Полученные данные представлены в таблице 5.

Как видно из представленных данных, величины рКа для отдиссоциации Н+ от R-COOH и R-OH наибольшие при насыщении почвы Na+ и наименьшие при насыщении их А13+. Это соответствует большему оттягиванию электронов от сорбцион-ного места ацидоида ППК ионом А13+ и увеличению при этом „ [RCOO-1 [Н+1 . [R-o-}+[H+] lva_ R СООН 14IR-OH]

Как показывают полученные данные, величина индуктивного эффекта для разных почв неодинакова. По полученным нами данцым исходные почвы по величине рКа функциональных групп располагаются в следующий ряд:

Ч>Снч>.Чл>Снк>Чв>Кб>Пд>Кс>Лкр.

Очевидно, что чем больше плотность заряда сорбционного места ацидоида (выше величина рКа функциональной группы R-COOH; R-OH), тем менее сильно должно сказываться влияние индуктивного эффекта поглощенных катионов. Действительно, по полученным данным максимальная величина рКа в исходных почвах (темноцветной почве и черноземном солонце) соответствует большему индуктивному эффекту за счет Л13+ и меньшему—за счет Nat. Таким образом, величина ин-

Т а б л и ц а 5 Индуктивный эффект катионов, поглощенных почвой

Индекс почвы яр=рК*—рКо ДЛЯ почв, насыщенных катионами

Ка к+ МЕ2^ 1

Лкр 1 »* 0,8 0,3 0,0 —0,2

. 2 0,5 — 0,4 — 0,2 — 0,7

Чл 1 0,2 • 0,3 • 0,1 — 1,1

о 0,4 ' 0,4 ' 0,2 — 1,0

Ч Г 0,1 0,3 0,0 — 1,2

о 0,0 0,1 — 0,2 — 1,4

Снч г 0,0. 0,3 0,3 • —1,3

2 — 0,1 0,2 0,3 — 1,3

П* Г 0,9 — 0,1 0,2 —0,5

2" 0,5 0,5 0,3 —0,3

Кс Г 0,3 0,2 0,0 — 1,2

2 0.1 0,1 —0,1 — 1,3

4е Г 0,1 0,2 0,0 — 1,1

2 -0,1 —0,1 — 0,0 — 1,3

. Кб 1 0,1 0,2 — 0,3 — 0,4

2 0,2 0,5 — 0,5 — 1,0

С„к 1 0,0 0,2 — 0,1 —1,4

2 0,3 0,2 0,0 — 1,0

* рКо — принимается усредненная константа диссоциации функцио нальных групп ППК (Й— СООН, И—ОН) при насыщении почвы Са. ** 1—для кислого интервала; 2— для щелочного интервала.

дуктивного эффекта катионов, поглощенных почвой, зависит от усредненного значения рКа функциональных групп ППК.

Изменение некоторых свойств почв под влиянием поглощенных катионов в зависимости от плотности заряда функциональных групп ППК

Влияние поглощенных катионов на водные и физико-механические свойства почв определяется и составом ППК, в частности, плотностью заряда ППК. Плотность заряда ацидондов ППК оценивалась по удельной поверхности почв и емкости поглощения катионов; усредненная плотность положительных и отрицательных зарядов оценивалась по величине гигроскопии. Часть полученных данных представлена в табл. 6.

Из сравниваемых почв красная ферраллитная (Лкр) и дерново-подзолистая (Пд) имеют малую величину гигроскопии и максимальной гигроскопии, небольшое количество гумуса. Выщелоченный чернозем (Чв) и черноземно-луговая почва (Чл) имеют большую величину гигроскопии, максимальной гигроскопии, большую гумусированность. В первом приближении:, эти величины характеризуют плотность заряда сорб-

Изменение некоторых свойств под влиянием поглощенных катионов

Изменение параметров при насы-

Определяемый параметр щении почв катионами * для

различных типов почв

/ Лкр ГР Чв Чл

Максимальная.гигроскопия . . 1.0 1.1 1,1 1,1

Теплота смачивания ..... 0,7 0,9 1,1 1,0

рН водной суспензии . : . . . . 1,4 1,4 1,6 1,7

Набухание ..... 2,0 1,7 2,2 2,6

Липкость при влажности 25% . 0,6 0,5 3,6 1,7

» » » 35% . .0,7 1,1 2,7 1,2

Пластичность — а** ...... 1,0 0,8 1,2 1,0

в....... 1,6 1,5 3,9 2,0

Капиллярная влагоемкость . . . 0,9 0.9 0,6 0,8

Скорость поднятия воды .... 1,7 1,5 29,0 25,0

Впитывание......... 0,19 0,01 0,007 0,004

Фильтрация......... 1.0 12,0 101,5 101,0

* Отношение параметров при насыщении почв Ка+ и при насыщении их Л!.

