Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 10
1.1 Почва и ее коллоидно-химические характеристики 11
1.2 Коллоиды почв 18
1.3 Ионный состав почвенного раствора 24
1.4 Значение электрокинетического потенциала для характеристики почв 29
1.5 Применение термического анализа для исследования почв 40
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 51
2.1 Объекты исследования 51
2.2 Методы исследования 66
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 77
3.1 Изучение минералогического состава исследуемых почв и минералов 77
3.2 Изучение электрокинетических и коллоидно-химических свойств почв 131
3.3. Влияние органической и минеральной компоненты почвы на формирование величины электрокинетического потенциала 143
ГЛАВА 4. Коллоидно-химические свойства почвы в опыте точного земледелия ргау-мсха имени К.А.Тимирязева 154
4.1 Результаты исследования почв методом ближней ИК-спектроскопии 154
4.2 Исследование физико-химических свойств почвенных образцов в рамках опыта ЦТЗ 162
Выводы 169
Список литературы
- Ионный состав почвенного раствора
- Методы исследования
- Изучение электрокинетических и коллоидно-химических свойств почв
- Исследование физико-химических свойств почвенных образцов в рамках опыта ЦТЗ
Введение к работе
Актуальность темы. В различных средах Земли, в том числе и в почвах, за счет высокой степени дисперсности материала, площадь поверхностей раздела между твердой, жидкой и газообразной фазами в масштабе нашей планеты измеряется триллионами квадратных километров. Коллоиды почвы состоят из наиболее химически активных компонентов этой огромной поверхности.
Изучаемые нами электрокинетические свойства почвы важны в современном мире интенсивных агротехнологий, так как усиленное применение химических средств защиты растений, удобрений, определенные приемы вспашки и посева оказывают на них свое влияние. Изменяя и улучшая электрокинетические свойства почв можно влиять на почвенное плодородие в целом.
Современные физико-химические методы анализа находят все более широкое
применение при изучении почв и продукции сельскохозяйственного
производства. Повышенный интерес к изучению минералов, имеющих коллоидную и предколлоидую дисперсность, вызван тем, что эти минералы в значительной мере определяют физико-химические свойства объектов, в которых они присутствуют, и помогают решать задачи генетического почвоведения. С каждым годом расширяются исследования высокодисперсных, в том числе глинистых минералов, встречающихся в почве, глинах, осадках рек и морей, ирригационных наносах. Успехи в изучении высокодисперсных минералов стали особенно значительными благодаря развитию смежных наук, в первую очередь физики, физической и коллоидной химии, кристаллографии, а также разработке новых методов и более совершенных аппаратов и приборов.
Степень разработанности темы. Нами продолжено научное исследование, проводимое на кафедре физической и коллоидной химии, по созданию комплексного анализа электрокинетических показателей различных типов почв некоторых регионов страны.
Значение полученных результатов исследования состоит в том, что при использовании термического анализа обоснована возможность определения состава полиминеральных природных смесей без распределения их на мономинеральные фракции. В результате применения данного метода можно определять минералогический состав почв, количественные и качественные характеристики органического вещества, количественную составляющую гигроскопической воды, установить характер гидратированных обменных ионов.
С помощью метода дериватографического анализа дана качественная и количественная оценка почв – определено содержание гигроскопической влаги, органического вещества, минеральной составляющей почв, в том числе состав глинистых минералов.
Проведена оценка возможности и эффективности использования
полученных результатов при применении методов физико-химического анализа, с целью оценки электрокинетических свойств почвы и применения их при
почвенно-экологическом мониторинге разных типов почв.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в изучении электрокинетических свойств различных типов почв, применении величины электрокинетического потенциала для характеристики состояния почвенных коллоидов и оценки влияния органической и минеральной составляющих почв на его формирование; оценке влияния в искусственно созданных смесях различных минералов на конфигурацию кривых ДТА и ДТГ при использовании метода термографии.
