ВЛИЯНИЕ ИОННОГО СОСТАВА ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА НА

УДК 57.013
На правах рукописи
МАСЛОВА МАЙЯ ДМИТРИЕВНА
ВЛИЯНИЕ ИОННОГО СОСТАВА ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА
НА ИЗМЕНЕНИЕ КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОЧВ
Специальность 03.02.13 – Почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва – 2015
Работа выполнена на кафедре физической и органической химии ФГБОУ
ВО «Российский государственный аграрный университет-МСХА имени
К.А. Тимирязева»
Научный руководитель
доктор сельскохозяйственных наук,
профессор
Белопухов Сергей Леонидович
Официальные оппоненты: Артемьева Зинаида Семеновна
доктор биологических наук, доцент,
руководитель научно-исследовательской
группы Межинститутского отдела по
изучению черноземных почв ФГБНУ
«Почвенный институт им. В.В. Докучаева»
Окорков Владимир Васильевич
доктор сельскохозяйственных наук, старший
научный сотрудник, заведующий отделом
агрохимии и экологии ФГБНУ «Владимирский
НИИСХ»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Нижегородская государственная
сельскохозяйственная академия»
Защита состоится «08» декабря 2015 г. в 1500 часов на заседании
диссертационного совета Д 220.043.02 на базе ФГБОУ ВО «РГАУ – МСХА имени
К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19.
Тел./факс (499) 976-17-14; e-mail: dissovet@timacad.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ФГБОУ ВО «Российский
государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева» и на
сайте http://www.timacad.ru.
Автореферат разослан «____»__________ 2015 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
С.Л. Игнатьева
2
Актуальность темы. В различных средах Земли, в том числе и в почвах, за
счет высокой степени дисперсности материала, площадь поверхностей раздела
между твердой, жидкой и газообразной фазами в масштабе нашей планеты
измеряется триллионами квадратных километров. Коллоиды почвы состоят из
наиболее химически активных компонентов этой огромной поверхности.
Изучаемые нами электрокинетические свойства почвы важны в современном
мире интенсивных агротехнологий, так как усиленное применение химических
средств защиты растений, удобрений, определенные приемы вспашки и посева
оказывают на них свое влияние. Изменяя и улучшая электрокинетические
свойства почв можно влиять на почвенное плодородие в целом.
Современные физико-химические методы анализа находят все более широкое
применение при изучении почв и продукции сельскохозяйственного
производства. Повышенный интерес к изучению минералов, имеющих
коллоидную и предколлоидую дисперсность, вызван тем, что эти минералы в
значительной мере определяют физико-химические свойства объектов, в которых
они присутствуют, и помогают решать задачи генетического почвоведения. С
каждым годом расширяются исследования высокодисперсных, в том числе
глинистых минералов, встречающихся в почве, глинах, осадках рек и морей,
ирригационных наносах. Успехи в изучении высокодисперсных минералов стали
особенно значительными благодаря развитию смежных наук, в первую очередь
физики, физической и коллоидной химии, кристаллографии, а также разработке
новых методов и более совершенных аппаратов и приборов.
Степень разработанности темы. Нами продолжено научное исследование,
проводимое на кафедре физической и коллоидной химии, по созданию
комплексного анализа электрокинетических показателей различных типов почв
некоторых регионов страны.
Значение полученных результатов исследования состоит в том, что при
использовании термического анализа обоснована возможность определения
состава полиминеральных природных смесей без распределения их на
мономинеральные фракции. В результате применения данного метода можно
определять минералогический состав почв, количественные и качественные
характеристики органического вещества, количественную составляющую
гигроскопической воды, установить характер гидратированных обменных ионов.
С помощью метода дериватографического анализа дана качественная и
количественная оценка почв – определено содержание гигроскопической влаги,
органического вещества, минеральной составляющей почв, в том числе состав
глинистых минералов.
Проведена оценка возможности и эффективности использования
полученных результатов при применении методов физико-химического анализа, с
целью оценки электрокинетических свойств почвы и применения их при
3
почвенно-экологическом мониторинге разных типов почв.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в изучении
электрокинетических свойств различных типов почв, применении величины
электрокинетического потенциала для характеристики состояния почвенных
коллоидов и оценки влияния органической и минеральной составляющих почв на
его формирование; оценке влияния в искусственно созданных смесях различных
минералов на конфигурацию кривых ДТА и ДТГ при использовании метода
термографии.
В процессе работы решались следующие задачи:
 исследование индивидуальных минералов и их смесей, наиболее часто
встречающихся в почвах; оценка термоэффектов, входящих в состав смесей
минералов;
 комплексная оценка некоторых физико-химических характеристик почв
различных регионов России, таких как рН водной и солевой вытяжек,
содержание органического вещества, содержание обменных катионов ППК,
величина
удельной
электрической
проводимости,
окислительновосстановительный потенциал, содержание глинистых минералов и др., и их
влияние на формирование величины электрокинетического потенциала;
 изучение влияния органической и минеральной составляющих почв на
формирование величины электрокинетического потенциала;
 проведение сравнительного анализа различных образцов почв в
севообороте опыта точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и
оценка влияния приемов обработки почвы на изменение электрокинетических
свойств дерново-подзолистой почвы.
Научная новизна. Впервые при исследовании минералогического состава
почв термическим методом проведен анализ влияния смесей различных
минералов, взятых в разных соотношениях на формирование термических
эффектов на кривых ДТА и ДТГ. Показано, что термоэффекты, присущие
каждому минералу, в смесях сохраняются. Проведена сравнительная оценка
содержания органического вещества почв различными методами: термическим и
по методу Тюрина, установлена корреляция между полученными данными.
Показано, что с помощью термического анализа можно определить фракционный
состав органического вещества. Установлена корреляция между величиной
электрокинетического потенциала и составом обменных катионов почвеннопоглощающего комплекса. Показано влияние органических и минеральных
компонентов на формирование величины электрокинетического потенциала.
Разработана программа для обработки термограмм, получаемых с помощью
термоаналитического комплекса.
