Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности закономерностей поглощения и переноса. иоюв минеральных удобрений в торфе и обос нование направления исследований 14
1.1. Процессы сорбции и миграции ионов минеральных удобрений в торфе, торфяных и минеральных почвах 14
1.2. Математическое моделирование процессов сорбции и переноса водорастворимых веществ в почво-грунтах 32
1.2.1. Математические модели массопереноса водорастворимых веществ в пористых средах 33
1.2.2. Краевые условия и методы определения параметров мас-сообмена 41
1.3. Цель и задачи исследований 45
2. Методика исследований 48
2.1. Выбор объектов исследований и их характеристика 48
2.2. Отбор и подготовка образцов торфа и почвы ненарушенной структуры к экспериментам 51
2.3. Методика и устройства для изучения фильтрации жидкостей через образцы торфа 54
2.3.1. Установка для определения коэффициента фильтрации образцов торфа ненарушенной структуры 54
2.3.2. Установка для изучения фильтрации жидкостей через слабопроницаемые образцы торфа 58
2.4. Методики и установки для изучения поглощения ионов минеральных удобрений торфом и почвой в динамических условиях 60
2.5. Методика проведения лизиметрических исследований в полевых условиях на торфяных почвах 73
2.6. Методики, использованные для химических анализов фильтратов и определения физико-химических свойств исследованных объектов . 77
2.7. Методики определения гидрохимических параметров массопереноса и -обмена ионов минеральных удобрений
в торфе 78
2.7.1. Существующие методики нахождения одного-двух параметров массопереноса 78
2.7.2. Методика определения гидрохимических параметров переноса в торфе ионов минеральных удобрений по выходным кривым ионов 81
2.7.3. Методика определения гидрохимических параметров переноса в торфе и почвах ионов минеральных удобрений в полевых условиях 82
3. Поглощение и перенос ионов минеральных удобрений в почвах (модеяьше опыты) 88
3.1. Изотермы сорбции дерново-подзолистыми почвами ионов минеральных удобрений 88
3.2. Математические модели для описания процессов переноса компонентов минеральных удобрений в почве 96
4. Поглощение и перенос ионов минеральных удобрений в торфе 108
4.1. Вымывание питательных веществ из торфа и почвы 108
4.1.1. Исследование процессов вымывания водой аммонийного азота из аммонизированных торфов и минеральных почв, заправленных торфяными удобрениями 109
4.1.2. Вымывание калия из торфа и дерново-подзолистой почвы, оструктуренной торфом 118
4.2. Прогнозирование процессов поглощения и переноса ионов минеральных удобрений в торфе с помощью ЭВМ 127
4.2.1. Примеры расчетов миграции ионов минеральных удобрений в торфе 128
4.2.2. Прогнозирование переноса ионов минеральных удобрений по профилю торфа 132
4.3. Поглощение торфом основных питательных веществ 145
4.3.1. Изотермы поглощения ионов минеральных удобрений торфом и торфяными почвами 145
4.3.2. Влияние плотности скелета торфа на поглощение им калия 150
4.3.3. Зависимость гидрохимических параметров переноса ионов минеральных удобрений от плотности скелета торфа 153
4.3.4. Влияние соотношения между массами торфа и раствора минерального удобрения на поглощение ионов 156
4.4. Исследование влияния торфа на поглотительную способ ность дерново-подзолистой почвы 159
4.4.1. Повышение сорбционных свойств дерново-подзолистой почвы путем внесения в нее торфа . 160
4.4.2. Зависимость гидрохимических параметров переноса ионов минеральных удобрений от количества вносимого торфа 162
4.4.3. Изучение влияния способа внесения торфа в дерново-подзолистую почву на гидрохимические параметры переноса питательных веществ 164
4.4.4. Исследование поглотительной способности торфо-мине-ральных смесей на образцах одинакового объема 168
5. Процессы миграции ионов минеральных удобрений в торфе и торфяных гочвах в полевых условиях (в лизи метрах) 176
5.1. Вымывание питательных веществ из торфяных почв в лизиметрах 176
5.2. Прогнозирование передвижения компонентов хлористого калия по глубине торфа на ЭВМ 182
6. Направления практического использования результатов исследований 199
6.1. Методика определения рациональной дозы минерального удобрения для внесения в торф 199
6.2. Использование на практике разработанных приборов и устройств 203
Выводы 205
Литература 208
Приложения 240
- Математическое моделирование процессов сорбции и переноса водорастворимых веществ в почво-грунтах
- Отбор и подготовка образцов торфа и почвы ненарушенной структуры к экспериментам
- Прогнозирование процессов поглощения и переноса ионов минеральных удобрений в торфе с помощью ЭВМ
- Исследование влияния торфа на поглотительную способ ность дерново-подзолистой почвы
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" подчеркивается, что необходимо "значительно сократить использование торфа в качестве топлива на тепловых электростанциях. Более комплексно осваивать месторождения полезных ископаемых, не допуская их патерь при добыче и переработке" [і]'. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР (1981 г.) "О дальнейшем развитии и повышении эффективности сельского хозяйства Нечерноземной зоны РСФСР в І98І-І9В5 годах" отмечается, что, учитывая большое значение местных удобрений в улучшении плодородия почв и повышении урожайности сельскохозяйственных культур, организациям Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР, Министерства сельского хозяйства СССР в І98І-І985 годах в Нечерноземной зоне РСФСР необходимо заготовить и вывезти 424 млн*, т торфа [з].
