Основы химической мелиорации кислых почв

Кислотность почвы – важнейший аспект качественной оценки почв в зоне достаточного увлажнения, а её снижение является базисом повышения их плодородия. 

В России из 50 млн. га кислых почв сильно- и среднекислые занимают 25 млн га. Кислотность этих почв – генетическое свойство, связанное с климатом и условиями почвообразования на бескарбонатных почвообразующих породах. По К.К. Гедройцу [1] она обусловлена наличием в обменном комплексе ионов водорода. Последующие исследования показали, что кислотность может быть вызвана как ионами водорода (на органической части почв), так и ионами алюминия (на минеральной). Последние являются наиболее вредными для растений [2, 3]. 

Основной прием устранения почвенной кислотности, впервые предложенный К.К. Гедройцем, – известкование. Механизм его – вытеснение из ПК поглощенных ионов водорода кальцием известкового материала. Анализ работ современных исследователей [4] по размерам использования извести на снижение гидролитической кислотности, проведенный в работах [5, 6], позволил высказать положение о том, что механизм взаимодействия извести с ПК кислых почв связан с щелочным гидролизом карбонат-ионов её преимущественно по 1-й ступени. 

При этом образовавшиеся ионы гидроксила нейтрализуют почвенную кислотность. Места нейтрализованных ионов занимают ионы кальция. В этом случае теоретическая величина коэффициента использования приближается к величинам, рассчитанным по данным полевых опытов исследователей. Эти выводы и положения не противоречили последующим исследованиям [7]. 

В работах [8-12] для увеличения мощности корнеобитаемого слоя кислых почв предлагалось использовать гипс и фосфогипс. В этой статье представлены результаты экспериментальных исследований по взаимодействию доломитовой муки и гипса с ПК кислых почв.

В работе проанализированы результаты исследований в 4-х сериях модельных опытов с почвами различной степени кислотности [13]. В каждой серии исследования проведены с одной из почв в колонках, в два верхних разделяемых слоя которых (по 10 см) были внесены различные дозы доломитовой муки (ДМ), гипс и его сочетания с ДМ, в два последних слоя мелиоранты не вносили. Через колонки порциями по 50 мл через два дня пропускали по 500 мл дистиллированной воды, что соответствовало выпадению половинной нормы (300 мм) годовых осадков (600 мм). 

В ряде вариантов через колонки пропускали по 1000 мл воды. Фильтрат собирали по порциям количественно. В нем определяли рН и состав анионов и катионов. По окончании опыта колонки разбирали по почвенным слоям, которые высушивали при 50°С и растирали в фарфоровой ступке, анализировали по общепринятым методикам агрохимического анализа. Величину рН каждого слоя почвы определяли при отношении почва:вода 1:0,5 (рН; 5). Она приближалась к рН почвенных растворов в слоях колонок.

В 1-й серии опытов для исследований использовали иллювиальный горизонт дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы [14]. Пахотный горизонт её обладал относительно благоприятными свойствами: слабокислой реакцией среды (рНКСI 5,23), степенью насыщенности основаниями около 83%. По величине рНKCI потребность в известковании слабая, а по степени насыщенности основаниями – отсутствует. 

Иллювиальный горизонт (глубина 44-66 см) имел следующие физико-химические свойства: сумму поглощенных оснований (S) 6,90, гидролитическую кислотность по Каппену (Нr) 9,10, обменную кислотность (Нобм) 4,16 мг-экв/100 г почвы; обменный алюминий по Соколову 35 мг/100 г почвы; рНKCI 3,66; содержание физической глины 38,4%. Агрегированность ПК весьма слабая [15].

В контрольной колонке (без мелиоранта) после прохождения 500 мл дистиллированной воды сумма поглощенных оснований варьировала от 7,05 до 5,92 мг-экв/100 г (среднее по слоям 6,51), Нr– от 8,66 до 8,22 (среднее 8,44), Нобм — от 4,20 до 3,80 мг-экв/100 г (среднее 4,00); рН1:0,5 – от 4,70 до 4,46 (среднее 4,60); содержание обменного алюминия – от 36,0 до 30,7 мг АI/100 г (среднее 33,8) (Табл. 1). 

Таблица 1. Полнота взаимодействия мелиорантов с ПК дерново-подзолистой почвы

• * В числителе коэффициент использования растворенного мелиоранта (доломитовой муки), в знаменателе – внесенного мелиоранта (доломитовой муки).

При прохождении через колонки с разными дозами ДМ (0,52 Нr, 1,05 Нr, 2,09 Нr) 500 мл воды физико-химические свойства иллювиального горизонта существенно улучшались лишь в слое внесения мелиорантов. При применении гипса (1,05 Нr) по сравнению с контрольной колонкой наблюдали снижение Нr на 7,8%, Нобм на 6,5, емкости катионного обмена на 3,6, рН1:0,5 на 3,5, обменного алюминия на 15,1%; увеличение суммы поглощенных оснований (5) на 4,0%. 