В процессе работы решались следующие задачи:
S исследование индивидуальных минералов и их смесей, наиболее часто встречающихся в почвах; оценка термоэффектов, входящих в состав смесей минералов;
S комплексная оценка некоторых физико-химических характеристик почв различных регионов России, таких как рН водной и солевой вытяжек, содержание органического вещества, содержание обменных катионов ППК, величина удельной электрической проводимости, окислительно-восстановительный потенциал, содержание глинистых минералов и др., и их влияние на формирование величины электрокинетического потенциала;
S изучение влияния органической и минеральной составляющих почв на формирование величины электрокинетического потенциала;
S проведение сравнительного анализа различных образцов почв в севообороте опыта точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и оценка влияния приемов обработки почвы на изменение электрокинетических свойств дерново-подзолистой почвы.
Научная новизна. Впервые при исследовании минералогического состава почв термическим методом проведен анализ влияния смесей различных минералов, взятых в разных соотношениях на формирование термических эффектов на кривых ДТА и ДТГ. Показано, что термоэффекты, присущие каждому минералу, в смесях сохраняются. Проведена сравнительная оценка содержания органического вещества почв различными методами: термическим и по методу Тюрина, установлена корреляция между полученными данными. Показано, что с помощью термического анализа можно определить фракционный состав органического вещества. Установлена корреляция между величиной электрокинетического потенциала и составом обменных катионов почвенно-поглощающего комплекса. Показано влияние органических и минеральных компонентов на формирование величины электрокинетического потенциала. Разработана программа для обработки термограмм, получаемых с помощью термоаналитического комплекса.
Теоретическая и практическая значимость. Значимость проведенного исследования состоит в том, что результаты могут быть использованы в качестве
рекомендаций для научно-исследовательской работы в академических научно-исследовательских институтах, в ВУЗах аграрного профиля при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Агрохимия и агропочвоведение».
Усовершенствована разработанная ранее на кафедре физической
и органической химии методика качественного и количественного определения
минеральной, органической составляющих почв и воды
на термоаналитическом оборудовании, усовершенствована методика измерения
электрокинетического потенциала, что может быть использовано
в аналитических исследованиях. Разработанная методика определения
химического состава почв на термоаналитическом комплексе прошла апробацию на лабораторно-практических занятиях по магистерской программе «Химико-токсикологический анализ и оценка объектов агросферы», издано методическое пособие для студентов.
Методология и методы диссертационного исследования. При
выполнении диссертационной работы был проведен комплекс рекомендованных
методов анализа почвенных образцов (термический и термогравиметрический
анализ, определение величины электрокинетического потенциала различными
методами: методом электрофореза на приборе ПАН (по методу Глински),
методом электрофореза с помощью электрофоретической трубки, методом
потенциала протекания, с учетом поверхностной проводимости, который
осуществляли на ячейке Самарцева-Остроумова, усовершенствованной
Окорковым В.В. (1975); ИК–спектроскопия и другие).
Основные положения, выносимые на защиту
-
При исследовании почв методом термического анализа сохраняются термоффекты, присущие индивидуальным минералам, входящим в состав исследуемых почвенных образцов.
-
При исследовании величины электрокинетического потенциала различных типов почв наблюдается корреляция с составом обменных катионов почвенно-поглощающего комплекса.
-
Влияние органических и минеральных компонентов на формирование величины электрокинетического потенциала различно для разных типов почв.
Степень достоверности и апробация результатов. Диссертация является
самостоятельной завершенной научной работой, в которой результаты
принадлежат лично автору или получены при его научно-методическом
руководстве и участии. Оценка достоверности результатов проведенных
исследований определяется тем, что все опыты и наблюдения проведены в
соответствии с действующей нормативно-технической документацией,
методическими рекомендациями и указаниями. Все исследования химических и физико-химических свойств почв проведены на аттестованном испытательном оборудовании в учебно-научном центре коллективного пользования «Сервисная
лаборатория комплексного анализа химических соединений» ФГБОУ ВО РГАУ-
МСХА имени К.А. Тимирязева (аттестат аккредитации испытательной
лаборатории № РОСС RU.0001. 516875, действителен до 19.10.2016 года) и в
лабораториях кафедры физической и органической химии РГАУ-МСХА имени
К.А. Тимирязева.
