Влияние диатомита, цеолита и бентонитовой глины на показатели физико-химического состояния дерново-подзолистой почвы

глина, кислотность, подвижный алюминий, обменный питательную составляющую [4-8]. Например, ряд авторов [9-13] описывает существенное положительное влияние кремниевых материалов на продуктивность и качество продукции культурных растений. Другие исследователи [14-19] объясняют оптимизацию почвенно-поглощающего (ППК) и почвенно-биотического (ПБК) комплексов почвы посредством сложных ионообменных и биохимических взаимодействий с веществом опок, трепелов и различных глин.

Новизна и цель исследования. В настоящее время недостаточно исследований, которые характеризовали бы влияние высоких доз диатомовой, цеолитовой и бентонитовой пород на коллоидное состояние почвы и ее физико-химические свойства и, вследствие чего, на стабильность агроландшафтов в условиях дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны России. Поскольку оптимизация ППК является ключевым фактором формирования свойств устойчивости почв агроценозов, полученные данные позволяют не только понимать степень влияния кремнийсодержащих материалов на состояние эффективного плодородия почвы как на следствие, но также и на сопряженность процессов поч-венно-поглощающего и микробиотического комплексов в ней как на ключевые причины.

Цель работы: раскрытие механизмов взаимодействия почвенно-поглощающего вещества дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы и высоких доз природных кремнийсодержащих пород, выступающих в качестве кондиционеров – почвоулучшителей ионообменного и сорбционного типов.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили на базе картофелеводческого предприятия ООО «Элитхоз» Борского района

Нижегородской области, где в 2014 г. был заложен микрополевой опыт с полевыми сельскохозяйственными культурами. В первые два года испытаний (2015-2016 гг.) выращивалась озимая пшеница сорта Московская 39 и ячмень сорта Велес .

Объектами исследований являются кремнийсодержащие породы – диатомит Инзенского месторождения (Ульяновская область), цеолит Хо-тынецкого месторождения (Орловская область) и бентонитовая глина Зырянского месторождения (Курганская область), обобщенный химический состав которых представлен в табл. 1.

Таблица 1. Обобщенный химический состав высококремнистых пород

Порода	ИЕ*	Элемент в оксидной форме (на абс.-сух. вещество)
		SiO 2	P 2 O 5	K 2 O	CaO	MgO
Диатомит	80
- валовая форма, %		83,1	0,05	1,25	0,52	0,48
- подвижная форма, мг/кг		12200	37	350	10	39
Цеолит	48
- валовая форма, %		56,6	0,23	1,82	13,3	1,90
- подвижная форма, мг/кг		7950	260	250	4800	1600
Бентонит	150
- валовая форма, %		52,3	0,12	0,92	5,5	3,2
- подвижная форма, мг/кг		10500	165	87	46,1	14,2

Примечание: * – ионообменная емкость, мг-экв./100 г

Схема опыта предусматривает вариант без пород (контроль), а также по три варианта с внесением в почву трех доз диатомита (Д 1 , Д 2 , Д 3 ), цеолита (Ц 1 , Ц 2 , Ц 3 ) и бентонитовой глины (Б 1 , Б 2 , Б 3 ). Породы вносили однократно в летний период 2014 года в пахотный слой почвы при разбивке участка и закладке опытов в высоких дозах из расчета по 3, 6 и 12 т/га каждого вида. Агротехника выращивания культур – общепринятая для микрополевых экспериментов, все работы проводились вручную. Учетная площадь делянки – 1 м², расположение делянок рендомизированное, повторность в опытах – четырехкратная. Образцы почвы отбирали в день уборки урожая культур: точетные – методом конверта из пяти точек с делянки, соединяя их в один объединенный образец.

Микрополевой опыт был заложен на одном участке, сложенным дерново-подзолистой легкосуглинистой почвой, которая характеризуется низким содержанием гумуса (1,2%), среднекислой реакцией среды (4,8 ед. рН KCl ), а также средней обеспеченностью подвижными формами фосфора (86 мг/кг), калия (110 мг/кг) и кремния (16 и 213 мг/кг). Погодные условия местности в 2015 г. характеризовались незначительным количеством осадков, а сам год в целом был более жарким по сравнению со средними климатическими нормами региона. Метеоусловия 2016 г., наоборот, не отличались дефицитом осадков, а температура воздуха колебалась в пределах нормы с небольшим ее превышением в августе.

