Изменение структурно-минералогической основы, состава и свойств слитых почв при воздействии на них веществ различной природы (промышленные отходы, стандартные удобрения, мелиоранты) в условиях Центрального Предкавказья

Черноземы слитые в Центральном и Восточном Предкавказье занимают площадь свыше 450 тыс. га (Тюльпанов и др., 1998). Они характеризуются глинистым гранулометрическим составом, сильной набухаемостью при увлажнении и высокой усадкой при высыхании. Во влажном состоянии эти почвы обладают липкостью, прилипаемостью к рабочим органам почвообрабатывающих орудий, а при высыхании становятся твердыми, как бетон.

В целом они обладают неблагоприятными водно-физическими свойствами, из-за чего урожайность сельскохозяйственных культур на них ниже по сравнению с зональными почвами.

Проведены многочисленные исследования по улучшению слитых почв с применением мелиорантов различной природы, в том числе отходов промышленности и удобрений. Из мелиорантов на Ставрополье рекомендованы фосфо-гипс, являющийся отходом Невинномысского завода «Азот», лигнин — отход Георгиевского биохимического завода, известняк-ракушечник, как в чистом виде, так и совместно с навозом и неорганическими кислотами (HNO3 и H2SO4). В крае разработаны рекомендации по применению на этих почвах органических удобрений, таких как навоз, биогумус, полученный из навоза и лигнина.

В настоящее время огромное количество лигнина и фосфогипса, скопившееся за последние годы, нигде не используется. Кроме того, успешно работающий химкомбинат «Азот» постоянно пополняет запасы фосфогипса.

Применение фосфогипса и лигнина в с.-х. производстве, запасы которых позволяют проводить мелиорацию в течение многих лет, несомненно, отразится на свойствах и минералогическом составе почв, от которого зависит их потенциальное плодородие.

В связи с отсутствием исследований в этом направлении изучение влияния веществ используемых мелиорантов и удобрений на минералогический состав черноземов слитых — актуальная задача для земледелия, решение которой позволит выбрать оптимальный прием для мелиорации этих почв.

Цель исследований.

Целью работы является изучение влияния веществ, которые традиционно используются в качестве мелиорантов и удобрений в Ставропольском крае на свойства и минералогический состав черноземов слитых на основе проведения модельного эксперимента, имитирующего контактную зону взаимодействия вносимых веществ с почвой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучить свойства и минералогический состав илистой, тонкои средне пылеватой фракций черноземов слитых;

— дать оценку плодородию изучаемых черноземов слитых с позиции запасов элементов питания по резервам;

— установить влияние веществ применяемых мелиорантов и удобрений на свойства черноземов слитых;

— провести анализ изменения агрегатного состояния черноземов слитых под влиянием веществ широко используемых мелиорантов и удобрений на разных иерархических уровнях, включая изучение морфостроения агрегатов, микроагрегатного состояния, гранулометрического состава, оценки прочности связи илистых частиц методом дробной пептизации;

— установить изменение минералогического состава черноземов слитых, испытывающих воздействие веществ мелиорантов и удобрений в условиях модельного опыта;

— на основе установленных изменений свойств почв, минералогического состава и переорганизации тонкодисперсного вещества обосновать целесообразность применения используемых мелиорантов и удобрений.

Научная новизна.

В модельном опыте, имитирующем контактную зону взаимодействия, впервые проведено комплексное исследование влияния веществ мелиорантов и удобрений, наиболее широко используемых в Ставропольском крае, на свойства и состав черноземов слитых. Установлено, что изменение почвенной массы под влиянием вносимых веществ происходит одновременно на нескольких иерархических уровнях: строения элементарных частиц, микроагрегатов, макроагрегатов. Вещества мелиорантов и удобрений различной природы приводят к широкому спектру изменений структурного состояния почв от почти полной дезагрегации почвенной массы до создания хорошо выраженных агрегатов. Использовался метод дробной пептизации, раскрывающий поведение тонкодисперсных веществ слитых почв, меняющихся под влиянием веществ мелиорантов и удобрений. Раскрыты особенности структурного состояния смектитового компонента в подфракциях дробной пептизации черноземов слитых.

Практическая значимость и реализация результатов.

На основе модельного эксперимента возможен прогноз изменения свойств и составов черноземов слитых под влиянием веществ мелиорантов и удобрений при длительном периоде применения на полях Ставропольского края.