Торфяным ресурсам отводится значительная роль в Продовольственной программе СССР на период до 1990 года, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС и разработанной в соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС^ В Продовольственной программе подчеркивается, что "необходимо ';' расширить объемы работ по приготовлению компостов с использованием торфа, известковых материалов, фосфоритной муки и других удобрений. Увеличить применение органических удобрений в колхозах и совхозах в 1985 году до 1,2 млрд,; т и в 1990 году не менее, чем до 1,5 млрд. т. Довести в двенадцатой пятилетке добычу торфа для приготовления компостов и на подстилку не менее, чем до 17 О млн. т в год" [4].
Учитывая важность органических удобрений в повышении плодородия земель,, следует поставить на промышленную основу в государственном масштабе их производство так же, как организовано сей-
час производство минеральных удобрений1. Следует значительно расширить номенклатуру выпуска удобрений на торфяной основе, чтобы можно было дифференцированно вносить их в почву в зависимости от состояния полей и потребности сельскохозяйственных культур в элементах питания.
Существенный вклад в решение задач, поставленных партией и правительством, вносят торфопредприятия Министерства топливной промышленности РСФСР. Они только для колхозов и совхозов Нечерноземной зоны РСФСР в 11-й пятилетке должны добыть 139,5 млн. т торфа, что в 1,6 раза больше, чем в 10-й пятилетке [217]. Кроме того, на торфопредприятиях стали организовываться подсобные хозяйства, что также является практическим вкладом работников торфяной промышленности в решение Продовольственной программы'. Большой опыт создания подсобных хозяйств накоплен торфопредприятиями объединения "Кирторф" [209], чему способствовали исследования Кировской лугоболотной станции [54, 101 ].
В последние годы значительно расширилось строительство специализированных предприятий по промышленной добыче торфа для сельского хозяйства прежде всего в Нечерноземной зоне [262]. Добыча торфа для сельского хозяйства предусматривается и на новых предприятиях, где торф будет добываться и для других целей.
При производстве торфяной продукции для сельского хозяйства в больших размерах применяются минеральные удобрения. Они используются при производстве различных видов ТМАУ, торфяного теплично-парникового грунта, торфоблоков и другой продукции. Кроне того, ежегодно увеличиваются площади выработанных торфяных месторождений, а также осушенных торфяных почв. Торфяной промышленности РСФСР предстоит выполнить в П-й пятилетке торфотехнические работы на выбывших из эксплуатации полях общей площадью свыше
8 70 тыс. га. Намечено осуществить подготовку к использованию части выработанных торфяных месторождений для травосеяния [217]. Использование этих площадей в сельскохозяйственном производстве немыслимо без применения минеральных удобрений.
Однако, высокая эффективность удобрений возможна лишь при правильном внесении их. Кроме того, эффективность используемых удобрений зависит не только от их количества и качества, но и от свойств торфяной почвы и условий ее увлажнения. Эффективность применяемых минеральных удобрений тесно связана с поглощением и передвижением питательных веществ в торфе.
В торфяных почвах процессы выноса компонентов минеральных удобрений еще мало изучены. Поэтому для понимания процессов взаимодействия минеральных удобрений с торфом и торфяными почвами имеет большое научное и практическое значение изучение их поглотительной способности, что является основой для разработки и внедрения научно обоснованных схем приготовления торфо-минеральных удобрений, а также систем земледелия и мелиорации применительно к условиям различных почвенно-климатических зон нашей страны и каждого конкретного торфяного месторождения.
Знание поглотительной способности торфа и торфяных почв по отношению к различным компонентам минеральных удобрений необходимо и для предотвращения вымывания инфильтрующимися атмосферными осадками удобрений в осушительную сеть торфяного месторождения и далее по магистральному каналу в водоприемники. Это может приводить к загрязнению водоисточников и нарушению экологического равновесия.
Как известно, увеличение содержания питательных элементов в открытых водоемах в настоящее время наблюдается во всех странах, где ведется широкое применение удобрений. Увеличение минерализа-
9
ции дренажного стока при освоении торфяных месторождений и осо
бенно при их сельскохозяйственном использовании в различных реги
онах страны отмечено рядом исследователей. Содержание минеральных
компонентов в стоковых водах торфопредприятий растет по мере уве
личения сроков осушения как верховых, так и низинных залежей и
может оказать отрицательное влияние на органолептические свойства
водоприемников, способствовать, нарушая кислородный и водный ре
жимы, их загрязнению, заиливанию и зарастанию [62, 203J. В ре
зультате внесения минеральных удобрений увеличивается содержание
таких ионов, как в торфяно-болотных во-
дах окультуренных низинных месторождений [203J.
В связи с вышеуказанным, актуальной задачей является исследование количественных закономерностей процессов передвижения и поглощения компонентов минеральных удобрений в торфе. Под компонентами минеральных удобрений в данной работе подразумеваются катионы и анионы, образующиеся в результате диссоциации удобрения в воде. Так, например, в случае использования хлористого калия (KCI) это будут катионы калия (К+) и анионы хлора (С1~).
Получение количественных оценок явления переноса ионов минеральных удобрений возможно на основе математического моделирования с привлечением законов физико-химической гидродинамики. Математическое моделирование изучаемых явлений позволяет делать обобщения на базе относительно малого числа полевых и лабораторных экспериментов, прогнозировать развитие процессов массопереноса и направленно организовать управление ими при осуществлении мелиоративных мероприятий. Эти вопросы в настоящее время пока еще недостаточно разработаны и освещены в литературе.