Сочетание половинных доз (0,52 Нr) ДМ и гипса по сравнению с одной доломитовой мукой вело к дальнейшему улучшению физико-химических свойств В1-горизонта: снижение Нr на 12,6%, Нобм на 19,4, обменного АIна 16,7%. Однако на 5,2% понижалась величина рН1:0,5.

Читайте также по теме: История и практические аспекты известкования кислых почв в России

Несмотря на более высокую растворимость в воде гипса (примерно на 2 порядка) против карбоната кальция, в том числе и доломитовой муки, влияние применения полной дозы гипса на снижение гидролитической кислотности было в 5-5,8 раз ниже полной дозы ДМ, в 3,3 раза ниже половинной дозы. 

По сравнению с ДМ гипс весьма слабо снижал и Нобм (на 11-6,5% в слое 0-20 см). Средняя концентрация в порциях фильтрата суммы катионов Са2+ и Мо2+ в вариантах контроля, применения 0,52, 1,05, 2,09 Нr доломитовой муки, 1,05 Нr гипса и сочетания 0,5 Нr ДМ и 0,5 Нr гипса составила соответственно 1,05; 1,13; 1,46; 2,13; 50,0 и 36,4 мг-экв/л.

 Следовательно, в случае применения разных доз ДМ, сочетания её с гипсом снижение кислотности слабо агрегированного сильнокислого В1-горизонта дерново-подзолистой почвы происходило из-за щелочного гидролиза карбонат-ионов по обеим ступеням. Рассчитанные по рН1:0,5 значения степени гидролиза карбонат-ионов ДМ были близки к коэффициентам использования (Кисп) растворенной ДМ на снижение Нr (Таблица 2). Это подтверждает решающую роль гидролиза известковых материалов при их взаимодействии с ПК сильнокислых почв в снижении гидролитической кислотности.

Таблица 2 – Степень гидролиза карбонат-ионов доломитовой муки в слое внесения при её взаимодействии в колонках с ПК В1-горизонта дерново-подзолистой почвы

Такой же механизм установлен и для взаимодействия ДМ с ПК сильнокислого иллювиального горизонта дерново-подзолистой почвы, Нr которого на 94% обусловлена ионами водорода. Однако размеры снижения гидролитической кислотности за счет гипса (1,17 Нr) составили всего около 5% от внесенной дозы.

На почвах с Нr 3-4 мг-экв/100 г почвы применение доломитовой муки (0,66-1,31 Нr) гидролиз СО32- протекал на 100% по 1-й ступени и на 10-20% по 2-й. Более высокая доза мелиоранта (1,31 Нr) обеспечивала более заметное снижение гидролитической кислотности в слое 20-30 см. 

Применение только гипса не уменьшало Нr. При сочетании ДМ и гипса выявлены нейтрализационный (за счет гидролиза ДМ) и коагуляционный (за счет связывания высокой концентрацией ионов кальция кислотных и солевых групп ПК с выделением ионов водорода в жидкую фазу). Появившиеся ионы водорода нейтрализовались гидроксил-ионами, образующимися при гидролизе бикарбонатов. 

Это обеспечивает повышение коэффициента использования известкового удобрения (с 0,55 до 0,83). При применении только гипса процесс коагуляции почвенных коллоидов быстро прекращается из-за отсутствия агентов, связывающих выделяющиеся в жидкую фазу ионы водорода [13].

Известно, что на серых лесных почвах наблюдается интенсивное развитие водно-эрозионных процессов. На примере серых лесных почв Верхневолжья показано [13], что эти процессы зависят от их гранулометрического и минералогического состава, физико-химического состояния, которые влияют на пептизацию почвенных коллоидов и уплотняемость почвы [15]. С ростом последней снижается скорость инфильтрации, усиливая водно-эрозионные процессы и потери элементов питания за счет стока воды и смыва почвы.

В модельных лабораторных опытах установлено [16], что для повышения инфильтрационных свойств серых лесных почв избыточного увлажнения и снижения их гидролитической кислотности наполовину можно применять доломитовую муку по полной Нr и сочетание её с гипсом в дозе 1/3 Нr. 

Наиболее длительным действием на сохранение повышенной инфильтрационной способности обладает сочетание ДМ в дозе 1,5 Нrс гипсом в дозе 0,5 Нr. Потеря агрегативной устойчивости (коагуляция) почвенных коллоидов серых лесных почв (увеличение скорости инфильтрации) наблюдалась в результате:

• нейтрализации ионов водорода ионами гидроксила, образовавшимися при гидролизе карбонат-ионов доломитовой муки;
• нейтрализационной коагуляции – связывания высокой концентрацией 2-х валентных катионов кальция и магния функциональных групп поглощающего комплекса с вытеснением в жидкую фазу ионов водорода и последующего связывания их гидроксил-ионами (сочетание ДМ и гипса);
• концентрационной коагуляции, заключающейся в сжатии двойного электрического слоя (ДЭС) высокой концентрацией солей (при применении гипса в дозе 1/3 Нr).

