Дана фізико-хімічна і мінералогічна характеристика цеолітів. Розглянуто дані польових і модельних експериментів з вивчення впливу цеолітів на властивості ґрунтів. Показана роль і екологічне значення цеолітів як Поліпшувач грунту сорбційної типу і джерела калію для рослин. нов складають Сa2і Mg2-, причому переважаючим

Анотація наукової статті по сільському господарству, лісовому господарству, рибному господарству, автор наукової роботи - Середина В. П.


Область наук:
  • Сільське господарство, лісове господарство, рибне господарство
  • Рік видавництва: 2003
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Агроекологічні аспекти використання цеолітів як Поліпшувач грунту сорбційної типу і джерела калію для рослин'

    Текст наукової роботи на тему «Агроекологічні аспекти використання цеолітів як Поліпшувач грунту сорбційної типу і джерела калію для рослин»

    ?УДК 631.41: 631.416. 4

    Агроекологічні аспекти ВИКОРИСТАННЯ цеоліту ЯК Поліпшувач грунту сорбційних ТИПУ І ДЖЕРЕЛА КАЛИЯ ДЛЯ РОСЛИН

    В.П. середина

    Томський державний університет Тел .: (382-2) -415-405

    Дана фізико-хімічна і мінералогічна характеристика цеолітів. Розглянуто дані польових і модельних експериментів з вивчення впливу цеолітів на властивості ґрунтів. Показана роль і екологічне значення цеолітів як почвоулучші-телей сорбційної типу і джерела калію для рослин.

    Вступ

    Багатогранні функції калію (екологічні, фізіолого-біохімічні, агрохімічні) і наростаюча чуйність культурних рослин до цього біогенного елементу вимагають перегляду стратегії по відношенню до оцінки оптимізації вмісту калію в грунті. Особливого значення набуває калій в рішенні проблеми поліпшення радіоекологічної ситуації в агроекосистемах. В останні роки встановлена ​​досить важлива екологічна функція калію - зниження надходження радіонуклідів в рослини і нагромадження їх у сільськогосподарській продукції. Про значущої ролі калійних добрив в зниженні інтенсивності міграції радіонуклідів в системі ґрунт - рослина відзначають багато дослідників [1, 2]. Як показано в роботах [3, 4], калій інгібує надходження С8-137 в культури агроценозів. У зв'язку з цим, внесення калійних добрив, особливо на бідних мінеральних грунтах, є дієвим прийомом зниження надходження радіонуклідів в сільськогосподарські культури [5].

    Механізм впливу калійних добрив на забруднення врожаю Сз-137 працює при будь-якій дозі калію, внесеного в грунт. Найбільший ефект, як випливає з роботи [5], досягається при внесенні високих доз калію. Однак різкий спад застосування калійних добрив, що спостерігається в останні роки [6], привів до дефіциту калію в агроекосистемах, розширенню географії потреби в калійних добривах, пошуку нових джерел поліпшення калійного стану ґрунтів і оцінки їх екологічної та агрохімічної ролі. На особливу увагу в цьому плані заслуговує можливість застосування природних цеолітів, прогнозні запаси яких в кузбасівській цеолітоносном районі [7] становлять 100 млн тонн, що характеризує це родовище як один з найперспективніших. Низька собівартість і унікальні властивості перетворили цеоліти в найцінніший тип мінеральної сировини з широким промисловим і сільськогосподарським використанням.

    У даній роботі представлені результати вивчення складу і властивостей кліноптілоліта Пе-гасского родовища, а також дослідження впливу цеоліту на властивості і калійне стан

    дерново-підзолистих грунтів легкого гранулометричного складу в умовах подтаёжной зони Західного Сибіру. Вирішення цих питань здійснено в умовах модельного і польового дослідів. Лабораторний досвід проведено для вивчення фізико-хімічних властивостей і компонентного складу цеоліту, визначення оптимальних розмірів фракцій цеоліту стосовно дерново-підзолистих грунтів і дослідження впливу цеоліту на основні параметри ґрунтів. У польовому досліді вивчалося дію цеоліту і цеолітізіровани органічних добрив на властивості і калійний режим дерново-підзолисті легкосуглинистой грунту.

