Воздействие удобрений, модифицированных бентонитом, на влагоемкость и агрегатный состав почвы под хлопчатником

АННОТАЦИЯ

Бентонит является глинистым минералом, способным изменять свойства минеральных удобрений и их эффективность. Благодаря способности к водопоглощению, бентонит благоприятно влияет на физико-химические свойства почвы. В модельном лабораторном опыте испытаны свойства бентонит-модифицированных азотных (нитрат аммония) и фосфорных (аммофос) удобрений, установлено их позитивное влияние на влагоемкость почвы и скорость испарения влаги, а также на макроагрегатный состав почвы.

ABSTRACT

Bentonite is a clay mineral that changes the mineral fertilizers properties and their effectiveness. Due to ability to absorb water bentonite impacts favorably to the soil physicochemical properties. In a model laboratory experiment the properties of bentonite-modified nitrogen (as ammonium nitrate) and phosphorus (as ammophos) fertilizers were tested, the positive effect on the soil moisture capacity and the moisture evaporation rate, as well as on macroaggregate composition, was established.

Ключевые слова: Бентонит, водопоглощение, физико-химические свойства, удобрение, почва, агрегатный состав, полная полевая влагоемкость.

Keywords: Bentonite, water absorption, physical and chemical properties, fertilizer, soil, aggregate composition, total moisture capacity.

Введение

Известно, что более половины урожая хлопка-сырца формируется за счет применения минеральных удобрений. Однако следует учитывать специфику и высокую интенсивность растворения традиционных минеральных удобрений в условиях поливного земледелия [1, 2] с возможными значительными потерями и низкой эффективностью их использования. Перспективным приемом повышения коэффициента полезного действия минеральных удобрений является создание новых, медленнорастворимых форм, обеспечивающих растения регулярным азотным и фосфорным питанием

Природные руды, обладающие ценными агрохимическими качествами: способностью к набуханию и водоудержанию, наличию в составе ценных макро- и микроэлементов и др., при добавлении к удобрениям позволяют придавать им контролируемые свойства [3]. Так, введение небольших количеств бентонитовых руд в традиционные удобрения дают возможность использовать их питательный потенциал более эффективно.  Например, способность бентонита к набуханию и водоудержанию позволяет быстрорастворимым удобрениям растворяться медленно и более равномерно в течение вегетационного периода, при этом частицы самого бентонита могут являться центрами стабилизации почвенных агрегатов. Имеются результаты исследований, подтверждающие способность бентонитов при добавлении к удобрениям сберегать влажность почвы [4]. При этом авторы не обнаружили усиления роста растений, что объясняется отсутствием достаточного количества питательных веществ в бентоните. Однако авторы рекомендуют применение смесей бентонита и удобрений, т.к. бентонит, обладая высокой катионообменной способностью, способен удерживать питательные вещества.

Авторы [5, 6] указывают, что бентонит можно вносить отдельно или в сочетании с органическими (навоз, помет, солома, сапропель и др.) и минеральными удобрениями как источник микроэлементов, а также в качестве водоудерживающего агента, в частности, на засушливых почвах. [2] установили их положительное влияние на агрофизические характеристики почвы за счет увеличения ёмкости поглощения катионов, при повышении урожайности кукурузы. Опубликовано также подтверждение увеличения количества  N, P, K, Ca, Mg, Al, and Fe в листьях и корнях тика (Tectona grandis L. f.) под воздействием смеси удобрений с бентонитовыми глинами по сравнению с контролем без бентонита [4].

Подтверждено положительное влияние органических смесей с бентонитом. Применение 3 видов смесей садовых отходов с бентонитом позволило повысить качество прибрежных засоленных почв. Авторы показали, обмениваемые ионы Ca₂⁺ бентонита действуют в основном на ионы Na⁺ в почве, усиливая эффект рассоления, повышая катионообменную способность, что приводит к более интенсивному вымыванию солей из почвенных коллоидов [6, 7].

