Роль оксидов алюминия в почвообразовании и влиянии на продуктивность чайного куста Адам Ханна Киваркис

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Значение алюминия в почвообразовании и плодородии почв 8

1-І—I. Краткие общие сведения о Я 8

1-1-2 Соединения оке вдов AI и их роль в почвообразовании 12

1.2.I. Группы и формы оксидов алюминия и диагностики почв 14

1-2-2. Группы, формы и фракции соединения оксидов алюминия'- в почвах 16

ГЛАВА II. Объекты исследования 35

Глава III. Методы исследований 48

1. Методика определения групп, форм и фракций оксидов алюминия в почвах 48

Ш-І-І. Методы извлечения соединения алюминия 49

Ш-І-2. Методы определения оксидов алюминия 56

Ш-2-І. Методика определения других показателей почв 59

ГЛАВА ІV. Группы,форш и фракции оксидов аі в почвах 62

ІУ-І. Содержание и соотношение оксидов АІ в коревыветривания 62

ІУ-2. Содержание и соотношение оксидов и гидро оксидов АІ в остальных типах почв 68

ІУ-2-І.Почвы влажных тропиков и субтропиков 69

ІУ-2-2.Тропические андосоли (вулканические почвы) 77

ІУ-2-3.Почвы аридных и полуаридных тропиков и субтропиков 82

ІУ-2-4 .Группы и формы оксидов АІ в почвах влажных субтропиков 90

ІУ-2-5. Содержание и распределение оксидов АІ в почвах

умеренно-теплого климата 103

ІУ-3. Обменные и необменные фракции АІ в почве 114

ГЛАВА У. Группы,форш и фракция оксидов аі в почвечайных плантаций 121

У-І-І. Влияние удобрений на формы соединений оксидов АІ в красноземе 121

У-І-2. О роли групп, форм и фракций оксидов АІ в кислотности почв 136

У-І-3. Влияние АІ на другие свойства почв 144

У-2-І. Влияние оксвдов АІ на продуктішность чайного куста 152

У-2-2. Влияние оксидов АІ на рост кукурузы в модельном опыте 155

Выводы 165

Список литературы

• Соединения оке вдов AI и их роль в почвообразовании
• Методы определения оксидов алюминия
• Содержание и соотношение оксидов и гидро оксидов АІ в остальных типах почв
• О роли групп, форм и фракций оксидов АІ в кислотности почв

Введение к работе

Алюминий в почвах занимает второе место, но его значение в генезисе, плодородии и кислотности их до сих пор изучены недостаточно. В современном изучении свойств почв ограничивались определением только валового, обменного и необменного AI. Однако, что представляет собой необменный алюминий до сих пор остается неясным. Мы продолжили начатые исследования А.Гахамани (1978) групп, форм и дополнили их изучением фракций оксидов АІ в почвах различного генезиса. Постановка исследований была направлена на выяснение соотношения различных соединений оксидов АІ в целях выявления их генетико-диагностической роли и распознавания почв на различных таксономических уровнях.

Кроме того, важное значение придавались выяснению токсического действия на растения подвижного AI, преимущественно на культуру чайного куста.

Цель и задачи исследовании сводились к установлению количественных закономерностей соотношений различных оксидов AI, по которым могут быть вскрыты их значения в диагностике почв.

1. В подобранной серии генетически различных почв определены группы, формы и фракции окевдов AI.

2. Выявление содержания формы и фракции в почвах оксидов AI и оценка влияния каждой из них в диагностике и токсичности для растений.

3. В полевых условиях выяснялись действия некоторых оксидов AI на плодородие почв и продуктивность чайного куста.

4. В модельном опыте попытаться выявить предельные величины токсичного действия океддов AI на культуру кукурузы.

5. На основе полученных материалов установить характер или -6 яния AI на кислотность и другие свойства почв.

В настоящей работе предложена уточненная схема выделения различных форм соединений оксидов AI. Апробирован на ряде почв метод Дюінофура-Сушье. Уточнены и установлены новые,для почв различного генезиса, диагностическке соотношения групп, форм и фракций оксидов AI. Сделана попытка определить природу необменных форм оксидов AI.

Впервые критически обобщены данные по токсичному влиянию оксидов Я на рост, развитие и продуктивность некоторых сельскохозяйственных растений.

