Некоторые пути повышения эффективности известкования серых лесных почв Верхневолжья

ФГБНУ «Верхневолжский федеральный научный центр», п. Новый, Владимирская обл.

В России из 50-58 млн га избыточно кислых почв сильно- и среднекислые занимают 23-25 млн га [1-2]. Кислотность этих почв — генетическое свойство, связанное с климатом и условиями почвообразования на бескарбонатных почвообразующих породах, интенсивности сельскохозяйственного использования, состояния окружающей среды. Без оптимизации реакции среды в почве нельзя создать высокопродуктивное земледелие и лугопастбищное хозяйство, решить продовольственную и экологическую проблемы, обеспечить эффективность факторов интенсификации земледелия [3-5].

Для устранения почвенной кислотности было предложено применять известковые удобрения [6-8]. Механизм их действия связывался с вытеснением ионов водорода ионами кальция растворяющегося мелиоранта. Однако коэффициенты использования доз извести, рассчитанных по половинной и полной величинам гидролитической кислотности (Нг), чаще всего варьировали от 0,4 до 0,6, снижаясь с увеличением их доз [9]. Это требовало научного объяснения.

В работах [9-11] изучалось взаимодействие известковых материалов (доломитовой муки, ДМ) и гипса с поглощающим комплексом кислых почв. Для сильнокислых слабо агрегированных дерново-подзолистых почв основной механизм взаимодействия известковых материалов с поглощающим комплексом заключался в гидролизе ионов CO₃²⁻ растворяющегося известкового мелиоранта по обеим ступеням с образованием гидроксил-ионов. Последние связывают поглощенные ионы водорода и алюминия соответственно в малодиссоциированное (H₂O) и малорастворимое (Al(OH)₃) соединения. В обменное состояние взамен указанных ионов входят ионы Са и Mg [9-10]. Коэффициент использования растворенного мелиоранта при невысокой концентрации двухвалентных катионов в жидкой фазе достигает 75-95%. 

На менее кислых более агрегированных почвах [9, 11] взаимодействие ДМ с их ПК происходит преимущественно в результате гидролиза ионов CO₃²⁻ по 1-й ступени. Коэффициент использования растворенного мелиоранта снижается до 0,55-0,65. Он совпадает со степенью гидролиза карбонат-ионов растворенного мелиоранта. В то же время сочетание ДМ с невысокими дозами гипса повышает коэффициент использования растворенной ДМ до 0,7-0,8. Это обусловлено тем, что высокая концентрация двухвалентных ионов Са от растворяющегося гипса вызывает переагрегацию ПК. В результате этого катионы Са взаимодействуют с кислыми внутриагрегатными группами с выделением ионов водорода в жидкую фазу. Ее подкисление вызывает гидролиз бикарбонат-ионов и повышает коэффициент использования растворенного мелиоранта. Снижение гидролитической кислотности наблюдается и глубже слоя внесения мелиорантов.

Очевидно, более высокая концентрация двухвалентных катионов Са и Mg в жидкой фазе может создаваться в паровых полях в результате процессов нитрификации с образованием нитратов кальция и магния. Это может повышать скорость и эффективность известкования.

Цель исследования: изучить механизм взаимодействия известковых материалов и гипса с поглощающим комплексом парующейся среднекислой серой лесной почвы Верхневолжья.

Исследования проводили в колонках, в два верхних разделяемых слоя которых (по 10 см) массой по 175 г были внесены дозы ДМ, гипс и его сочетание с ДМ, в два последующих мелиорант не вносился. Через колонки порциями по 50 мл через два дня пропускали по 500 мл дистиллированной воды, что соответствовало выпадению половинной нормы (300 мм) годовых осадков. Через колонки 6 (двойная доза ДМ) и 7 (двойная доза ДМ + гипс) пропускали 850 мл воды (510 мм осадков). Фильтрат собирали по порциям количественно. В нем определяли состав анионов (HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻) и катионов (Ca²⁺, Mg²⁺) для контроля результатов анализа. По окончании опыта колонки разбирали по почвенным слоям, которые высушивали при 50 °С и растирали в фарфоровой ступке, анализировали по общепринятым методам агрохимического анализа. Величину рН каждого слоя в данном опыте определяли при соотношении почва : вода 1 : 1 (достижение состояния пластичности почвы). Использовали образцы серой лесной почвы (слой 0-30 см), отобранной в конце лета из разреза 6-18 (табл. 1). Разрез заложен в понижении, в котором весной более длительно застаивалась вода, удлиняя период «поспевания» почвы. В 10 м от него восточнее располагался кустарник.