    1. Хіміко-мінералогічна характеристика

    цеоліту

    Рентгендіфрактометріческій аналіз досліджуваного цеоліту показав, що по підбору рефлексів даний цеоліт відноситься до кліноптілоліта з невеликою домішкою кварцу. Складний мінералогічний склад кліноптілоліта представлений формулою:

    (Na2O) 0,70 (CaO) 0,10 (K2O) 0,15 (M8O) 0,05Al2O3 (SiO2) 8,5 ... 10,5 "6_7H2O-

    Основну частку у валовому хімічному складі кліноптілоліта становить SiO2 (62,7%), утримання Al2O3 - 10,6%, кількість оксидів лужних елементів - 5,9%. Співвідношення Si / Al в досліджуваному цеоліті становить 5,9, що вказує на приналежність його до кліноптілоліта. Цеоліт Пегас-ського родовища відноситься до висококремниста. Останнє визначає його хороші іонообмінні властивості, термічну і хімічну стійкість, що дуже важливо в практичному відношенні. Відповідно до літературними даними [7], в каркасі кліноптілоліта не спостерігається істотних змін навіть при взаємодії з вельми кислими розчинами (рН<1). З цього випливає, що клиноптилоліт Пегасского родовища найдоцільніше використовувати на кислих дерново-підзолистих грунтах Західного Сибіру. Найбільший ефект спостерігається при використанні кліноптілоліта в аміачної і калієвої формі; Пегасскій цеоліт по валовому аналізу відноситься переважно до калієво-натрієвих.

    За катионному складу досліджений клинопис-тілоліт є багатокомпонентним (табл. 1). Значну частку від суми всіх обмінних Катіо-

    Таблиця 1. Фізико-хімічні властивості кліноптілоліта

    гігроскопічна =>= СД СР О в Гідролітична Обмінні катіони, мг-екв. / 100 г% від ЕКО

    волога,% кислотність, мг-екв. / 100 г Са 2+ Мд2 + Са2 + + Мд2 + К + № + Н + + Д! 3+ Сума

    5,0 6,6 0,8 54,1 4,5 58,6 м 03 0,04 62,5

    86,6 7,2 93,8 5,8 0,5 0,06

    нов складають Са2 + і М§2 +, причому переважаючим катіоном є кальцій. У той же час в дерново-підзолисті грунті сума обмінних Са2 + і М§2 + складає всього лише 9,8 мг-екв. на 100 г грунту, що свідчить в цілому про невисоку ємності катіонного обміну (ЕКО) даних грунтів і вказує на можливість використання кліноптілоліта Пега-сского родовища для підвищення ємності поглинання і утримання обмінних підстав.

    Клиноптилоліт є потужним резервом поповнення доступних для живлення рослин сполук калію. Аналіз досліджуваного цеоліту показав переважне зміст обмінної (3,6 мг-екв. На 100 г цеоліту) і необмінної (1,79 мг-екв. На 100 г цеоліту) форм калію, що вказує на високі іонообмінні властивості клі-ноптілоліта Пегасского родовища в щодо даного елемента.

    2. Вплив цеоліту на властивості ґрунтів

    Пегасскій цеоліт показує підвищену селективність до іонів Са2 + і М§2 +, що веде до збільшення ємності катіонного обміну досліджуваних грунтів (табл. 2).

    Як відомо, генетичні ресурси органічних і мінеральних колоїдів, які є носіями поглинальної здатності легень по гранулометричному складу ґрунтів, вкрай невеликі. Отже, можна вважати, що в цих грунтах обмежена здатність до поглинання та утриманню поживних елементів. клиноптилоліт,

    внесений в грунт, призводив до підвищення кількості обмінних катіонів. Особливо яскраво це проявилося в варіантах з дозою кліноптілоліта 4 мг на 100 г грунту. При внесенні в грунт в різного ступеня подрібненого цеоліту, зі збільшенням дисперсності матеріалу відносний вміст в ній активної мінеральної фракції з високими іонообмінними властивостями природно зростає, внаслідок чого збільшується вміст обмінних катіонів. Варіанти лабораторного досвіду з внесенням цеоліту розмірністю 1,0 ... 0,5 і <0,5 мм характеризуються підвищеним вмістом суми Са2 + і М§2 + в порівнянні з тими варіантами, де використовувалася фракція 1.3 мм.