Использование полученных данных для диагностики почв с кислыми значениями рН и пути установления токсичности названных форм оксидов AI на растения и свойства почв, имеющих большую практическую ценность.

Основные положения диссертации докладывались в 1983-1984 гг. на научных конференциях по вопросам тропического и субтропического сельского хозяйства в Университете дружбы народов им.П.Лу-мумбы. По материалам работы подготовлены к печати 2 статьи.

Исследования проводились на кафедре почвоведения сельскохозяйственного факультета УДН и во Всесоюзном научно-производственном обьедішении чая и субтропических культур (Груз.ССР, Анасеули).

Хочу выразить признательность руководству ВНПЧ и СК в лице кандидата с/х наук Цанава З.П. и кандидата сельскохозяйственных наук лїахарадзе А.± . за предоставленную мне возможность проводить научные исследования и за оказанную помощь во время проведения полевых и лабораторных опытов в Анасеули.

Приношу свою благодарность Л.А.Кармановой и А.Н.Ерошкиной за оказанную мне помощь в выполнении настоящей работы.

Считаю своим приятным долгом выразить свою глубокую благодарность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук профессору СБ.Зонну за огромную заботу и всестороннюю помощь в завершении настоящей работы. Я глубоко убежден в том, что СВ. Зонн своїми ценными советами, указаниями и критическими замечаниями дал мне возможность познать Докучаевекое генетическое почвоведение и на его основе подойти к решению поставленных перед нами задач.

Выражаю свою искреннюю благодарность советскому народу, его авангарду КПСС за предоставленную мне возможность получить высшее образование и закончить аспирантуру в Советском Союзе.  

Соединения оке вдов AI и их роль в почвообразовании

Важную роль соединений AI в почвообразовании отмечали многие исследователи ( Jackson, 1963; Duchaufour,i964; Александрова и др. 1966; Педро Pedro, 1970Д97І; Зонн, 1974,1983). Тем не менее диагностическое значение оксидов AI в почвах вообще, а в кислых и особенно тропических почвах (Segalen, 1973; Kchean,I976; Boyer, 1977; Гахамани, 1978; Hamolin et al., 1979; Lao Qiguo, 1983). в особенности. Разногласия о роли оксидов алюминия авторов, изучавших его, значительные. Особенно показательны разногласия в оценке роли АІ, как подкислителя почв. Из наиболее вазкных исследований, выполненных за последнее время, несомненно выделяются работы Сегалена ( segalen, 1973) и А.Гахамани (1978).

Зонн СВ. (1974) придает важное значение АІ в почвообразовании и указывает, что пока не выявлены все формы его соединений, встречающиеся в почвах.

В связи с этим он (1983) подчеркивает необходимость дальнейшего изучения форм соединений AI, так как даже в выделяемых формах соединений его много еще неясного о их природе и поведении.

Преобразования оксидов АІ в почвах могут быть весьма различными и зависящими от среды, в которой они находятся. В кислой среде оксиды AI, образующиеся при преобразовании глинистых минералов, могут вступать в соединения и частично переходить в гумусово -алюминиевые соединения и, как и оксиды железа, мигрировать. В подзолистых почвах,коллоидный АІ связывается с гелем кремнезема и образует смешанный некристаллический гельаллофан (Алексан дрова, 1966; Зони, 1974).

По Педро ( Pedro,I971) тип почвообразования определяется, главным образом, поведением всех элементов, участвующих в процессе разложения и особенно поведением si и АГ, как самых распространенных элементов в земной коре.

Как известно, поведение оксидов АГ в почве находится в тесной зависиглости от наличия или отсутствия органических соединений. Поэтому группы и формы оксидов AT имеют важное значение в проявлении того или иного элементарного процесса почвообразования и динамике почв со свойственным им комплексам глинистых минералов. Так, во влажнотропических ферраллитных и аллитных почвах преобладаем образование каолинита и гиббсита. Последний выпадал в осадок в виде геля А1(0Н)з быстро кристаллизируется (Зонн, 1974).