Таблица 1.  Физико-химическая характеристика сильнооподзоленной серой лесной почвы (разрез 6-18)

На среднекислых серых лесных почвах при прохождении через колонку № 1 (контроль) 500 мл воды произошло снижение гидролитической кислотности с 5,77-5,75 до 5,42-5,60 мг-экв/100 почвы (табл. 1-3). Это обусловлено тем, что в паровом поле накопилось 1,95 мг-экв/100 г почвы нитратов в форме кальциевой и магниевой селитр. Количество двухвалентных катионов их соответствовало 0,34 Нг. Высокая концентрация двухвалентных катионов в жидкой фазе первых порций фильтрата (табл. 4) вызывала переагрегацию поглощающего комплекса с вытеснением в жидкую фазу внутриагрегатных ионов водорода [9]. Однако отсутствие агентов их связывания (ионов ОН⁻) сдерживало этот процесс. В результате Кисп селитр на снижение Нг варьировал от 16,9 до 20,8%. Уменьшение Нг варьировало от 0,15 до 0,33 мг-экв/100 г почвы.

В колонке № 2 с дозой гипса 0,4 Нг суммарный эффект селитр и гипса возрастал. Снижение Нг по слоям колонки по сравнению с ее исходной величиной 5,75 мг-экв/100 г почвы варьировало от 0,15 до 0,50 мг-экв/100 г (табл. 2). Отводя весь эффект гипсу, получаем, что коэффициент использования дозы его 0,4 Нг в слое 0-20 и 0-40 см составил соответственно 0,36 и 0,32 (табл. 3). Внесение гипса по сравнению с контрольной колонкой вело к снижению рНводн почвы (1 : 1) с 5,77-5,86 до 5,31-5,55. Это объясняет дополнительное вытеснение из ППК внутриагрегатных ионов водорода.

Таблица 2. Влияние мелиорантов на физико-химические свойства серой лесной почвы

Внесение ДМ в дозе по 1,0 Нг привело к резкому уменьшению гидролитической кислотности преимущественно в слое внесения до 2,45-2,80 мг-экв/100 г почвы. При этом доля растворенного мелиоранта составила 79,6%. При сочетании ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) наблюдали снижение гидролитической кислотности в слоях 0-10 и 10-20 см на меньшую величину (до 3,15 мг-экв/100 г почвы), что связано с меньшими размерами растворившейся ДМ (61,8 %).

Доломитовая мука в дозе 0,61 Нг, рассчитанная на уменьшение гидролитической кислотности сверх 15% емкости катионного обмена [9], в слое 0-20 см почвы снижала величину Нг с 5,75 до 3,67 мг-экв/100 г почвы (до 13,6% от емкости поглощения), что совпадало с планируемой величиной. В слоях 20-30 и 30-40 см произошло некоторое повышение ее (с 5,75 до 5,95-6,12 мг-экв/100 г почвы). Доля растворенной ДМ составила 78% от внесенной дозы ее.

В колонках № 6 с двойной дозой ДМ и № 7 (двойная доза ДМ + 0,8 дозы гипса по Нг) в слоях внесения мелиорантов при прохождении 510 мм воды произошло дальнейшее снижение гидролитической кислотности (с 5,75 до 1,75 мг-экв/100 г почвы), а растворение ДМ составило соответственно 61,3 и 55,9% от внесенной дозы. Отсюда можно заключить, что максимальное количество растворившейся ДМ не превышало 1,2 Нг. Очевидно, для повышения полноты растворения известковых материалов необходим контакт той же их дозы с большим объемом почвы. В полевых условиях это может выполняться их заделкой в более глубокий слой 0-30 см плугами ПЯ-3-35 или ПНЯ-4-40.