Установлено, что на серых лесных почвах с емкостью поглощения 34-36 мг-экв/100 г почвы размеры выноса солей в более глубокие слои при применении гипса в 2-3 раза более низкие, чем на дерново-подзолистых почвах, что позволяет шире использовать смеси известковых материалов с гипсосодержащими.

1. Снижение гидролитической кислотности сильнокислых, слабо агрегированных иллювиальных горизонтов дерново-подзолистых почв известковыми удобрениями происходит в результате нейтрализации ионов Н+ ионами гидроксила и образования с ними малорастворимых гидроксидов алюминия. Ионы гидроксила образуются в результате щелочного гидролиза СО32- мелиоранта, протекающего полостью по 1-й ступени и частично по 2-й. Места связанных ионов водорода и алюминия занимают ионы кальция (магния). Взаимодействие мелиоранта с поглощающим комплексом протекает преимущественно в слое его внесения.
2. На более агрегированных и широко используемых в сельскохозяйственном производстве почвах с гидролитической кислотностью 4-6 мг-экв/100 г взаимодействие известковых удобрений с ПК происходит при гидролизе СО32- преимущественно по 1-й ступени. Небольшое снижение Нr наблюдается и глубже слоя внесения мелиоранта. Для надежного и быстрого снижения Нr глубже слоя заделки мелиоранта (увеличения мощности корнеобитаемого слоя) необходимо сочетание известковых материалов с гипсосодержащими. В этом случае повышаются степень гидролиза карбонат-ионов мелиорантов и коэффициенты использования их на уменьшение гидролитической кислотности.

1. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почв. – М.: Сельхозгиз, 1932. – 203 с.

2. Известкование кислых почв / Под ред. Н.С. Авдонина, А.В. Петербургского, С.Г. Шедерова. – М.: Колос, 1976. – 304 с.

3. Юлушев И.Г. Почвенно-агрохимические основы адаптивно-ландшафтной организации систем земледелия ВКЗП: Учебное пособие. – М.: Академический Проект; Киров, Константа, 2005. – 368 c.

4. Вопросы известкования почв / Под ред. И.А. Шильникова, Н.И. Акановой. – М.: Агроконсалт, 2002; – 292 c.

5. Окорков В.В. О механизме и эффективности взаимодействия извести с кислыми почвами // Агрохимия. – 2004. - №7. – С. 11-21.

6. Окорков В.В. Поглощающий комплекс и механизм известкования кислых почв. – Владимир, 2004. – 181 с.

7. Современные проблемы и перспективы известкования кислых почв. Материалы научной конференции, посвященной 75-летию со дня рождения д. с.-х. н., проф. А.Н. Небольсина. – Санкт- Петербург, 2010. – 100 с.

8. Reeve N.G., Summer M.E. Amelioration of subsoil acidity in Natal Oxisoils by leaching surface applied ameliorants // Agrochemophysica. – 1972. – № 4. – Р. 1-16.

9. Radcliffe D.E., Clark R.L., Sumner M.E. Effect of gypsum and deep rooting perennials on subsoil mechanical impedance // Soil Sci. Am. J. – 1986. – № 50. – Р. 1566-1570.

10. Summer M.E., Fey M.Y., Farina M.P.W. Amelioration of acid subsoils witch phosphogypsum. – Proc. 2 Int. Symp. Phosphogypsum, University of Miamy, Florida. – 1987. – Р. 41-45.

11. Farina M.P.W., Channon P. Acid-subsoil amelioration I. A comparison of several mechanical procedures // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1988. – № 52. – Р. 169-174.

12. Farina M.P.W., Channon P. Acid-subsoil amelioration II. Gipsum effects on growth and subsoils chemical properties // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1988. – № 52. – Р. 175-180.

13. Окорков В.В. Теоретические основы химической мелиорации кислых почв. – Иваново, 2016. – 332.

14. Окорков В.В., Окоркова Л.А. Механизм взаимодействия извести и гипса с поглощающим комплексом кислых почв // Российская сельскохозяйственная наука. – 2013. – № 5. – С. 39-43. 

15. Окорков В.В. Физико-химическая природа устойчивости почвенной структуры серых лесных почв Владимирского ополья // Почвоведение. – 2003. - № 11. – С. 1346-1353.

16. Окорков В.В. Химические приемы улучшения инфильтрационных свойств переувлажненных кислых почв // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. – 2015. – № 4. С. 5-13.