Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Использование синтетических органических веществ для оптимизации физического состояния почв 10
1.1. Влияние синтетических биополимеров на структуру и гидрофизические свойства почв 10
1.2. Термодинамическая концепция и количественные характеристики физического состояния почв 27
Глава 2. Объекты и методы исследования 43
2.1. Краткая характеристика объектов исследования 43
2.2. Основные методы исследования и методические разработки 46
Глава 3. Исследование набухания спг в модельных пористых средах различной дисперсности в связи с их водоудерживающей способностью и структурной организацией 64
3.1. Характеристика модельных пористых сред 64
3.2. Влияние добавок СПГ на водоудерживающую способность и показатели физического состояния фракций кварцевого песка 67
Глава 4. Экспериментальные исследования и моделирование влияния СПГ на водоудерживающую способность и физическую организацию почв легкого гранулометрического состава 82
4.1. Комплексный анализ ОГХ почвенных объектов с использованием модели ван-Генухтена 82
4.2. Исследование влияния СПГ на ОГХ и показатели физического состояния почв легкого гранулометрического состава традиционными методами 90
4.3. Исследование и моделирование влияния СПГ и его биодеструкции на ОГХ и показатели физического состояния легких почв на базе метода равновесного центрифугирования 113
4.4. Моделирование влияния содержания СПГ на ОГХ почв легкого гранулометрического состава 130
Глава 5. Влияние содержания и способов внесения СПГ на подвижность и непродуктивные потери влаги в почвах легкого гранулометрического состава 135
5.1. Влияние СПГ на функцию влагопроводности грубодисперсных почв 135
5.2. Колоночные эксперименты по оценке движения и непродуктивных потерь влаги в грубодисперсных почвах под воздействием СПГ 142
5.3. Оценка непродуктивных потерь почвенной влаги и эффективности СПГ в оптимизации водного режима аридных песчаных почв в полевых условиях 149
5.4. Лабораторные исследования движения СПГ в грубодисперсных пористых средах 154
Основные выводы 156
Список литературы 158
Приложение 169
- Термодинамическая концепция и количественные характеристики физического состояния почв
- Основные методы исследования и методические разработки
- Влияние добавок СПГ на водоудерживающую способность и показатели физического состояния фракций кварцевого песка
- Исследование влияния СПГ на ОГХ и показатели физического состояния почв легкого гранулометрического состава традиционными методами
Введение к работе
Актуальность темы: Оптимизация физического состояния почв с использованием синтетических полимерных материалов традиционно является одной из приоритетных проблем почвенной физики и мелиорации. В настоящее время эта проблема получила новый импульс развития в связи с формированием отдельного почвенно-экологического направления -конструирования почв с заданными технологическими характеристиками для обеспечения устойчивого земледелия, функционирования городских ландшафтов и их .элементов, а также иных объектов с повышенным антропогенным воздействием и техногенной нагрузкой [Шеин, 2005, Смагин, Шоба, Макаров, 2008]. Среди многочисленных почвенных кондиционеров, использующихся на практике, особый интерес представляют гидрофильные сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ), относящиеся к классу влагопоглотителей (суперабсорбентов). Эти вещества обладают очень высокой степенью набухания в воде (до 1000гН2О/г сухого полимера) и могут быть эффективными средствами регуляции водоудерживающей способности особенно для широко распространенных почв легкого гранулометрического состава. Однако для создания научно обоснованных технологий кондиционирования легких почв посредством СПГ необходим системный анализ их поведения в активной почвенной среде с выявлением как позитивных (увеличение водоудерживания, снижение непродуктивных потерь влаги на испарение и инфильтрацию), так и негативных (биодеструкция, вымывание полимеров, подавление их набухания со стороны твердой и жидкой фаз) эффектов. Несмотря на обилие исследовательских и рекламных публикаций по применению СПГ, подобный комплексный анализ в науке о почвах до сих пор не проводился. Его осуществление представляется актуальным в научном и прикладном аспектах, поскольку он позволяет получить информацию о динамике физического состояния почв под воздействием синтетических гидрофильных
5 полимеров и разработать рекомендации использования СНГ в технологиях почвенного конструирования.