Исходя из вышеизложенного, определение воздействия минеральных удобрений, модифицированных бентонитом, на физико-химические свойства и гранулометрический состав почвы является актуальной задачей и имеет важное значение при разработке новых форм удобрений.

Объекты и методы

Объектами исследований являлись 2 вида удобрений, модифицированных бентонитом Новбахорского месторождения Узбекистана: бентонит-содержащая аммиачная селитра (БАС), бентонит-содержащий аммофос (БАМ), варианты сравнения - немодифицированные аммиачная селитра (АС) и аммофос (АМ). В таблице 1 приводится состав указанных удобрений, а также состав бентонитовой глины:

Таблица 1.

Состав бентонитовой глины и удобрений, модифицированных бентонитом

Вегетационные и лизиметрические опыты проводили на базе экспериментальной площадки Института общей и неорганической химии в г. Ташкенте, Узбекистан.  Географические координаты: 41°15′52″ с.ш.; 69°12′58″ в.д.; 435 м над уровнем моря. Климатические условия: средняя температура июля +27°С, января –1°С, 384-409 мм осадков в год. Типичный серозем (Calcisol, WRB, 2006) имеет показатели: Собщ – 0,54%; N общий– 0,09%; Р общий– 0,14%; pH 7,2.

Бентонитсодержащие азотные и фосфорные удобрения были исследованы на культуре хлопчатника (Gossypium hirsutum), сорта «Акдарья-6» в вегетационных экспериментах. Средняя урожайность хлопка-сырца растений данного сорта - 38,1-44,5 ц/га, вегетационный период 117-128 дней.

Результаты:

Полная влагоемкость (total moisture capacity) - это наибольшее количество воды, содержащееся в почве при полном заполнении всех пор и пустот Влагоемкость -  важнейшее свойство почвы поглощать и удерживать то максимальное количество воды, которое в данное время соответствует воздействию на нее сил и условиям внешней среды. Это свойство зависит от пористости, температуры почвы, концентрации и состава почвенных растворов, количества органического вещества, климатических факторов и условий почвообразования [8, 9]. В частности, установлено, что чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, что в условиях жаркого засушливого климата, как в Узбекистане, может быть весьма критично для растений.

Все виды влагоемкости меняются с развитием почвы в природе и еще более – при антропогенном воздействии. Даже одна обработка (рыхление почвы) может улучшить ее водные свойства, увеличивая полевую влагоемкость. Внесение в почву минеральных и органических удобрений или других влагоемких веществ может на длительное время улучшить водные свойства или влагоемкость. Это достигается заделкой в почву органических соединений и смесей (навоза, торфа, компоста) и других влагоемких веществ [10]. Мелиорирующее действие может оказывать внесение в почву влагоудерживающих высокопористых материалов, к которым относится и бентонит.

В двухмесячном эксперименте с почвенными насыпными колонками был проведен учет полной влагоемкости почв в начале эксперимента и по его окончании. Установлено, что в начале эксперимента самой низкой ПВ обладала почва с АС (100% ПВ составила 28,57% абсолютной влажности, как показано на рис. 1), тогда как в процессе ежедневного полива и заполнения всех почвенных пор водой, а также изменения состояния гранул АС, АМ, БАС и БАМ влагоемкость почвы увеличилась до 28,80% абсолютной влажности.

Почва с бентонитсодержащей АС в начале опыта имела несколько большую влагоемкость (100% ППВ составляла 28,71% абсолютной влажности), которая к концу опыта увеличилась до 29,36%; т.е. прирост достиг 0,65%). На рисунке 1 видно, что наибольшей влагоемкостью в начале эксперимента обладали образцы почвы в колонках с аммофосом и бентоаммофосом – 30,90 и 31,11% АВ. К окончанию эксперимента влагоемкость в этих вариантах достигла 31,32 и 32,40, т.е. увеличение полной влагоемкости составило 0,42 и 1,29%.