Теоретическая и практическая значимость. Значимость проведенного
исследования состоит в том, что результаты могут быть использованы в качестве
4
рекомендаций для научно-исследовательской работы в академических научноисследовательских институтах, в ВУЗах аграрного профиля при подготовке
бакалавров и магистров по направлению «Агрохимия и агропочвоведение».
Усовершенствована разработанная ранее на кафедре физической
и органической химии методика качественного и количественного определения
минеральной,
органической
составляющих
почв
и
воды
на термоаналитическом оборудовании, усовершенствована методика измерения
электрокинетического
потенциала,
что
может
быть
использовано
в аналитических исследованиях. Разработанная методика определения
химического состава почв на термоаналитическом комплексе прошла апробацию
на лабораторно-практических занятиях по магистерской программе «Химикотоксикологический анализ и оценка объектов агросферы», издано методическое
пособие для студентов.
Методология и методы диссертационного исследования. При
выполнении диссертационной работы был проведен комплекс рекомендованных
методов анализа почвенных образцов (термический и термогравиметрический
анализ, определение величины электрокинетического потенциала различными
методами: методом электрофореза на приборе ПАН (по методу Глински),
методом электрофореза с помощью электрофоретической трубки, методом
потенциала протекания, с учетом поверхностной проводимости, который
осуществляли на ячейке Самарцева-Остроумова, усовершенствованной
Окорковым В.В. (1975); ИК–спектроскопия и другие).
Основные положения, выносимые на защиту
1)
При исследовании почв методом термического анализа сохраняются
термоффекты, присущие индивидуальным минералам, входящим в состав
исследуемых почвенных образцов.
2)
При исследовании величины электрокинетического потенциала
различных типов почв наблюдается корреляция с составом обменных катионов
почвенно-поглощающего комплекса.
3)
Влияние органических и минеральных компонентов на формирование
величины электрокинетического потенциала различно для разных типов почв.
Степень достоверности и апробация результатов. Диссертация является
самостоятельной завершенной научной работой, в которой результаты
принадлежат лично автору или получены при его научно-методическом
руководстве и участии. Оценка достоверности результатов проведенных
исследований определяется тем, что все опыты и наблюдения проведены в
соответствии с действующей нормативно-технической документацией,
методическими рекомендациями и указаниями. Все исследования химических и
физико-химических свойств почв проведены на аттестованном испытательном
оборудовании в учебно-научном центре коллективного пользования «Сервисная
5
лаборатория комплексного анализа химических соединений» ФГБОУ ВО РГАУМСХА имени К.А. Тимирязева
(аттестат аккредитации испытательной
лаборатории № РОСС RU.0001. 516875, действителен до 19.10.2016 года) и в
лабораториях кафедры физической и органической химии РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева.
Материалы диссертации изложены на Международной научнопрактической конференции, посвященной 75-летию профессора С.Х. Дзанагова,
Владикавказ, Горский госагроуниверситет, 2012; XI Ежегодной международной
молодежной конференции ИБХФ РАН – ВУЗы, 09-11 ноября, 2011, Москва, РУДН; XV
международной
научно-практической
конференции
«Инновационные
направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий,
отраслей и комплексов – вклад молодых ученых», Ярославль, Ярославская ГСХА,
2012; 15-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным
участием, Новосибирск, НГАУ, 2013; Международно-практической конференции,
27-28 декабря 2013, г.Уфа, БашГУ, 2014; Международной научно-практической
конференции, 2014, Москва; XI Международной научной конференции «Агроэкологические
аспекты устойчивого развития АПК», Брянск, Брянская ГСХА, 2014.
Публикация результатов исследований. Полнота изложения материалов
диссертации и основные результаты исследований представлены в 12 работах, в
том числе изложены в 4-х статьях в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
включающих литературный обзор, описание объектов и методов исследований,
экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 184
страницах, содержит 51 таблицу, 51 рисунок, список литературы содержит 138
источников, в том числе 26 иностранных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Обзор литературы
В данной главе рассмотрены коллоидно-химические характеристики почв,
подробно изучены почвенные коллоиды и ионный состав почвенного раствора,
отмечено значение электрокинетического потенциала для характеристики почв,
рассмотрена возможность применения термического анализа для исследования почв.
Объекты и методы исследований
Нами были исследованы
следующие типы почв: дерновосреднеподзолистая почва среднесуглинистая на покровном суглинке (Центр
точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева), серая лесная
среднемощная среднесуглинистая на покровном суглинке (Ярославская обл.),
светло-каштановая маломощная среднесуглинистая на желтом карбонатном
суглинке
(Волгоградская
обл.),
светло-каштановая
слабосолонцеватая,
среднесуглинистая на желтом карбонатном суглинке (Волгоградская обл.),
солонец полугидроморфный лугово-каштановый солончаковатый глубокий
6
многонатриевый тяжелосуглинистый на лессовидной глине (Волгоградская обл.),
солонец автоморфный каштановый солончаковатый средний многонатриевый
тяжелосуглинистый на карбонатном суглинке (Волгоградская обл.), чернозем
оподзоленный среднемощный тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке,
(Рязанская обл.), чернозем южный глубоковскипающий среднемощный
укороченный тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке (Волгоградская обл.),
также исследованы следующие минералы: монтмориллонит, каолинит, мусковит, биотит.
В работе были проведены следующие исследования:
рН водной и солевой вытяжки – потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85);
определение содержания обменных катионов кальция и магния ионометрическим
методом с использованием ионселективных электродов; обменный натрий –
пламенно-фотометрическим методом (ГОСТ 26950-86); сумма поглощенных
оснований – по Каппена (ГОСТ 27821-88); содержание гумуса по методу Тюрина
в модификации Пономаревой и Плотниковой; определение качественного состава
функциональных групп и атомных группировок методом ИК-спектроскопии и
ближней инфракрасной спектроскопии; окислительно-восстановительный
потенциал (ОВП), потенциометрически; определение удельной электрической
проводимости на приборе Hanna; определение величины электрокинетического
потенциала почв методом потенциала протекания с учетом поверхностной
проводимости; определение величины электрокинетического потенциала почв
методом электрофореза; изучение качественного и количественного состава почв
методом термического и термогравиметрического анализа на модернизированном
термоаналитическом комплексе на базе дериватографа Q-1500; удаление
органического вещества перекисью водорода по методу К.К. Гедройца
(Н.П. Карпинский, В.Б. Замятина, 1965).
