Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Гармонизация результатов химического исследования засоленности почв
К.О. Прокопьева, М.В. Конюшкова
Россия, г. Москва
Аннотация
Засоление почв является одним из главных экологических факторов, который ограничивает рост и продуктивность многих растений. Оценка засоленности почв в разных странах мира проводится разными методами. В России и ряде других стран она оценивается методом водных вытяжек, в международной практике широко применяется метод оценки засоленности по электропроводности вытяжки из почвенных паст. Эти методы трудоемки, поэтому при массовом анализе используют сокращенные методики. Так, в России при солевых съемках почвы часто делают оценку по ведущему токсичному иону (хлору или натрию). В ряде зарубежных стран оценка дается по электропроводности при различных соотношениях почвы к воде (1: 1, 1: 2.5, 1: 5, 1: 10). В данной работе проведены сопоставления разных методов для обоснования возможности использования измерения электропроводности в суспензии 1: 5. Сравнивались следующие методы: 1 - метод определения удельной электропроводности в водной суспензии (1: 5); 2 - метод определения показателей pNa и pCl, измеряемых в водной суспензии (1: 5) с помощью ион-селективных электродов; 3 - определение натрия в водной вытяжке (1: 5) методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Засоление оценивалось в образцах легкоглинистых почв сухостепной зоны преимущественно хлоридно -натриевого химизма засоления. Результаты показали, что при определении активности ионов наибольшая корреляция наблюдается между измерениями удельной электропроводности (кондуктометр) и активности натрия (ион-селективные электроды). Выявлена достаточно тесная связь между удельной электропроводностью и содержанием ионов натрия в водной вытяжке и получена функция пересчета этих показателей: ЕС 1:5 = 0.213Na1:5 + 0.17 (со свободным членом), ЕС1:5 = 0.23Na1:5 (без свободного члена). Для оценки степени засоления по показателю удельной электропроводности (1:5) предлагается использовать следующие критерии: 0 -0.4 дСм/м - незасоленные, 0.4-0.6 дСм/м - слабозасоленные, 0.6-1 дСм/м - среднезасоленные, 1-1.9 дСм/м - (ильнозасоленные, > 1.9 дСм/м - очень сильнозасоленные. При сопоставлении различных градаций засоленности почв с помощью таблиц сопряженности с использованием хи-квадрат и индекса каппа выявлено наличие статистически значимой сопряженности, что позволяет использовать различные методы анализа почв для оценки степени засоления.
Ключевые слова: засоление; анализ почв; удельная электропроводность; ионоселективные электроды (ИСЭ); натрий; Прикаспийская низменность.
Гармонизация методов исследования почв, результатов анализов и единиц измерения имеет решающее значение для обмена информацией между разными научными группами, создания новых согласованных наборов данных о почвах и принятия решений в целях устойчивого управления почвенными ресурсами (Benedetti, Caon, 2021). В настоящее время такая гармонизация была проведена в отношении содержания почвенного органического вещества. Были установлены корреляционные коэффициенты, называемые педотрансферными функциями, между методами Тюрина и Уолкли-Блэка (Шамрикова и др., 2022; Shamrikova et al., 2022).
В 2022 году создана Национальная сеть почвенных лабораторий Русолан (ФАО ..., 2022), основной деятельностью которой является разработка гармонизированных стандартов в почвоведении, в т.ч. приведение в соответствие национальных и международных методик измерений для обеспечения сопоставимости и интерпретируемости аналитической информации о почвах, полученной в лабораториях внутри страны, между странами и регионами.
В отношении засоленных почв также проводился сравнительный анализ различных химических методов определения состава и степени их засоления (Копикова, Скулкин, 1990; Хитров, Понизовский, 1990; Сотнева, 2005).
В настоящее время как в отечественном, так и зарубежном почвоведении для оценки засоленности используются разнообразные методы исследования. Традиционным методом оценки в России и ряде других стран является анализ состава водной вытяжки (с соотношением почва: вода 1: 5) и почвенных растворов (Базилевич, Панкова, 1972). В международной практике широко используются критерии оценки по удельной электропроводности фильтратов (экстракта) из почвенных паст (ECse), разработанные USDA Salinity Laboratory (Diagnosis and Improvement ..., 1954).
Общепринятые методы оценки засоленности почв зачастую являются длительными и трудоемкими. В связи с этим для массового определения засоления почв целесообразно использовать экспресс-методы (Сотнева, 2005). К числу таких методов относятся сокращенные водные вытяжки, в которых определяется содержание отдельных ионов, при этом определяют наиболее информативный ион, четко коррелирующий с суммой токсичных солей; при хлоридном типе засоления - хлорид-ион, при сульфатном - ион натрия; оценка засоления почв по удельной электропроводности и по активности ионов (Хитров, Понизовский, 1990).