Целью диссертационной работы являлось установление количественных закономерностей процессов поглощения и переноса ионов минеральных удобрений в торфе, торфяных и торфо-минеральных почвах
10 для повышения эффективности использования их в сельском хозяйстве. В результате исследований:
разработаны методики проведения экспериментов на образцах торфа ненарушенной структуры для последующего расчета изотерм поглощения ионов минеральных удобрений в динамических условиях;
разработаны приборы и устройства, необходимые при выполнении экспериментов по разработанным методикам, а также для отбора образцов торфа и торфяных почв ненарушенной структуры и проведения на них опытов по определению гидрохимических параметров переноса ионов минеральных удобрений;
выбраны математические модели для количественного описания процессов поглощения и переноса ионов минеральных удобрений;
разработаны и апробированы методики определения гидрохимических параметров переноса - коэффициентов дифференциальных уравнений математических моделей;
установлено влияние добавок торфа на поглотительные свойства дерново-подзолистых почв и на вымываемость из них ионов минеральных удобрений;
установлено влияние уплотнения торфа на его поглотительные свойства и на гидрохимические параметры переноса ионов минеральных удобрений;
разработана методика определения рациональной дозы минеральных удобрений для внесения в торф при приготовлении органоминеральных удобрений с целью экономного использования торфяных ресурсов;
лизиметрическими исследованиями установлены закономерности вымывания минеральных компонентов из торфа и торфо-минеральных почв при выращивании различных сельскохозяйственных культур.
В 1-й главе диссертационной работы рассматривается современ-
ное состояние изученности физических процессов переноса ионов минеральных удобрений в торфе. На основе подробного анализа литературных источников выявлены вопросы, решение которых в настоящее время является чрезвычайно актуальным. В конце главы сформулирована цель диссертационной работы и вопросы, которые необходимо было разрешить для достижения поставленной цели.
Во 2-й главе приведены методики, с применением которых выполнены исследования. Описаны устройства, разработанные автором, для проведения экспериментов.
В 3-й главе диссертационной работы рассматриваются результаты экспериментов, выполненных автором, на модельных средах - дерново-подзолистых почвах. Поскольку, одной из задач исследований являлось установление влияния торфа на поглотительные свойства дерново-подзолистых почв, то необходимо было определить количественные значения гидрохимических параметров для них. Эти параметры характеризуют поглотительные свойства дерново-подзолистых почв, преобладающих в Нечерноземной зоне СССР. Исследовалось поглощение ионов минеральных удобрений образцами дерново-подзолистых почв ненарушенной структуры из растворов минеральных удобрений различных концентраций при их фильтрации через почву. Изучена динамика вымывания из почв водой ионов минеральных удобрений. Применялись широко используемые удобрения: хлористые калий и аммоний, аммиачная, калийная и кальциевая селитры, аммофос, суперфосфат, фосфорнокислый калий.
В 4-й главе приведены изотермы поглощения ионов минеральных удобрений торфом и торфяными почвами, полученные в динамических условиях проведения опытов. Исследовано вымывание ионов минеральных удобрений из торфа. Для количественного описания процессов переноса ионов удобрений приводятся математические модели, учитыва-
12 ющие поглотительные свойства торфа. Изучено повышение сорбционных свойств дерново-подзолистой почвы в результате внесения в нее добавок торфа как в статических, так и в динамических условиях опыта. Исследованы различные способы внесения торфа в почву. Даны примеры расчетов переноса ионов в торфе с использованием предлагаемых математических моделей, выполненных на ЭВМ.
В 5-й главе рассматриваются результаты полевых лизиметрических исследований миграции ионов минеральных удобрений в торфе. Приведены данные по вымыванию различных ионов из лизиметров с торфом и торфо-минеральными почвами. Показана удовлетворительная сходимость прогнозных расчетов на ЭВМ с использованием предложенных математических моделей и опытных замеров концентраций калия и хлора в поглощающем комплексе и поровом растворе торфа по профилю лизиметров.
В 6-й главе диссертационной работы даны направления практического использования результатов исследований процессов переноса ионов минеральных удобрений в торфе. Приводятся разработанные диссертантом методики, приборы и устройства, которые уже применяются в производственных, проектных, учебных и научно-исследовательских организациях.
Диссертационная работа выполнялась автором в течение 1974-1984 гг. на кафедрах физики и химии торфа и гидромелиорации Калининского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института в соответствии с планом важнейших НИР КПИ (по проблемам ГКНТ СССР 0.52.01 и 0.71.03) в периоды обучения в институте, работы после окончания ВУЗа в НИСе КПИ и учебы в очной аспирантуре. Автор выражает благодарность за помощь и поддержку при выполнении работы сотрудникам кафедр теоретической механики, гидромелиорации, физики и химии торфа, особенно,кандидату технических наук старшему науч-
ІЗ ному сотруднику Косову В.И., кандидату технических наук ассистенту женихову Ю.Н., кандидату физико-математических наук доценту Клыкову В.Е. и др.
Автор благодарит научных руководителей - доктора технических наук профессора Шульгина Д.Ф. и кандидата технических наук доцента Базина Е.Т. за постоянный интерес к работе и своевременное консультирование по возникавшим вопросам.
Математическое моделирование процессов сорбции и переноса водорастворимых веществ в почво-грунтах
Процесс передвижения компонентов минеральных удобрений в активных дисперсных системах осложнен множеством разнообразных факторов .1 К числу основных факторов относятся: течение влаги в норовом пространстве (конвективный перенос), молекулярная диффузия, сорбция, температурные градиенты, различные осмотические явления, ионный обмен и др Полный учет всех факторов практически невозможен в связи со сложностью определения множества параметров,, ха-рактеризующих эти процессы.; К тому же не совсем ясен еще механизм многих процессов массопереноса. В связи с этим как правило в расчетных математических моделях ограничиваются учетом основных факторов в процессе переноса минеральных компонентов в почве. Влиянием же на процесс многочисленных второстепенных факторов пренебрегают или учитывают их интегрально при нахождении гидрохимических параметров процесса переноса в полевых опытах или в опытах на монолитах, отобранных на исследуемом объекте с характерных участков [l64jv
Как показывает опыт, к основным факторам, оказывающим существенное влияние на миграцию компонентов минеральных удобрений, относятся: конвективный перенос, диффузия, ионный обмен, сорбция и растворение твердой фазы удобрений [41, 164].
В природных условиях конвективный перенос осложняется молекулярной диффузией, гидродисперсией и обменными процессами вследствие чего на фронте движения раствора формируется переходная зона с переменной по длине потока концентрацией компонента. Для характеристики суммарного влияния молекулярной диффузии и гидродисперсии на солеперенос используется коэффициент конвективной диффузии [164]где ММ - коэффициент молекулярной диффузии в пористой среде, м/сут; ill - коэффициент дисперсии в направлении оси ОСЬ, м; 1Гь - проекции скорости фильтрации на оси координат, м/сут; Значения коэффициента конвективной диффузии «U лежат в пределах от R-10 до К 10 3 м2/сут (1 Ы 10), в то время как JJM не превосходит 10 м/сут. Поэтому часто пренебрегают членом Шм и принимают Ш2 Л 15.
Коэффициент конвективной диффузии зависит от скорости течения воды в порах, извилистости путей переноса, соотношения объемов сквозных и застойных пор и др. В физико-химической гидродинамике выделяют коэффициент продольной JJnp и поперечной cUn диффузии, соответственно вдоль и поперек потока1. Учитывая значительные размеры в плане торфяных месторождений и сельскохозяйственных полей на торфяных почвах, основное внимание следует уделять вертикальным потокам влаги и минеральных компонентов, т.е. одномерным потокам, что позволяет рассматривать продольный коэффициент гидродисперсии как основной расчетный параметр.
С учетом указанных допущений перенос компонентов минеральных удобрений и массообмен в почве описывается следующей замкнутой си компонентов в подвижном поровом растворе и в ППК; Ьр, Мр- то же в условиях равновесия; tf(t)- скорость фильтрации; И - пористость почвы; cD - коэффициент конвективной диффузии;о;8,Т - опытные константы обмена между раствором и твердой фазой почвы.
Уравнение (1.3) выражает материальный баланс рассматриваемого вещества в элементе почвенного слояі Уравнение кинетики массо-обмена (1.4) вместе с изотермой сорбции (Г.5) определяет неравновесный процесс перехода компонента из порового раствора в ППК и обратно, T ve. отражает механизм сорбционного процесса. Для математического описания этих процессов в настоящее время используют изотермы типа Генри и Ленгмюра, имеющие соответственно вид:rfleLp,Np - равновесные концентрации рассматриваемого иона в поровом растворе и поглощающем комплексе; Nnp - предельное содержание иона в ППК; Па - активная пористость;о6;Г\ - экспериментальные постоянные.
Первое количественное исследование процесса конвективной диффузии в активных пористых средах при наличии неравновесной кинетики сорбции было проведено Лапидусом и Амундсеном [267J. Решалась система уравнений (Г.8), (Г.9) при условии первого рода на концах полуограниченной толщи среды и равномерном начальном засолении модельной среды:где b(l,tj- концентрация сорбируемого иона в поровом растворе, ммоль/л; N(,trJ - концентрация того же иона в поглощающем комплексе, ммоль/дм3; б & Т Ь) - коэффициент скорости сорбцион-ного обмена, 1/сут; 13j - const - коэффициент пропорциональности, I/м; об - параметр распределения.
В 1953 г.1 Н.Н.Веригиннм [50] было предложено дифференциальное уравнение конвективной диффузии для описания движения солей в почво-грунтах видагде Ь - концентрация поров ого. раствора, г/л; и - время, сут; X - расстояние, м; JJ - коэффициент конвективной диффузии, м/сут; "Шр ТуП - фактическая скорость движения воды в порах грунта, м/сут; 1? - скорость фильтрации, м/сут; Т - коэффициент растворения, 1/сут; Ьщ - предельная концентрация насыщения. С.Ф;Аверьяновым [5] уравнение (1.10) для хорошо растворимых солей при малом их содержании в твердой фазе почвы было упрощено опусканием источникового члена Т( Л1"Ьу в нем. В этом случае уравнение (Г.І0) им рекомендовалось использовать для расчета движения легкорастворимых солей в почво-грунтах с целью обоснования мер борьбы с засолением почв токсичными солями. Уравнение (I.I0), записанное в форме получило широкое распространение для количественного описания переноса в минеральных почвах несорбируемых компонентов водорастворимых веществ.