Экспериментальные данные были обработаны методами статистического
анализа при использовании компьютерных программ Microsoft Office и MathLab.
Результаты исследований
Изучение минералогического состава исследуемых почв и минералов
В связи с тем, что некоторыми исследователями высказывается мнение о
невозможности в таких сложных биологических объектах, как почвы
диагностировать состав первичных и вторичных минералов, нами была
предпринята попытка показать, как различные индивидуальные минералы ведут
себя в искусственно созданных смесях с точки зрения термографического
исследования. В процессе работы нами были изучены термические
характеристики глинистых минералов, наиболее часто встречающихся в составах
почв - монтмориллонита, каолинита, минералов группы слюд: мусковита и
биотита. Были исследованы следующие смеси минералов: монтмориллонит –
каолинит - 1:1; монтмориллонит – мусковит - 1:1; каолинит – мусковит - 1:1;
монтмориллонит - каолинит – мусковит - 1:1:1; монтмориллонит – каолинит –
7
биотит – 1:1:1; монтмориллонит – мусковит – биотит – 1:1:1. Данные по
исследованию некоторых смесей минералов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты термического анализа смеси минералов
0
Масса,
Потеря
Температура эффекта, С
мг
массы,
% / мг
278,1
17,8/49,5
монтмориллонит-каолинит
Содержание, %
Содержание, мг
(-)140*
(-)570*
(-)650*
8
22,25
7,5
20,85
1,5
4,17
(-)860*
(-)940*
(+)950*
0,8
2,22
монтмориллонит-мусковит
287,4
10,2/29,3
Содержание, %
Содержание, мг
(-)160*
(-)210*
(-)600*
(-)640*
(-)870*
4,8
13,80
0,1
0,28
2.2
6,32
0,7
2,01
2,41
6,93
* знак (-) – эндотермический эффект; знак (+) – экзотермический эффект
Данные термического анализа сравнивались с эталонами кривых нагревания
глинистых минералов. По итогам нашего исследования, можно сделать вывод о
том, что в результате термического анализа смесей минералов сохраняются все
термические эффекты, присущие входящим в смесь минералам, то есть
термический анализ пригоден для идентификации минералов, входящих в состав
биологических образцов.
Минералогический состав почв исследовался дериватографическим
методом на приборе Дериватограф Q-1500D. Данные по исследованию
представлены в таблице 2. По результатам исследования дерново-подзолистой
почвы можно отметить, что в составе почвы преобладают первичные минералы,
представленные в основном кварцем и карбонатом магния. Содержание
гигроскопической воды низкое - 0,45%. Вторичные минералы представлены слабо
с преобладанием минералов группы гидрослюд и частично монтмориллонита.
Содержание органического вещества довольно низкое 2,58%, причем
экзотермический эффект при температуре 370˚С более выражен, чем при
температуре 450˚С, что свидетельствует о разнокачественном составе
органического вещества, с преобладанием фрагментов алифатической природы в
составе гумусовых кислот.
По минералогическому составу серые лесные почвы практически не
отличаются от дерново-подзолистых, но термоэффекты на кривых ДТА и ДТГ
становятся более объемными и четкими, что свидетельствует об увеличении
содержания компонентов. Так, содержание гигроскопической воды в составе
серых лесных почв увеличивается в три-пять раз. Содержание органического
вещества несколько выше, чем в дерново-подзолистых почвах (2,68%), также
разнокачественного состава. В составе глинистых минералов увеличивается доля
минералов монтмориллонитовой группы.
8
Таблица 2 - Результаты термического анализа различных почв
Навеска,
мг
567,6
587,2
Потеря
массы, мг/%
Гигроскопическая
вода, мг/%
Органическое
вещество, мг/%
Термоэффекты, ˚С
Дерново-подзолистая почва, горизонт А (0-20):
34,5/6,08
(-)*120°
(+)370°
(+)450°
(-)570°
(-)860°
(-)635°
(-)930°
2,55/0,45
14,6/2,58
17,3/3,05
11/1,93
3,69/0,65 11,6/2,05
5,7/1
Серая лесная почва, горизонт А1 (5-27):
35,3/6,01
(-)* 130°
(+)360°
(+)470°
8,34/1,42
520
Минеральная часть,
мг/%
15,7/2,68
10,5/1,79 5,22/0,89
Светло-каштановая, горизонт А1 (0-15):
39,3/7,56
(-)*120°
(+)360°
18,2/3,5
(-)520°
(-)640°
11,2/1,91
2,94/0,5 8,28/1,41
(+)470°
14,7/2,83
-
675,1
(-)580°
(-)860°
(-)940°
6,39/1,23
6,39/1,23
Солонец автоморфный каштановый, горизонт А1 (0-13):
(+)465°
59.2/8,77
(-)*160°
(+)360°
(-)610°
(-)640°
(-)830°
27/4
(-)560°
(-)940°
(+)955°
(-)570°
(-)930°
12,2/1,8
20,1/2,97
7,83/1,16 12,2/1,81
Солонец полугидроморфный лугово-каштановый, горизонт А1 (0-22):
597
76/12,7
(-)*150°
(+)360°
(+)450°
(-)650°
(-)590°
(-)870°
23,1/3,87
28,1/4,7
24,8/4,16
20,2/3,38 7,88/1,32 6,38/1,07 18,5/3,09
Чернозем южный, горизонт А (0-20):
(-)580°
455,6
79,1/17,4
(-)*130°
(+)370°
(+)450°
(-)640°
(-)840°
(-)940°
(+)950°
36,5/8
500,9
22,8/5
14,6/3,2
8,2/1,8
Чернозем оподзоленный, горизонт А1 (2-36):
(+)
(+)
(+)
54,8/10,9
(-)*135°
390°
15,03/3
460°
700°
-
(-)645°
27,6/5,5
15,9/
6,56/
5,11/
3,17
1,31
1,02
* знак (-) – эндотермический эффект; знак (+) – экзотермический эффект
9
-
19,8/4,35
(-)570°
(-)770°
(-)945°
(+)950°
12,2/2,43
В зоне каштановых почв на кривых ДТА и ДТГ отмечаются более четкие и
объемные термоэффекты. Содержание гигроскопической влаги увеличивается
практически вдвое по сравнению с серыми лесными почвами, что свидетельствует
о повышении гидрофильности почв. Отмечено увеличение содержания глинистых
минералов, причем для засоленных почв в составе глинистых минералов
увеличивается доля смешаннослойных минералов групп монтмориллонита и
каолинита. В составе солонца автоморфного каштанового отмечается высокое
содержание карбонатов магния и кальция, увеличивающееся вниз по профилю.
