Взаимное влияние кремниевых, фосфорных и азотных удобрений в системе почва-растение, страница 9

Ятрофа устойчива к засухе и вредителям, при этом её семена содержат до 40 % масла.Переработанное масло семян ятрофы может использоваться в качестве топлива в обычныхдизельных двигателях. С 2009 года на территории республики Того организована плантация повыращиванию данного растения.Первый этап исследований проводили в сосудах объемом 1 л, в качестве субстратаиспользовали промытый кварцевый песок и серую лесную почву.

Посадку ятрофы проводилипроросшими семенами. Раствор монокремниевой кислоты (в концентрации 100 мг/л по Si) идиатомит Ульяновского комбината в дозе 1000 кг/га (1 г на сосуд) были взяты в качествеисточника активного кремния. Диатомит вносили до высадки семян, а раствор монокремниевойкислоты вносили во время полива. Для симуляции солевой токсичности использовали хлориднатрия, который добавляли в сосуды в дозах 0,5 и 1% по натрию. Повторность эксперимента 4-хкратная.

Через 2 месяца измеряли биомассу растений (вес корней и зеленой части), а такжеконцентрацию кремния в различных частях растений.Второйэтаписследованийбылпроведеннатерриторииплантацииятрофы,расположенной в 50 километрах на север от столицы Того г. Ломе. Почва плантации былаопределена как тропическая железистая почва легкого гранулометрического состава. Наэкспериментальном поле были выделены 24 участка площадью по 4 м2 на которые быливысажены 1-месячные саженцы ятрофы (по 4 саженца/участок). Были заложены следующиеварианты: контроль, 0,5% Na, 1% Na, диатомит (1 т/га), диатомит + 0,5% Na, диатомит +1% Na.Соль вносили в виде растворов хлорида натрия во время еженедельных поливов из расчета 8 лраствора на 1 м2.

Через 1,2, 4 и 8 месяцев измеряли высоту ятрофы.46Модельные экспериментыМодельные эксперименты по исследованию влияния активных форм кремния нарастворимость фосфатов проводили в полиэтиленовых флаконах объемом 20 мл, куда приливалибидистиллированную воду или раствор монокремниевой кислоты в концентрациях 10, 25, 50, 125и 500 мг/л по Si и добавляли фосфаты в виде двузамещенного фосфата кальция (Ч.Д.А.).Соотношение между твердым фосфатом и раствором - 1:20. Было определено содержаниефосфат-аниона в растворе через 1, 5, 10, 34, 50 часов и 7, 14, 20 суток. Повторность эксперимента– четырехкратнаяИнкубацию проводили в течение месяца при температуре 24-26оС и влажности 15-20% взакрытых полиэтиленовых пакетах.

После инкубации образцы высушивали до влажности 8-12%и затем определяли содержание монокремниевой кислоты, кислоторастворимого кремния,доступного для растений фосфора и делали фракционный анализ фосфора по методикеРотамстедской опытной станции, разработанной для щелочных почв (Rothamsted ExterimentalStation) (Thomas, Peaslee, 1973). В почвенных образцах также определяли рНвод. Повторностьэксперимента была четырехкратной.Инкубационные исследования проводили с использованием двух супесчаных почв(дерново-подзолистой и серой лесной), отобранных, соответственно, на севере и юге Московскойобласти.

В качестве соединений кремния были выбраны химически чистый диоксид кремниямарки А-30 и диатомит Инзенского месторождения, размолотый до размера 0,2-0,5 мм.Эксперимент провели по следующей схеме. В стеклянные колбы объемом 200 мл добавляли по10 г кремниевого соединения, затем добавляли по 100 мл раствора фосфата калия (ХЧ) сразличной концентрацией по фосфору (от 0,5 до 300 мг/л Р) и колбы ставили на мешалку на 1 час.После фильтрования полученных растворов через фильтр белая лента в них определялисодержание фосфора фотометрическим методом. Повторность эксперимента была пятикратной.Определение адсорбционной способности почв по отношению к фосфору при внесении вних твердых кремниевых удобрений.Химически чистый диоксид кремния марки А-30 идиатомит Инзенского месторождения, размолотый до размера 0,2-0,5 мм, вносили в образцыверхних горизонтов дерново-подзолистой и серой лесной почв в дозах 1,5 и 10 г/кг почвы.