Материалы диссертации изложены на Международной научно-
практической конференции, посвященной 75-летию профессора С.Х. Дзанагова,
Владикавказ, Горский госагроуниверситет, 2012; XI Ежегодной международной
молодежной конференции ИБХФ РАН – ВУЗы, 09-11 ноября, 2011, Москва, РУДН; XV
международной научно-практической конференции «Инновационные
направления развития АПК и повышение конкурентоспособности предприятий, отраслей и комплексов – вклад молодых ученых», Ярославль, Ярославская ГСХА, 2012; 15-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Новосибирск, НГАУ, 2013; Международно-практической конференции, 27-28 декабря 2013, г.Уфа, БашГУ, 2014; Международной научно-практической конференции, 2014, Москва; XI Международной научной конференции «Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК», Брянск, Брянская ГСХА, 2014.
Публикация результатов исследований. Полнота изложения материалов диссертации и основные результаты исследований представлены в 12 работах, в том числе изложены в 4-х статьях в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, включающих литературный обзор, описание объектов и методов исследований, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 184 страницах, содержит 51 таблицу, 51 рисунок, список литературы содержит 138 источников, в том числе 26 иностранных авторов.
Ионный состав почвенного раствора
В коллоидной химии за верхнюю границу диаметра коллоидных частиц принимают величину 0,1 мкм, в почвоведении – 0,2 мкм. В общем, это разделение условно и не имеет принципиального значения. Существенно то, что при размере менее 0,1…0,2 мкм резко возрастает адсорбционная емкость почвенных частиц благодаря быстрому росту их удельной поверхности. Обычно коллоидные свойства в той или иной степени начинают проявляться у частиц размером меньше 1 мкм, поэтому выделяют еще предколлоидную фракцию, объединяющую частицы размером от 1 до 0,2 мкм (В.Г. Мамонтов, 2006).
К коллоидным системам почвы относятся дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является почвенный раствор, дисперсной фазой – коллоидные частицы почвы. Содержание в почве коллоидов варьируется от 1-2 до 30-40 % к массе почвы. Даже при самом незначительном содержании в почве коллоидных частиц – они будут являться главными носителями поглотительной способности почв, в связи с тем, что: 1) коллоиды почв представляют основную долю общей поверхности твердой фазы почвы; 2) химическая и физическая природа поверхностей почвенных коллоидов благоприятствует протеканию на них различных сорбционных свойств. Чем меньше размер частиц, тем больше поверхность (м2/кг) почвы, тем больше суммарная поверхность твердой фазы почвы (И.С. Кауричев, 1989).
Именно с этими коллоидными частицами впервые взаимодействует корень растения, который поглощает из почвы элементы питания.
Коллоидам присуща огромная удельная поверхность (10-800 м2/г массы) из-за малого размера. Суммарные площади коллоидов в почвах, например, в слое 0-20 см на гектар, могут достигать 800 000 км2.
Коллоиды почв формируются в результате выветриваний и разрушений горной породы и минералов, и в связи с происходящими в почвах реакциями между органическим и минеральным и веществом.
Коллоидные частицы содержатся в разном количестве, в зависимости от механического состав почв: в тяжелой глинистой почве до 50% от веса почвы, в суглинистой – около 30%, в песчаной около 3%. Состав коллоидных частиц почвы существенно различается от остальной массы почвы. Коллоиды почв содержат меньше кремнезема и существенно больше оксидов алюминия и железа, и особенно, гумуса.
Как было уже сказано, именно коллоиды почв, имеют свойство к адсорбции из окружающей среды значительных количеств газа, жидкости и различных ионов. Почти всю способность почвы к адсорбции связывают с присутствием в ней именно коллоидных частиц, в связи с тем, что частицы более крупных размеров практически не принимают участия в процессе поглощения и представляют малоактивную ее часть, с точки зрения химии.