    Під впливом цеоліту зменшується гідролітична кислотність при відповідному збільшенні суми обмінних катіонів; в зв'язку з цим, грунт з розряду ненасичених підставами переходить в розряд насичених. Анализируемая в досвіді дерново-підзолистий грунт відрізняється нестійким в часі режимом кислотності: середнє значення рН сольової витяжки на контрольному варіанті (1 термін) склало 5,0. Відповідно до величиною рН, дана грунт є кислої і середньо потребує вапнування. Це підтверджується аналізом ступеня насиченості підставами, яка в дерново-підзолисті грунту дослідної ділянки становить 63%. Внесення кліноптілоліта сприяло зниження потенційної кислотності ґрунтів, виявляючи ефект нейтралізації, аналогічний вапнування, завдяки чому дерново-підзолистий грунт переходить

    Таблиця 2. Вплив кліноптілоліта на фізико-хімічні властивості дерново-підзолисті ґрунти

    Зміст кліноптілоліта, г на 100 г грунту Розмір фракцій кліноптілоліта, мм Гідролітична кислотність, мг-екв. на 100 г грунту Обмінні катіони, мг-екв. на 100 г грунту Ступінь насиченості підставами,%

    Са2 + Мд2 + Сума

    1 термін

    Контроль - 5,2 7,3 1,7, 0 9, 63

    1 1-3, 2 4,, 4 10, 1,1 11,5 73

    2 1-3 4,4 1,9 11,8 73

    4 1-3 4,8 10,6, 2 + 2, 12,8 79

    1 1-0,5 1-0 4, 10,4 1,4 11,8 72

    1 <0,5 4,3 10,7 1,8 12,5 74

    2 термін

    Контроль - т 4, 7,4 1,5, 9 8, 67

    1 1-3, 8 2, 10,4 1,1 11,5 80

    2 1-3 2,7 1,8 11,7 81

    4 1-3 2,, 6, 2 2, 11,8 81

    1 1-0,5 5 2, 10,8 1,2 12,0 81

    1 <0,5 2,7 10,6 1,5 12,1 81

    в категорію грунтів, слабо потребують вапнування. Вивчення післядії цеолітів виявило його ефективність не тільки в рік внесення, але і в наступні роки.

    3. Вплив цеоліту на калійне стан грунтів

    Вивчення змісту всіх форм калію в дерново-підзолистих грунтах в умовах польового досвіду показало, що внесення підстилкового гною, Цео-літізірованного гною і цеоліту викликало підвищення кількості обмінного і водорозчинного калію. Відповідно до угрупованням грунтів за змістом водорозчинного калію, вихідна дерново-підзолистий грунт відноситься до розряду малозабезпечених, тоді як внесення цеолітізіровани-ного гною, цеоліту та органічних добрив забезпечує перехід дерново-підзолисті ґрунти в групу середньо забезпечених елементом. Присутність великої дози цеоліту в цеолітізіровани гної (доза годування корів 350 г / добу) забезпечує більш високий вміст водорозчинного калію. Цей ефект, мабуть, пов'язаний з закріпленням калію добрив в решітці цеоліту в перші терміни досвіду і з поступовою віддачею в подальшому. Дія підстилкового гною на грунт було більш ефективним в перший рік дослідження; навесні наступного року вміст водорозчинного калію стало нижче, ніж у варіантах з Цео-літізірованним гноєм. При внесенні чистого цеоліту в дозі 900 кг / га відбувається незначне збільшення водорозчинного калію в порівнянні з контрольним варіантом, що пов'язано з низьким вмістом водорозчинної форми калію в складі цеоліту. Вивчення впливу цеоліту на калійне стан дерново-підзолистого грунту в умовах модельного досвіду (табл. 3) показало, що застосування чистого цеоліту на грунті з низьким вмістом обмінної форми калію викликає спочатку погіршення калійного режиму в зв'язку з фіксацією цеолітом рухомого калію. Аналіз впливу дис-

    персності цеоліту на фіксацію калію дає можливість припустити, що зі зменшенням розміру фракцій цеоліту зменшується ступінь Необмінна поглинання, що пов'язано з можливим руйнуванням каналів в структурі цеоліту при механічному впливі в процесі дроблення.