Цель работы состояла в комплексной количественной оценке поведения в почвенной среде СПГ на примере радиационно-сшитого полиакриламида и его влияния на почвенно-гидрофизические свойства и характеристики. Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие практические задачи:
в экспериментах с грубодисперсными модельными пористыми средами исследовать изменение их водоудерживающих характеристик и структурной организации под воздействием различных доз и фракций СПГ, а также оценить способность гидрогеля к набуханию в поровом пространстве заданных размеров;
в экспериментах с насыпными образцами почв легкого гранулометрического состава изучить влияние различных концентраций СПГ и способов его внесения на основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) почв как комплексный показатель их физического состояния и водоудерживающей способности;
-синхронно с определением ОГХ исследовать функции влагопроводности образцов легких почв в зависимости от содержания в них СПГ, и в отдельных колоночных экспериментах определить влияние доз и способов внесения СПГ на фильтрационные свойства изучаемых объектов;
в лабораторных и полевых экспериментах определить влияние СПГ на инфильтрационные потери влаги, физическое испарение, эвапотранспирацию, влагу завядания для травянистых растительных культур при различных дозах и способах размещения гидрогеля в грубодисперсных почвах и грунтах;
в лабораторных экспериментах исследовать биодеструкцию, вымывание и фиксацию гидрогеля в легких почвах и модельных пористых средах для обоснования технологических приемов и периодичности внесения в них СПГ.
Научная новизна:
На базе современных инструментальных методов исследования проведен комплексный анализ совместного поведения СПГ и влаги в грубодисперсных почвенных объектах и на этой основе выявлены оптимальные рабочие дозы и способы внесения гидрогелей при использовании их в технологиях почвенного конструирования. Подтверждена гипотеза об аддитивности матричных потенциалов грубодисперсного субстрата и набухающего полимера в нем и предложено соответствующее эмпирическое уравнение (модель) для описания ОГХ в зависимости от концентрации СГТГ. Обоснованы способ внесения СПГ в песчаные почвы в набухшем состоянии и в виде растворов с поливными водами, а также технологический прием почвенного конструирования в виде слоистой закладки органических материалов, способствующий значительному повышению водоудерживающеи способности, резкому сокращению непродуктивных инфильтрационных потерь поливной влаги и предотвращению вторичного засоления аридных почв легкого гранулометрического состава. Практическая значимость:
Полученная в работе информация о гидрофизических характеристиках и функциях грубодисперсных пористых сред под воздействием СПГ может быть использована для обеспечения современных моделей движения влаги и технологий почвенного конструирования. Экспериментально обоснованные в работе технологические приемы внесения биополимеров в легкие почвы легли в основу разработки на ф-те почвоведения и в ин-те Экологического почвоведения МГУ слоистых почвенных конструкции для выращивания зеленых газонов и предотвращения вторичного засоления в условиях экстрааридного климата О.А.Э (1995), Бахрейна и Катара (2005). Проведенные в соавторстве методические разработки, в частности метод равновесного центрифугирования для определения ОГХ и функции
7 влагопроводности почв, активно используются в учебно-образовательном процессе на ф-те почвоведения МГУ. Защищаемые положения:
СПГ является высокоэффективным средством искусственной оптимизации физического состояния почв легкого гранулометрического состава и его применение в небольших рабочих дозах (0,1-0,2% от массы вмещающего материала) позволяет повысить водоудерживающую способность песчаных и супесчаных почв до уровня, свойственного оструктуренным суглинкам;
матричный потенциал влаги в грубодисперсных субстратах и потенциал набухания вносимых в них СПГ являются аддитивными величинами, что позволяет прогнозировать изменения ОГХ смесей в зависимости от концентрации СПГ;
способность СПГ к набуханию в поровом пространстве почв ограничено действием ряда факторов со стороны твердой и жидкой фаз и уменьшается со временем при биодеструкции полимера, в связи с чем на практике целесообразно первичное внесение СПГ в частично набухшем состоянии и последующие периодические добавки в растворенном виде с поливными водами.
слоистый способ размещения органических материалов в грубодисперсных субстратах предпочтительнее чем смешивание, поскольку в этом случае на фоне увеличения водоудерживающей способности резко сокращаются инфильтрационные потери влаги вглубь почвенно-грунтовой толщи и создаются условия защиты коренобитаемого слоя от вторичного засоления. Апробация работы, гранты и публикации:
Основные положения и результаты исследования были доложены и представлены в виде постерных сообщений на на II Всесоюзном совещании «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства» в Звенигороде (1991), съезде РОП в Санкт-Петербурге
8 (1996), конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» в МГУ (2003), двух конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» в Яльчике (2005 и 2006 гг.), научно-методическом симпозиуме по российско-арабскому проекту «Arid Grow» в Бахрейне (2007) и на ряде других научных форумов отечественного и международного уровней. Работа прошла апробацию на кафедре физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ.
Исследования неоднократно поддерживались грантами РФФИ (проекты 99-04-48509, 02-04-48087, 05-04-48456), а в настоящее время - Федеральной Программой фундаментальных исследований ОБН РАН «Биологические ресурсы России» (проект «Экологическая оценка и технологии оптимизации биоресурсного потенциала почв легкого гранулометрического состава»).