Коллоидная фракция почв обеспечивает растения питательными веществами, коллоиды почв играют ведущую роль в поглотительной способности почв, в процессах удержаний питательных веществ. К.К. Гедройц в 1912 г. предлагал коллоиды почв отнести к трем группам (В.Г. Мамонтов, 2006): 1. «минерально-коллоидно-размельченные первичные и вторичные минералы почв»; 2. «органические гели гуминовых и фульвокислот и их солей»; 3. «органо-минеральные коллоидно-размельченные соединения почвы». Выводы К.К. Гедройца разделяли многие видные отечественные и зарубежные ученые – К.Д. Глинка, В.Р. Вильямс, С. Маттсон и др. Труды И.Н. Антипова-Каратаева, Е.Н. Гапона, В.К. Каргина, А.Н. Соколовского, С.Н. Алешина, И.С. Кауричева, Н.П. Панова, Н.И. Горбунова, В.А. Ковды, А.И. Курбатова и других были о развитии физико-химических представлениях о почвенно-поглощающем комплексе.
Минеральные коллоиды. В их состав, в незначительном количестве, входят тонкодисперсные кристаллические первичные минералы (кварц, слюды), а в основном представлены вторичными глинистыми минералами. Вторичные минералы чаще всего это группа гидрослюд, монтмориллонита, каолинита и группа полуторных окислов и другие. В составе почвенных коллоидов обнаруживаются вторичные аморфные минералы – гидраты окиси железа, алюминия и кремния. Поверхность глинистых минералов может нести отрицательный заряд вследствие нарушения связей на краях кристаллов, изоморфных замещений в сетках тетраэдров и октаэдров. Эти механизмы образования заряженных поверхностей проявляются в различной степени у различных глинистых минералов (рисунок 2). В связи с тем, что глины отрицательно заряжены, то они способны к обменным поглощениям катионов. Некоторые авторы называют коллоиды, несущие только отрицательный заряд - ацидоидами, а несущие только положительный заряд — базоидами (И.С. Кауричев, 1989; В.Г. Мамонтов, 2006; Н.Ф. Ганжара, 2006).
Поверхность аморфных минералов, в частности минералов группы оксидов (гидрооксидов) имеет рН-зависимый заряд. Такие коллоиды называют амфолитоидами.
Соотношение у кристаллических и аморфных коллоидов в почвах неодинаковое. В большинстве случаев минеральные кристаллические коллоиды представлены 87-90%, аморфные – 10-13%. Минеральные коллоиды имеют различие по степени дисперсности, монтмориллонит отличается самой повышенной степенью (H.E. Bergna, 2006).
Методы исследования
Каолинит — минерал каолинитовой группы (кандиты), принадлежит к группе водных силикатов алюминия, глинистый.
Каолинит имеет формулу - Al[Si2O5](OH)4. Известно несколько крупных залежей каолинитовых глин, разрабатываемых для различных отраслей промышленности.
Каолинит образуется из полевых шпатов, слюд и других минералов. Иногда встречаются псевдоморфозы каолинита по полевому шпату. Важным условием образования каолинита в почвах является десиликация, т.е. вымывание кремнезема из породы, на которой каолинит образуется. Вероятно, каолинит может образоваться и в гидротермальных условиях.
В четвертичных отложениях и в развитых на них почвах, в том числе в большинстве дерново-подзолистых почв, каолинит обнаружен в незначительном количестве. Распространенное среди некоторых исследователей мнение о том, что в дерново-подзолистых почвах якобы преобладает каолинит, является ошибочным.
Минералы каолинитовой группы являются диоктаэдрическими, имеют слоистую структуру. Их элементарные ячейки состоят из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров, сочлененных в единый слой так, что вершины тетраэдров примыкают к вершинам октаэдров. Все вершины кремнекислородных тетраэдров направлены в одну и ту же сторону – по направлению к середине структурного элемента, образованного кремнекислородным и октаэдрическими слоями (Н.И. Горбунов, 1974).
В свою очередь эти слои связанны между собой слабыми связями, поэтому они накладываются друг на друга неравномерно, что ведет к изменению симметрии всей кристаллической решетки. Такая слоистая структура придает минералам свойство пластичности.