Немаловажная роль принадлежит оксидам AT и в процессе сиал-литизации. Он, как известно, выделяется значительной потерей ще-лочно-земельных оснований, частично кремнезема алюмосиликатов за счет чего и происходит относительное повышение оксидов алюминия и железа (Зонн, Г969Д970). На это указывает и Педро (1971). Он считает, что при сиаллитном процессе происходит частичный вынос Si02 и накопление Af Og. Причем одним из диагностических показателей этого процесса являются широкие молекулярные отношения Si02 : R20 и si02 А120 ( 2-5) в минеральной части почвы. Кроме того они повышаются в почвообразующей породе.

Более глубокое разложение и преобразование первичных минералов свойственно процессу аллитизации. Для него характерно почти полное вымывание щелочных и шелочно-земельных металлов и кремнезема. Поэтому в аллитных почвах более интенсивно накапливаются оксиды AI и Ре (Пєдров, 1971; Cornell, Rochelle, 1983). В результате аллитизация сопровождается, как правило, кислой реакцией и процесс характеризуется преимущественно неосинтезом каолинита, обедненного кремнеземом (Дюшофур, 1970; Зони, 1974,1983), а также галлуазита и минералов группы бемита, гиббсита и др. (Зонн,1974, 1983; Розанов, 1983). При аллитизации молекулярные отношения Si02 к AI2O3 и п2з становятся меньше 2-2,5.

Процесс подзолообразования, сопровождается разрушением минералов под действием органических кислот и микроорганизмов. При этом в.отличие от аллитного процесса происходит вынос продуктов разрушения, в том чжле и оксидов AI в гор.В или за его пределы. Растворимые оксиды AI переходят в почвенный раствор, образуют ор-гано-минеральные комплексы и вымываются в верхних горизонтах накапливается преимущественно первичный кварц и вторичный кремнезем (Зонн, 1974).

Следовательно, главной чертой, отличающей подзолообразование от аллитообразования является поведение AI: он накапливается в процессе аллитизации и полностью при подзолообразовании.

Дать количественную оценку роли оке вдов Ре Е Я трудно, поскольку они имеют различные свойства и сказываются на почвообразовании принципиально по-разному. Присутствие оксидов KL в значительных количествах и формах, о которых мы знаем еще очень мало, все же позволяет полагать, что соотношения и распределения его форм может быть одним из важных диагностических показателей кислых почв, а среди них особенно тропических. По этому вопросу было высказано много мнений.

Так, Segalen (1973) считает отношение Si02:R2o.j полезным только при изучении выветривания, выноса и внутрипочвенного накопления оксидов AI.

Ранее было предложение принять за диагностический показатель коэффициент Гаррасовща ( & ) ( sa или кі под которым понимается отношение sio2 : А12о3 ). Этот коэффициент позволяет выявить степень и направление выветривания минералов, перемещение и накопление указанных оксидов в профиле почв. Кроме того этот коэффициент более точно показывает преобладание в почве минералов као-линитввой группы например, в аллитных почвах, где отношение Si02 : А12о3 2-2,5 (Зонн, 1969; Дюшофур, 1970) меньше кремнезема.

Методы определения оксидов алюминия

Для определения AI существует много методов, различающихся между собой по принципу их действия. Тем не менее все эти методы можно суммировать приблизительно в 3 большие группы: спектрометрические, объемные или титрометрические и весовые. Эти группы методов отличаются между собой не только по принципу действия, но и по точности результатов.

Весовые методы основаны на вычислении количества AI из суммарного веса полуторных окислов ( Ре2Оз» AI2O3, вместе с некоторым содержанием Р2о5 и ТЮ2 ) (Аринушкипа, 1970). Он является не очень точным, так как любая ошибка в определении суммарного веса полуторных окислов влияет на количество определяемого AI.

Объемные методы также не обладают высокой точностью. Среди этих методов широко применяются методы, основанные на определении AI в вытяжках титрованием щелочью в присутствии Nap и без него (McLean et al., 1959; Соколов, I960;Blanchet et al., I960; Zunino et al., 1975).

К объемным методам относится также и метод Соколова (1939), который основан на определении AI при вычислении количества Н-иона из суммарного содержания ионов AI и Е. Недостаток такого метода заключается в возможности перенесения ошибки, сделанной при определении обоих величин на AI.

Спектрометрические методы в настоящее время широко применяются в практике в связи с высокой точностью и простотой. Их разделяют на абсорбционные и эмиссионные спектральные.