Размеры обменной кислотности и обменного алюминия были невысокими. Наиболее низкими они были при применении ДМ, особенно в слое 0-20 см почвы. Они не должны оказывать токсичного влияния на развитие корневых систем возделываемых культур.

В табл. 3 представлены данные по коэффициентам использования внесенной ДМ, в том числе и в сочетании с гипсом. Кисп ДМ, внесенной в дозе по 1,0 Нг, составил 54,4%, а в дозе 0,61 Нг — 59,2%. Сочетание ДМ с гипсом снизило Кисп ее с 54,4 до 45,2%. Для двойной дозы ДМ при прохождении через колонки по 510 мм воды он равнялся 34,8%.

Таким образом, Кисп внесенной ДМ возрастал с уменьшением ее доз, но снижался при сочетании с гипсом, изменяясь от 34,8 (для двойной по Нг дозы ДМ) до 54,4-59,2% (для доз ДМ, варьирующих от 1,0 до 0,61 Нг).

Таблица 3. Использование мелиорантов при пропускании через колонку 300 (1-5 колонки) и 510 мм (6-7 колонки) воды в слоях 0-20 и 20-40 см

В то же время для оценки эффективности доз ДМ и сочетания ее с гипсом более корректно использовать данные по Кисп растворенного мелиоранта. Для этого по данным рНводн почвы (1 : 1) в слое 0-20 см после взаимодействия с мелиорантами находили степень гидролиза ионов CO₃²⁻ растворенного мелиоранта. Она была близка к Кисп растворенной ДМ на снижение Нг в этом слое [9]. Так как рНводн почвы после взаимодействия с мелиорантом был ниже 8,3, то гидролиз CO₃²⁻-ионов по 1-й ступени (pK₂ = 10,32, pK₂ — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 2-й ступени) был полным — 100% (CO₃²⁻ + H₂O → НCO₃⁻ + ОН⁻). Гидролиз же по 2-й ступени (НCO₃⁻ + H₂O ↔ H₂CO₃+ ОН⁻) рассчитывали, используя формулу:

где α1 — степень диссоциации слабой угольной кислоты по 1-й ступени, РК1 — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации угольной кислоты по 1-й ступени.

По разнице 100 – α1 находили степень гидролиза по 2-й ступени. Общую степень гидролиза карбонат-ионов в слоях 0-10 и 10-20 см рассчитывали по формуле:

Для слоя 0-20 см почвы Кисп, растворенной ДМ при применении ее полной дозы, составил 65,2%. Он повышался до 75% в колонке с дозоий ДМ 0,61 Нг, но снижался до 56,8% в колонке с двойной дозой ДМ. Сочетание ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) повышало Кисп растворенной ДМ с 65,2 до 76,2%. Это обусловлено более низкими величинами рНводн почвы при сочетании ДМ с гипсом, что повышало степень гидролиза карбонат-ионов по 2-й ступени. То же наблюдали и при применении двойной дозы ДМ (56,8%) и при сочетании ее с гипсом (62,2%).

В слое 0-40 см почвы снижение Нг в слоях 20-30 и 30-40 см по сравнению с исходной ее величиной 5,75 мг-экв/100 г почвы приводило к небольшому росту Кисп растворенного мелиоранта, а повышение — к снижению. Видно (табл. 3), что при сочетании ДМ с гипсом Кисп растворенного мелиоранта на снижение Нг был более высоким, чем при применении только ДМ. Это наблюдали как в слое 0-20 см, так и во всем 0-40 сантиметровом слое почвы в колонке.

В работе [9] получены более высокие значения Кисп растворенной ДМ при применении двойной дозы ее. При прохождении через колонки 600 мм воды в случае использования только ДМ его величина составила 75,7%, а при сочетании ее с гипсом — 100%. Различия обусловлены тем, что в этих опытах слои 20-30 и 30-40 см были представлены иллювиальным горизонтом дерново-подзолистой почвы. Величина рНводн почвы (1 : 0,5) в контрольной колонке в слоях 20-30 и 30-40 см составляла 4,50-4,53, а в колонках с мелиорантами — 4,11-4,83. Более низкие значения рНводн в указанных слоях обеспечивали более полный гидролиз бикарбонатов (2-я ступень).