Кристаллическая решетка каолинита состоит из бесконечных листов, состоящих из тетраэдров SiO4, три кислорода связанны попарно между собой через свободные вершины алюминия и гидроксидом. Молекулярное соотношение SiO2:А12O3 у каолинита равно двум, что соответствует содержанию SiO2—46,5%, А12O3—39,5%, Н2O—14%. Каолинит содержит мало щелочных и щелочноземельных элементов.
Емкость поглощения не превышает 24 мг-экв на 100 г почвы фракции менее 0,001 мм. Этот минерал не набухает, поэтому почвы, содержащие каолинит, приобретают ряд благоприятных физических свойств: хорошую водопроницаемость и небольшую липкость. При одинаковой дисперсности каолинит поглощает фосфора больше, чем монтмориллонит, однако каолинит, взятый в месторождении, поглощает фосфора меньше, чем монтмориллонит.
При измельчении кристаллов каолинита линии на рентгенограммах становятся диффузными, а затем совершенно исчезают — каолинит становится рентгеноаморфным.
Примесь минералов, относящихся к более высокой сингонии, например кварца, мешает рентгенографическому определению каолинита. После нагревания до 560С в течение двух-трех часов на рентгенограмме линии каолинита пропадают, а линии кварца остаются. Эти изменения рентгенограмм можно использовать при диагностике.
От этиленгликоля и глицерина изменений межплоскостных расстояний в каолините не происходит. Рентгенограмма сильно диспергированного каолинита сходна с рентгенограммой галлуазията. Каолинит легко определить не только рентгенографически, но и термическим методом. Термограмма каолинита очень характерна. На ней имеются эндотермический эффект с максимумом при 550— 560С и экзотермический эффект при 1000еС. Эффекты имеют заостренную форму и сильно вытянуты по оси температур. В тех случаях, когда в объекте присутствует значительное количество щелочей, например, в случае примеси слюд и гидрослюд, или при насыщении каолинита одновалентными катионами экзотермический эффект резко уменьшается. Измельчение каолинита приводит к исчезновению эндотермического эффекта при 550 С и появлению эффекта при 100С, т. е. термограмма измельченного каолинита становится схожей с термограммой аллофана. Небольшие количества каолинита в почвах можно обнаружить с помощью электронного микроскопа, правда, в том случае, когда сохранились хорошо сформированные кристаллы. В качестве косвенного признака для диагностики каолинита может служить химический анализ, в частности, отсутствие щелочей и соотношение SiO2: А12O3, которое в каолините равно двум. Внешний вид каолинита представлен на рисунке 10.
Вследствие того, что каолинит образуется при выветривании гранитов и базальтов, в качестве примеси обычно встречаются первичные минералы (полевые шпаты, кварц, слюды). Особенно много кварца присутствует в каолинитах, образованных из гранитов.
Под микроскопом каолинит выглядит в виде мелких шестигранных кристаллов. Разлагается с выделением тепла при температуре 1000-1200C до силлиманита, а потом до муллита.
Каолинит используют в производстве бумаги (для мелования), как наполнитель, в керамической промышленности, фармацевтике, в пищевой промышленности (как добавки), при изготовлении зубной пасты, косметологии (маски «белая глина») и в других областях (Р.Е. Грим, 1959). Мусковит – породообразующий минерал группы слюд, подкласс слоистые силикаты. Структурная формула KAl2[AlSi3O10](OH)2. Слюды составляют большую группу минералов сложного химического состава. Средний состав мусковита колеблется в следующих пределах: K2О 2,3-13,91%, Si2О 38,85-53,01%, Al2O3 23,56-46,19 %, Н2О 2,04 – 9,99%, Fe2O3 до 8,33%, FeO до 6,55%, CaO до 3,93%, MgO до 8,9%, MnO до 2,48%, Na2O 0,03 – 4,25%, F 0,15-4,77%. Внешний вид мусковита представлен на рисунке 11. Молекулярное соотношение SiO2:R2O3 в слюдах колеблется от 1,5 до 3,5. Кристаллы мусковита таблитчатые, короткостолбчатые, пластинчатые. Его без труда можно разделить на тончайшие пластины, очень пластичен. Мусковит является диоктаэдрическим, так что у него заполнены катионами две трети октаэдрических положений, причем октаэдрическая сетка заселена только атомами алюминия.
