Формирование физико-химических свойств пахотных почв лесостепи центрального Черноземья и пути (стр. 6 из 11)
Величина (М) определяется по полной емкости катионного обмена
(21)Для слабокислых почв приближенное значение (М) определяется в более простой форме:
или 0.5 ЕКОП (22)где ЕКОП = S + Нг, рНН = 7,4 ед., τ – показатель удельной дифференциальной емкости (мг-экв/100г. ед.рН·М).
5. Обоснование концепции кислотно-основного статуса почв
Взаимосвязь ППК почв и содержания водорастворимых оснований.
При изменениях кислотности почвенной среды изменяется степень диссоциации функциональных групп ППК и величина заряда на поверхности почвенных частиц: отрицательный потенциал падает при подкислении и возрастает - при подщелачивании (Возбуцкая, 1964; Сидорова, Фридрихсберг, Кибирова, 1974; Сидорова и др., 1976; Роуэлл, 1998). Из этого следует, что менее кислым, более насыщенным основаниями почвам соответствует и более высокая концентрация их в жидкой фазе, а поскольку ионообменные взаимодействия даже в условиях естественной влажности протекают относительно быстро, то это предполагает в системе < ППК – раствор > состояние, близкое к равновесному.
Поскольку фактором, инициирующим само перераспределение катионов в системе « ППК - почвенный раствор» является изменение их концентрации в растворе (в результате природных или антропогенных факторов), то состав ионов ППК в большей мере определяется составом почвенного раствора, и его роль носит характер обратной связи, являясь фактором стабилизации кислотно- основного состояния почвы.
В условиях стационарного полевого опыта ВНИИЗ и ЗПЭ при воздействии различных факторов, которые способны нарушать равновесие в почвенной системе, установлена тесная зависимость значений содержания водорастворимых оснований (1:5) Sвод (Са+Мg, мг-экв/100г) и концентрации их в растворе, приведенном к стандартным условиям, от значений актуальной и обменной кислотности, определены ее параметры (табл. 11). Гранулометрический состав почвы (чернозема типичного) однородный: содержание физической глины (< 0,01 мм) колеблется в узком интервале - от 48,5 до 51,5 %.
Таблица 11. Статистическая характеристика выборки показателей свойств почв (n=340)
| Показатель | X | Xmin | Xmax | Sx | Kv,% |
| Гумус, %рНKCLрНН2ОSвод (Са+Мg), мг-экв/100г. | 5,606,116,910,54 | 4,665,005,900,24 | 6,547,608,211,39 | 0,020,040,040,01 | 6,812,59,650,0 |
| НВ% (расчетное)*СНВ, мг-экв/л (расчетное)** | 32,916,67 | 31,57,5 | 34,243,2 |
**Концентрация оснований СНВ(Са2++Мg2+, мг-экв/л) в почве при наименьшей влагоемкости определена по данным анализа водной вытяжки из почвы (1:5) и величин наименьшей влагоемкости ( Минашина, 1970; Барон, Токарев, 1979; Ковда, 1988).
*Величины наименьшей влагоемкости почв (НВ%) рассчитаны по зависимости от содержания органического вещества (Г%) и физической глины (Фг%) (Ж. Лозе, К. Матье, 1998).
Зависимость концентрации оснований от величин актуальной и обменной кислотности имеет следующие выражения:
СНВ (Са2++Мg2+, мг-экв/л ) =0,228·e0,61 рНвод , r=0,90; (23)
СНВ (Са2++Мg2+, мг-экв/л ) =0,721·e0,5 рНсол , r=0,85. (24)
Концентрация водорастворимых оснований при снижении кислотности почвы возрастает в геометрической прогрессии – на каждую единицу обменной кислотности в 1,65 раза, а актуальной кислотности – в 1,84 раза. Установлено, что и для серых лесных почв характерна аналогичная зависимость. Величины концентрации оснований в жидкой фазе исследуемых почв соответствуют их значениям, получаемым другими методами выделения и оценки почвенных растворов (Быстрицкая, Волкова, Снакин, 1981; Иванов, 1971), а также определением составов инфильтрационных вод в лизиметрических исследованиях (Шильников, Мельникова, Варюшкина, Лебедев, 1989).
Из этого следует, что степень насыщенности почвы основаниями и содержание водорастворимых оснований связаны через величину обменной кислотности, что характеризует взаимосвязь между твердой и в жидкой фазой почвы. Условному равновесию (по стандартным методам) соответствует следующее выражение:
СНВ(Са2++Мg2+, мг-экв/л ) ≈ 0,07·exp(0,06·V%) (25)
Таким образом, содержание оснований в системе « ППК - почвенный раствор»- является результатом устанавливающегося равновесия между количеством растворенных и поглощенных оснований, с одной стороны, и ионов водорода – с другой стороны.