Позднее в работах [51, 164, 258 и др ] уравнение конвективной диффузии (Г.З) совместно с уравнением кинетики растворения видаиспользовалось для описания процессов переноса и растворения солей,, находящихся в почве в кристаллах, или выпадения солей из раствора в твердую фазу. В уравнении (Г; 12) L(X,t), N(X;t} массы растворимого вещества в растворе и в твердой фазе, отнесенные к единице раствора и единице объема почвы; "jf, J \ - опытные константы обмена; N0 - масштабная постоянная для
В дальнейшем рядом авторов были рассмотрены более сложные математические модели, учитывающие также обменные процессы в почвах: сорбцию, растворение, взаимодействие ионов и др.
В.Е.Клыковым и Д (.Ф.Шульгиным [і2б] для решения задач солевого прогноза была предложена модель, учитывающая катионный обмен между двумя ионами Ни is. Са , которые, как известно,1, могут сильно влиять на водно-физические и физико-химические свойства почвы, в особенности черноземов, обладающих как и торф высокой емкостью поглощения:где Пі - эффективные пористости почво-грунта по отношению к катионам; 0 и Q - экспериментальные параметры изотермы ионного обмена; Ь1р - равновесные концентрации катионов натрия и кальция в поровом растворе (индекс I - натрий, 2 - кальций),
А1.Н.Николаенко [l72] предложена математическая модель соле-переноса, учитывающая кинетику растворения сложных по химическому составу солевых систем и скорость протекания ионообменных процессов.Рибблом и Дэвисом [269] для описания вымывания ионов из почвенных колонок были применены представления ионообменной хроматографии. Действительно, , почвенный профиль можно рассматривать как
Отбор и подготовка образцов торфа и почвы ненарушенной структуры к экспериментам
Выше была отмечена необходимость использования в исследованиях закономерностей процессов передвижения питательных веществ в торфе образцов ненарушенной структуры. Отсутствие простых и надежных пробоотборников вынуждало многих исследователей выполнять эксперименты на насыпных колонках, объемная масса которых различными способами создавалась приблизительно равной естественной в полевых условиях [39, 40, 97, 98, 232j. Однако создание одинаковой объемной массы не обеспечивает полного подобия насыпного; образца и торфа или почвы с естественной структурой. Поэтому для опытов по изучению процессов переноса компонентов удобрений использовались образцы минеральных почв ненарушенной структу ры, которые подготавливались в лаборатории следующим образом. Из монолитов почвы размерами 30x30x50 см вырезался осторожно образец квадратного сечения чуть больше требуемого диаметра. Далее необходимый размер создавался пробоотборником с вращающимися режущими тонкостенными цилиндрами, разработанным в КПЙ Л САмаря-ном l9Qjl. Пробоотборник, постепенно внедряясь в образец, выпиливал колонку почвы цилиндрической формыУ После изготовления образца на него надевали корпус, собранный из требуемого количества колец1 Образующийся круговой зазор между колонкой и внутренней поверхностью корпуса заливали гомогенизированным парафином. После остывания корпус с колонкой крепили в лизиметрическую установку. Пристенной фильтрации при такой подготовке установки не наблюдалось,- что установлено специальными экспериментами.
Отбор больших, прямоугольного сечения монолитов и доставка их в лабораторию требовали больших трудозатрат, а при последующем вырезании колонок необходимых размеров у значительной части монолита нарушалась структура и он уже не использовался. Поэтому сразу возникла идея разработки простой и надежной конструкции пробоотборника для отбора им почвенных колонок непосредственно в полевых условиях, которая была успешно реализована.
Бур-пробоотборник образцов торфа ненарушенной структуры был разработан и изготовлен на основе почвенного объемного бура БП-50. Этим буром отбираются образцы в металлические грунтоприемные цилиндры высотой 5 и 10 см, которые используются для лабораторного определения капиллярной влагоемкости непосредственно в этих цилиндрах.
Разработанное устройство (avc. I 006 961) (рис. 2.1) состоит из бурового стакана I, расположенных внутри него 4-ех приемных полуцилиндров 2, опирающихся на ограничительное кольцо 7 с выре зами 8, а также крышки 6, ручки 3 и выталкивателя 5 с упорами 4.
Отбор образцов высотой 20-22 см и диаметром 8,0 см буром-пробоотборником выполнялся следующим образом. На поверхность залежи вертикально устанавливался направитель. Затем в него помещался укомплектованный бур. На крышку его накладывался деревянный боек, верхний срез которого при погружении бура в торфяную залежь на нужную глубину, совпадал с верхним срезом направителя.
После того, как бур забит в залежь с помощью молота, направитель снимался, а бур извлекался с помощью вставляемой в крышку б ручки 3. Приемные полуцилиндры со взятым образцом торфа вместе с ограничительными кольцами выдвигались из бурового стакана с помощью выталкивателя 5, вводимого в буровой стакан через его нижнюю часть. Упоры 4 на лапках выталкивателя при этом входили в вырезы 8 нижнего ограничительного кольца, что предотвращало нарушение структуры торфа при его извлечении с цилиндрами из бура. Далее с отобранного образца снимались полуцилиндры, он помещался в герметичную тару и доставлялся в лабораторию с соблюдением ГОСТ 12071-72 для экспериментов.