Изучение электрокинетических и коллоидно-химических свойств почв
Светло-каштановая солонцеватая почва. Нами исследовались образцы светло-каштановой засоленной почвы Среднеахтубинского района Волгоградской области.
Горизонт А1 (0-18 см). На кривых ДТА светло-каштановой солонцеватой почвы в низкотемпературной области отмечается достаточно объемный эндоэффект при температуре 145С, который характерен для минералов групп гидрослюд и монтмориллонита, связанный с выделением адсорбционной и межслоевой воды. По данным ДТГ и ТГ ее содержание составляет 4%. Все это говорит о повышении гидрофильности данного горизонта засоленной почвы по сравнению с зональными почвами.
В области температур от 300С до 600С отмечаются два экзотермических эффекта, характерные для сгорания органического вещества. Причем, первый эффект при температуре 370С, более объемный. Два экзоэффекта в области этих температур говорят о разнокачественном составе органического вещества почвы, причем содержание менее связанного органического вещества с минеральной частью составило - 1,8%, прочно связанного - 0,82%. Общее содержание органического вещества составило – 2,62%, по методике Тюрина - 2,76%.
Эндоэффекты при температуре 620С и 850С говорят о присутствии кварца и карбоната кальция соответственно. На кривой ДТА отмечен эндоэффект при температуре 580С, характерный для удаления конституционной воды и частичное разрушение кристаллической решетки групп монтмориллонита и каолинита. Эндоэффект высокотемпературной области 950С связан с удалением оставшейся порции гидроксильной воды и полном разрушении структуры, характерной для минералов группы монтмориллонита. Экзоэффект при температуре 1000С свидетельствует о присутствии минералов каолинитовой группы. Общее содержание глинистых минералов – 2,55%. Таким образом, в засоленной почве увеличивается гидрофильность, в составе глинистых минералов появляется каолинит.
Данные термического и термогравиметрического анализа горизонт А1 (0-18 см) светло-каштановой солонцеватой почвы представлены на рисунке 32 и в таблице 25.
В горизонте В1 (18-38 см) светло-каштановой солонцеватой почвы в низкотемпературной области на кривой ДТА отмечается достаточно объемный эндоэффект, при температуре 120С, который характерен для минералов групп гидрослюд и монтмориллонита и связан с выделением адсорбционной и межслоевой молекулярной воды.
В области температур от 300С до 600С два экзотермических эффекта, характерные для сгорания органического вещества, причем первый при температуре 340С более объемный, чем при температуре 460С. Два экзоэффекта в области этих температур свидетельствуют о том, что органическое вещество имеет разнокачественный характер. По данным кривых ДТГ и ТГ общее содержание органического вещества составляет 1,5%.
На термограмме отмечен эндоэффект при температуре 540С, характерный для удаления конституционной воды и частичное разрушение кристаллической решетки минералов групп монтмориллонита и гидрослюд. Данный эффект сдвинут в сторону более низких температур, это характерно для магния, входящего в состав минералов группы монтмориллонита, то есть сапонит. По данным кривых ДТГ и ТГ содержание составляет 1,68%. Эндоэффекты при температуре 620С и 840С свидетельствуют о присутствии кварца и карбоната кальция. Содержание карбонатов, по данным кривых ДТГ и ТГ, составляет 1,15%. Небольшой эндоэффект при температуре 735С и экзоэффект в высокотемпературной области при температуре 940С обусловлены удалением оставшейся порции гидроксильной воды и полным разрушением структуры, характерной для минералов каолинитовой группы.