Природа органического вещества однородна, представлена периферической
частью в молекулах гумусовых кислот. Органическое вещество солонца
полугидроморфного имеет более сложное строение, но с преобладанием
компонентов алифатической природы, содержание его составляет 4,70%. В
составе почв каштановой зоны отмечается присутствие гидроокиси железа.
В зоне черноземных почв отмечается уменьшение содержания
гигроскопической влаги в черноземе оподзоленном и увеличение в южном, по
сравнению с засоленными почвами. Содержание органического вещества
достаточно высокое, более 5%. Для чернозема оподзоленного состав
органического
вещества
наиболее
сложный,
представленный
тремя
разнокачественными группировками: с преобладанием гумусовых кислот
алифатических структур, несколько ниже - ароматической природы, и третья органо-минеральные компоненты, входящие в состав гумусовых кислот. В
составе первичных минералов отмечается кварц и карбонаты кальция и магния.
Вторичные минералы представлены минералами монтмориллонитовой и
каолинитовой групп с преобладанием минералов каолинитовой группы.
Таким образом, по результатам нашего исследования, от зоны к зоне
отмечается изменение количественного содержания гигроскопической влаги
(наибольшее у засоленных и черноземных почв, наименьшее у дерновоподзолистых). Отмечается различие по составу и количеству органического
вещества, наиболее сложное в черноземах. Количество глинистых минералов
увеличивается и достигает наибольшего значения в черноземных и засоленных
почвах.
Содержание органического вещества было исследовано нами двумя
методами – по методу Тюрина и по данным кривых ДТГ и ТГ в процессе
исследования минералогического состава глинистых минералов. Результаты
исследований представлены в таблице 3. Как видно из полученных данных
содержание органического вещества исследованных образцов почв, в ходе
термического анализа практически совпадает с содержанием органического
вещества, полученного с помощью метода Тюрина, за небольшим исключением в
светло-каштановой почве. Таким образом, можно отметить, что метод
термического анализа пригоден не только для определения минерального состава,
10
но и для исследования органического вещества, как его количества, так и
качества.
Таблица 3 - Содержание органического вещества в различных почвах, полученное
двумя методами
Содержание углерода/
Гумус по Тюрину, %
Общая потеря массы за счет органического
вещества, полученная при
дериватографическом анализе, %
Дерново-среднеподзолистая, горизонт А (0-20):
1.60/2.76
2,58
Серая лесная, горизонт А1 (5-27):
1,70/2,93
2,68
Светло-каштановая, горизонт А1 (0-15):
2.15/3,70
2,83
Солонец полугидроморфный лугово-каштановый, горизонт А1 (0-22):
2,62/4,52
4,7
Солонец автоморфный каштановый, горизонт А1 (0-13):
1,10/1,9
1,8
Чернозем южный, горизонт А (0-20):
3,02/5,21
5,0
Чернозем оподзоленный, горизонт А1 (2-36):
3,50/6,03
5,5
Изучение электрокинетических свойств почв
В нашем исследовании продолжена начатая ранее на кафедре физической и
коллоидной химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева работа по изучению
влияния величины дзета-потенциала или величины заряда почвеннопоглощающего комплекса на свойства почв разных регионов нашей страны.
Проведены исследования с помощью методики электрофореза, в разных
модификациях: методом электрофореза на приборе ПАН-1 (Glinski, 1977), который был
усовершенствован А.И. Курбатовым в 1990-2004 гг. и электрофорез с помощью
электрофоретической трубки Бэртона.
Исследовались образцы воздушно-сухой почвы, просеянной через сито 0.25
см, в 3-х кратной повторности. Результаты исследования представлены в таблице 4.
Дерново-подзолистые почвы характеризуется низким значением рН -5.20.
Емкость катионного обмена исследуемых почв невелика - 15.9 мг-экв/100 г
почвы, вниз по профилю эта величина колеблется незначительно. Содержание
органического вещества составляет 2.76%, вниз по профилю резко уменьшается
(данные представлены в диссертации). Минералогический состав представлен в
основном первичными минералами и незначительным количеством глинистых.
11
Высокое содержание ионов Н+ и Al3+, составляющее 7.7 мг-экв/100 г
почвы, формирует низкое значение величины ξ-потенциала, не превышающее 8
мВ. По своей коагулирующей способности ионы Н+ и Al3+ превосходят все другие
ионы, входящие в состав ППК.