    Зміна режиму обмінного калію в варіанті з внесенням добрив у вигляді підстилкового і це-олітізірованного гною показує, що вміст рухомих форм калію в цих випадках варіює сильніше в порівнянні з контрольними, що, ймовірно, пов'язано зі зміщенням калійного рівноваги в бік утворення легкорозчинних форм при внесенні органічних добрив. Підтримка ж певної рівноваги калійного рівня в грунті визначається спрямованістю процесів мобілізації-фіксації калію. Особливо яскраво це проявляється, як було показано раніше [8], в дерново-підзолистих грунтах легкого гранулометричного складу, десорбуються калій значно інтенсивніше, ніж інші грунту. При внесенні цеоліту в грунт в умовах лабораторного експерименту спостерігалася загальна тенденція підвищення вмісту обмінного калію незалежно від дисперсності фракцій цеоліту, що підтверджується також даними польового досвіду. Причому, в другій термін компостування грунту з цеолітом значення обмінного калію збільшуються більшою мірою в порівнянні з першим терміном, що, ймовірно, пов'язано з переходом калію з Необмінна стану в обмінна під впливом фіксації цеолітом його водорозчинної форми.

    Встановлено, що значна частина калію в загальному виносі доводиться на частку його необмінної форми. Можлива і зворотна трансформація, тобто перехід фіксованого калію в легкорухливі форми. Перехід природного фіксованого калію в обмінна стан пов'язаний з великою витратою енергії і відбувається набагато повільніше, ніж перехід штучно фіксованого. Він пов'язаний з руйнуванням і видозміною тетра-

    Таблиця S. Вплив кліноптілоліта на утримання форм калію дерново-підзолисті ґрунти в умовах модельного досвіду

    Зміст кліноптілоліта, г на 100 г грунту Фракції кліноптілоліта, мм Калій, мг на 100 г грунту

    Необмінна (по Пчолкіну) Обмінний Водорозчинний

    1 термін

    Контроль - 14,3 3,0 1,8

    1 1-3 14,6 4,0 1,4

    2 1-3 16,1 6,3 1,3

    4 1-3 17,8 10,6 0,8

    1 1-0,5 15,5 5,9 1,3

    1 < 0,5 16,0 4,9 1,6

    2 термін

    Контроль - 14,6 6,7 1,9

    1 1-3 12,6 8,5 1,4

    2 1-3 13,4 9,1 1,2

    4 1-3 14,4 26,9 1,0

    1 1-0,5 12,9 9,2 1,4

    1 < 0,5 12,9 8,5 1,3

    і октаедричної основи кристалічної решітки мінералів, в результаті чого частина іонів фіксованого калію утримується з меншою силою. Найбільш значне збільшення (до 20 мг на 100 г грунту) Необмінна калію спостерігалося у варіанті з внесенням підстилкового гною. В інших випадках відбулося слабке збільшення даної форми калію в порівнянні з контролем.

    Для більш повної характеристики забезпеченості грунтів калієм недостатньо тільки оцінки його обмінної форми, тому що емпіричний і довільний характер багатьох методів не завжди задовольняє практичні дослідження. Відомі теоретично обґрунтовані методи визначення на основі хімічної термодинаміки. Термодинамічні потенціали реакцій характеризують їх напрямок і стан рівноваги, вони дозволяють моделювати грунтові процеси та прогнозувати дію добрив. Дослідження калійного потенціалу (рК - 0,5рСа) в умовах польового досвіду показало зниження його значень під впливом цеоліту, що свідчить про поліпшення калійного стану даних варіантів. Найбільший ефект відзначений на варіантах з внесенням цеолітізіровани гною в перший рік його дії: спостерігається значне зменшення калійного потенціалу (3,23) в порівнянні з контролем (3,61). Одночасно відбувається збільшення активності іонів калію. Відповідно до літературними даними, рК - 0,5рСа слабоокуль-Турен дерново-підзолистих грунтів знаходиться в межах 3,15.3,30. Калійні потенціали вивчених дерново-підзолистих грунтів мають ще більш високі значення, що вказує на несприятливі умови калійного живлення рослин. Відомо, що чим більше калійний потенціал, тим більше енергії необхідно затратити, щоб витіснити обмінний калій ґрунтового поглинаючого комплексу катіоном Са2 +. Існує взаємозв'язок інтенсивного і ємнісного чинників рухливості хімічних елементів з хімічним рівновагою грунтових процесів - адсорбцією і розчинність важкорозчинних сполук ґрунту. Показники інтенсивності - концентрація елемента і його активність в грунтовому розчині -визначають його доступність на даний момент. Показники ємності визначають здатність твердої фази поповнювати концентрацію елемента при її зменшенні.