По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая коллективную монографию и 7 научных статей в рецензируемых журналах и сборниках:
Тюгай З.Н., Садовникова Н.Б. О возможности повышения водоудерживающей способности песчаных почв с помощью сильнонабухающих полимерных гидрогелей // Тез. докл II Вс. совещ. «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства». Звенигород, 1991. С.27.
Садовникова Н.Б. Влияние СПГ на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава // Сб. Тез. докл. конференции молодых ученых ф-та почвоведения МГУ «Современные проблемы почвоведения и экологии». М-Красновидово, 1994. С.92.
Смагин А.В. Садовникова Н.Б. Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на во до удерживающую способность легких почв // Почвоведение, 1994, №11. С. 50-55.
Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Смирнов Г.В. Использование центрифугирования для определения потенциала влаги в почвах легкого гранулометрического состава //Сб. Тез. докл. II Съезда почвоведов России. Санкт-Петербург, 1996, кн.1, с.110-111.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Мизури Маауиа Бен-Али. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования // Почвоведение, 1998,№11.С.1362-1370.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М. МГУ. 1999, 48с.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В., и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М. МГУ. 2001, 120с.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. Влияние органического вещества на ОГХ почв // Сб. Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации М: МГУ, 2003 С. 115-118.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В., Кирюшова А.Б., Машика А.В., Еремина A.M. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв //Почвоведение, 2004, №3. С. 1-Ю.
10. Смагин А.В, Садовникова Н.Б. Роль молекулярных взаимодействий в
формировании физического состояния и водоудерживающей способности почв // Сб. Тез.
XI Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2004. Иошкар-
Ола-Уфа-Казань-Москва. 2004. С.242
И. Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Использование сильнонабухающих полимерных гидрогелей в почвенном конструировании // Сб. Тез. XII Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2005. Иошкар-Ола-Уфа-Казань-Москва. 2005. С.185.
Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Глаголев М.В., Кириченко А.В. Новые инструментальные методы и портативные электронные средства контроля экологического состояния почв и сопредельных сред // Экологический. Вестник Сев. Кавказа, 2006 т.2 №1.С.5-16
Smagin А.V., Sadovnikova N.B. Soil constructions and technologies for stable effective farming under arid conditions II Abstr. of 18-th Wjrld Congress of Soil Science, 2006 -Philadelphia, Pennsylvania, USA v.3, p. 75.
Smagin A.V., Sadovnikova N.B. Application of Organogenic Materials in Soil-Landscape construction Proc. of the Second Int. Symposium on Technology of Sustainable Irrigation Farming «Arid Grow» in 2007. The Kingdom of Bahrain, Manama: ISPC UNEPCOM2007, P. 5-15.
Смагин A.B., Хакимова Г.М., Хинеева Д.А., Садовникова Н.Б. Гравитационный фактор формирования наименьшей и капиллярной влагоемкости в почвах и слоистых почвенных конструкциях // Почвоведение, 2008, №11. С.60-69.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, приложения и списка литературы содержащего 122 источника. Работа изложена на 170 страницах формата А4, содержит 44 рисунка и 8 таблиц.
Благодарности:
Автор с глубокой благодарностью вспоминает своего первого научного руководителя, профессора А.Д. Воронина, безвременно ушедшего из жизни и вложившего много творческих сил в становление и развитие данной работы. Неоценимую помощь в подготовке работы и доведении ее до завершения оказали второй руководитель - доцент А.С. Манучаров и с.н.с З.Н. Тюгай. Особую признательность автор выражает своему мужу и единомышленнику - профессору А.В. Смагину за неизменную помощь в получении экспериментального материала диссертации, его математической обработке и подготовке публикаций в рамках совместных исследований по грантам РФФИ и проекту «Биоресурсы России» под его руководством. Сердечную благодарность хочется выразить друзьям и коллегам по кафедре физики и мелиорации почв А.В. Кириченко, Н.И. Петровой, Е.М. Шевченко, А.Б. Умаровой, А.В. Дембовецкому за профессиональную и товарищескую поддержку, а также руководству кафедры и ее старшему составу в лице профессоров Е.В. Шеина, И.И. Судницина, Ф.Р. Зайдельмана, Л.О Карпачевского, А.С. Никифоровой, доцента Л.Ф. Смирновой за неизменную доброжелательность, ценные советы и критические замечания, высказанные в процессе подготовки и предварительной экспертизы диссертации.