Рисунок 1. Изменение полной полевой влагоемкости под воздействием бентонитсодержащих удобрений (%)

Внесение аммофоса и бентоаммофоса увеличивало не только влагоемкость почвы, но и порозность, сыпучесть, усиливалось испарение воды, поскольку на поверхности почвы не образовывалось корки. 

Для изучения физического испарения влаги из почвы под воздействием бентонитсодержащих удобрений, был заложен лабораторный модельный опыт с двумя модифицированными удобрениями - БАС и БАМ, и двумя немодифицированными - АС и АМ  (рис. 2).

50 г почвы, содержащей по 7 г удобрений каждого вида, помещали в чашки Петри диаметром 110 мм, увлажняли до 90% от ПВ, 1 раз в сутки определяли убыль веса, после чего доводили вес чашек до первоначального веса дистиллированной водой. Повторность - 3-х кратная. Определяли динамику физического испарения влаги с поверхности почвы, а также подсчитывали сумму влаги, испарившейся за срок наблюдения – 63 суток (9 недель).

Установлено, что в вариантах с внесением аммиачной селитры (АС) и бентонитсодержащей аммиачной селитры (БАС) скорость испарения воды с поверхности почвы во все сроки исследований была на 16-25% меньше, чем с поверхности неудобренной почвы, что объясняется прежде всего сильными гигроскопическими свойствами удобрения. Обнаружено, что при подсыхании неудобренная почва покрывалась коркой, которая препятствовала испарению и растрескивалась. Гранулы бентоаммиачной селитры, уменьшая коркообразование, увеличивали скорость испарения на 2-6% (по сравнению с АС) (рис. 2.) (представлена динамика испарения влаги в г/ 50 г почвы/сутки).

Рисунок 2. Динамика испарения влаги из удобренной и неудобренной почвы при комнатной температуре (г/ 50 г почвы/сутки)

Важно, что гранулы АС уже на 13-15 день визуально не обнаруживаются, тогда как гранулы БАС выявлены в почве на 43 день эксперимента.

По сумме испарившейся влаги за время наблюдений варианты с АС и БАС меньше контроля  без удобрений на 24-22%, АМ и БАМ – больше контроля на 1,2-4,4%.

Таким образом, скорость испарения воды с поверхности почвы в вариантах с АМ и БАМ во все сроки исследований была больше, чем в неудобренной почве (на 1,2-8,2%), причем в варианте с бентоаммофосом на 2-7,6% больше, чем в варианте с немодифицированным аммофосом.  По мере разложения гранул удобрений интенсивность испарения изменяется: в вариантах с АС и БАС увеличивается, с АМ и БАМ - уменьшается, приближаясь к контролю.

Важным этапом изучения свойств бентонитсодержащих удобрений было определение изменений агрегатного состава почв. Агрегатный состав определяется как относительное содержание в почве структурных отдельностей (агрегатов) различной величины. Структура почвы - это отдельности или агрегаты, на которые способна распадаться почва. Эти агрегаты состоят из связанных между собой механических элементов или мелких агрегатов. В зависимости от размеров выделяют три группы структурных отдельностей: микроагрегаты — <0,25 мм; мезоагрегаты — 0,25-10 мм; макроагрегаты - < 10 мм.

С точки зрения плодородия наиболее ценны структурные элементы почвы размером от 1 до 5 мм. Структурные почвы, по сравнению с мало- и бесструктурными, обладают хорошей водо- и воздухопроницаемостью, благоприятным температурным режимом, высокой противоэрозионной устойчивостью, легче обрабатываются, создают лучшие условия для прорастания семян и распространения корневой системы растений. Хорошо структурированные почвы содержат более 80% агрегатов размером от 1 до 5 мм, средне структурированные - от 30 до 80% и плохо структурированные - менее 30%.