Затемпочвы инкубировали в течение 1 месяца при нормальных условиях и влажности 20-25%. Послеэтого образцы почв высушивали при нормальных условиях, размалывали, просеивали через сито1 мм. В стеклянные колбы объемом 200 мл помещали по 10 г почвенных образцов, затемдобавляли по 100 мл раствора фосфата калия (ХЧ) с концентрацией по Р от 0,5 до 300 мг/л и колбу47ставили на мешалку на 1 час. После этого полученные растворы фильтровали через фильтр белаялента и анализировали на содержание фосфора фотометрическим методом. Повторностьэксперимента была пятикратная.Колоночные эксперименты проводили по следующей схеме.

Образцы почв, полученных врезультате одномесячной инкубации, высушивания и просеивания через сито в 1 мм, помещалив пластиковые колонки высотой 25 см и диаметром 1 см. Далее начинали прокачиватьдистиллированную воду со скоростью 5 мл в час. Полученный раствор собирали и определялисодержание фосфора фотометрическим методом.

Повторность эксперимента 4-х кратная. Послепроведения экспериментов почва из колонок была проанализирована на содержаниеводорастворимого и кислоторастворимого (0,2 н HCl) фосфора.48Глава 3Полученные результаты.3.1. Взаимовлияние кремниевых удобрений и фосфатовВоздействие монокремниевой кислоты на фосфатыЗначительное количество работ по влиянию кремниевых удобрений на плодородие почвпосвящено их воздействию на фосфаты (Матыченков, 2008; Matichenkov, Bocharnikova, 2001).Первые опыты по изучению взаимодействия Si и P, как отмечалось выше, были начаты во второйполовине 19-ого века на Ротамстедской станции в Англии.

Гипотеза о возможности реакцииобмена силикат-иона на фосфат-ион при внесении кремниевых удобрений была высказана в 1906году Hall и Morison. Дальнейшие исследования подтвердили, что при добавлениилегкорастворимого кремнезема в почву увеличивается содержание доступных фосфатов. Втридцатые годы в Ленинграде А.И.Литкевич (1936) под руководством И.В.Кирсанова провелкомплексные исследования влияния кремнегеля на почву и растения. Добавление в беднуюфосфором почву кремнегеля или легкорастворимых фосфатов приводило к увеличению фосфорав растениях. Использование труднорастворимых фосфатов не влияло на содержание фосфора врастениях, тогда как одновременное внесение труднорастворимых фосфатов и кремнегелясущественно увеличивало содержание фосфора в растениях.

А.И.Литкевич (1936) выдвинулгипотезу о способности геля кремниевой кислоты переводить труднорастворимые фосфаты вдоступные для растений формы. В результате дальнейших многочисленных исследований былоустановлено, что различные кремниевые удобрения (аморфный диоксид кремния, кремнегель,силикаты кальция, калия, натрия) могут увеличивать содержание подвижных фосфатов в почвах(Рочев, Барсукова, 1984; Швейкина, 1986; Reifenberg, Buckwold, 1954) или повышать доступностьфосфора растениям (Knickmann, 1962; Орлов, 1986).

Причем наибольший эффект установлен набедных питательными элементами почвах. На почвах с высоким содержанием доступногофосфора эффект от внесения кремниевых удобрений наблюдался не всегда.Было высказано несколько гипотез о механизме влияния кремниевых соединений нафосфаты. Во-первых, К.Л. Аскинази (1949) предположил, что анион кремниевой кислотывытесняет фосфат-анион из труднорастворимых фосфатов.

Этой же гипотезы придерживался иА.М. Авдонин (1982). Впоследствии данное предположение было подтверждено в ряде работ(Матыченков, Бочарникова, 2003; Матыченков, 2008).49Согласно другой гипотезе, вносимый кремнезем адсорбирует подвижный фосфор в почве,что, с одной стороны, препятствует его более прочной (необменной или химической) адсорбции,а, с другой стороны, предотврашает вынос с почвенными водами (Гладкова, 1982; Mortveat, 1986).Также предполагают, что силикат-анион является конкурирующим по отношению к фосфатаниону. Увеличение концентрации первого в почвенном растворе приводит к нарушениюсоотношения адсорбированных фосфат- и силикат-ионов, увеличению концентрации фосфатионов в почвенном растворе, и, соответственно, усилению поглощения фосфора растениями(Oliera et al., 1986).