Из предложенных вариантов опыта наиболее целесообразно использовать органические вещества биогумусов из лигнина и навоза КРС, навоз КРС. Не целесообразность применения веществ минеральных удобрений на слитых почвах обусловлена значительным разрушающим воздействием веществ этих удобрений на агрегацию почвенной массынаибольший эффект на разрушение агрегатов и переход почвенной массы в пептизированное состояние с последующей цементацией почвенной массы отмечается при использовании аммиачной селитры.

Полученные результаты целесообразно внести в рекомендации по сохранению экологического состояния черноземов Ставропольского края.

Защищаемые положения.

1. Оценка обеспеченности почв на высокосмектитовых глинах элементами минерального питания растений рассчитаны по Горбунову с дополнениями на основе структурно-минералогических данных, состава и характера почв по дисперсности, соотношениям валовых и других количеств элементов — биофилов.

2. Разносторонняя характеристика результатов изменений свойств и составов почв при взаимодействии в модельном опыте с веществами, применяемыми при сельскохозяйственном использовании и мелиорации земель в хозяйствах Ставрополья, включающих отходы промышленности, комплексные смеси обогащенные органическими соединениями, а также вещества стандартных удобрений.

3. Обоснование для выделения групп веществ, используемых для почво-улучшения земель в условиях Ставрополья, их воздействие на структурно-минералогические особенности, дисперсность и пептизированность твердой фазы почв.

Публикации и апробация работы.

Результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: Первой международной конференции: «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия», г. Ставрополь, 2001 г., Вторая международная научная конференция: «Эволюция и деградация почвенного покрова», г. Ставрополь, 2002 г., Молодежная конференция: VI Докучаевские чтения г. Санкт-Петербург 2003 г., на Международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» г. Санкт-Петербург 2004 г., на расширенном заседании отдела ландшафтного земледелия СНИИСХ, 2003 г., на заседании лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. В. В. Докучаева, 2003 г.

Выводы.

1. Минералогический состав, изучаемых черноземов слитых, в том числе отобранных в модельный опыт представлен ассоциацией минералов характерных для этого типа почв. Илистая фракция полиминеральна, в ней преобладает смектитовая фаза (52,1−58,3%), ди-триоктаэдрические гидрослюды (25,633,2%), каолинит и хлорит (в сумме 14,7−16,1%). Примесь тонкодисперсного кварца.

Смектитовая фаза состоит из: сложных неупорядоченных смешаннослой-ных образований нескольких типов: слюда-смектитов с высоким содержанием смектитовых пакетов (преобладают), слюда-смектитов с низким содержанием смектитовых пакетов, хлорит-смектитов, индивидуального смектита, отнесенному к монтморпллонит-бейделлитовому типу.

Фракция тонкой пыли фактически не содержит смектитовой фазы: кварц -20,5−37,1%, полевые шпаты — 10,9−18,2%, гидрослюда-20,7−31,6%, каолинит + хлорит — 14,4−24,4%, смешаннослойное хлорит-смектитовое образование -9,4−14,8%. Средняя пыль состоит из кварца 31,2−50,6%, полевых шпатов — 18,136,0%, гидрослюды — 13,9−29,4%, хлорита — 5,2−13,0%, каолинита — 7,1−12,9%.

2. Исследуемая почва обладает высокими природными запасами калия (общие запасы — 2500−2600 мг/100г почвыиз них потенциальный резерв 1006,8935,4, ближний 1466,7−1620 и непосредственный 26,5−44,6 мг/100г почвы). Установлено, что основным резервом запасов элементами питания черноземов слитых является илистая фракция. Этот резерв состоит из компонентов носителей калия, которые относятся к категории неустойчивых при изменении окружающей среды и быстро отдают природный калий.