В почве, отобранной из пахотного слоя, определялась обменная кислотность (рН солевой вытяжки) ионометрическим методом с помощью рН-метра МАРК-903 по ГОСТ 26483-85, гидролитическая кислотность(Нг) – титриметрически по методу Каппена. Содержание подвижного алюминия определялось титриметрическим способом по А.В. Соколову, содержание обменных соединений кальция и магния – комплексонометрическим титрованием с трилоном Б по методу ЦИНАО (ГОСТ 26487-85). Все аналитические изменения выполнены из воздушносухой почвы, просеянной через сито с диаметром ячеек в 1 мм. Исследования проводились на базе лабораторного комплекса «Эколого-аналитическая лаборатория мониторинга и защиты окружающей среды» Мининского университета, аналитическая повторность – трехкратная. Математическая обработка результатов исследований выполнена по Б.А. Доспехову [20] методом дисперсионного анализа с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.

Результаты исследований. В табл. 2 и 3 показаны данные за 2 года (2015-2016 гг.) по изменению показателей обменной и гидролитической кислотности дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, а также содержания в ней подвижных соединений алюминия в зависимости от дозы диатомита, цеолита и бентонитовой глины.

Было установлено, что как в первый, так и на второй год исследований показатель рН солевой вытяжки почвы повышался в зависимости от дозы любого из рассматриваемых кремнийсодержащих материалов. Так, минимальное повышение показателя отмечалось на варианте с диатомитом в дозе 3 т/га – на 0,11-0,13 ед. рН, среднее увеличение было установлено на варианте с бентонитовой глиной – на 0,13-0,16 ед. рН и наибольшее – от дозы цеолита (на 0,23-0,27 ед. рН).

Максимальное увеличение показателя рНKCl было отмечено при второй дозе высококремнистых пород (6 т/га). Так, на варианте с диатомовой породой также отмечалось наименьшее увеличение показателя (0,32-0,30 ед. рН), а на варианте с цеолитовой породой – наибольшее (0,40-0,41 ед. рН по годам исследований). Однако на вариантах дозой кремнийсодержащих материалов в 12 т/га значение рН солевой вытяжки почвы не продолжало увеличиваться и имело несущественную разницу со значениями вариантов предыдущей дозы. Необходимо отметить, что практически по всем вариантам данный показатель сильнее изменялся на второй год исследований по отношению к значениям, полученным на контроле.

Таблица 2. Влияние высококремнистых пород на обменную кислотность почвы и содержание в ней подвижного алюминия

Вариант	Обменная кислотность, рН KCl , ед. рН				Подвижный алюминий Al3+, мг/100 г почвы
	2015 год		2016 год		2015 год		2016 год
	среднее	± к кон-тролю	среднее	± к кон-тролю	среднее	± к кон-тролю	среднее	± к кон-тролю
Контроль	4,81	–	4,90	–	3,26	–	3,79	–
Д 1	4,92	0,11	5,03	0,13	3,03	-0,23	3,41	-0,38
Д 2	5,13	0,32	5,20	0,30	2,64	-0,62	3,03	-0,76
Д 3	5,06	0,25	5,16	0,26	2,18	-1,08	2,64	-1,15
Ц 1	5,04	0,23	5,17	0,27	3,11	-0,15	3,57	-0,22
Ц 2	5,21	0,40	5,31	0,41	3,01	-0,25	3,29	-0,50
Ц 3	5,16	0,35	5,28	0,38	2,90	-0,36	3,17	-0,62
Б 1	4,94	0,13	5,06	0,16	2,55	-0,71	2,86	-0,93
Б 2	5,14	0,33	5,25	0,35	2,04	-1,22	2,20	-1,59
Б 3	5,10	0,29	5,21	0,31	1,86	-1,40	1,77	-2,02
НСР 05		0,22		0,10		0,20		0,23

Содержание подвижных форм алюминия в почве, в значительной степени обуславливающих ее полную кислотность, существенно снижалось при взаимодействии почвы с высокими дозами высококремнистых материалов. Исключением явился вариант с первой дозой Хотынецкого цеолита, на котором уменьшение показателя находилось в переделах ошибки опыта. При этом данный материал среди прочих в наименьшей степени влиял на содержание подвижного алюминия в почве (снижение на 0,36-0,62 мг/100 г от максимальной дозы соответственно по годам исследований). Наибольшее снижение содержания в почве подвижных форм алюминия было отмечено на вариантах с применением 12 т/га бентонитовой глины, где уменьшение показателя составило 1,40 и 2,02 мг/100 г почвы. На вариантах с такой же дозой диатомовой породы сни- жение показателя составило 1,08 и 1,15 мг/100 г почвы по годам исследований.