Таблица 4 – Некоторые свойства различных типов почв
рНH2O
Гумус,
%
ЕКО
(мг-экв/
100г)
Обменные катионы,
мг-экв/100 г
Са2+
Mg2+ Na+
Ʃ
εов
(мВ)
æ
10-4
ξпотенциал,
См/м
(-) мВ
2,76
Дерново-среднеподзолистая, горизонт Ап (0-14)
15.9
7.7
4.9
0,6
209
1.6
7.64±0.64
2,93
18.7
Серая лесная, горизонт А1 (5-27)
12.3
2.8
-
292,9
2,05
10.5±0.10
7,30±0.11
3,70
Светло-каштановая почва, горизонт А1 (0-15)
28,1
21,3
4,4
309,2
2,83
17,4±0.10
7,89±0.12
Солонец полугидроморфный лугово-каштановый, горизонт А1 (0-22)
4,52
32,5
13,2
16,5 2,58
447,6
4,54
(H +Al )
+
5.70±0.12
рНKCl:
5,20±0.10
5.90±0.10
3+
6,75±0.10
Солонец автоморфный каштановый, горизонт А1 (0-13)
1,90
47,5
13,6
20,1
2,3
491,1
4,71
Чернозем южный, горизонт А (0-20)
5,21
43,5
36
5
570,5
3,25
6,0±0.12
Чернозем оподзоленный, горизонт А1 (2-36)
37,5
30,8
6,0
569,1
8,35±0.10
6,03
3,44
39,2±0.11
46,1±0.11
18,4±0.10
21,9±0.10
Содержание ионов Са2+ и Mg2+ довольно низкое, а по своим коагулирующим
свойствам они уступают Н+ и трехвалентным ионам, и при их незначительном
количестве, не оказывают большого влияния на заряд почвенных коллоидов.
Невысокий заряд коллоидной фракции обеспечивает почвам бесструктурность, а
низкое значение рН приводит к разрушению и так небольшого количества
коллоидов вследствие кислотного гидролиза, тем самым, создаются условия для
невысоких в агрономическом отношении свойств дерново-подзолистых почв.
Серые лесные почвы по совокупности свойств занимают промежуточное
положение между дерново-подзолистыми и каштановыми почвами. рН выше и
равен 5.9. Увеличивается количество органического вещества, в составе
обменных оснований отсутствуют ионы Н+ и Al3+, количество ионов Са2+ и Mg2+
увеличивается и составляет 12.1 мг-экв/100 г почвы кальция и 2.8 мг-экв/100 г
почвы магния. Обменными ионами ППК становятся ионы Cа2+ и Mg2+,
коагулирующая способность которых по правилу Шульце-Гарди в десятки раз
ниже, чем для ионов водорода и трехвалентных ионов. Вследствие этого, заряд
12
почвенных коллоидов серых лесных почв увеличивается по сравнению с дерновоподзолистыми почвами и достигает величины 10-11 мВ. В составе глинистых
минералов
серой
лесной
почвы
увеличивается
доля
минералов
монтмориллонитовой группы и как следствие, количество коллоидов в составе
почвы. Органическое вещество серых лесных почв, вследствие слабокислой
реакции среды, более диссоциировано. Таким образом, изменения в свойствах
серых лесных почвах отражается на величине ξ-потенциала. В связи с
увеличением заряда ППК увеличивается поглотительная способность почвы.
Изменения в состоянии почвенных коллоидов приводит к улучшению структуры
почвы и ее фильтрационной способности. Таким образом, с увеличением заряда
почвенных коллоидов изменяются и свойства почвы.
Светло-каштановая почва – зональная почва региона. рН верхних
горизонтов нейтральный – 7.20, вниз по профилю увеличивается и становится
слабощелочным (данные представлены в диссертации). Емкость катионного
обмена увеличивается по сравнению с дерново-подзолистой почвой в 2-2.5 раза.
Также практически в 2 раза увеличиваются и значения удельной электрической
проводимости, что указывает на повышение концентрации почвенного раствора.
В составе обменных ионов в 4-5 раз увеличивается доля ионов кальция. В
результате величина ξ-потенциала светло-каштановой почвы достигает 17.4 мВ.
При таких значениях ξ-потенциала коллоиды почвы коагулируют, объединяясь в
крупные агрегаты, создавая
хорошую почвенную структуру увеличивая
фильтрационную способность почв.
Зона каштановых почв находится в регионе, где создаются условия для
образования солонцового процесса – повышенная минерализация грунтовых вод,
при значительной концентрации солей натрия, выпотной почвенный режим и т.д.
В засоленных почвах рН равновесных растворов становится щелочным;
практически в 1.5 - 2 раза по сравнению с зональной почвой увеличивается
емкость катионного обмена, отмечается высокое содержание ионов натрия.
Значение удельной электрической проводимости увеличивается в 1.5-2 раза по
сравнению с зональной почвой. Высокое значение рН засоленных почв
обусловлено присутствием в почвенном растворе бикарбонатов и карбонатов
натрия. Вследствие этого уменьшается количество обменных ионов Са2+ и Mg2+ в
составе ППК засоленных почв, т.к. карбонаты кальция и магния являются
малорастворимыми соединениями. В результате этого в составе ППК засоленных
почв увеличивается доля ионов натрия. Малорастворимые соединения СаСО3 и
МgСО3 в избытке карбонат-ионов формируют коллоидную систему, где
потенциалопределяющими ионами становятся двухвалентные карбонат-ионы,
повышающие термодинамический потенциал почвенных частиц, а обменными
ионами – ионы натрия. Одновалентные ионы по своей коагулирующей
способности в десятки раз слабее двухвалентных, т.е. обменные ионы натрия не
13
способны резко понижать величину заряда почвенных частиц. Таким образом, в
засоленных почвах величина электрокинетического потенциала увеличивается по
сравнению с зональными почвами, его величина в солонце полугидроморфном
составляет 39.2 мВ, в солонце автоморфном каштановом – 46.1 мВ, что
значительно выше его критической величины в 18-23 мВ. При такой величине ξпотенциала почвенные коллоиды из-за электростатического отталкивания частиц
переходят в устойчивое состояние, обладая высокой степенью дисперсности, в
результате чего ухудшается почвенная структура понижается фильтрационная
способность, что в конечном итоге сказывается на ухудшении водно-физических
и других свойств данной почвы.
Лучшими, в агрономическом отношении, изучаемыми нами почвами
являются черноземы. Нами изучалось два типа черноземов – оподзоленный и
южный.