В контрольной колонке в 1-й порции фильтрата наблюдали наиболее высокую концентрацию суммы катионов Са и Mg (14,4 мг-экв/л). Она вытесняла часть внутриагрегатных ионов водорода, о чем свидетельствует наиболее низкое значение его рН — 6,76 (табл. 4). В последующих порциях концентрация ионов Са и Mg заметно снижалась (до 4,59 мг-экв/л), а рН фильтратов стабилизировался на уровне 6,90-7,03.

Таблица 4. Некоторые параметры фильтратов, вытекающих из колонок, при прохождении через них 300 мм влаги

В колонке с гипсом в две первые порции фильтрата из-за более высокой концентрации катионов Са и Mg в жидкой фазе (19,0-26,4 мг-экв/л) больше вытеснялось внутриагрегатных ионов водорода, что снизило величины рН их до 6,44-6,78. В последующих порциях их наблюдали нейтральную реакцию среды и снижение концентрации двухвалентных катионов до 12,6 мг-экв/л.

При применении ДМ (1,0 Нг) лишь в 1-й порции фильтрата наблюдали небольшое снижение рН (6,81), обусловленное вытеснением внутриагрегатных ионов водорода нитратами кальция и магния. В последующих порциях значения рН варьировали от 6,91 до 7,12. В них также наблюдали снижение концентрации двухвалентных катионов Са и Mg до 3,66 мг-экв/л, а уменьшение Нг серой лесной почвы происходило преимущественно за счет связывания ионов водорода ее ионами гидроксила, образующимися при гидролизе CO₃²⁻-ионов по 1-й ступени.

При сочетании ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) во всех порциях фильтрата наблюдали высокую концентрацию двухвалентных ионов Са и Mg, которые вытесняли внутриагрегатные ионы водорода и снижали рН. Вытесненные ионы H⁺ связывались ионами гидроксила, образовавшимися при гидролизе CO₃²⁻-ионов и по 2-й ступени (52,4%) в малодиссоциированное соединение (H₂O). Очевидно, в этом варианте растворенный мелиорант в большей мере, чем в колонке 3, расходовался на нейтрализацию внутриагрегатных ионов водорода, что снижало набухаемость почвы и увеличивало ее инфильтрационную способность. Суммарный объем фильтрата был на 19 мл выше, чем в колонке с одной доломитовой мукой (262 против 243 мл).

В 5-й колонке лишь в 1-й порции фильтрата наблюдали активный переход внутриагрегатных ионов H⁺ в жидкую фазу. В последующих порциях фильтрата концентрация катионов Са и Mg резко снижалась. И уменьшение гидролитической кислотности происходило преимущественно за счет нейтрализации ионов H⁺, находящихся на поверхности почвенных агрегатов.

В колонке 6 процесс взаимодействия ДМ с ППК серой лесной почвы был таким же, как и в колонках 3 и 5. Это подтверждалось и близкими размерами суммарного объема фильтратов, вытекающих из них (240-248 мл). Отметим, что наименьшая инфильтрационная способность колонок наблюдалась в контроле (237 мл) и внесении в них только гипса (227 мл).

При сочетании ДМ (2 Нг) с гипсом (0,8 Нг) при высоких концентрациях двухвалентных катионов Са и Mg в жидкой фазе происходило активное вытеснение из ППК внутриагрегатных ионов H⁺, что снижало рН фильтратов, уменьшало набухаемость почвы, повышало ее инфильтрационную способность до 268 мл.

При меньшем количестве растворившейся ДМ в колонке 7, чем в 6-й колонке (табл. 2), в обоих случаях наблюдали близкий эффект мелиорантов по снижению Нг. Следовательно, связывание внутриагрегатных ионов водорода способствует значительному улучшению и коллоидно-химических свойств серых лесных почв.