Считается, что в условиях развития ветровой или водной эрозии (например, на засушливых и поливных почвах) особое агрономическое значение имеют количество и доля агрегатов размерами 1-2 мм. С целью стабилизации микроагрегатов в виде водопрочных агрегатов достаточно успешно применяют синтетические водорастворимые полимеры (К-4, К-9, ГИПАН, ПАА, полиакриламид), а также природные агроруды, имеющие способность к набуханию.

Предполагается, что набухающие частицы бентонита, входящего в состав исследуемых удобрений, также могут являться центрами стабилизации почвенных агрегатов и улучшать водно-физические свойства эродированных почв.

Для определения агрегатного состава исследуемого типичного серозема был проведен ситовой анализ [11, 12]. Воздушно-сухой почвенный образец в лабораторных условиях рассевали на ситах с различным диаметром отверстий, затем рассчитывали процентное содержание каждой фракции к общей массе навески почвы. Полученные результаты представлены на рис. 3.

Рисунок 3.  Агрегатный состав типичного серозема под воздействием бентонитсодержащих удобрений, %

Несмотря на то, что изменения в агрегатном составе в зависимости от применения удобрений не выражены четко, статистический описательный анализ позволяет достоверно определить характер изменений по фракциям (табл 2, 3), т.е. существуют ли достоверные различия между контролем (в нашем случае N0P0K0) и опытом. Среди описательных статистических характеристик приводим наиболее важные: среднее, стандартная ошибка (среднего) и стандартное отклонение, а также уровень надежности (доверительный интервал), который рассчитывается при допущении 5% ошибки опыта.

Таблица 2.

Описательная статистика агрегатного состава почвы в зависимости от применения бентонитсодержащих удобрений

Таблица 3.

Изменение агрегатного состава почвы в зависимости от применения бентонитсодержащих удобрений

Примечание: * - наличие достоверных изменений по отношению к исходной почве N0P0K0

Так, изменения агрегатного состава отмечены для фракции 7-5 лишь в вариантах с NPK и NK+БАМ, причем незначительно ± 3,3-3,0%. В варианте с совместным внесением БАС и БАМ наблюдаются достоверное приращение процента агрегатов 2-1 и 0,25-0,1 (табл.3). Установлено достоверное (на 27,1%) увеличение процентного содержания частиц 0,5-0,25 мм в варианте с внесением бентоаммофоса, при снижении доли фракций 1-0,5 мм. Важно, что удобрения БАС и БАМ, внесенные по-отдельности, способствовали увеличению процента агрегатов фракции 0,5-0,25 мм (на 8,7 и 27,15% соответственно, по отношению к контролю), тогда как совместное внесение БАС+БАМ, напротив, уменьшало долю этих агрегатов (на 14%).

Проведенный корреляционный анализ подтвердил тесную зависимость агрегатного состава почвы, интенсивности испарения влаги с поверхности, а также влагоемкости почвы. В частности, прямая корреляция большой силы (0,58-0,8) отмечена между долей агрегатов малого размера – менее 0,5 мм (в том числе пылевидной фракции) с влагоемкостью и скоростью испарения воды, и достоверную обратную зависимость (-0,59-0,83) между содержанием макроагрегатов 7-5 мм и исследуемыми показателями.

Заключение

Изучение водоудерживающих свойств почвы под воздействием немодифицированных и модифицированных бентонитом азотных и фосфорных удобрений показало увеличение на 0,65 и 1,29% полной влагоемкости почвы бентоаммиачной селитры и бентоаммофоса).

Скорость испарения воды с поверхности удобренной АМ и БАМ почвы во все сроки исследований была на 1,2-8,2% больше, чем в неудобренной почве. В почве с бентонитсодержащим аммофосом интенсивность испарения влаги на 2-7,6% больше, чем в варианте с немодифицированным аммофосом. По мере разложения гранул удобрений интенсивность испарения воды из почвы изменяется, по значениям приближаясь к контролю.

Анализ агрегатного состава почвы позволил отнести исследуемый типичный серозем к средне-структурным почвам. Обнаружено достоверное изменение доли агрегатов мелких фракций под воздействием бентонитсодержащих азотных и фосфорных удобрений (от 1 до 21% по отношению к контролю). Согласно статистическому анализу, именно агрегатный состав почвы определяет ее влагоемкость, проницаемость и скорость испарения влаги с поверхности.

Список литературы:

1. Fanus Asefaw Aregay, Zhao Minjuan (2012) Impact of Irrigation on Fertilizer Use Decision of Farmers in China: A Case Study in Weihe River Basin// Journal of Sustainable Development Vol. 5, No. 4; April 2012 рр.74-82
2. Mário Chilundo (2017) Effects of irrigation and fertiliser management on water and nitrogen use efficiency in maize on a semi-arid loamy sandy soil //Faculty of Natural Resources and Agricultural Sciences Department of Soil and Environment Uppsala Doctoral Thesis. Swedish University of Agricultural Sciences. Uppsala.- 2017 . 84 р.
3. Ana Paula Bettoni Teles , Marcos Rodrigues and Paulo Sergio Pavinato (2020) Solubility and Efficiency of Rock Phosphate Fertilizers Partially Acidulated with Zeolite and Pillared Clay as Additives.// Agronomy, 2020, 10, 918; doi:10.3390/ agronomy 10070918
4. Masazumi Kayama, Suchat Nimpila, Sutjaporn Hongthong, Reiji Yoneda, Wilawan Wichiennopparat, Woraphun Himmapan, Tosporn Vacharangkura, Iwao Noda. (2016) Effects of Bentonite, Charcoal and Corncob for Soil Improvement and Growth Characteristics of Teak Seedling Planted on Acrisols in Northeast Thailand.// Forests 2016, 7, 36; doi:10.3390/f7020036
5. Tamas Szegl, Erika M.Chell, Etelka Tombacz (2005) Improving Management Properties Of Sandy Soils By Organomineral Additives // Alps-Adria Scientific Workshop Portoroz. Slovenia 2005.рр. 353-356.
6. Saleth R.M., Inocencio A., Noble A. Ruaysoongnern S.(2009) Economic Gains of Improving Soil Fertility and Water Holding Capacity with Clay Application//; IWMI Research Report 130; International Water Management Institute: Colombo, Sri Lanka, 2009; p. 30.
7. Wang, L.L, Sun, X.Y., Li, S.Y., Zhang, T., Zhang, W., Zhai, P. (2014) Application of organic amendments to a coastal saline soil in north China: Effects on soil physical and chemical properties and tree growth.// PLoS ONE 2014, 9, 89185
8. Shilei Chena, Zailin Huo, Xu Xua, Guanhua Huanga (2019) A conceptual agricultural water productivity model considering under field capacity soil water redistribution applicable for arid and semi-arid areas with deep groundwater// Agricultural Water Management / Volume 213, 1, 2019, Pages 309-323
9. Rafael Villarreal, Luis Alberto Lozano, Nicolás Guillermo Polich, María Paz Salazar Guido, Lautaro Bellora,, C. Germán Soracco (2020) Influence of soil water holding and transport capacity on glyphosate dynamics in two agricultural soils from Pampas Region// Geoderma, Volume 376, 15 October 2020, 114566
10. Di He Enli Wang (2019) On the relation between soil water holding capacity and dryland crop productivity//Geoderma. Volume 353, 1 November 2019, Pр. 11-24.
11. Marc Pansu Jacques Gautheyrou (2006) Handbook of Soil Analysis Mineralogical, Organic and Inorganic Methods. Springer. -996 p
12.  Balykov B. I. (2002) Granulometric Composition of Soil and Its Connection with Standard Distributions.// Power Technology and Engineering, 2002.- V. 36, pp. 289–294