3. Мониторинг в течение 3-х лет свойств и составов пахотного горизонта чернозема слито го в контактной зоне с веществами наиболее широко используемых в Ставрополье мелиорантов и удобрений позволил зафиксировать изменения ряда физико-химических, химических, физических свойств и минералогического состава тонкодисперсных фракций. а. По своему воздействию на кислотно-щелочные свойства вещества мелиорантов и удобрений сгруппированы на следующие категории: 1) вещества, которые не приводят к изменению реакции — навоз, известняк-ракушечник с навозом, биогумус из навоза, биогумус из лигнина, а также фосфогипс с навозом и фосфогипс с биогумусом из навоза- 2) вещества, которые подкисляют почву в первые два года с последующим ослаблением подкисляющего действия — фосфогипс и фосфогипс в сочетании с лигнином и аммиачной селитрой- 3) вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска), которые подкисляют почву в первый год с прогрессирующим под-кислением в последующие два года- 4) вещества, которые очень сильно подкисляют почву (лигнин с аммиачной селитрой) в течение всего периода взаимодействия с почвой. б. Произошли изменения в почвенно-поглощающем комплексе. Изменилась как сумма, так и соотношения Са2+ и Mg2+ в основном в сторону увеличения обменного Са2 г. Изменилось количество подвижных форм калия и фосфора на контакте с веществами мелиорантов и удобрений — носителей этих элементов. Однако их количество с увеличением срока воздействия резко снижалось.

4. Внесенные вещества способствовали переорганизации почвенной массы, фиксируемом на разных иерархических уровнях. а. После первого года взаимодействия веществ мелиорантов и удобрений изменилась морфология агрегатов. Выделены три категории веществ, сказывающихся на агрегации почвенной массы: вещества органической природы создали агрономически цепную крупнозернистую и ореховатую структуру. Вещества фосфогипса, лигнина с аммиачной селитрой, фосфогипса с лигнином и аммиачной селитрой, фосфогипса с биогумусом из лигнина, фосфогипса с навозом КРС, известняка-ракушечника с навозом КРС не существенно сказались на агрегации почвенной массы. Вещества минеральных удобрений (суперфосфат, аммиачная селитра, нитроаммофоска) разрушили естественные агрегаты почвы, переведя их в категорию пылеватых. б. Произошло увеличение количества микроагрегатов размером менее 1 мкм на вариантах опыта с применением аммиачной селитры и лигнина + аммиачная селитра, коэффициент дисперсности составил 26 и 20 соответственно. На вариантах с применением фосфогипса, биогумуса из лигнина, биогумуса из навоза КРС, навоза КРС, фосфогипса + биогумус из лигнина, фосфогипса + навоз КРС и известняка-ракушечника + навоз КРС количество микроагрегатов размерностью менее 1 мкм снизилось в 2−3 раза в. Существенным образом изменилась организация тонко дисперсной части почв, фиксируемая по соотношению илов дробной пептизации микронной размерности. Наиболее сильный эффект получен при взаимодействии почвы с веществами аммиачной селитры,-которые перевели в пептизированное состояние более 40% почвенного ила. Вещества лигнина, биогумуса из лигнина и биогумуса из навоза частично предотвратили пептнзацию илистого вещества, но перевели более прочносвязанные категории ила в менее прочносвязанные. Фосфогипс совместно с биогумусом, а также известняк-ракушечник с навозом способствовали не только сохранению агрегации тонкодисперсной части почв, но и переходу ее в более прочносвязанпую категорию.

5. Минералогический состав Г1Д11 представлен теми же компонентами, которые были зафиксированы в «валовом» иле. Соотношение этих минералов и их структурное состояние резко меняется в зависимости от категории прочности связи и от влияния вещества мелиоранта и удобрения. Наиболее подвержен изменениям оказался ВПИ, минералогия которого отличается: а — супердисперсным состоянием смектитовой фазыб — более резкими колебаниями в соотношении минеральных фазв — наличием топкодисперсного кварца и полевых шпатов. Наибольший эффект на состав минералов оказали вещества минеральных удобрений. АИ-1' - доминирующая категория плов состоит из минералов в наибольшей мерс сходных с таковыми «валового» ила. Отмечаются менее резкие различия по соотношению основных минеральных фаз и их кристаллохимии в зависимости от природы веществ мелиорантов и удобрений. Выделяется АИ-1 контактирующий с веществами суперфосфата.

Агрегированные илы второй категории имеют разнообразное соотношение основных минеральных фаз. Изменилась кристаллохимия гидрослюдистого компонентав этой категории илов преобладают трпоктаэдрические типы. Существенное изменение структуры основного минерала — смешаннослойного образования зафиксированы на вариантах с применением аммиачной селитры, лигнина с аммиачной селитрой, биогумуса из лигнина и суперфосфата.

6. Установлено, что вещества удобрений и мелиорантов, контактирующие с почвенной массой, оказывают разностороннее влияние на свойства и минералогию черноземов слитых. Наиболее экологически оправданными являются вещества органической природы и в первую очередь биогумусы органических веществ, а также известняк-ракушечник с навозом ЬСРС.