Приготовление пасты и экстрактов из паст, также как и водная вытяжка, является трудоемким процессом, поэтому часто измеряется удельная электропроводность в водной суспензии с различным соотношением почвы и воды (1: 1, 1: 2.5, 1: 5, 1: 10). Значения удельной электропроводности (EC) в водной суспензии можно пересчитать в удельную электропроводность экстракта из почвенной пасты (ECe) с использованием эмпирических коэффициентов (Developments in Salinity ..., 2013). Однако выявленные зависимости не являются универсальными и зависят от конкретной территории и типа почвы, в частности, ее гранулометрического состава. почва растение засоленность электропроводность
В России Н.Г. Минашиной (1970), В.С. Муратовой и В.Ю. Маргулисом (1971) была сделана попытка учета гранулометрического состава при оценке засоленности на примере орошаемых почв хлопкосеющей зоны в Средней Азии.
Для тяжелосуглинистых почв сухостепной зоны (Нижнее Заволжье) применительно к культуре озимой пшеницы классификацию засоления почв по результатам анализа почвенных растворов разработали Б.А. Зимовец и З.Н. Кауричев (1976).
В исследованиях Н.И. Сотневой (2005) с разной степенью надежности были установлены критерии оценки степени засоления почв солонцовых комплексов севера Прикаспийской низменности Заволжья по различным показателям, полученным экспресс-методами, в частности, по содержанию иона Na+ в водных вытяжках и активностью натрия (aNa+) в водонасыщенных пастах.
В исследованиях Л.П. Копиковой и В.С. Скулкина (1990) результаты сравнения засоления почв по сопряженным данным водных вытяжек и экстрактов из водонасыщенных паст позволили установить связь уровней засоления для гипсоносных почв сероземной зоны Средней Азии хлоридно-сульфатного и сульфатного химизма засоления с низкой емкостью поглощения.
В работе S. Sonmez с соавторами (2008) было показано, что для образцов почв разного гранулометрического состава, отобранных в районе Университета Акдениз (Турция), между значениями удельной электропроводности и концентрации ионов, измеренными в экстрактах насыщенной пасты и в экстрактах с различным соотношением почвы и воды, существует очень высокая и значимая корреляция. На основании полученных результатов был сделан вывод, что экстракты с соотношением (1: 1), (1: 2.5) или (1: 5) почвы к воде могут быть использованы для оценки удельной электропроводности насыщенной пасты и концентрации ионов в почве. Затем были построены регрессионные уравнения для различных соотношений почвы к воде и для почв разного гранулометрического состава.
В работе S. Karadag с соавторами (2016) показано, что определение содержания натрия в почвенных суспензиях (или экстрактах вытяжек) с помощью ионоселективных электродов хорошо соотносится с данными определения с помощью ионной хроматографии (R2 = 0.94).
В работе J.R. Davenport и J.D. Jabro (2001) для песчаных и суглинистых почв штата Вашингтон (США) было показано, что ручные ионоселективные электроды могут использоваться для непосредственного измерения содержания ионов в почвах, в частности, для определения ионов калия и натрия при определенных диапазонах содержания влаги в почве.
В работе Y. Shirokova с соавторами (2000) на примере почв Центральной Азии для оценки засоления почв рекомендуется использовать измерение удельной электропроводности в водной суспензии (1: 1).
На основе литературного обзора можно заключить, что в России метод определения удельной электропроводности почвенной суспензии для оценки засоления не является общепринятым, однако по данному показателю, как показывают зарубежные публикации, можно надежно оценивать степень засоления почв.
Целью данной работы является сопоставление результатов химического исследования засоленности почв, полученных следующими методами для солонцовых почв севера Прикаспийской низменности: 1 - метод определения удельной электропроводности в водной суспензии (1: 5); 2 - метод определения показателей pNa и pCl, измеряемых в водной суспензии (1: 5) с помощью ион- селективных электродов; 3 - определение натрия в водной вытяжке (1: 5) методом атомноабсорбционной спектрометрии.
Материалы и методы
На территории России засоленные почвы занимают площадь 46 млн. га (Khitrov et al., 2022). На юге страны особенно остро стоит проблема использования и мелиорации засоленных почв. Наибольшие площади засоленные почвы занимают в Калмыкии - 78% от почвенного покрова республики, Астраханской - 56.7% и Волгоградской области - 45%.