Термодинамическая концепция и количественные характеристики физического состояния почв
Во второй части обзора коснемся проблемы количественной оценки физического состояния почв, поскольку от методологической базы, выбора критериев, инструментальных методов оценки комплекса физических свойств и процессов в почве во много зависят результаты исследования и адекватность действительности получаемых выводов о роли тех или иных компонентов почвенной физической системы, в том числе и биополимеров в ее устойчивости и функционировании. В основу данной работы положена структурно-функциональная термодинамическая концепция физического состояния почв, созданная заведующим кафедрой физики и мелиорации почв профессором А.Д Ворониным [Воронин, 84, 86, 90]. Многочисленные исследования учеников и коллег А.Д. Воронина способствовали развитию концепции и ее дальнейшей дифференциации [Березин и др., 85, Березин, 87, Манучаров и др., 90, Сапожников, 85, 94, Смагин и др., 98, 99, 2004, Смагин, 2003, Судницин, 79, 95, Шеин и др., 90, 99, 2003, Шеин, 2005, Теории и методы..., 2007]. Интегральным базовым показателем физического состояния в этих исследованиях является ОГХ - зависимость между термодинамическим потенциалом (давлением) влаги (ij/) и ее содержанием в почве (W). Эта зависимость четко отражает характер взаимодействия твердой, жидкой и газовой фаз почвы, определяющего, в свою очередь ее физическое состояние. Связь ОГХ с важнейшими физическими свойствами (дисперсностью, агрегированностью, дифференциальной пористостью, плотностью, доступностью почвенной влаги, реологическими свойствами, проницаемостью для водных растворов и газообразных веществ, уровнем засоления...) позволяет считать эту характеристику своего рода физическим паспортом почвы, по которому можно получить достаточно полные сведения о любом интересующем нас физическом показателе. Обратимся к анализу особенностей ОГХ, как базового показателя физического состояния почв (рис. 1). Исследованиями А.Д.Воронина [84,90] показано, что на ОГХ можно выделить ряд предельно равновесных (критических) состояний, с которыми связано большинство физических свойств почв и протекающих в них физических процессов. Им ставится в соответствие известные в физике почв параметры - почвенно-энергетические и почвенно-гидрологические константы (ПГК), ограничивающие области с доминированием тех или иных сил, действующих на почвенную влагу и влияющих на ее подвижность и доступность растениям, а также -структурно-механические показатели (пределы пластичности, текучести, усадки, границы образования трещин, агрегированности), маркирующие смену реологических и механических свойств почвы при изменении содержания жидкой фазы. Тем самым в работах А.Д. Воронина впервые удалось совместить концепцию категорий и форм влаги с термодинамическим подходом и выделить на ОГХ области доминирования физических сил различной природы, определяющих физическое состояние почв и их водоудерживающую способность (рис.1). Напомним, что классическая концепция форм и категорий влаги была подвергнута в 70-80 4 годах критике со стороны ведущих зарубежных гидрофизиков и попытке замены на современный термодинамический подход с интегральным осредненным показателем водоудерживания в виде ОГХ [Воронин, 84]. Однако, объективность концепции, реальное существование критических параметров (ПГК) подтверждается тем, что при непрерывном изменении содержания влаги в почвах в них возникают более или менее резкие (дискретные) качественные изменения физического состояния - смены гидрофизических, структурных, механических, электрических и других свойств, объяснить которые без представления о границах, пускай и подвижных, но границах проявления тех или иных физических сил в почве невозможно. Рис. I. Связь физических показателей почв с ОГХ (по Воронину, [1986])
В коллективных исследованиях Санкт-Петербургского АФИ и Университетской школы А. Д. Воронина предпринята попытка теоретического осмысления подобных состояний, поиска физических механизмов, контролирующих смену характеристик почвы как физической системы в процессах увлажнения-иссушения. Практическим результатом таких изысканий будет, в первую очередь, достоверное, физически-обоснованное выделение на ОГХ критических предельно равновесных состояний, позволяющее использовать ОГХ в качестве диаграммы физического состояния почвы для прогноза флюктуационной динамики комплекса ее свойств при изменении содержания влаги, разработки градаций экологического и технологического оптимума.
Основные методы исследования и методические разработки
В работе наряду с традиционными количественными методами изучения почв [Вадюнина, Корчагина, 86, Аринушкина 61, Воробьева, 98, Современные физические..., 87] были использованы новые методические разработки для экспресс-анализа почвенно-гидрофизических свойств и функций, выполненные в соавторстве на кафедре физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ [Садовникова и др., 96, Смагин, Садовникова и др., 98, Смагин, 93, Теории и методы...2007]. Все анализы осуществлялись в необходимом числе повторностей (не менее 2-3) с обязательной статистической обработкой получаемых результатов. Для графических построений и статистической и математической обработки данных (аппроксимации, интерполяции данных, подбора параметров и т.д.) были использованы прикладные пакеты функций электронных таблиц «EXCEL» и программы «Sigma-PLOT» 4-7 версий.