** а — верхний предел пластичноетн, в — нижний предел пластичности.

ционных мест ППК. По полученным данным, на почвах с более высокой плотностью заряда разниЦа во влиянии N3+ и А13+ больше сказывалась на изменении рН, максимальной гигро-скопии, теплоты смачивания, набухания, липкости, пластично-, сти, скорости поднятия воды, фильтрации и меньше — на параметрах ЕЬ, удельной поверхности, капиллярной влагоемкости, впитывании. Аналогичные зависимости проявляются и на других почвах с разной плотностью заряда.

Таким образом, плотность заряда функциональных групп ППК влияет и на величину индуктивного эффекта поглощенных катионов по водным и физико-механическим свойствам почв.

Влияние температуры на поглощение катионов и изменение свойств почв

Для выяснения влияния температуры на изучаемые параметры изучалась сорбция Са2+, Мб2* и Ыа+, из смесей этих солей в отношении 1 : 1 минералами каолинитом, бентонитом, вермикулитом.» этими же минералами с добавлением гуминовой кислоты при температуре 20° и 40°. При увеличении температуры сорбата более вероятна сорбция по сравнению с Ыа+. Теоретически это должно привести к увеличению плотности положительного заряда на поглощенном катионе и. к.уменьшению .плотности заряда ацидоида. Величина 10

суммарного эффекта зависит от того, какой из этих процессов преобладает. На минералах с высокой емкостью обмена (вермикулит) большее значение имеет увеличение плотности заряда на поглощенном катионе. Поэтому на бентоните и вермикулите наблюдается увеличение теплоты смачивания при повышении температуры сорбента. Повышение температуры вызвало понижение ЕЙ при сорбции Са24", в связи с боль-;шей сорбцией М^24" и понижение ЕН при сорбции Мр24", ¡\,та+ в связи с меньшей сорбцией N3+, что соответствует теоретическим представлениям. Повышение температуры вызвало в основном понижение величины рН при сорбции N3+, М^24" в связи с более предпочтительной сорбцией М^24- и повышение рН прк сорбции Са2+, М^ в связи с более предпочтительной сорбцией М^24- но сравнению с Са24\

Заключение. Проведенные исследования позволили установить, что влияние поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв неоднозначно на всех типах почв. Степень и направленность этого влияния зависят от состава почвенного поглощающего комплекса. Однако более детальных зависимостей на данной стадии разработки вопроса установить не удалось. Влияние поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв зависит от индуктивного эффекта поглощенных катионов, плотности заряда функциональных групп ППК, буферных свойств почв. На основании полученных экспериментальных данных дано новое объяснение наличия отрицательных свойств малонатриевых солонцов при наличии в ППК иона Мд2+. При обмене Са2+ из ППК на 2 иона Ма+ последние вызывают уменьшение плотности заряда ацндоидов сорбцпон-ных мест ППК. Это приводит к более ионной, менее прочной связи с ППК одновременно поглощенного там иона Мр; (Ма ППК — 0 — Мк). Увеличение степени ионностн связи М^ приводит к росту дзета-потеннцал'а, дисперсности, что влечет за собой увеличение набухания, гидрофнльности, уменьшение водопроницаемости. Аналогичное уменьшение плотности заряда ацндоидов ППК происходит и при замене Са2+ на М^2"1". При меньшей плотности заряда ациодидов ППК при наличии в поглощенном состоянии 2Ма+ и М^24- вместо Са2+ менее вероятна коагуляция коллоидов, более вероятно увеличение дисперсности. Этому способствует и увеличение гидратной оболочки у поглощенных катионов 2 Ыа+ и М^24. Аналогичная тенденция должна проявляться при замене Са24_ на Н+, Ре34", А134, Ре21, Мп24. Интенсивность проявления еолонцеватости зависит но крайней мере от трех параметров ППК—нлотности заряда ацидоида, способности ППК к набуханию, наличия гидрофильных соединений.- Интенсивность проявления еолонцеватости

.увеличивается при наличии гидрофильных соединений, увеличении способности почв к набуханию. При прочих равных условиях при увеличении плотности заряда ацидоида ППК (меньше минералов каолинитовой группы,.больше гумуса, минералов типа 2:1) более предпочтительна сорбция многовалентных катионов, более вероятна коагуляция, меньше степень .ионной связи и величина дзета-потенциала. В связи с этим при прочих равных условиях при увеличении плотности ,заря-,да' ацидоида ППК явление солонцеватости должно проявляться менее интенсивно. При меньшем значении ЕЬ больше активность электронов в суспензии почвы и больше плотность электронного.облака. В связи с этим в условиях анаэробиозиса более вероятна сорбция многовалентных катионов, что при.замене 2 N3+ на Са24- должно привести к уменьшению солонцеватости, а при замене Са2* на М^2+, Л13+, Ре3+ — к усилению визуальной солонцеватости. ■

При наличии водорастворимого органического, вещества и других лигандов, делающих комплексы' с Са2+, Мд2*-, плотность заряда коллоидов может быть понижена, что приведет к повышению солонцеватости, однако величина индуктивного эффекта при этом уменьшится. В связи с этим для на-