    Критичний рівень в оцінці забезпеченості грунту елементами живлення, зокрема, калієм, визначає інтенсивний показник. Показник же ємності, ймовірно, не представляє в цьому випадку достатній обсяг інформації про доступність хімічних елементів рослинам. Зниження значень калійного потенціалу в рік внесення цеоліту говорить про зниження енергії витіснення і про вихід іона калію з обмінних позицій в розчин. Одночасно змінюється склад грунтового пог-

    лощающего комплексу, пов'язаний з закріпленням Ca2 +, що свідчить про збільшення ємності катіонного обміну досліджуваної грунту. Залежність між активністю K + і змістом даного іона підтверджується результатами досліджень: зі збільшенням концентрації калію в грунтовому розчині відбувається підвищення активності іонів калію, в той же час значення калійного потенціалу закономірно зменшуються.

    Різні грунту при близьких значеннях калійного потенціалу можуть володіти неоднаковою здатністю протистояти зміні калійного потенціалу під впливом рослинності. Більш повну характеристику калійного стану грунту і забезпеченості рослин калієм дає величина потенційної буферної здатності грунтів щодо калію (ПБС ^), тобто здатність підтримувати калій на певному рівні, незалежно від винесення калію рослинами або внесення з добривами. Отже, характеристика доступності калію рослинам включає в якості одного з критеріїв потенційну буферну здатність, яка характеризує реакцію грунту при різних системах удобрення та меліорації у вигляді зміни ПБС ^.

    Визначення значень ПБС в умовах досвіду показало стійке підвищення буферної здатності грунтів всіх варіантів в порівнянні з контролем. Максимальне збільшення ПБС спостерігається в варіантах з внесенням цеолітізіро-ванних добрив, що більш, ніж в 1,3 рази вище ПБС контрольного варіанту. Причому, це збільшення відбувається поступово, що, очевидно, пов'язано з пролонгує дію цеоліту.

    висновок

    Вивчені природні цеоліти мають високу ємність катіонного обміну, що перевищує в багато разів показники легкосуглинистих дерново-підзолистих грунтів. Мінерали групи цеоліту мають сприятливий хімічний склад і містять в обмінно-поглиненому стані дефіцитні для легких грунтів елементи - кальцій, калій і магній. Можна відзначити позитивний вплив цеоліту Пегасского родовища на властивості дерново-підзолисті ґрунти, виражене в підвищенні вмісту обмінних катіонів, збільшенні ступеня насиченості грунтів підставами, зниженні гидролитической кислотності, а також в нормалізації кислотного режиму. Результати досліджень вказують на доцільність використання кліноптілоліта Пегасского родовища для поліпшення калійного режиму дерново-підзолистих грунтів і збільшення доступних для живлення рослин форм калію. Таким чином, цеоліти можуть служити в якості меліорантів кислих грунтів; вони також є добривами пролонговано дії.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Дрічко В.Ф., Понікарова Т.М. Системи методів вивчення грунтового покриву, деградованого під впливом хімічного забруднення. - М .: Праці Грунтів. інституту ім. В.В. Докучаєва, 1992.

    2. Алексахін Р.М., Моісеєв І.Т., Тихомиров Ф.А. // Агрохімія. - 1992. - № 8. - С. 127.

    3. Алексахін Р.М., Ратніков А.Н., Санжарова Н.І., Жігарева Т.Л., Круглов С.В. // Вісник РАСГН. - 1996. - № 4. - С. 18.

    4. Буланцев Ю.В. // Агрохімія. - 1994. - № 11. - С. 141.

    5. Прищеп Н.І., Просянніков Є.В., Коровяковская С.О. Удосконалення методології агрохімічних досліджень. - М .: Изд-во Моск. ун-ту, 1997..

    6. Мінєєв В.Г. Агрохімія і екологічні функції калію. - М .: Изд-во Моск. ун-ту, 1999..

    7. Челіщев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., Володін В.Ф. Цеоліт - новий тип мінеральної сировини. - М .: Недра, 1987.

    8. Середина В.П. Калій в автоморфних грунтах на лесовидних суглинках. - Томськ: Вид-во Томськ. ун-ту, 1984.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити