Изучение взаимовлияния кремниевых, фосфорных и азотных удобрений в системе почва-растение

• Автор: Матыченков, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 06.01.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор
1.1 Соединения кремния в природе
1.2 Биогеохимический круговорот кремния в системе почва-растение
1.3 Предыстория кремниевых удобрений
1.4 Начало использования кремниевых удобрений
1.5 Современные тенденции
1.6 Виды кремниевых удобрений и почвенных мелиорантов
1.7 Влияние кремниевых удобрений на рост растений и их взаимодействие с 25 питательными элементами
2. Объекты и методы исследования
2.1 Объекты исследования
2.2. Методы исследования
2.3.Эксперименты
3. Полученные результаты
3.1. Взаимовлияние кремниевых удобрений и фосфатов
3.2. Взаимодействие кремниевых и азотных соединений
3.3. Комплексное влияние кремниевых удобрений вместе с другими 77 удобрениями на растения
3.4. Влияние активных форм кремния на начальные стадии развития 80 сельскохозяйственных растений
3.5 Влияние активных форм кремния на солеустойчивость ячменя и ятрофы
Выводы
Список используемой литературы
Приложения

Актуальность проблемы.
Деградация почвенного покрова, загрязнение окружающей среды, снижение качества сельскохозяйственных продуктов, глобальные изменения климата, дефицит энергоресурсов требуют широкого внедрения новых, экологически безопасных и вместе с тем высокоэффективных методов ведения сельского хозяйства. Во многом деградация сельскохозяйственных угодий и снижение качества сельскохозяйственной продукции связаны с несбалансированным питанием растений (Аристархов, Минеев, 2000, Безуглов, Гогмачадзе, 2008, Курганова, 2002, Минеев, 1990). О необходимости возврата вынесенного с урожаем кремния настаивал автор теории минерального питания растений Ю. Либих (1864), оперируя данными об общем содержании кремния в растениях, моно и поликремниевых кислотах в почвах. В своем труде «Химия в приложении к земледелию» Ю Либих указывал на четыре основах макроэлемента - азот, фосфор калий и кремний. Высокая распространенность кремния в почве (от 200 до 350 г Si кг'1 в глинистых почвах и от 450 до 480 г Si кг"1 в песчаных) обеспечивает значимую роль элемента в процессах почвообразования и формировании плодородия почв (Ковда, 1985). Кроме твердых форм кремния, представленных различными минералами, в почве и почвенных водах содержатся растворимые формы Si: мономеры и полимеры кремниевой кислоты (Матыченков, 2007). Растений, в том числе и культурные, поглощают только мономеры кремниевой кислоты и се анионы (Yoshida, 1975; Ма & Takahashi, 2002). Ежегодно сельскохозяйственными растениями безвозвратно выносится от 20 до 700 кг/га Si (Базилевич и др.,1975; Bocharnikova, Matichenkov, 2012). Эта величина сопоставима с вынос таких макроэлементов как фосфор, азот и калий.
Поскольку кремний является структурообразующим почвенным элементом, влияющим на уровень почвенного плодородия, постоянный его вынос приводит к ускорению деградации почв (Матыченков, 2008). Возникающий в результате дефицит кремния как питательного элемента резко снижает природные защитные свойства сельскохозяйственных растений, что приводит как к снижению урожайности, так и необходимости увеличивать дозы средств химической защиты растений, что отрицательно влияет па качество продукции (Куликова, 2012).
Использование кремниевых удобрений и кремний-содержащих мелиорантов важно с точки зрения восстановления природного баланса питательных элементов в системе почва-растений, снижения скорости деградационных процессов и получения стабильных урожаев
высокого качества. Однако разобщенность сведений по данному виду удобрений, отсутствие единого подхода и методологии в изучении и внедрении кремниевых удобрений в практику, а также отсутствие обобщенного теоретического материала о взаимодействии кремниевых удобрений с традиционными минеральными удобрениями существенно замедляют процесс широкого применения этих удобрений. Без понимания этих процессов широкое практическое использование нового класса удобрений и почвенных мелиорантов может быть малоэф фективны м.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось изучение особенностей и механизмов взаимовлияния кремниевых удобрений с фосфорными и азотными удобрениями и их влияние на рост и развитие сельскохозяйственных растений.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
1. Определить основные механизмы взаимодействия активных соединений кремния с соединениями фосфора в системе почва-растение.
2. Изучить влияние соединений кремния на эффективность азотных удобрений.
3. Исследовать влияние традиционных минеральных удобрений на содержание активных форм кремния в растениях и совместное влияние этих удобрений на рост и развитие растений на примере кукурузы.
4. Определить основные прямые и опосредованные механизмы влияния кремниевых удобрений и кремнийсодержащих мелиорантов на рост и развитие ряда сельскохозяйственных растений, их урожай и качество получаемой продукции в условиях оптимального минерального питания.
5. Выявить механизмы действия активных соединений кремния на солеустойчивость растений на примере травянистых и древесных культур в условиях минерального питания.
Положения, выносимые на защиту
1. Применение кремниевых удобрений совместно с традиционными минеральными удобрениями позволяет существенно повысить качественные и количественные показатели выращиваемой сельскохозяйственной продукции в условиях устойчивого земледелия.
2. Основные механизмы взаимодействия активных соединений кремния с фосфорными удобрениями и соединениями фосфора в почвах: реакция замещения силикат-анионом фосфат-аниона в фосфатах кальция и магния и физическая адсорбция подвижных фосфатов на поверхности вносимых силикатов.
Согласно 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 фосфат-апиону. Увеличение концентрации первого в почвенном растворе приводит к нарушению соотношения адсорбированных фосфат- и силикат-ионов, увеличению концентрации фосфат-ионов в почвенном растворе, и, соответственно, усилению поглощения фосфора растениями (Oliera et al., 1986). Эта гипотеза подтверждается данными, что при внесении в почву легкорастворимых фосфатов наблюдается увеличение содержания подвижных соединений кремния в почве (Goreti et al., 1986). Как показали полевые исследования, такой механизм возможен 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 возможность того или иного процесса или механизма в природе. Во-вторых, модельные исследования, позволяющие на более простых, чем в природе системах изучить возможный механизм или процесс. И наконец, полевые исследования, результаты которых могли бы подтвердить наличие изучаемого механизма или процесса в природе. Для определения механизма взаимодействия кремниевых соединений с почвенными фосфатами нами были последовательно проведены все три этапа исследований.
Первый этап: теоретические расчеты
Расчеты концентрации фосфатов в насыщенных растворах проводили с использованием литературных материалов (Наумов и др., 1972; Рудакова и др., 1986; Lindsay, 1979).
Расчеты были выполнены для следующих фосфатов: монокальцийфосфат, дикальцийфосфат, Mg3(P04)2 - как наиболее вероятных форм аккумуляции подвижных соединений фосфора в почвах (Гинсбург, 1981).
Монокальцийфосфат Са(НгР04)2
Са(Н2Р04)2 <->■ '/а Са2+ + Н2Р20
Алгоритм расчета концентрации фосфат-аниона
lgCpo4 = -1,50-0,5 lgCca-0,5 lgaCa2+ - lg«H2P04 - lgyH2P04'- 0,5 IgyCa2+.