Изучаемые
почвы
характеризуются:
высоким
содержанием
органического вещества – он составляет 6,03% для чернозема оподзоленного и
5,21% - южного, нейтральной или слабо-кислой реакцией среды – рН
оподзоленного чернозема равен 6.0, южного - 6.75; в составе обменных оснований
преобладают иона кальция: в составе глинистых минералов находятся
высокодисперсные минералы группы монтмориллонита и каолинита
концентрация почвенного раствора по данным удельной электрической
проводимости выше, чем в почвах других изучаемых нами зонах, кроме
засоленных почв. Все перечисленные параметры создают данным почвам
определенное состояние коллоидной системы.
Органические
коллоиды
в
нейтральной
среде
находятся
в
диссоциированном состоянии, повышая тем самым заряд поверхности частиц.
Двухвалентные ионы Са2+ и высокая концентрация почвенного раствора приводят
к коагуляции почвенных коллоидов. Именно при таком значении ξ- потенциала –
18.4 мВ для чернозема южного и 21.8 мВ - оподзоленного, коллоиды почвы
переходят в устойчивое состояние. Такая величина заряда коллоидов приводит к
тому, что почвенные частицы объединяются в более крупные агрегаты, создавая
тем самым хорошую структуру и высокую фильтрационную способность почв.
На основании полученных величин электрокинетического потенциала
различных типов почв, мы еще раз подтвердили возможность интерпретирования
химического состава почвенно-поглощающего комплекса различных почв. Так,
если величина электрокинетического потенциала исследуемых образцов почв
ниже критической величины (18-23 мВ), то можно предположить, что в составе
обменных ионов находятся катионы алюминия, железа, водорода. При величине
дзета-потенциала выше 23 мВ, в составе ППК содержатся одновалентные катионы
натрия. При величине электрокинетического потенциала в пределах критической
величины, что доказывается нашими данными, в составе обменных ионов
находятся двухвалентные катионы кальция.
14
Величину электрокинетического потенциала можно применять для оценки
устойчивости коллоидной системы почвы - с увеличением дзета-потенциала выше
23 мВ увеличивается степень дисперсности почвенных частиц, почвенные
коллоиды переходят в устойчивое состояние, в
почвах ухудшаются ее
водные и физико-химические свойства.
При
уменьшении
величины
электрокинетического потенциала из-за низкого заряда коллоидная система будет
разрушаться, что приводит к ухудшению структуры, как следствие ухудшаются
свойства данной почвы.
Таким образом, подводя итог нашего исследования, можно сделать вывод,
что на величину электрокинетического потенциала различных типов почв
оказывают влияние многие физико-химические характеристики почв, такие как
минералогический состав, рН среды, состав обменных оснований и другие. В этой
связи величина дзета-потенциала может быть использована, как один из
критериев свойств данной почвы.
Влияние органической и минеральной компоненты почвы
на формирование величины электрокинетического потенциала
Нами
впервые
был
проведен
эксперимент
по
определению
электрокинетического потенциала почвы, в которой предварительно было
удалено органическое вещество. В ходе данного эксперимента, мы ставили
задачу определить, какое количество органической и минеральной части почвы
идет на формирование величины электрокинетического потенциала. Полученные
результаты представлены в таблице 5.
Мы провели исследование электрокинетического потенциала до и после
удаления органического вещества, с целью получения данных по влиянию
органической и минеральной части на формирование величины дзета-потенциала.
Электрокинетический потенциал измеряли методом электрофореза, как было
описано выше.
По результатам исследования можно отметить, что без органической
составляющей величина электрокинетического потенциала понижается, за
исключением нижнего горизонта солонца полугидроморфного. Это показывает
безусловное влияние органического вещества на формирование конечной
величины электрокинетического потенциала.
Дерново-среднеподзолистая почва. Результаты исследований дерновоподзолистой почвы показывают разницу в величине электрокинетического
потенциала, которая составила 0,9-1,06 мВ в нижних горизонтах и 4,83 мВ в
верхнем. В верхнем горизонте величина дзета-потенциала органической
компоненты составила 4,83 мВ, что соответствует – 63,2 %, минеральной - 2,81
мВ (36,8%), то есть вклад органического вещества в создании величины дзетапотенциала выше, чем минеральной. Для нижних горизонтов - дзета-потенциал
органической компоненты составил 0,9-1,06 мВ, для минеральной компоненты –
15
3,42-3,51 мВ, в процентном соотношении – 20,8-23,2 % - органическая часть, 76,879,2 % – минеральная. Таким образом, как мы и ожидали, вклад органического
вещества в верхних горизонтах практически в два раза выше, чем минеральной
части. В нижних горизонтах вклад минеральной компоненты в создание величины
электрокинетического потенциала, наоборот, почти в три раза больше, чем
органической. Более наглядно эти соотношения представлены на рисунке 1.
100
Минеральная часть, %
50
Органическая часть, %
0
горизонт Ап
горизонт А2 горизонт А2В
Рисунок 1 - Процентное соотношение минеральной и органической компоненты,
влияющие на величину электрокинетического потенциала дерново-среднеподзолистой почвы
Таблица 5 - Влияние органической и минеральной компоненты на величину
электрокинетического потенциала различных почв
Горизонт,
см
Ап 0-14
А2 14-30
А2В 30-60
ξ-потенциал,
(-) мВ
7,64±0.64
4,32±0.50
4,57±0.51
ξ-потенциал
минеральной части
(-) мВ
%
Дерново-среднеподзолистая
2,81±0.10
36,8
3,42±0.10
79,2
3,51±0.13
76,8
4,83
0,9
1,06
63,2
20,8
23,2
6,93
6,8
3,08
66,2
66,0
40
14,1
23,4
76,6
85,1
Солонец полугидроморфный лугово-каштановый
39,2±0.11
16,1±0.10
41,1
23,1
42,5±0.13
27,4±0.10
64,5
15,1
24,4±0.12
24,3±0.10
99,9
0,03
58,9
35,5
0,12
Солонец автоморфный каштановый
46,2±0.11
21,2±0.10
46
49,3±0.10
22,1±0.11
44,9
25,7±0.10
10,2±0.10
39,7
54,1
55,1
60,3
А1 5-27
А1А2 27-40
В1 73-83
10.5±0.10
10.3±0.20
7.70±0.30
Серая лесная
3,54±0.10
33,8
3,52±0.12
34,1
4,62±0.10
60
А 0-20 целина
А 0-20 пашня
18,4±0.10
27,5±0.12
Чернозем южный
4,3±0.10
23,4
4,11±0.10
15,0
А1 0-22
В1 22-63
В2 63-73
А1 0-13
В113-54
С 1 90-110
ξ-потенциал
органического вещества
(-) мВ
%
25,0
27,2
15,5
Серая лесная почва. Для серой лесной почвы в верхних горизонтах
величина электрокинетического потенциала органической компоненты составила
6,8-6,93 мВ (65,9-66,2%), минеральная - 3,52-3,54 мВ (33,8-34,1%). В нижнем
16
горизонте дзета-потенциал - 3,08 мВ (40%) – органической компоненты, 4,62 мВ
(60%) – минеральной.