Из традиционных химических показателей определялось содержание органического вещества методами Тюрина в модификации Никитина с фотоколориметрическим окончанием и сухого сжигания в токе кислорода экспресс-газоанализаторе АН - 75 [Аринушкина 61, Воробьева, 98]. Для оценки засоления и рН использовались портативные кондуктометры-рН-метры DIST WP4 и HI 98130 Combo фирмы HANNA в соответствии с нашей методической разработкой [Смагин, Садовникова и др., 2006]. Из традиционных физических методов были применены -пикнометрическое определение плотности твердой фазы почв, пирофосфатный вариант пипет-метода для изучения гранулометрического состава, метод трубок для оценки влагоемкости насыпных образцов, метод вегетационных миниатюр для определения влажности завядания [Вадюнина, Корчагина, 86]. Удельная поверхность образцов почв легкого гранулометрического состава была оценена экспрессным динамическим газохроматографическим методом по [Смагин, Смирнов, 91].
Для оценки скорости фильтрации, капиллярного рассасывания влаги в насыпных почвенных образцах и их композициях с СПГ, а также моделирования привноса растворенного гидрогеля и вымывания с поливными водами были проведены колоночные эксперименты [Теория и методы...,2007]. Образцы помещались в стеклянные колонки диаметром 3-4 и высотой 10-15см и в зависимости от цели эксперимента в них подавалась в тех или иных количествах вода или раствор гидрогеля (0,25-0,5г/л). При изучении скорости рассасывания влаги увлажненный слой создавался в середине трубки, и далее во времени измерялась граница фронта капиллярно движущейся влаги. В обычных фильтрационных экспериментах трубка фиксировалась в вертикальном состоянии в штативе из оргстекла. Под нее устанавливался мерный стаканчик для сбора профильтровавшейся влаги, а на поверхности посредством сосуда Бойля-Мариотта поддерживался постоянный напор воды. В качестве сосуда использовалась перевернутая мерная колба с узким длинным горлышком объемом 250-500мл. Для установки колбы на поверхность образца в трубке ее горлышко вначале обвязывалось тонкой полиэтиленовой пленкой. После переворачивания колбы и соприкосновения ее горлышка с поверхностью почвы в трубке пленка осторожно вытягивалась, и вода поступала в образец под действием силы тяжести. Впитывание воды приводило к попаданию в горлышко пузырька воздуха, который, поступая в колбу, приводил к выравниванию давления и сбросу порции воды адекватного объема. Тем самым эксперимент проводился в полуавтоматическом режиме, поскольку надо было только фиксировать количество профильтровавшейся влаги. По соотношению объема колбы с исходным запасом воды и объема пор в колонке рассчитывалось число тактов (смен порового раствора), в соответствии с [Теория и методы...,2007]. Расчет коэффициента фильтрации (К(])) проводился по данным о количестве (объеме) профильтровавшейся за единицу времени воды (Q, мл/мин) и характеристиках образца - высоте (Ь,см), площади поперечного сечения (S, см") и мощности слоя воды (1,см), поддерживающейся на поверхности в соответствии с уравнением Дарси: K«, = Qh/{(h+l)S} (5) Аналогичные опыты проводились не с чистой водой, а с вязкими растворами СПГ с концентрациями 0,25-0,5г/л, превышающими предельную степень набухания (концентрация 1г/л). Эти эксперименты преследовали цель уловить количество геля, фиксируемое почвенным слоем определенной мощности при подачи его на поверхность в растворенном (вязкотекучем) виде. В стаканчиках, улавливающих профильтровавшийся раствор, определялось методом Тюрина в модификации Никитина (см. выше) количество органического углерода и по разности между его исходным содержанием в колбе и данной величиной оценивалось количество, фиксируемое почвой. Далее для оценки потенциальной вымываемости СПГ из почвы на поверхность подавалась посредством того же сосуда Бойля-Мариотта в виде перевернутой колбы чистая вода. В кумулятивном инфильтрате также определялось содержание органического углерода, и по его соотношению с количеством фиксированного в образце углерода геля оценивался вынос с промывными водами.
Для оценки потенциальной биодеградации СПГ и снижения его эффективности был проведен шестимесячный инкубационный эксперимент. Образцы стекольного кварцевого песка и полиминеральной пустынной песчаной почвы Каракумов с гидрогелем в дозах от 0,05 до 0,2% выдерживались в термостатах при постоянных температурах 20, 30 и 37С, имитирующих разные условия биодеструкции в гумидной и аридной климатических зонах. Влажность образцов при этом поддерживалась оптимальной для разложения и составляла порядка 20%. Перед закладкой эксперимента и по его окончании в образцах определялось содержание органического углерода (см выше), а также оценивалась ОГХ.