На передвижение питательных веществ в торфе большое влияниеоказывает его водопроницаемость. Особенно это относится к мало сорбируемым ионам и др.). Поэтому при выборе объектов исследований всегда учитывали эту характеристику торфа. Поскольку определение коэффициента фильтрации торфа - трудоемкаяработа, то для повышения производительности выполнения этого ана лиза была разработана и изготовлена простая, но достаточно надежная в работе и удобная в эксплуатации установка _2і] (рис. 2.2). Отбор образцов торфа и торфяных почв ненарушенной структуры выполнялся почвенным объемным буром HI-50, грунтоприемные цилиндры которого имеют высоту 10,0 см и диаметр 8,0 см.1
Установка состоит из двух штативов II , между которыми на металлическом стержне 10 в кольцах 9 расположены фарфоровые воронки & 3 Бюхнера 6V На дно воронок б помещаются грунтоприемные цилиндры 5 с надетыми на нижнее основание крышками с металлической сеточкой. Между цилиндром с торфом и крышкой вкладывается фильтр из стеклохолста для предотвращения выноса мелких частиц торфа. Торф с верхнего основания образца немного снимается для создания в цилиндре слоя воды толщиной 0,5-1,0 смі Постоянный уровень воды над образцами торфа поддерживался при помощи двух сосудов типа Мариотта 7, в качестве которых применялись делительг-ные воронки емкостью 1,0 л[!. Вместо притертой стеклянной пробки воронка закрывалась резиновой пробкой I со вставленной в нее стеклянной трубкой 2і. Отверстие в тубусе воронки тщательно было загерметизировано пластилином. Нижний конец стеклянной трубки был на 2-3 см выше отводной трубки делительной воронки.
Определение коэффициента фильтрации образцов торфа ненарушенной структуры выполнялось следующим образом. С грунтоприемных цилиндров бура БП-50 снимались крышки Затем на нижнее основание надевались крышки с сеточкой. Срезались небольшие слои торфа сверху образцов . Далее образцы помещались в емкость для постепенного капиллярного насыщения их снизу водой. После полного водонасыще-ния образцов торфа ненарушенной структуры цилиндры переносились на воронки Бюхнера и сверху на каждый цилиндр надевалась U -образная стеклянная трубочка 4, выполняющая роль сифона. Уровень
Прогнозирование процессов поглощения и переноса ионов минеральных удобрений в торфе с помощью ЭВМ
В результате многочисленных экспериментов на монолитах дер-ново-среднеподзолистнх почв, являющихся более простыми средами по сравнению с торфом, нами были предложены математические модели для прогнозных расчетов процессов миграции в них питательных веществ [31, 122, 158, 171, 20 tJ. Торф, как и дерново-подзолистая почва, является дисперсным пористым ионообменным природным материалом, но только намного более сложным. Поэтому, в принципе приведенные выше математические модели могли бы использоваться и для прогнозных расчетов миграции ионов в торфе. Однако, ввиду уникальности и сложности этого природного образования [16 J, выбор математических моделей для него должен базироваться на их экспериментальной проверке на определенном виде торфа, так как гидрохимические параметры, входящие в аналитические зависимости, по-видимому, существенно должны различаться из-за широкого диапазона изменения водно-физических и физико-химических свойств торфа, экспериментальная проверка предложенных математических моделей была выполнена на примере переноса ионов калия и хлора при различных их миграции калия и хлора в образцах древесного низинного торфа. Образцы торфа первоначально насыщались растворами хлористого калия разных концентраций (от 0,005 до 0,05 моль/л) методом фильтрации по замкнутому циклу [2з1, а затем промывались водой при одновременном снятии выходных кривых ионов калия и хлора. Гидрохимические параметры находились по методике, рассмотренной в п. 2.7.2, для различных концентраций порового раствора (табл. 4.6).
Далее на ЭВМ выполнялось решение прямых задач переноса ионов калия и хлора с: использованием для хлора математической модели (ТЛІ) а краевыми условиями (Г.22), (1.24), (1.25),; а для калия - модели (Г.8), (1.9) с краевыми условиями (1.23) - (Г.25). Сравнение расчетных выходных кривых с экспериментальными данными свидетельствует о том, что эти математические модели хорошо описывают перенос указанных компонентов в торфе (рис. 4 .9).
Анализ гидрохимических параметров показал, что коэффициент-распределения JL существенно зависит от концентрации калия в поровом растворе (табл. 4 «б), т.е. изотерма для калия является выпуклой кривой Поэтому в случае изменения концентрации калия в поровом растворе торфа в широком диапазоне, математическая модель (Г.8), (1.9) будет давать существенные отклонения расчетных значений концентраций от фактических (рис". 4.10). В данном случае необходимо использовать математическую модель (3 . Ю), (З .П) с уравнением кинетики обмена с нелинейной изотермой. Расчет показал, что эта модель хорошо описывает перенос калия в торфе (рис. 4.10) при экспериментальном определении гидрохимических параметров.