Органическая компонента верхних горизонтов серой лесной почвы вносит
практически в два раза больший вклад в формирование электрокинетического
потенциала, чем минеральная, аналогично дерново-среднеподзолистой почве. В
нижнем горизонте наблюдается обратная тенденция, вклад минеральной части в
1,5 раза выше, чем органической.
Чернозем южный. Величины электрокинетического потенциала чернозема
южного составляют: для органической компоненты целинного участка – 14,1 мВ
(76,6%); для пашни - 23,4 мВ (85,1%); для минеральной компоненты составили 4,3мВ (23,4%) и 4,11мВ (15%) соответственно.
Для черноземных почв мы отмечаем еще больший вклад органической
компоненты на формирование величины электрокинетического потенциала.
Солонец
полугидроморфный
лугово-каштановый.
Величина
электрокинетического потенциала минеральной компоненты в верхнем горизонте
составила 16.1 мВ (41,1%), органической – 23,1 мВ (58,9%). В горизонте В1 :
минеральная - 27,4мВ (64,5%), органическая - 15,1 мВ (35,5 %). В нижнем
горизонте величина электрокинетического потенциала минеральной части, как мы
и ожидали выше органической, и, составила 24,3 мВ, что составляет 99,9% от
общей величины электрокинетического потенциала, для органической – 0,03 мВ,
или же 0,12%.
Солонец автоморфный каштановый. В верхних горизонтах исследуемой
почвы величины электрокинетического потенциала составили: для органической
компоненты - 25-27,2 мВ (54,1-55,1%), для минеральной - 21,2-22,1 мВ (44,946,0%). В нижнем горизонте 15,5 (60,3%) – для органической компоненты, 10,2
мВ (39,7%) – для минеральной.
В
засоленных
почвах
вклад
в
формирование
величины
электрокинетического потенциала практически одинаковый и минеральной, и
органической компоненты, за исключением нижнего горизонта солонца
полугидроморфного лугово-каштанового.
Наши результаты свидетельствуют о том, что органическое вещество почв
оказывает различное влияние на создание величины электрокинетического
потенциала для разных типов почв.
Коллоидно-химические свойства почвы в опыте точного земледелия
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
В данной главе приведены экспериментальные данные по исследованию
дерново-среднеподзолистой почвы опыта точного земледелия в 2009-2014 годах
методами ближней ИК-спектроскопии, термического анализа, физико-химических
свойств (рН, rH2, χ, ОВП, ξ-потенциал).
17
ВЫВОДЫ
1.
Исследованы индивидуальные глинистые минералы и их смеси
термическим и термогравиметрическим методами, проведена идентификация
термических эффектов, характерных для изучаемых минералов по кривым ДТА.
Показано, что при термическом исследовании смесей глинистых минералов монтмориллонита, каолинита, мусковита, биотита - на кривых ДТА и ДТГ в смеси
сохраняются все термические эффекты, характерные для минералов.
2.
Показано, что исследуемые почвы отличаются по количественному и
качественному составу минералов. В дерново-среднеподзолистых почвах
преобладают первичные минералы – кварц и карбонат магния. Глинистые
минералы представлены незначительно, в основном группой гидрослюд и
частично монтмориллонитом. Содержание органического вещества низкое (2,582,70%) - разнокачественного состава, с преобладанием в составе гумусовых
кислот компонентов алифатической природы.
3.
В зоне каштановых почв повышается содержание смешанно-слойных
минералов гидрослюдисто-монтмориллонитовой группы. В засоленных почвах
этой зоны гигроскопичность в 2 раза выше, чем в зональной почве. Увеличивается
количество глинистых минералов группы монтмориллонита, особенно в
иллювиальном горизонте солонцов. Природа органического вещества однородна,
представлена гумусовыми веществами, с преобладанием компонентов
алифатической структуры. Для солонцов полугидроморфных отмечается более
сложное по строению органическое вещество, а доля компонентов периферической части
практически в 2 раза выше по сравнению с долей фрагментов ароматической
природы в составе гумусовых кислот.
4.
При изучении коллоидно-химических свойств различных по генезису
почв установлено влияние обменных катионов, входящих в состав ППК почвы, на
величину электрокинетического потенциала. При вхождении многовалентных
катионов (А13+, Fe3+) и катиона Н+ в состав обменных катионов величина ζпотенциала не превышает 10 мВ, что характерно для дерново-подзолистых и
серых лесных почв. В этих почвах коллоидная фракция представлена слабо, а
невысокий заряд почвенных частиц приводит к низкой дисперсности почвенных
агрегатов, способствующей созданию безструктурности почвы; не способствует
высокой поглотительной способности почвы, что проявляется в низком
плодородии данных типов почв.
5.
При вхождении катионов Са2+ и Mg2+ в обменное состояние, величина
заряда ППК увеличивается, улучшаются физико-химические свойства почвы, что
проявляется в черноземных почвах. При высоком содержании Са2+ ζ-потенциал
находится в пределах 18-23 мВ, коллоидная система почвы коагулирует, образуя
хорошую структуру, высокую воздухо- и водопроницаемость и, как следствие,
обеспечивая высокие агрономические свойства почвы. При вхождении катиона
18
Nа+ в состав ППК дзета-потенциал увеличивается до 50 мВ, коллоиды почвы
переходят в устойчивое состояние, в почвах повышается дисперсность,
ухудшается структура, и почва переходит в разряд малоплодородных, что
проявляется в засоленных почвах каштановой зоны.