Эта гипотеза подтверждается данными, что при внесении в почвулегкорастворимых фосфатов наблюдается увеличение содержания подвижных соединенийкремния в почве (Goreti et al., 1986). Как показали полевые исследования, такой механизмвозможен и наиболее эффективен в песчаных почвах (Chiney et al., 2006).При изучении той или иной теории можно выделить три основные этапы исследования.Во-первых, это теоретические вычисления, которые доказывают принципиальную возможностьтого или иного процесса или механизма в природе. Во-вторых, модельные исследования,позволяющие на более простых, чем в природе системах изучить возможный механизм илипроцесс.

И наконец, полевые исследования, результаты которых могли бы подтвердить наличиеизучаемого механизма или процесса в природе. Для определения механизма взаимодействиякремниевых соединений с почвенными фосфатами нами были последовательно проведены всетри этапа исследований.Первый этап: теоретические расчетыРасчеты концентрации фосфатов в насыщенных растворах проводили с использованиемлитературных материалов (Наумов и др., 1972; Рудакова и др., 1986; Lindsay, 1979).Расчеты были выполнены для следующих фосфатов: монокальцийфосфат, дикальцийфосфат,Mg3(PO4)2 – как наиболее вероятных форм аккумуляции подвижных соединений фосфора впочвах (Гинсбург, 1981).Монокальцийфосфат Ca(H2PO4)2Ca(H2PO4)2 ↔ ½ Ca2+ + H2Р2O-4Алгоритм расчета концентрации фосфaт-анионаlgCPO4 = -1,50 – 0,5 lgCCa – 0,5 lgαCa2+ - lgαH2PO4- - lgγH2PO4- - 0,5 lgγCa2+.50В качестве конкурирующих реакций для расчета учитывали образование силикатов βCaSiO3 иCa2SiO4:Log KβCaSiO3 + 2H+ + H2O = Ca2+ + H4SiO413,27Ca2SiO4 + 4H+ = Ca2+ + H4SiO437,82Для расчетов lgα SiO44- и lgα SiO32- использовали константы диссоциациикремниевых кислот:H4SiO4 ↔ H3SiO4- + H+-9,71H3SiO4- ↔ H2SiO42-+ H+-11,80H2SiO4- ↔ HSiO43- + H+-12,00HSiO4- ↔ SiO44- + H+-12,00H4SiO4 + OH- = HSiO3- + 2H2OK1(H+)=10-9,8HSiO3- + OH- = SiO32- + 2H2OK2(H+)=10-12,16Ионную силу растворов брали за J=0,01.Концентрацию кальция в расчетах принималиравной ССа = 10-1 М или lg ССа = -1.Концентрацию монокремниевой кислоты принимали равнойСH4SiO4 = 0.01 М, что соответствует концентрации монокремниевой кислоты при растворенииаморфного диоксида кремния.Расчеты конкурирующих реакций при образовании βCaSiO3 выполняли по алгоритмуlgCPO4 = lgCPO4 + lgαH4SiO4,lgαH4SiO4 = lg (1+KβCaSiO3 CH4SiO4 αSiO32-),где αSiO32- = K1K2/([H+]2 + K1[H+] + K1K2).Расчеты конкурирующих реакций при образовании Ca2SiO4 выполняли по алгоритмуlgCPO4 = lgCPO4 + lgαH4SiO4,lgαH4SiO4 = lg (1+KCa2SiO4 CH4SiO4 αSiO44-),где αSiO44- = K1K2 K3K4/([H+]4 + K1 K2 [H+]3 + K1 K2 K3[H+]2 + K1K2 K3K4).Полученные результаты показали, что в случае βCaSiO3 повышение концентрации фосфат-анионакак результат действия конкурирующей реакции происходит только при рН выше 6, а в случаеобразования Ca2SiO4 - при рН начиная с 3 и выше.