Самыми удобными и точными являются абсорбционные метода. В настоящее вреіля уже применяются в практике хиглии почв такие методы как инфракрасные и атомно-абсорбционные (Hargrove et al., 1982).

Широко применяются колориметрические методы, новейшим методом среди которых считается автоматический метод Грига-Морисона (Grigg-Morisson, 1982). Метод основан на определении AI в вытяжках из почв с использованием катехолотового фиалетового прибора "Cnem-1аЪ".

При определении AI давно применяются множество разнообразных индикаторов, среди которых можно назвать следующие: ферон (Беляева, 1957); оксин (Little, I964;Arai, 1975); гематоксилин ( Dalai, 1975); ксилиновый оранжевый (Артемьева, 1967); стильбазо (Черкесов и др.,1968); и многие другие.

Однако наиболее удобным, точным и менее требовательным к реактивам и приборам является метод определения AI с алюминоном (smith, 1949). Его часто называют методом Ченери ( Chenery, 1955),

Этот метод получил широкое пршленение в почвоведении (Partt et al., 1961; Тяпкина, 1969; Igue et al., 1972; Гахамани, 1978; Монтоия, 1982 и др.).

Принцип метода заключается в том, что алюминон образует в растворе с AI красную окраску с максимальной интенсивностью при рН= 4,7. Однако, такую окраску алюминон образует и с другими ионами как: Ре »Оа +, Mg +, Ti4+, Сг3+ и др. Следовательно, для устранения мешающей роли этих элементов (Тяпкина, 1969; Segalen, 1973) рекомендуют использовать тиогликоливую, аскорбиновую кислоты или иониты.

Для определения форм соединений AI в исследуемых нами почвах, мы использовали следующую проведенную Гахалани (1978) на различных минералах и типах почв систему методов: свободного AI по Дшофуру--Сушье, аморфного по Тамму, алюмо-органических комплексов по Еас-комбу, экстрагируемого - ацетатом аммония и обменного AI методом 1н хлористого калия. Эти методы, опубликованы во многих работах (Гахамани, 1978; Зонн, IS83 и др.).

Определение AI в вытяжках проведено с алюминоном (по сьепегу, 1955), с последующим колориметрированием на ФЭК при 520-535 мм. Значение оптической плотности было переведено в мг-экв/100 г почвы с помощью калибровочного графика

Содержание и соотношение оксидов и гидро оксидов АІ в остальных типах почв

В обзоре литературы было показано, что второе место в большинстве почв занимают оксиды AI. В связи с этим, изучение групп и форм соединений AI как одного из важнейших элементов, имеющего большое значение в почвообразовании, диагностике почв. Оксиды AI (несиликатные) определяют многие свойства почв, а в конечнш счете и их плодородие. Однако их поведение и свойства оксидов AI рассматривали преимущественно в двух аспектах: валовом и подвижно-обменном. Последнему отводилась хотя и спорно, роль носителя кислотности почвенного раствора. Однако, повторяем до сих пор единого мления по этому вопросу не существует. Одни считают, что Н+ и А1+++ являются первопричиной кислотности почв, в зависимости от условий разложения и преобразования подвижных оксидов KL - в экстрагируемые, обменные и необменные форш AI.

Другие считают, что появление свободного AI в почвенных растворах представляет собой замещение ионов Н+ на ионы А1+++ и, что в таких случаях источником кислотности является Н+, а А1+++ не участвует в подкислений почв.

Наконец, существует и третья точка зрения, что при наличии на поверхности почв органических остатков, они служат источником ионов Н насыщающих почвы и вытесняющих АІ в почвенный раствор.

Наоборот при отсутствии или быстрой минерализации органических остатков в обменной форме и в почвенном растворе преобладает ион ЛІ. Однако подкисляет ли он почву остается неясным и не доказанным. Происходит это, по всей вероятности, потому, что почвообразовательный процесс, как это было показано С.В.Зонном (1983), существенно изменяет"формы соединений оксидов AI, что, вероятно, происходит в результате одщовремеиного биологического и геохимического преобразования состава первичных минералов с образованием новых - почвенных форм соединений оксвдов и гидрооксидов AI.

В отношении изучения преобразования оксидов AI ,в почвах имеется только две работы Сегалина ( Segalen, 1973) и А.Гахамани (1978). Наши исследования, как отмечалось и выше были направлены на уточнение и углубление схемы возможного выделения не только групп и форм оксидов AI, но и фракций AI, находящихся в ионном состоянии.