При увеличении количества проходящей через колонки воды в колонке с двойной дозой ДМ величина рН фильтратов проходила через максимум в 6-й порции фильтрата (7,63), снижаясь до 7,26-7,29 в 9-12 порциях, а концентрация суммы двухвалентных катионов кальция и магния стабилизировалась на уровне 2,78-2,52 мг-экв/л. Степень гидролиза карбонат-ионов по 2-й ступени при этом повышалась с 4,6 до 9,7-10,7%.

При сочетании ДМ с гипсом в 7-й колонке концентрация двухвалентных катионов в фильтратах уменьшалась с 22,0 в 6-й порции до 18,2-19,5 мг-экв/л — в 10-12 порциях; величина рН постепенно снижалась с 6,89 до 6,50-6,32. Последние величины рН свидетельствовали о гидролизе карбонат-ионов ДМ по 2-й ступени примерно на 50%.

Суммарный объем фильтрата в 6-й колонке составил 576 мл, а в 7-й — 607 мл. Разница в повышении поглощения воды и водоудерживающей способности серой лесной почвы в колонке с ДМ по сравнению с колонкой сочетания ДМ с гипсом при прохождении через колонки 510 мм (31 мл) и 300 мм (28 мл) сохранилась.

Заметное снижение скорости инфильтрации в колонке с гипсом было связано с образованием тиксотропной системы в слое 30-40 см, обладающей высокой водоудерживающей способностью, что требует своего объяснения.

В то же время на серой лесной среднекислой тяжелосуглинистой почве избыточного увлажнения (содержание ила 15,0%, а частиц <0,01 мм 45,0%) применение гипса в дозе 1/3 Нг по сравнению с контролем заметно улучшало инфильтрационные свойства колонок из трех слоев со 152 до 193 мм (табл. 5) [9, 11]. Применение ДМ в дозе 1 Нг увеличивало количество профильтровавшейся воды до 207 мл, а сочетания ее с гипсом (1/3 Нг) — до 218 мл.

Таблица 5. Объем порций раствора, вытекающего из колонок после прохождения через них 500 мл воды [9, 11]

На серой лесной среднекислой среднесуглинистой почве периодически избыточного увлажнения в колонках изучено влияние доломитовой муки, гипса и их сочетания на изменение физико-химических свойств ППК и ее инфильтрационную способность. Повышенное количество нитратов Са и Mg, образовавшихся в чистом пару (1,95 мг-экв/100 г почвы) и эквивалентное 0,34 Нг, обеспечивало достижение в 1-й порции фильтрата концентрации двухвалентных катионов до 14,4 мг-экв/л и способствовало вытеснению внутриагрегатных ионов водорода из ППК и снижению рН фильтрата до 6,76. В последующих порциях концентрация суммы Са и Mg снижалась до 4,6-8,6 мг-экв/л. В колонке с внесением гипса (0,4 Нг) происходили дальнейший рост концентрации катионов Са и Mg до 19,0-26,4 мг-экв/л и более высокие размеры вытеснения внутриагрегатных ионов водорода и снижение рН до 6,44. В последующих порциях фильтрата наблюдали постепенное уменьшение их концентрации до 12,6 мг-экв/л и повышение рН до 7,04-7,09. Отнесенный к гипсу суммарный эффект его и нитратов Са и Mg, оцениваемый понижением Нг, достигал 6,2% исходной гидролитической кислотности. В колонке с ДМ (1 Нг) высокая концентрация ионов Са и Mg (12,7 мг-экв/л), обусловленная наличием в почве нитратов, вытесняла внутриагрегатные ионы водорода, снижая рН до 6,81. Последующие порции фильтрата имели более низкие концентрации ионов Са и Mg (3,66 мг-экв/л в 5-й порции), но более высокие величины рН (7,02-7,12). Снижение Нг происходило уже за счет связывания ионов водорода, находящихся на поверхности почвенных агрегатов, ионами гидроксила, образовавшимися при гидролизе карбонат-ионов растворившейся ДМ преимущественно по 1-й ступени (в 5-й порции фильтрата степень гидролиза CO₃²⁻ по 2-й ступени составила 13,6 %). Такой же механизм взаимодействия с ППК наблюдали при применении и других доз ДМ. Кисп растворенной ДМ в слое 0-20 см при внесении ее в дозах 1,0, 0,61 и 2,0 Нг составлял соответственно 65,2; 75,0 и 56,8%. При сочетании ДМ с гипсом из-за более высоких концентраций Са и Mg в жидкой фазе наблюдали более интенсивное вытеснение из ППК внутриагрегатных ионов H⁺ и рост степени гидролиза карбонат-ионов по 2-й ступени. При сочетании ДМ (1,0 Нг) с гипсом (0,4 Нг) Кисп растворенной ДМ достигал 76,2 %.