триевых солонцов наличие в почвенном растворе лигандов комнлексонов более вероятно приведет к увеличению солонцеватости. Для малонатриевых — магниевых — солонцов суммарный эффект определяется, с одной стороны, уменьшением индуктивного эффекта за счет его комнлексообразования, "что ведет к увеличению плотности заряда ацидоида. С другой стороны, проявляется уменьшение плотности заряда на самом поглощенном катионе М^2'1"-

Степень влияния поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв зависит от влияния поглощенных катионов на плотность заряда ППК, набухание, наличие гидрофильных соединений, степень гидрофильности. Очевидно, что не на все указанные свойства поглощенные катионы влияют однозначно. В связи с этим и суммарный эффект влияния поглощенных катионов на водно-физические и физико-механические свойства почв на разных почвах неодинаков.

Степень влияния поглощенных катионов на. водно-физические и физико-механические свойства почв зависит от буферных свойств почв и оттого, есть ли в данной почве компоненты, которые могут изменяться под влиянием поглощенных катионов. Чем больше буферная, емкость почв по отношению к данному параметру, тем меньше ее изменение под влиянием поглощенных катионов. И одновременно чем меньше в почве компонентов ППК, которые могут изменяться под влиянием поглощенных катионов, тем их влияние слабее. Суммарный эффект определяется действием обоих указанных факторов.

На основании проведенных теоретических исследований и полученного экспериментального материала можно предположить особенности гипсования солонцов в зависимости от наличия Ыа+ и от плотности заряда ацидоида, от температуры. На натриевых солонцах обмен N3+ на Са2 + более вероятен при высокой температуре. На магниевых солонцах обмен на Са2+- более вероятен при более низкой температуре (если при этом не уменьшается заметно активность сорбата). На почвах с более низкой плотностью заряда более предпочтительна сорбция N3+ по сравнению с Са24- и Са по сравнению с . В связи с этим для натриевых солонцов с низкой плотностью заряда ацидоида дозы гипса теоретически должны быть повышены. Для магниевых солонцов с низкой плотностью заряда ацидоида дозы гипса теоретически могут быть несколько понижены. Дозы гипса могут быть ниже при большей активности Са2 + в почвенном растворе, что достигается повышением растворимости Са504 при увеличении ионной силы раствора, введении лигандов компексообразователей. Теоретически обмен■ Ыа+ на Са2+- и М^ на Са2+ более вероятен при увеличении влажности.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные материалы позволяют объяснить явления солонцеватости с новых теоретических позиций, что важно для оценки генезиса, классификации. Теоретические положения и экспериментальный. материал позволяют наметить пути поиска .новых приемов улучшения водно-физических и физико-механических свойств почв, в том числе солонцов.

Выводы

1. Влияние поглощенных катионов на водные, физические и физико-механические свойства почв зависит от вида поглощенного катиона, сопутствующих катионов, степени заполнения ППК данным ионом, свойствами и строением ПГ1К.

2. Влияние поглощенных катионов на водные, физические и физико-механические свойства неоднозначно для разных типов почв. Можно указать только тенденцию влияния поглощенных катионов на данные свойства.

3. Влияние поглощенных катионов, состава Г1ПК на водные, физические и физико-механические свойства почв в значительной степени определяется плотностью заряда ППК и плотностью заряда на поглощенном катионе. При большей плотности заряда ППК разница в индуктивном влиянии N3^ и Л13+- сказалась больше на изменении рН, максимальной гигроскопии, теплоты смачивания, набухания, липкости, пластичности, скорости поднятия воды, фильтрации и меньше — на параметрах ЕЬ, удельной поверхности, капиллярной влаго-емкостн, впитывании.

4. Повышение температуры приводит к более предпочтительной сорбции почвой катионов с большей энергией гидратации.

5. Поглощенные катионы, оттягивая электроны от сорб-ционного места ацидоида ППК, влияют на прочность связи с ППК и других соседних катионов. При эквивалентности обмена катионы по величине этого индуктивного эффекта могут быть расположены в следующий ряд;

3 Ыа>3 К>1,5 Мд>1,5 Са>А1.

При замене в сорбционном месте одного трехвалентного иона на один двухвалентный или одновалентный катионы по величине индуктивного эффекта располагаются в следующий ряд:

А1>М£>Са>^Ж.

6. Индуктивный эффект при замене в ППК Са2+ на 2 Ыа+ вызывает оттягивание электронов от сорбционных мест аци-доидов и уменьшение прочности и степени ковалентности связи Мр2+ с ППК.. Уменьшение плотности заряда ацидоида вызывает и поглощенный Это является одной из причин неблагоприятных свойств малонатриевых солонцов, содержащих

По диссертации опубликованы следующие работы

Влияние поглощенных катионов на константу диссоциации функциональных групп ППК- Доклады ТСХЛ, вып. 284, 1979 г.

Объем 1 п. л.

Заказ 691.

Тираж 100

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