Проверка этой схемы была осуществлена на почвах различного генезиса, результаты которого рассматриваются ниже.

Естественно, что основное внимание было обращено на поведение AI в почвах влажных тропических, субтропических и аридных поясов, где поведение оксвдов AI является наиболее контрастным. Изучение почвы умеренно-теплого пояса (лесного и степного) было проведено лишь в сравнительных целях.

Почвы влашшх тропиков и субтропиков В качестве основных были изучены: 1. Торфянисто-глеевая (р.1) дельты р.Меконга 2. Торфяно-глеева (р.2) в пределах СРВ 3. Иловато-глеевая (р.З) 4. Тропические андосоли (Коста-Рика). Для всех этих почв характерно высокое содержание илистой фракции ( 70$) и однотипный состав глинистых минералов в ней.

Фракция состоит из гидрослюд диоктаэдрического типа и каолинита. Количество гидрослюд превышает 50%, Во всех образцах присутствует также высокодисперсный кварц (табл.8).

В торфянисто-глеевой почве слюды-гидрослюды так и каолинит имеют наиболее совершенную структуру. Степень совершенства структуры каолинита снижается в торфяно-глеевой почве, рефлексия его становится асимметричной с широким основанием. Мы предполагаем, что в этих почвах кроме каолинита присутствует каолинит-смеятит. Глинистые минералы иловато-глеевои почвы отличаются таше снижением степени совершенства структуры как каолинит-сментита так и гидрослюд. Можно полагать, что такое различие обусловлено в основном двумя факторами степенью и длительностью увлажнения и количеством органического вещества. В наибольшей степени этот процесс фиксируется в иловато-глеевои почве, в наименьшей - в торфянисто-глеевой (рис.3).

В большинстве глеевых почв на всех глубинах преобладает несиликатный оксид AI над силикатными. Это отличительная особенность почв. Она наиболее ярко проявляется на глубине 50-60 см, т.е. в наиболее увлажненных горизонтах всех трех профилей (табл.11).

Гидрооксиды силикатной группы в глеевых почвах содержатся в пределах от 8,02 до 12,06$, причем в торфянисто-и торфяно-глее-вых почвах содержание этой группы соединений AI увеличивается с глубиной, а в иловато-глеевои наоборот. Тем не менее доля силикатных оксидов AI в нижних горизонтах остается ниже 50$ от валового, за исключением горизонта 60-110 торфянисто-глеевой почвы, их содержание увеличивается до 61,65$ от валового. В поверхностных горизонтах торфянисто- и иловато-глеевых почв доля силикатных оксидов AI больше чем несиликатных и составляет соответственно 52,43-56,18$ от валового AI2O3.

О роли групп, форм и фракций оксидов АІ в кислотности почв

Изучение кислотности почв началось с начала XX века. Благодаря большому практическому значению, почвенной кислотности было уделено много внимания.

Многочисленные исследования были посвящены, главным образом, установлению величины кислотности в различных почвах.

Однако дискуссии о природе и механизме подкисления почв продолжаются более 70 лет. Дискуссия вызвана, главным образом, разнообразием применяемых методов и отличающихся между собой реактивами, используемыми для определения кислотности. Среди этих реактивов применяются нейтральные и гидролитически щелочные соли, а также свободные основания (Бозбуцкая и др.,1968).

При составлении результатов определений, полученных с помощью различных реактивов выясняется, во-первых, большая несогласованность данных, а, во-вторых, высказываются различные гипотезы о причинах кислотности почв.

Наиболее признанными в настоящее время являются гипотезы обменного алюминия (Каппен, 1934; Чернов, 1947), обменного водорода (Гедройц, 1924; Прянишников, 1915; Di Gleria, 1962), и двойной природы (AI, Н) потенциальной почвенной кислотности (Аскинази, 1955; Зони, 1974; Рустамов, 1978 и др.) в зависимости от генезиса и условий формирования почв.

Впервые, Т.П.Вейч (1904) установил, что раствор NaCl после взаимодействия с кислыми минеральными почвами подкисляется и содер жит AI, Ре и Mn . Он высказал предположение, что источником кис лотности макет быть минеральная часть почвы вследствие замещения и выделения из почв Na части AI, Ре и Мп. .