По сравнению с контролем при применении различных доз ДМ увеличивалась инфильтрационная способность серой лесной почвы с 237 до 240-248 мл, а при сочетании с гипсом — до 262-268 мл. Это обусловлено снижением степени набухания почвенных коллоидов из-за вытеснения внутриагрегатных ионов H⁺. Из-за образования тиксотропной системы в слое 30-40 см при применении гипса инфильтрационная способность почвы снизилась до 227 мл. На серых лесных среднекислых почвах тяжелосуглинистого состава также была установлена наиболее высокая инфильтрационная способность почвы при сочетании ДМ с гипсом, несколько снизилась она при применении ДМ. Но она была существенно более высокой по сравнению с контролем при внесении гипса. На средне- и сильнокислых серых лесных почвах, находящихся вблизи источников гипса и предприятий по производству фосфорных удобрений, рекомендуется применять побочный продукт их производства — фосфогипс-дигидрат, особенно нейтрализованный, с известняковой или доломитовой мукой. Известковые материалы вносятся в дозе, которая эквивалентна полной гидролитической кислотности, а фосфогипс — в дозе, соответствующей 0,4 гидролитической кислотности почвы. Применение фосфогипса улучшит питание культур серой. Наибольший мелиоративный эффект извести обеспечивается при внесении ее в паровое поле.

1. Агрохимическая характеристика почв сельскохозяйственных угодий Российской Федерации. Реестр плодородия почв. М.: ВНИИА, 2013. 208 с.
2. Аканова Н.И., Шильников И.А., Ефремова С.Ю., Аваков М.С. Значение химической мелиорации в земледелии и потери кальция и магния из почвы // Проблемы агрохимии и экологии. 2017. № 1. С. 28-35.
3. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. СПб., 2005. 252 с.
4. Осипов А.И. Свой путь в химической мелиорации // Сельскохозяйственные вести. 2016. № 2. С. 38-41.
5. Шильников И.А., Сычев В.Г., Аканова Н.И. Состояние и эффективность химической мелиорации почв в земледелии Российской Федерации // Плодородие. 2013. № 1 (70). С. 9-13.
6. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почв. М.: Сельхозгиз, 1932. 216 с.
7. Осипов А.И. Современные подходы к известкованию кислых почв // V Лужские научные чтения. Современное научное знание: теория и практика: материалы Международной научной конференции (Санкт-Петербург, 22 мая 2017 г.). Санкт-Петербург: ЛГУ им. А.С. Пушкина, 2017. С. 17-22.
8. Осипов А.И. Экологически безопасное использование известьсодержащих отходов // Экологические проблемы развития агроландшафтов и способы повышения их эффективности (Краснодар, 27-29 марта 2018 г.). Краснодар: Кубанский ГАУ им. И.Т. Трубилина, 2018. С. 170-173.
9. Окорков В.В. Теоретические основы химической мелиорации кислых почв. Владимир: Владимирский НИИСХ, 2016. 331 с.
10. Окорков В.В., Окоркова Л.А. Механизмы взаимодействия извести и гипса с поглощающим комплексом кислых почв // Доклады РАСХН. 2013. № 5. С. 39-43.
11. Окорков В.В. Химические приемы улучшения инфильтрационных свойств переувлажненных кислых почв // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2015. № 4. С. 5-13.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Успехи современного естествознания» (2018 г., № 12).