Участок, где проводились исследования, располагается на правобережье р. Волги в северной части Сарпинской низменности (Доскач, 1979), в районе посёлка Ики -Манлан (в 11 км на юго-запад; координаты: 47.965° с.ш., 45.551° в.д., абсолютная высота - 8 м н.у.м. БС; рис. 1). Территория исследования с точки зрения антропогенного преобразов ания является слабоосвоенной и используется в качестве пастбищных угодий. Территория относится к зоне светло -каштановых почв, формирующих комплексы с солонцами. Солонцы на территории республики распространены практически повсеместно и составляют в среднем около 32% в структуре ее почвенного покрова (Бакинова и др., 1999).
Рис. 1. Расположение ключевого участка в районе пос. Ики-Манлан Республики Калмыкия (в программе Google Earth Pro).
В ходе полевых работ на ключевом участке из центра одной округлой западины (микропонижения) до центра другой была проложена трансекта длиной около 60 м и проведена почвенная съемка с отбором образцов для выполнения химических анализов на определение засоленности почв. В общей сложности количество отобранных образцов составило 1139. В двух почвенных разрезах (солонца и лугово-каштановой почве) были определены гранулометрический состав, содержание гумуса, гипса, карбонатов, состав водной вытяжки.
Все полученные образцы прошли пробоподготовку. Они были просушены до воздушно-сухого состояния. Пробы были пропущены через сито с диаметром отверстия в 1 мм. В подготовленных образцах почвы засоление оценивалось: 1 - 560 образцов по удельной электропроводности (ECi:5) водной суспензии (1: 5); 2 - 507 образцов по активности ионов натрия и хлора (aNa+, aCl-), измеряемых в водной суспензии (1: 5) с помощью ион-селективных электродов; 3 - 72 образца по содержанию ионов натрия в водных вытяжках (1: 5) методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС).
Измерения удельной электропроводности проводились в трехкратной повторности в водной суспензии с соотношением (1: 5) после осаждения твердых частиц (ГОСТ 26423 -85, 1985) с помощью портативного кондуктометра Hanna HI98304 DiST 4 и лабораторного кондуктометра SanXin DDS-11C с широким диапазоном измерений.
Измерения показателей pNa, pCl проводились с помощью стеклянных ионселективных электродов (ИСЭ) серии ЭКОМ-Na, ЭКОМ-Cl на приборе Экотест-2000. Величина pNa и pCl оценивается как отрицательный логарифм активности определяемого иона.
В образцах почвы определяли Na+ в водной вытяжке (1: 5) на пламенном спектрометре Квант- 2АТ по стандартной методике ГОСТ 26427-85 (1985).
Математическая обработка результатов анализа проводилась с использованием различных модулей в программе STATISTICA.
Проверка гипотезы о наличии статистической связи между категориальными переменными проходила на основе таблиц сопряженности с использованием критерия хи-квадрат (Дмитриев, 2019). Индекс каппа рассчитывали для оценки тесноты этой связи (Самсонова, Мешалкина, 2011).
Результаты и обсуждение
Почвы. На участке «Ики-Манлан» распространены светло-каштановые почвы и солонцы. Согласно результатам анализа изученных почв, они характеризуются легкоглинистым гранулометрическим составом (горизонты B) и подстилаются тяжелосуглинистыми крупнопылевато - иловатыми породами (табл. 1). По химизму засоления солонец относится преимущественно к хлоридно-натриевому типу (табл. 2). Помимо хлоридов в водной вытяжке имеется заметное участие сульфатов. В солонце гипс практически отсутствует (табл. 2), но есть в небольшом количестве в горизонте Сса (57-90 см).
Сопоставление результатов измерений засоления почв. В ходе работы было проанализировано более тысячи образцов, в которых засоление почв характеризовалось по показателям, полученным в ходе общепринятых методов и экспресс-методов, в частности, с измерением удельной электропроводности водной суспензии (1: 5). Каждый из этих методов позволяет извлечь определенную часть находящихся в почве солей (Копикова, Скулкин, 1990).
Анализируемые почвы характеризуются разной степенью засоления - от незасоленных до очень сильно засоленных. Наглядный профиль засоления вдоль данной трансекты и общая характеристика почв приведены в работе К.О. Прокопьевой (2022) и другой работе, выполненной с соавторами (2021). Расчет описательных статистик для содержания Na+ в водной вытяжке (смоль(экв.)/кг почвы) показал, что среднее значение равно 2.53, медиана - 0.15, минимальное значение - 0.04, максимальное - 15.74 и стандартное отклонение - 4.57 (табл. 3).