Таким образом, можно отметить, что в составе глинистых минералов светло-каштановой солонцеватой почвы отмечается содержание монтмориллонитовой и каолинитовой групп с преобладанием в составе минералов сапонитов. 111 По данным ДТА и ДТГ светло-каштановой солонцеватой почвы отмечаются более выраженные и объемные эндоэффекты, что свидетельствует о более сложном составе почв. Данные термического и термогравиметрического анализа горизонт В1 (18-38 см) светло-каштановой солонцеватой почвы представлены на рисунке 33 и в таблице 26. Таблица 26 - Результаты термогравиметрического анализа светло-каштановой солонцеватой почвы, В1 (18-38 см) Горизонт/глубина,см Навеска, мг Потерямассы,мг/% Гигроск. Н2О, мг/% Органическое вещество, мг/% Минеральная часть, мг/%
Изучение минералогического состава солонцовых почв Нами были исследованы солонцы автоморфные каштановые, отобранные в Среднеактубинском районе Волгоградской области, а также солонцы полугидроморфные лугово-каштановые, отобранные с целинного участка в полупустынной зоне Октябрьского района Волгоградской области.
Солонец автоморфный каштановый . Горизонт А 1 (0-13 см). На кривой ДТА солонца автоморфного каштанового отмечен интенсивный эндоэффект. Его температура, характерная для выделения гигроскопической влаги, для засоленных почв увеличивается и достигает 160С, содержание ее достигает 4%. Эндоэффект характерен для минералов групп монтмориллонита и гидрослюд.
На кривой ДТА отмечается два сглаженных экзотермичеких эффекта при температуре 360С и 465С, причем на кривой ДТГ отмечается термоэффект при температуре 360С и не отмечается термоэффект при температуре 465С. Мы предполагаем, что экзоэффект при температуре 360С свидетельствует о наличии органического вещества в составе исследуемого образца. Экзотермический эффект при температуре 465С может свидетельствовать о наличии гидрата окиси железа в коллоидной степени дисперсности. Свое предположение мы основываем по данным термограмм оксидов гидрата железа, представленными В.П. Ивановой, Б.К. Касатовым, Т.Н. Красавиной, Е.Л. Розиновой. Подобную картину мы наблюдали на кривых ДТА и ДТГ при изучении каштановых почв. Таким образом, содержание органического вещества составило 1,80% (по методике Тюрина - 1,90%).
Эндоэффект при температуре 570С говорит об удалении конституциональной воды, характерной для глинистых минералов. При 610С отмечается небольшой эндоэффект, обусловленный обратимым полиморфным превращением а-кварца в Р-кварц. О присутствии карбонатов свидетельствуют два эндоэффекта при температуре 640С - карбонат магния и 830С - карбонат кальция.
В высокотемпературной области при 930С отмечается эндоэффект характерный для минералов групп монтмориллонита и гидрослюд. По данным кривых ДТГ и ТГ содержание глинистых составляет 1,1 %. Данные термического и термогравиметрического анализа горизонта А1 (0-13 см) солонца автоморфного каштанового представлены на рисунке 34 и в таблице 27.
Исследование физико-химических свойств почвенных образцов в рамках опыта ЦТЗ
Так при применении 20 см3 перекиси водорода, рН почвы равен – 5,75, при дальнейшем увеличении количества перекиси до 60 см3 рН становится равным 7,3. Такие изменения рН связаны с окислением органических веществ и образованием нелетучих органических кислот (отчасти и минеральных, - азотной и серной кислот), количество которых вначале опыта возрастает. При усилении обработки перекисью водорода количество вновь образующихся, уже существующих органических кислот, начинает уступать место количеству разрушающихся, уже существующих в тот момент органических кислот с освобождением связанных ими оснований. Это и вызывает увеличение рН (Н.П. Карпинский, В.Б. Замятина, 1965).
В нашем исследовании, следуя методике Н.П. Карпинского и В.Б. Замятиной, навеску почвы помещали в химический стакан емкостью 200 мл, обрабатывали растворами перекиси водорода, приготовленной из 30% пергидрола Мерка, накрывали часовым стеклом. В процессе окисления наблюдали бурную реакцию, почва пенилась и поднималась кверху. После прекращения энергичного выделения стакан помещали в термостат, где поддерживали температуру 50-600. По окончании видимой реакции между почвой и перекисью водорода (прекращение выделения пузырьков газа) часовые стекла со стаканов сняли, и содержимое выпарили до влажного состояния почвы в том же термостате. Затем опять прилили раствор перекиси водорода и т.д.