Нужно отметить, что на второй год испытаний наблюдалось усиление снижения содержания в почве подвижного алюминия на вариантах со всеми рассматриваемыми кремнийсодержащими материалами, что, очевидно, может быть обусловлено пролонгацией их взаимодействия с почвенно-поглощающим комплексом, которая, по ряду мнений, может достигать 4-6 лет в зависимости от дозы материала и типа почвы [21]. Однако уже на второй год исследований сила действия на показатель кратности увеличения дозы пород снижалась в отношении диатомита (от 2,7-4,7 раза до 2,0-3,0 раз) и повышалась в отношении бентонитовой глины (от 1,7-2,0 раз до 1,8-2,2 раза).

Таблица 3. Влияние высококремнистых пород на гидролитическую кислотность почвы

Вариант	Гидролитическая кислотность Нг, мг-экв./100 г почвы
	2015 год		2016 год		в среднем за 2 года
	среднее	± к контролю	среднее	± к контролю
Контроль	2,84	–	2,75	–	2,80
Д 1	2,83	-0,01	2,70	-0,05	2,77
Д 2	2,76	-0,08	2,63	-0,12	2,70
Д 3	2,74	-0,10	2,60	-0,15	2,67
Ц 1	2,76	-0,08	2,61	-0,14	2,69
Ц 2	2,60	-0,24	2,49	-0,26	2,55
Ц 3	2,52	-0,32	2,41	-0,34	2,47
Б 1	2,80	-0,04	2,66	-0,09	2,73
Б 2	2,74	-0,10	2,58	-0,17	2,66
Б 3	2,69	-0,15	2,53	-0,22	2,61
НСР 05		0,08		0,08	–

Данные аспекты могут быть обусловлены различием в ионообменных механизмах взаимодействия коллоидной системы почвы и вещества пород, характеризующихся неодинаковым генезисом и свойствами [15, 22].

В отличие от значений рН солевой вытяжки показатель гидролитической кислотности дерновоподзолистой почвы, претерпевшей двухлетнюю экспозицию взаимодействия с веществом кремнийсодержащих пород, наоборот, закономерно снижался к вариантам с максимальной дозой (табл. 3).

Здесь прослеживалась аналогичная тенденция в части неодинаковой силы изменения показателя в зависимости от породы. Например, если на вариантах с диатомитом наибольшее снижение показателя было равно 0,10 и 0,15 мг-экв./100 г почвы по годам исследований, то на вариантах с цеолитовой породой оно составило 0,32 и 0,34 мг-экв./100 г почвы. На вариантах с бентонитовой глиной гидро- литическая кислотность почвы снижалась на 0,15 и 0,22 мг-экв./100 г почвы соответственно в 2015 и 2016 годах. Подобно показателям рНKCl и содержания подвижных соединений алюминия значения Нг почвы также сильнее изменялись (снижались) на второй год исследований по отношению к первому. Другой стороной почвенно-поглощающего комплекса дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы является содержание обменных соединений кальция и магния, которые приобретают наибольшее значение в нейтрализации избыточной кислотности почвы, коагуляции частиц и формировании ее водопрочной структуры, а также в образовании особо устойчивых фракций с органическими матрицами и гумусовыми компонентами в почве [2, 3]. В табл. 4 показаны результаты взаимодействия природных кремнийсодержащих материалов с почвой в части изменения в ней содержания обменных форм кальция и магния, а также их соотношения.

Таблица 4. Влияние высококремнистых пород на содержание обменных соединений кальция и магния