Как видим, математические модели хорошо описывают динамику сорбируемого:; и несорбируемого ионов в поровом растворе в выходном сечении образца торфа, т.е. они при соответствующих краевых условиях могут быть использованы для прогнозирования количества компонентов,; вымываемых насыщенным фильтрационным потоком в осушительную сетьУ Однако практический интерес представляет также и прогнозирование миграции компонентов минеральных удобрений в толще торфяной залежи (при полевом способе производства ТМАУ) или по профилю торфяной почвы (при сельскохозяйственном использовании низинных месторождений или выработанных площадей на тор описанной в п. 2.4 (рис, 2.5). Образцы древесно-осокового низинного торфа, отобранные на торфяном месторождении "Мелыпня" торфо-предприятия "Емельяновское", первоначально несколько суток находились в емкости с дистиллированной водой. Затем каждый образец был помещен в корпус из 10 колец высотой по 3,0 см каждое и таким образом имел высоту 30,0, а диаметр 7,14 см. Затем началась фильтрация 0,05 М раствора хлористого калия в нисходящем направлении при постоянном градиенте напора. Всего было подано в каждый образец 1,0 л раствора, что соответствует 0,25 м столба жидкости, т.е. 0,83 от высоты образца. Средняя скорость фильтрации раствора за время опыта составила 14,9 м/сут. Высокая скорость фильтрации при градиенте напора, большем I, соответствует коэффициенту фильтрации данного торфа, определенному нами в полевых условиях методом откачек из скважин с последующим расчетом по формуле Эркина (Кф = 9,5 м/сут).
Сразу же после впитывания раствора колонка торфа была разделена на 10 слоев при помощи лобзика с тонкой металлической струной. Из торфа в каждом кольце был отжат поровый раствор, в котором затем определялись концентрации ионов калия и хлора. Далее из отдельных слоев образца отбирались навески для определения подвижного калия, вытесняемого 0,2 н раствором соляной кислоты, по методике ВНИИТП [ш].
При обработке торфа 0,2 н раствором соляной кислоты извлекается подвижный калий. В его состав входит обменный и водорастворимый калий, частью которого является калий порового раствора. Чтобы определить содержание обменного калия в поглощающем комплексе необходимо от величины подвижного калия вычесть содержание его в поровом растворе. Расчет выполнялся по формулегде N - содержание калия в поглощающем комплексе, ммоль/дм3;- концентрация калия в солянокислотной вытяжке, ммоль/л; 0,25 - объем соляной кислоты для приготовления вытяжки, л; 0,-01 - масса навески торфа, кг; ГПс - масса сухого вещества в навеске торфа,, кг; С - концентрация калия в поровом растворе торфа, ммоль/л; fflc - масса сухого вещества торфа в отдельном кольце, кг; 0,12 - объем кольца корпуса установки, дм3.
Из результатов анализов хорошо видно резкое различие в передвижении ионов калия и хлора в древесно-осоковом низинном торфе . Если фронт концентрации хлора, равной концентрации его в насыщающем растворе, продвинулся вниз примерно на 18 см, то для калия это наблюдалось только в верхнем кольце, имеющим постоянный контакт с насыщающим раствором за все время опыта. Значительную разницу в миграции этих ионов с фильтрационным потоком характеризуют их концентрации в поровом растворе самого нижнего слоя; К концу эксперимента концентрация хлора в поровом растворе слоя 27-30 см превосходила естественную уже в 75 раз,: а концентрация калия - только в 12,8 раза. Медленный рост концентрации калия в поровых растворах средних и нижних_слоев образца объясняется интенсивным поглощением калия из инфильтрующегося раствора поглощающим комплексом торфа, что подтверждают данные анали зов солянокислотных вытяжек (рис. 4.1 0. К концу опытов содержание калия в поглощающем комплексе верхнего слоя было в 5 раз больше, чем в нижнем. Причем, по сравнению с естественным поглощающий комплекс верхнего слоя содержал калия в 18,5 раза больше, а нижнего - в 3,7 раза.1
В данных экспериментах специально был использован большой объем раствора хлористого калия, чтобы возмущение по содержанию калия в поглощающем комплексе было заметно по всей высоте колонки торфа;. В опытах по определению гидрохимических параметров переноса ионов по их эпюрам распределения требуется гораздо меньший объем раствора . Этот объем должен быть таким, чтобы концентрация несорбируемого иона в поровом растворе у поверхности обра-ца не достигла концентрации его в подаваемом растворе. Поэтому в данном эксперименте гидрохимические параметры: активная пористость и гидродисперсия были рассчитаны по выходной кривой хлор-иона, а остальные взяты из других опытов (табл. 4.7);.
Исследование влияния торфа на поглотительную способ ность дерново-подзолистой почвы
Важное значение для характеристики плодородия почв имеет их способность,поглощать из растворов питательные вещества растений . Наиболее распространенные в Нечерноземной зоне РСФСР дерново-подзолистые почвы имеют очень малую емкость поглощения. Вследствие этого компоненты водорастворимых минеральных удобрений вымываются из них в почвенно-грунтовые воды и слабо задерживаются в корнеобитаемом слое. Торф по сравнению с дерново-подзолистыми почвами обладает более высокой емкостью поглощения, которая составляет 76-220 для верхового, 84-196 для переходного и 50-277 мг-экв/ЮО г сухого вещества для низинного типов торфа [ібб, 167 J. Низинные хорошо разложившиеся виды торфа в их природном состоянии обладают в 6-Ю раз более высоким обменном поглощением катионов, чем дерново-подзолистые почвы [57J.
Поэтому, учитывая высокие поглотительные свойства торфа,, многие исследователи использовали его в качестве физико-химического мелиоранта дерново-подзолистых почв легкого механического состава [99, 100, 138, 150, 156, 157, 2Il]. Вместе с тем только некоторыми исследователями изучалось изменение емкости поглоще ния почвы после внесения в нее торфа [56, 100, 150, I57J.