В дальнейшем идеи Вейча развивались Дайкухарой (1908) и Кап-пеном (1929). Они стремились экспериментально подтвердить роль обменного алюминия в почвенной кислотности.

Однако эту гипотезу не разделял Гедройц. Еще в I9II году,изучая действие фосфоритов на различных почвах, он пришел к выводу, что почвы, не насыщенные основаниями, содержат обменный водород. Наличием ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе он и объяснил подкисление нейтральных солей после взаимодействия их с кислыми почвами.

Дальнейшие агрофизиологические опыты Гедройца (1924) способствовали закреплению этой точки зрения и получившую в то время наибольшее признание среди агрохимиков и почвоведов как в СССР, так и за рубежом.

Гедройц (1922, 1924) объяснял подкисление почвы "вторичным" образованием AI в почвенном растворе, так как катионы солей вытесняют обменный водород. Последний, реагируя с ионами хлора, образует HCI. Она, в свою очередь, разрушает алюмосиликаты и другие соединения AI, в результате чего он проявляется в растворе.

Впоследствии, Каппен (1934) признал возможность параллельного обмена ионов AI и Н на катионы нейтральных солей. В то же время Гедройц (1930) в одной из последних работ не исключал роли AI в образовании обменной кислотности почв. Таким образом, произошло как бы обліки ниє точек зрения у основоположников двух диаметрально-противоположных гипотез. В дальнейшем гипотеза обменного AI в кислотности почв находит подтверждение в работах Соколова (1939), затем - Чернова (1947).

Несмотря на целый ряд критических замечаний и возражений, гипотеза о роли обменного AI в кислотности почв до сих пор отстаивается рядом исследователей (Антипов-Каратаев, 1963; Блэк, 1973; Мешанов, 1979; Panda, 1982; Васильев и др.,1982 и др.).

Следует отметить, что среди сторонников "гипотезы" алюминиевой обменной кислотности почв имеются разногласия об источниках AI, обнаруживаемого в солевых вытяжках из кислых почв. Сторонники Вейча - Дайкухара - Каппен считают, что ионы AI из почвенного поглощающего комплекса могут обмениваться на катионы нейтральных солей.

Как отмечает Гилли ( Gilly, 1958; Чернов (1959), Соколов (I960), Швертман ( siawertman, 1961) обменная кислотность многих о , р, почв обусловлена AI. Ионы AI , гидраты окислов АНОН) и АНОН) являются кислотами, поскольку они содержат протоны, которые можно удалить при диссоциации (Блэк, 1973). В этих кислотах протоны удаляются из молекул воды, окружающих AI.

Тренель (1930) высказал принципиально отличное представление о том, что в солевые вытяжки из кислых почв AI переходит из разрушающихся алюмосиликатов почвы. Это представление в дальнейшем было развито Алешиным (1952), Голетиани (1965) и др.

Ди-Глерия ( Di Gleria j.,1962) объясняет появление ионов AI в КЛ - почвенных вытяжках протолитическим взаимодействием.

Ряд исследователей утверждает, что почвы, обладающие Н-ионами в компенсирующем слое коллоидов и на мицеле также обладают кислотными свойствами. Пьер (1939), Deaai et al. (1951), Алешин (1952), Кузнецов (1966), Байорупене (1977), Анхель (1981) и другие полагают, что относительно повышенная концентрация Н-ионов на поверхности коллоидных частиц некоторых почв вызвана наличием адсорбционных равновесий между ионами внешней оболочки и почвенного раствора. Такие почвы имеют повышенные количества Н-иона в почвенном растворе и, следовательно, низкие величины рН.

Аскинази (1975) считает, что основным признаком кислотности почвы является наличие в почвенном растворе свободных водородных ионов, обусловливающих его кислую реакцию.

В настоящее время Орлов Д.С. (1975) считает, что основная часть П-ионов находится в илистой фракции твердой фазы почвы в поглощенном состоянии. Крупекий и др. (1968) считают, что АІ не оказывает никакого влияния на величину обменной кжлотности. Однако в последней работе (1975) авторы признают двойственную природу обменной кислотности, которая может быть обусловлена как обменным Н, так и обменным АІ.