Получение ОГХ и функции влагопроводности в исследовании проводилось разными методами, включавшими как традиционные, так и новые оригинальные разработки в данной области. На первых этапах исследования при исследовании ОГХ грубодисперсных пористых сред в виде ряда фракций кварцевого песка, обладавших малой водоудерживающей способностью были применены капилляриметрические установки нулевого типа с максимальным разряжением до 50-55кПа (pF«2,7) [Вадюнина, Корчагина, 86, Теории и методы.., 2007]. При исследовании ОГХ и функций влагопроводности собственно почв, кондиционированных СПГ, вначале использовался тензиометрический метод в зондовом варианте, позволявший вести измерения эквивалентного давления почвенной влаги до 80 кПа (по модулю) [Вадюнина, Корчагина, 86, Смагин, Садовникова, 94]. Впоследствии нами в соавторстве был предложен метод равновесного центрифугирования для сравнительного анализа ОГХ и функции влагопроводности почв под воздействием природных и синтетических биополимеров [Садовникова и др.,96, Смагин и др., 98, 99, 2004], составивший методическую основу данного исследования. Он позволил существенно (до 600-1000 кПа) расширить границы традиционных определений капиллярно-сорбционного потенциала, использовать небольшие образцы (10-20г), проводить анализ на массовом материале в повторностях с высокой точностью и репрезентативностью результатов. Поскольку этот метод малоизвестен, и в редкой литературе можно найти весьма сильно различающиеся способы расчета потенциала (давления) влаги в поле центробежной силы, мы приведем ниже собственную методическую разработку, использующуюся в настоящем исследовании с оригинальной моделью кинетики удаления почвенной влаги, позволяющей не только определять потенциал и равновесную влажность, но и оценивать в нестационарном режиме функцию влагопроводности почв [Садовникова и др., 96, Смагин и др., 98, 99].
Влияние добавок СПГ на водоудерживающую способность и показатели физического состояния фракций кварцевого песка
При внесении гидрогеля в почвы его частицы, как уже отмечалось выше, должны располагаться в поровом пространстве. В результате степень набухания геля (количество воды, поглощенное единицей массы) будет зависеть как от свойств самого геля, так и от почвенных условий. В литературе есть сведения, что в почвенных условиях данная величина, как правило ниже, чем при свободном набухании в избытке дистиллированной воды, поскольку присутствие легкорастворимых солей - электролитов в поливных водах и почвенных растворах, давление почвы на частицы геля, их взаимодействие с твердой фазы почв могут уменьшать набухание СПГ [Нурыев и др., 86]. Для проверки этих положений и уточнения количественных характеристик набухания в лабораторных условиях были изучены ОГХ описанных выше модельных пористых сред с добавками СПГ. Были использованы дозы гидрогеля 0,012, 0,05 и 0,2% от массы вмещающего субстрата при размерах частиц геля 0,1-0,2мм, соизмеримых с характерным размером доминирующих в структуре фракций пор.
Рассмотрим закономерности влияния СПГ на водоудерживающую способность и структурную организацию грубодисперсных пористых сред в виде фракций фиксированных размеров. Начнем анализ с наиболее крупной фракции 0,5-1мм, имеющей минимальные характеристики водоудерживания. На этом фоне даже малые добавки СПГ 0,01-0,05% дали ощутимые результаты (Рис.6). При использовании СПГ размером частиц 0,1-0,2мм, соизмеримых с доминирующими порами модельной среды в 2-4 раза возросла полная (до 30-50%) и капиллярная (25-40%) влагоемкости и в 2-2,5 раз НВ (до 4-6%). При этом размер доминирующих пор в структуре сохраняется в большинстве случаев прежним (0,23-0,27мм) (Рис.7).
Характерно, что несмотря на большой разброс данных в области насыщения почвы влагой, наименьшая влагоемкость субстрата с малыми добавками СПГ 0,01-0,05% была во всех случаях практически одинакова (4,5-5,5%) и значимо не различалась. Из работ [Дубровский и др., 90, Лагутина и др., 95, Лагутина, 96] по измерению давления свободного набухания разнообразных слабосшитых гелей следует, что уже при небольших разряжениях порядка 3-5(10) кПа СПГ теряют основную часть влаги. Поэтому в грубодисперсных средах с большим размером пор СПГ в малых концентрациях вначале развивает максимальную степень набухания (600-1000 гН20/г и более), обеспечивая очень высокое увеличение ПВ и KB, а потом быстро теряет влагу на начальных стадиях разряжения.