Потери оснований из пахотных почв
Вовлечение в пашню черноземов, изначально насыщенных основаниями, приводит к обеднению их кальцием и магнием и подкислению реакции среды,
что связано как с систематическим выносом оснований урожаем культур, так и с усилением водообмена в обрабатываемых почвах. На долю выноса растениями приходится 1/4 теряемых оснований и 3/4 - на долю инфильтрации (Бобрицкая, 1975;Синкевич, 1989; Шильников и др.,1989). Между потерями оснований из почв и объемом стока существует тесная положительная корреляционная связь (r = 0.61 – 0.96, Мельникова, 1981; Волокитина и др., 1984). Таким образом, величины потерь оснований из почв могут определяться средней концентрацией их в жидкой фазе и величиной стока во вневегетационный период.
Для оценки величины стока, приходящегося на позднеосенний – ранневесенний период, возможно использовать относительные коэффициенты к инфильтрации влаги в зависимости от коэффициента увлажнения (ККУ) и гранулометрического состава почв (КФГ). При такой дифференциации сток (J,мм) выражается произведением коэффициентов и величины стока при базовых условиях (JБ=45 мм, ККУ=1 при КУ=0.9 и КФГ =1 при Фг=45%).
J(мм)= JБ КФГ ККУ = JБ (5КУ – 3,5)(1,9 – 0,02 Фг) (26)
Согласно расчетам для автоморфных почв Курской области, находящихся на выровненных участках, размеры среднегодовых величин оттока влаги (J, мм) во вневегетационный период в первом агропочвенном районе серых лесных почв и втором- черноземов составляют соответственно 90 – 120 и 40 – 90 мм . Это подтверждается и другими методами оценки: по исследованию элементов водного баланса (Сухарев В.И., 2003, 2006); по изменению влагозапасов почвы за холодный период (Акименко А.С., 2000, 2001). Среднегодовые потери оснований (∆Cainf) контролируемого (пахотного) слоя почвы (СаСО3, кг/га) в зависимости от кислотности почв (рНKCL), характеризующей содержание оснований в жидкой фазе почв (24), приближенно определялись по следующему выражению:
∆Cainf = 0,1806 exp(0,5·рНKCL) Jмм (27)
В зависимости от кислотности почв размеры естественных потерь оснований в первом агропочвенном районе серых лесных почв и втором- черноземов варьируют в интервалах соответственно 190-380 и 60–380 СаСО3 кг/га. Получаемые величины потерь оснований в среднем соответствуют расчету по методике оценки баланса кальция (Сычев, Музыкантов, Панкова, 2000).
Высвобождение щелочноземельных элементов минеральной части почв – основной источник пополнения их в почвенных фазах
Общей закономерностью процессов химического выветривания является возрастание степени разрушения или преобразования минералов различных групп устойчивости при повышении температуры и количества осадков (Толстой, 1968;Парфенова, Ярилова, 1962; Антипов-Каратаев, Цюрупа, 1963; Добровольский В.В.,1968; Глазовская М.А., 1981). Разрушение минералов в почве осуществляется при воздействии на них природных растворов, содержащих реагенты кислотного характера и состоит из двух основных стадий: быстрой- протонирование поверхностных слоев минералов и медленной - распад кристаллических структур в силу неустойчивости межмолекулярных энергетических связей. Совокупный многоступенчатый процесс контролируется медленнодействующей стадией, которую для структурных единиц минерала можно описать уравнением кинетики первого порядка:
,где t – время , k – константа скорости. Это подтверждается анализом данных лабораторных исследований по выщелачиванию различных минералов в течение длительного времени (Лабенец, 1977). Изменение валового содержания кальция (СаМ) во времени (3,6 лет) описывалось соответствующим уравнению кинетики выражением:
Для описания константы высвобождения ионов (k) использована эмпирическая зависимость Аррениуса, подтвержденная для широкого круга физико-химических процессов в статистической термодинамике (Браун, Лемей, 1983; Пурмаль, Слободецкая, Травин, 1984):
,(28)где m- показатель, характеризующий влияние рН среды, А –коэффициент пр..
Величина показателя (m) может быть оценена, поскольку соотношение констант для разных условий воспроизводится в соотношениях интенсивности высвобождения оснований: k0/ ki =∆Ca0/∆Cai. Для равных промежутков времени (t- const) это соответствует линейной форме уравнения:
ln(∆Ca0/ ∆Cai)=- m·(рНi-рН0) (29)
Такая зависимость подтверждена в проведенных лабораторных экспериментах по выщелачиванию почвообразующих пород титрованными растворами НCL при разном исходном значении рН (0,5…5) за равные промежутки времени (1час) и широком соотношении реагирующих масс (1:20, 1:50), снижающих влияние возрастающих концентраций ионов на их передвижение в раствор. Использованы предварительно отмытые от карбонатов образцы лессовидного суглинка, подстилающего чернозем типичный тяжелосуглинистый на глубине 160-170см и глинистого сланца, подстилающего серую лесную почву (рис.10).