Большое практическое значение имеет и знание поглотительной способности почвы после внесения в нее торфа по отношению к отдельным ионам, содержащим питательные элементы. 5 связи с этим, было выполнено несколько серий экспериментов по установлению зависимости адсорбции дерново-подзолистой почвой калия при внесении в нее различных доз торфаУ Опыты были выполнены как в статических, так и в динамических условиях.
Влияние добавок торфа на поглотительные свойства дерново-подзолистой почвы (в статических условиях выполнения опытов) было изучено в диапазоне изменения концентрации растворов хлористого калия 0,01-0,05 моль/л, а также фосфорнокислого калия (одно замещенного) - 0,005-0,05 моль/л.К 0,01 кг воздушно-сухой почвы добавлялись навески торфа в 0,002; 0,004; 0,006 и 0,006 кг при его относительной влажности 72,5 % (соответствующей природной в залежи). Отдельно изучалось поглощение калия из растворов KCI и KHgPO почвой и торфом В результате установлено, что с увеличением добавки торфа (по массе), вносимой в почву постоянной массы, возрастает и поглотительная способность дерново-подзолистой супесчаной почвы во всем диапазоне изменения концентрации растворов (рис. 4.20). Наибольший эффект увеличения сорбции отмечался из растворов с начальной концентрацией 0,05 моль/л.
Большой практический интерес представляет изучение этого эффекта в динамических условиях при фильтрации раствора минерального удобрения через образцы почвы с торфом, что и рассмат Рис. 4.20. Влияние добавки древесно-осокового низинного торфа на поглощение калия дерново-подзолистой супесчаной почвой из растворов КСІ (а) и KF PO (б); I - почва, 2; 3; 4; 5 - добавки торфа в 5, 10, 15, 20 % от массы почвы соответственно, б - торф
Исследование влияния дозы торфа на изменение гидрохимических параметров переноса питательных веществ было выполнено на установке, описанной в п. 2.4 (рис. 2.6). Однако для опытов этой серии конструкция фильтрационных приборов установки была несколько изменена. Так как в экспериментах объем почвенных колонок с торфом был разный, то фильтрация растворов хлористого калия проводилась в нисходящем направлении. Для этого к верхнему штуцеру фильтрационного прибора установки подключалась трубка, соединяющая его посредством переходника с соединительной трубкой питающей емкости. Нижний штуцер имел больший диаметр (9 мм), обеспечивающий свободный отток просачивающегося через почву с торфом раствора в приемную колбу.
Методика выполнения опытов следующая. Использовалась дерно-во-среднеподзолистая глубокооглеенная супесчаная почва. Она предварительно просеивалась через сито с диаметром отверстий в I мм. Затем смешивалась равномерно с разными дозами древесно-осокового низинного торфа. Масса почвы была постоянной, а дозы торфа составляли I; 2; 4 и 7 % от массы почвы. Смесь почвы с торфом затем заряжалась в фильтрационные приборы и проводилось ее насыщение водой до двухфазного состояния. Далее выполнялась фильтрация 0,005 М растворов хлористого калия через колонки почвы с торфом с одновременным снятием выходных кривых хлор-ионов и калия на всех приборах установки. Выходная концентрация хлор-ионов достигла исходной при количестве фильтрата в 50-70 мм столба жидкости при высоте колонок от 6,0 до 8,8 см.
По выходным кривым хлор-ионов были рассчитаны активная пористость Па и параметр гидродисперсии Л на ЭВМ М-222. С увеличением дозы древесно-осокового низинного торфа от 0,005 до 0,04 кг при относительной влажности 72,5 % активная пористость торфо-ми-неральной смеси возрасла от 38,0 до 43,5 %, а параметр гидродисперсии, наоборот, уменьшился с 0,0073 до 0,0046 м (табл. 4.17). Значения гидрохимических параметров Па и Л согласуются с водопроницаемостью почвенных колонок, коэффициент фильтрации которых при возрастании дозы торфа увеличился с 0,26 до 0,59 м/сут, что объясняется хорошей водопроницаемостью использованного торфа (Кф в 9,5 м/сут по методу восстановления уровня в скважине с расчетом по формуле Эркина) .
По выходным кривым калия рассчитывались коэффициент распределения cL и коэффициент скорости обмена f . В результате установлено, что с увеличением дозы торфа от 0,005 до 0,04 кг коэффициент распределения калия между поровым раствором и поглощающим комплексом снизился от 0,080 до 0,039, что свидетельствует об увеличении поглотительной способности дерново-подзолистой почвы по отношению к калию в 2 раза, а по сравнению с почвой без добавки торфа в 2,3 раза. Коэффициент скорости обмена при увеличении дозы торфа до 0,04 кг снижается от 181,4 до 34,1 1/сут. Это указывает на значительное увеличение периода поглощения дерново-подзолистой почвой калия из раствора в случае внесения в нее дозы торфа (в количестве 7 % от ее массы) вследствие увеличения ее емкости поглощения.Большой интерес представляло установление зависимости гидрохимических параметров переноса ионов минеральных удобрений от способа внесения торфа, о чем речь пойдет ниже.дерново-подзолистую почву на гидрохимические параметры переноса питательных веществ