Малые дозы СПГ 0,01-0,05%, очевидно нельзя признать удовлетворительными, поскольку их кажущаяся эффективность с увеличением влагоемкости субстрата, близком к насыщению, очень быстро сходит на нет уже при первых небольших разряжениях (Рис. 6 и 8). Весьма вероятно, что часть геля в крупнопористой среде, находясь в состоянии предельного набухания (1000 гН20/г и более) не только теряет воду при перепаде давления, но и начинает сама перемещаться в виде вязкого раствора. Попадая на фильтр капилляриметрической установки, гель кольматирует тонкие поры, приводя к кажущемуся увеличению влагоемкости образца. Этот механизм объясняет практически одинаковые результаты по наименьшей влагоемкости при малых дозах СГТГ, различающихся в пять раз (0,01 и 0,05%).
Вместе с тем, применение максимальной концентрации СПГ (0,2%) равномерно увеличивает влагоемкость грубодисперсного субстрата во всем диапазоне давлений до величин, в 4-6(9) раз превышающих таковые в исходной пористой среде (Рис. 6 и 8). Как видно, значительно возрастает не только ПВ и KB, но и самое главное - наименьшая влагоемкость, достигающая здесь величин 15-18%, против 2 в исходной песчаной фракции. Такие величины НВ свойственны супесям и легким суглинкам [Шеин, 2005], что означает «перевод» водоудерживающей способности несвязного песка как минимум на 2 градации по гранулометрическому составу при весьма небольшом количестве добавляемого органического вещества (0,2%). Как видно 0,2%) доза меняет и исходную структуру порового пространства. Максимум, отражающий размеры доминирующих пор, смещается в сторону меньших диаметров (0,08 мм против 0,27), что означает распространение в субстрате сети тонких макропор, обладающих капиллярными эффектами и удерживающих значительную часть ранее подвижной гравитационной влаги (Рис. 7). Если сформировать слой такой смеси на исходном грубодисперсном субстрате (подложке) с крупными макропорами ( 0,25мм), капиллярная связь разорвется и можно будет «подвесить» поливную влагу, минимизировав непродуктивные потери на гравитационное стекание.
Исследование влияния СПГ на ОГХ и показатели физического состояния почв легкого гранулометрического состава традиционными методами
Общепринятые методы получения ОГХ (капилляриметрия, тензиометрия) позволяют производить оценку этой характеристики в относительно ограниченном диапазоне потенциалов (давлений) почвенной влаги, не превышающих по модулю 70-90 кПа. Однако, для почв легкого гранулометрического состава таких величин сосущей силы вполне достаточно чтобы удалить основное количество влаги - до 80-90% от потенциальной водовместимости. Поэтому на начальных этапах исследования было решено ограничиться классическими методами капилляриметрии и тензиометрии для оценки водоудерживающей способности и структурной организации легких почв под воздействием СПГ.
Внесение СПГ в значительной мере повлияло на водоудерживающую способность пустынного песка пропорционально дозе использующегося кондиционера, что отражалось закономерным смещением ОГХ относительно контроля в область повышенных значений равновесных влажностей и потенциалов почвенной влаги (Рис. 15). Так уже при минимальной концентрации СПГ 0,01% от массы песка его полная и капиллярная влагоемкости возросли на 7-8%, достигнув, соответственно величин 48,4 и 0,001 0,01 0,1 d MM 1 39,8%. Еще большие различия продемонстрировали образцы с 0,05% содержанием геля. Если в области близкой к насыщению прирост влагоемкости был практически таким же (6-8 весовых %), то НВ и ММВ увеличились по сравнению с контролем практически вдвое, достигнув значений 12,7 и 9,8%, характерных в природе для связнопесчаных и супесчаных почв [Гаель, Смирнова, 99, Шеин, 2005].
Максимальная водоудерживающая способность была обнаружена в образцах с 0,2% содержанием СПГ (Рис. 15). Полная и капиллярная влагоемкости здесь достигли значений 55,8 и 52,5%), что на 15-20 весовых процента превышало эти величины на контроле. Наименьшая влагоемкость и ММВ возросли в 3,5-3,8 раза до величин 23,3-18,8%), свойственных природным суглинкам [Шеин, 2005]. При этом существенной перестройки в структуре порового пространства исследуемой почвы, по-видимому, не произошло (Рис. 16). Максимум в распределении пор лишь немного сместился в сторону меньших диаметров (0,059-0,064мм) при использовании доз 0,05-0,2%)СПГ. Вместе с тем существенно возросла доля пор размером менее 0,001мм, выполняющих функции капиллярного транспорта и сохранения влаги.