Были приготовлены и исследованы образцы трех типов почв: серая лесная, чернозем оподзоленный, солонец. Масса навески – 5 г. Повторность опыта 4-х кратная. Применяли 6% растворы перекиси водорода, в первом варианте объемом 75 мл, время обработки – 36 часов, во втором - 150 мл, время обработки – 72 часа. Жидкость над почвой в конце окисления из буро-зеленоватого цвета становится бесцветной. Результаты анализа образцов приведены в таблице 43.
Можно сделать вывод о том, что при удалении органического вещества в серых лесных почвах, черноземе оподзоленном, солонцах окислением 6% раствора перекиси водорода, в зависимости от использованного объема - 75 мл или 150 мл перекиси, разного количества времени эксперимента, 36 часов или 72 часа, показатели точности определения не снижаются.
Метод сжигания органического вещества в лабораторной печи Нами применен метод сжигания органического вещества в лабораторной печи типа SNOL, предназначенной для обжига, термической обработки, прокаливания различных материалов в ходе проведения испытаний, а также при производстве различных изделий, например - керамической посуды.
Навеску почвы массой 30,0 г переносили в тигель, который далее помещали в печь при температуре 5000 С. Время прокаливания – 4 часа.
Полученные результаты мы сравнивали с результатами, полученными по методике К.К. Гедройца. Результаты опытов представлены в таблице 44.
Мы считаем, что с помощью методики сжигания в печи, нами было удалено органическое вещество, а для получения величин содержания гумуса, мы применили коэффициент 1,724. Полученные результаты исследованных почв по методике К.К. Гедройца нам показались сниженными, поэтому мы определили органическое вещество с помощью методики Тюрина и сравнили с нашей методикой обжига.
По полученным в наших опытах результатам подтверждается возможность удаления общего количества органического вещества в почвах, как с использованием перекиси водорода, так и по методике сжигания образца в печи. При этом, в результате проведенных нами исследований, мы сделали вывод о том, что методика обжига органического вещества более простая, менее трудозатратная, быстрая, для интересующего нас вопроса удаления органического вещества из почв – наиболее пригодная. Данную методику мы применяли в последующем.
Мы провели исследование электрокинетического потенциала до и после сжигания органического вещества, с целью получения данных по влиянию органической и минеральной части на формирование величины дзета-потенциала. Электрокинетический потенциал измеряли методом электрофореза, как было описано выше. Нами были получены данные, которые представлены в таблице 45.
По результатам исследования можно отметить, что практически все величины электрокинетического потенциала уменьшились, за исключением нижнего горизонта солонца полугидроморфного, что говорит о безусловном влиянии органического вещества на формирование конечной величины электрокинетического потенциала
Дерново-среднеподзолистая почва. Результаты исследований дерново подзолистой почвы показывают разницу в величине электрокинетического потенциала, которая составила 0,9-1,06 мВ в нижних горизонтах и 4,83 мВ в верхнем. В верхнем горизонте дзета-потенциал органической компоненты составил 4,83 мВ, в процентном соотношении – 63,22 %, минеральной - 2,81 мВ, 36,78 %, то есть вклад органического вещества в создании величины дзета-потенциала выше, чем минеральной. Для нижних горизонтов - дзета-потенциал органической компоненты составил 0,9-1,06 мВ, для минеральной компоненты –
Органическая компонента верхних горизонтов серой лесной почвы вносит практически в два раза больший вклад в формирование электрокинетического потенциала, чем минеральная, аналогично дерново-среднеподзолистой почве. В нижнем горизонте наблюдается обратная тенденция, вклад минеральной части в полтора раза выше, чем органической. Процентное соотношение минеральной и органической компоненты, влияющие на величину электрокинетического потенциала серой лесной почвы изображены на рисунке 43.