Вариант	Обменный кальций Ca2+, мг-экв./100 г почвы			Обменный магний Mg2+, мг-экв./100 г почвы			Ca : Mg
	2015 год	2016 год	в сред. за 2 г.	2015 год	2016 год	в сред. за 2 г.	2015 год	2016 год	в сред. за 2 г.
Контроль	5,12	5,23	5,18	1,19	1,26	1,23	4,3	4,2	4,3
Д 1	5,14	5,77	5,46	1,25	1,43	1,34	4,1	4,0	4,1
Д 2	5,15	5,79	5,47	1,32	1,50	1,41	3,9	3,9	3,9
Д 3	5,19	5,82	5,51	1,44	1,63	1,54	3,6	3,6	3,6
Ц 1	6,43	8,56	7,50	3,18	4,49	3,84	2,0	1,9	2,0
Ц 2	10,30	13,67	11,99	5,76	8,11	6,94	1,8	1,7	1,8
Ц 3	18,04	23,89	20,97	10,92	15,33	13,13	1,7	1,6	1,7
Б 1	5,19	5,94	5,57	1,21	1,45	1,33	4,3	4,1	4,2
Б 2	5,27	6,02	5,65	1,24	1,48	1,36	4,3	4,1	4,2
Б 3	5,42	6,19	5,81	1,28	1,53	1,41	4,2	4,0	4,1
НСР 05	0,17	0,18	–	0,09	0,13	–	–	–	–

Было выявлено, что из всех изучаемых материалов применение цеолита способствовало многократному увеличению содержания в почве обменных форм кальция и магния. В частности, уже на варианте с минимальной дозой вещества (3 т/га) содержание обменного Ca2+ возрастало на 26% в первый год и на 64% во второй год исследований по отношению к контролю. На этом же варианте содержание обменного Mg2+ в почве возрастало в 2,7 раза и в 3,6 раза по годам исследований. С двух- и четырехкратным увеличением дозы цеолитовой породы содержание обменных соединений кальция и магния возрастало практически пропорционально самой дозе: до 2,0-3,5 раза и до 2,6-4,6 раза в отношении кальция, а также до 4,8-9,2 раза и до 6,4-12,2 раза в отношении магния по годам исследований соответственно. Подобного рода закономерности, очевидно, были обусловлены очень высоким содержанием кальция и магния в исходной Хотынецкой породе (см. табл. 1), которая представлена аморфными (некристаллическими) формами, способными достаточно быстро взаимодействовать с коллоидной системой почвы и переходить в почвенный раствор [23].

Влияние бентонитовой глины и диатомита на содержание подвижных соединений кальция и магния в почве было не столь значительным, однако, как и в случае с цеолитом, сильно возрастало на второй год исследований. Так, на вариантах с диатомовой породой в первый год испытаний в отношении подвижного кальция положительного действия не отмечалось, однако на второй год таковое достигало 10-11% от контрольного значения вне зависимости от дозы материала. Содержание обменных форм магния в почве возрастало пропорционально дозе диатомита в первый год (на 5-21%), однако на второй год влияние уровня дозы было более выраженным (на 14-29% по отношению к контролю), но при этом в меньшей степени зависело от ее кратности увеличения. В отношении вариантов с различными дозами бентонитовой глины и содержания обменных соединений кальция и магния в почве нужно сказать, что рассматриваемые показатели повышались на второй год – на 14-18% по кальцию и на 15-21% по магнию в зависимости от уровня дозы. В первый год испытаний положительное действие прослеживалось только на варианте с максимальной дозой породы – увеличение содержания кальция и магния соответственно на 6% и 8% по отношению к контролю. В целом по обоим показателям нужно отметить, что применение диатомита, цеолита и бентонитовой глины способствовало сужению соотношения Ca : Mg по мере увеличения дозы каждой из пород, причем, в большей степени на вариантах с цеолитом Хотынецкого месторождения.

Выводы: применение природных кремнийсодержащих пород различного генезиса в высоких дозах способствует изменению показателей физико-химического состояния дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Нижегородской области. В среднем за 2 года исследований обменная кислотность почвы снижается на 0,41, 0,34 и на 0,31 ед. рН KCl соответственно от применения 6 т/га цеолита, бентонитовой глины и диатомита. Максимальное снижение содержания подвижных соединений алюминия в почве установлено от применения наибольшей дозы (12 т/га) каждой из этих пород – на 0,33, 0,19 и на 0,13 мг/100 г почвы. Изучаемые породы способствуют увеличению содержания обменных соединений кальция и магния в почве – на 0,33, 0,63 и 15,79 мг-экв. Ca²⁺/100 г почвы и на 0,31, 0,18 и 11,90 мг-экв. Mg²⁺/100 г почвы от дозы в 12 т/га диатомита, бентонита и цеолита. Таким образом, можно констатировать, что двухлетние изменения, происходящие в почвенно-поглощающем комплексе дерново-подзолистой почвы, в целом способствуют оптимизации ее коллоидной системы в условиях применения природных высококремнистых пород в качестве кондиционеров – почво-улучшителей ионообменного и сорбционного типов.