Помимо кварцевого песка и полиминеральной рыхлопесчаной пустынной почвы капилляриметрическим методом была исследована также супесчаная дерново-степная почва Доно-Арчединского массива (Рис. 17). Ее дисперсность и, соответственно, водоудерживающая способность в целом были исходно выше по сравнению с анализированными ранее песками и отдельными песчаными фракциями, хотя полная влагоемкость, наоборот, несколько уступала таковой для образца Каракумской песчаной почвы, составляя значения порядка 35-37%. Капиллярные влагоемкости обоих генетических горизонтов (А и С) исследуемой супеси были практически одинаковыми (33,5 и 33,2%), равно как НВ (15,3 и 15,0%) и ММВ (13,8 и 14,4%). Некоторые отличия в значения ВЗ (10% для гор. А и 13,6% для гор. С) могли быть не достоверными, поскольку эти величины получались посредством интерполяции функции ван-Генухтена, настроенной на отрезке 0-80 Дж/кг до значения 1500 Дж/кг, практически в 20 раз превышающего верхнюю границу экспериментального диапазона. В целом, оба горизонта супесчаной дерново-подзолистой почвы имели сходные характеристики водоудерживания, что и определило близкие результаты воздействия на них СПГ.
По-видимому, на фоне исходной достаточно высокой дисперсности и водоудерживающей способности от тонкодисперсных частиц физической глины в супеси, малое количество геля, конкурирующего с ними за свободное поровое пространство, оказалось не в состоянии реализовать потенциальное набухание, поэтому вклад от него был небольшим. По мере увеличения концентрации СПГ рост водоудерживающей способности был выявлен во всем диапазоне равновесных влажностей для ОГХ обоих горизонтов почвы (Рис.17). Так, при дозе 0,1% СПГ полная и капиллярная влагоемкость возросли на 8-9%, достигнув значений 44-45 и 41 -42%, соответственно. Прирост НВ и ММВ составил для этой дозы 2-4% влажности. Еще более существенные изменения возникли при увеличении содержания СПГ до 0,2% от массы твердой фазы супеси. Водовместимость и KB при этом возросли на 9-11% до значений порядка 43-45%, а прирост НВ и ММВ оказался еще более сильным (11-14%). В результате последние величины достигли уровня 23-29%, характерного для почв тяжелого гранулометрического состава или обогащенных гумусом почв типа черноземов [Смагин, 2003]. Таким образом, и для супесей использование повышенных доз СПГ до 0,2% оказалось эквивалентным по водоудерживающей способности переводу на 1-2 градации гранулометрического состава в сторону его утяжеления.
Величины ВЗ, как и в предыдущем случае, не менялись сколь либо закономерным образом, что, повторяем, может быть связано со значительными ошибками интерполяции, и варьировали в диапазоне 9-13%о. В результате диапазон доступной (продуктивной) влаги (НВ-ВЗ) возрос пропорционально увеличению НВ от 5-7% на контроле до 16-20% при максимальной концентрации СПГ.
Внесение СПГ в дозах 0,1-0,2% в значительной мере повлияло на структуру порового пространства супесчаной дерново-степной почвы (Рис.18). Как видно из графиков распределения пор по размерам, диаметры доминирующих в структуре пор весьма сильно уменьшились по сравнению с контролем, где они характеризовались величинами 0,16-0,26мм. Доза СПГ в 0,1% привела к доминированию пор размером 0,08мм (гор. А) - 0,16мм (гор. С), а при 0,2%) концентрации геля пики стали еще более пологими и сместились по абсциссе до характерных значений 0,015-0,023мм, на порядок меньше таковых в исходной почве. Столь заметное перераспределение пор, вероятно, связано с проявлением структурных молекулярных взаимодействий геля с тонкими частицами (плазмой) в супеси по типу агрегации. Заметим, что при сушке образцов после окончания капилляриметрического эксперимента для концентраций СПГ 0,1-0,2% были получены прочно и очень прочно сцементированные монолиты, тогда как исходная супесь сохраняла раздельно-частичное или рыхло-комковатое состояние.
Степень набухания геля снижалась по мере роста его концентрации от 800-870 гН20/г при 0,05% дозе до 220-225 гН20/г для 0,2% СПГ в супесчаной дерново-степной почве. Смещение ОГХ в сторону больших значений влажностей и потенциалов, отражающее рост водоудерживающей способности (Рис. 17), привело к закономерному возрастанию показателя интегральной энергии водоудерживания от 5-9 Дж/кг на контроле до 26-40 Дж/кг для 0,1 и 0,2% концентрации СПГ, соответственно.