6.
По результатам комплексного анализа – рН, удельной электрической
проводимости, ЭДС, окислительно-восстановительной системы почвы, емкости
катионного
обмена,
содержания
обменных
катионов
и
величины
электрокинетического потенциала – показана корреляция между составом
обменных катионов и величиной электрокинетического потенциала, который
однозначно характеризует состояние коллоидной части почвы. В дерновоподзолистой почве ζ-потенциал менее 7,6 мВ. В зоне каштановых почв величина
дзета-потенциала приближается к критическому значению и составляет 17,4 мВ,
в засоленных - достигает наибольшей величины (49,2 мВ), в зоне черноземных
почв – находится в переделах критической величины 18,3 мВ – 21,8 мВ. По
величине электрокинетического потенциала можно судить о содержании
обменных катионов ППК почвы: при низких значениях ξ-потенциала –
многовалентные ионы или Н+, при высоких – одновалентные катионы натрия.
7.
На основе изучения электрокинетических свойств почвенных
коллоидов различных типов почв показан вклад органических и минеральных
компонентов на величину электрокинетического потенциала почв. Установлено,
что
органическая
составляющая
по-разному
влияет
на
величину
электрокинетического потенциала. Для дерново-среднеподзолистой почвы вклад
органического компонента составляет в верхнем горизонте 63,2%, у чернозема 76,6-85,1%, в солонцах 54,0-58,9%. Величина электрокинетического потенциала
может служить одним из критериев состояния почвенных коллоидов и свойств
почвы, применяться в качестве диагностического показателя, характеризующего
свойства почвы при массовых исследованиях большого количества образцов почв
и мониторинга окружающей среды.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации из
списка ВАК:
1.
Маслова, М.Д. «Исследование коллоидно-химических свойств
солонцовых почв физико-химическими методами» /М.Д. Маслова, Т.В. Шнее,
С.Л. Белопухов, Р.Ф. Байбеков.- Плодородие.-2014.-№2(77).-С.41-43.
2.
Маслова, М.Д.
«Модифицированная
методика
определения
органического вещества в почвах» /М.Д. Маслова, Т.В. Шнее, И.С. Прохоров,
С.Л. Белопухов// Агрохимический вестник.-2014.-№1.-С.30-32.
3.
Маслова, М.Д. «Изменение физико-химических свойств почвенных
коллоидов в зависимости от ионного состава почвенного поглощающего
комплекса» /М.Д. Маслова, Т.В. Шнее, С.Э. Старых, Т.А. Федорова, С.Л.
Белопухов, А.А. Шевченко// Плодородие.-2014.-№3(78).-С.33-35.
19
4.
Маслова, М.Д. «Термические характеристики глинистых минералов и
слюд»/ М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, Т.В. Шнее, Е.С. Тимохина, Е.Э.Нефедьева,
И.Г. Шайхиев//«Вестник Казанского технического университета».-2014.-Т.17.№21.- С.121-127.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:
1.
Гренадерская, М.Д. Влияние ионного состава почвенного раствора
на коллоидно-химические свойства почв/ М.Д. Гренадерская, Т.В. Шнее, С.Л.
Белопухов// Биохимическая физика: Труды XI Ежегодной международной
молодежной конференции ИБХФ РАН–ВУЗы, Москва.- М.: РУДН.-2012.-С.78-81.
2.
Гренадерская, М.Д. Термоаналитические методы в исследовании
почв, растений и продукции растениеводства/ М.Д. Гренадерская, Е.А. Гришина
С.Л. Белопухов // Материалы международной научно-практической конференции,
посвященной 75-летию профессора С.Х. Дзанагова. – Владикавказ: изд-во
«Горский госагроуниверситет».-2012.- С.9-11.
3.
Гренадерская, М.Д. Исследование коллоидно-химических свойств
солонцовых почв физико-химическими методами / М.Д. Гренадерская, Т.В. Шнее,
С.Л. Белопухов//Сборник научных трудов по материалам XV международной
научно-практической конференции «Инновационные направления развития АПК
и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов – вклад
молодых ученых».-Ярославль: Изд-во ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА».-2012.-С.68-74.
4.
Гренадерская, М.Д. Модифицированные методики контроля
органического вещества в почвах/ М.Д. Гренадерская, С.Л. Белопухов//Аграрная
наука, образование, производство: актуальные вопросы: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции с международным участием. –
Новосибирск: Изд-во НГАУ.-2013. -Вып. 15.- Т. I. - С.150-153.
5.
Маслова, М.Д. К вопросу об идентификации органического вещества
почв/М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов//Сб.ст. межд.-практ. конф «Тенденции
формирования науки нового времени».-Уфа: изд-во Уфа, РИЦ БашГУ.-2014.-С.97-100.
6.
Маслова, М.Д. Оценка коллоидно-химических характеристик почвы
по данным термоанализа/М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов//Современные тенденции
в науке и образовании: сб. научных трудов по материалам Международной
научно-практической конференции.-М.:«АР-Консалт».- 2014. – ч. I.-С.60-61.
7.
Маслова, М.Д. Термодинамические подходы к оценке плодородия
почвы/М.Д. Маслова, Т.В. Шнее, С.Л. Белопухов// Материалы XI Международной
научной конференции «Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК».Брянск: издательство Брянской ГСХА.- 2014. – С.277.
8.
Маслова, М.Д. Методические указания по проведению испытаний
биологических образцов методом термического анализа/ С.Л. Белопухов, Т.В.
Шнее, И.И. Дмитревская, М.Д. Маслова, Е.А. Гришина, Е.В. Калабашкина, Под
ред. проф. Белопухова С.Л.-М.:Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2014.- 87 с.
20