УДК 631.412 Физико-химические свойства почвы
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Структура почв является важной агрофизической характеристикой, которая влияет на потенциальную урожайность возделываемых культур. Основой структуры является почвенный поглощающий комплекс (ППК), состав которого определяется обменным взаимодействием с катионами порового раствора (ПР). Обмен катионов математически описывается различными изотермами, нами используется изотерма Б.П. Никольского. Вводится понятие равновесных и критических состояний, определяющих солонцовый процесс. Предложены показатели качества оросительной воды – дефицит кальция (DK) и Cµ, которые имеют определенный физический смысл. В зависимости от соотношений этих показателей оросительная вода делится на 3 класса. Класс воды зависит как от катионного состава оросительной воды, так и от физико-химических характеристик орошаемой почвы. Для расчета показателей и определения класса воды разработана программа для ЭВМ. Приводится пример расчета показателей качества для 3 видов оросительной воды различного состава при орошении чернозема
почва, вода, ионообменное равновесие, солонцовый процесс, качество оросительной воды
Введение. Структура почв является важной агрофизической характеристикой, которая влияет на влаго-воздухопроводность, перенос питательных веществ и, в конечном счете, определяет потенциальную урожайность возделываемых культур. Основой структуры является почвенный поглощающий комплекс (ППК), учение о котором К.К. Гедройца [3] ставит почвоведение в ряд фундаментальных наук. При взаимодействии порового раствора (ПР) с ППК устанавливается определенное равновесие химических ингредиентов посредством ионообменных реакций. Исследования К.К. Гедройца, Н.И. Горбунова, Е.Н. Гапона, Б.П. Никольского, И.Н. Антипова-Каратаева и др. позволили сформулировать общие закономерности обмена катионов в дисперсных средах: обмен катионов происходит в эквивалентных количествах и обратим; поглощение катионов увеличивается с увеличением их концентрации в растворе; процесс обмена усиливается с ростом рН раствора; обмен катионов можно математически описывать уравнениями изотерм [4].
Материалы и методы. Исследователями применяются различные изотермы, в которых учитывается обмен основных катионов натрия, кальция и магния, используя их парные отношения в ПР и ППК. Наиболее известны изотермы Б.П.Никольского [7 ], Е.Н. Гапона [2] , А.П. Венселоу [12] и некоторые другие. Фактически различные изотермы обмена это различные функциональные зависимости между концентрациями катионами в ПР и ППК и связанные коэффициентами ионообменного равновесия. Успешность выбора той или иной изотермы определяется относительным постоянством численных значений коэффициентов при изменении концентрации ионов исходных растворов. Нами в дальнейшем будет использоваться изотерма Б.П. Никольского, аналитическая форма которой соответствует закону действующих масс, и коэффициенты которой наиболее устойчивы для различных растворов, что было показано на основе экспериментальных данных [6]. Установившиеся концентрации катионов в ППК определяют структурные свойства почв [9]. Так содержание натрия свыше 10% для большинства почв способствует слитолизации частиц и проявлению солонцовых свойств, тогда как катионы кальция в ППК структурируют почву. Катионы магния по влиянию на структуру занимают промежуточное значение. Было замечено, что превышение содержания магния в воде над кальцием может приводить к проявлению солонцеватых свойств.
Исследователей давно интересует вопрос как по химическому составу оросительной воды можно предвидеть ее воздействие на структуру почв. Так появились различные классификации качества оросительной воды. Нужно отметить, что структура почвы в целом определяется не только состоянием ППК, но и зависит от диспергации и коагуляции почвенных коллоидов, а следовательно зависит от суммарной концентрации солей в оросительной воде [5]. Приведем некоторые существующие классификации оросительной воды.
Одна из классификаций основывается на установленном факте, что для большинства засоленных почв содержание поглощенного натрия в ППК- NNa линейно зависит от отношения концентраций (Na)/(Ca+Mg)1/2 в оросительной воде [10]. Приведенное отношение называется SAR, а его численное значение определяет качество воды (чем больше, тем хуже). Однако это справедливо только для ограниченного класса почв (засоленных), кроме того, не учитывается возможность магниевого осолонцевания [11], так как концентрация магния стоит в знаменателе и суммируется с концентрацией кальция.
Другой пример классификации принадлежит С.Я. Бездниной [1]. Классификация предполагает деление качества оросительной воды по показателям общего и хлоридного засоления, натриевого и магниевого осолонцевания и содообразования. Всего выделено 4 класса качества воды. Класс 1 соответствует воде наилучшего качества: оросительная вода не оказывает неблагоприятного влияния на плодородие почв, урожайность и
качество сельскохозяйственной продукции. 4 класс соответствует воде не пригодной для орошения, без изменении качественного состава и требует ее мелиорации. 2,3 классы занимают промежуточное положение по влиянию на почву, урожайность и качество продукции. Для каждого класса приведен допустимый предел численных значений показателей установленных эмпирическим путем. Сложность установления класса качества воды возникает, когда численные значения показателей принадлежат разным классам. В целом же система С.Я. Бездниной оказывается практически полезной для первичной оценки качества воды и принятии решения о возможности орошения для большинства почв при учете градации отдельных показателей качества.
Результаты и обсуждения. Нами, для оценки влияния качества воды на структуру почв через состав ППК, предложен метод, основанный на использовании изотерм ионообменной сорбции. При этом учитывается как химический состав оросительной воды, так и физико-химические свойства орошаемых почв, их сорбционная избирательность по отношению к катионам. Эта избирательность характеризуется коэффициентом ионообменного равновесия. Рассмотрим количественную сторону этого явления.
Распределение обменных катионов между сорбированной и жидкой фазами почв при условии равновесия будем описывать изотермой Никольского, которая имеет вид 
где Ср – равновесная концентрация катиона в растворе, мг · экв/л, соответствующая содержанию этого катиона в ППК – N, мг · экв/100 г; z – валентность; i, j – типы катионов; К i j – экспериментальный коэффициент ионообменного равновесия. Для описания равновесия трех катионной системы, содержащей Na, Ca, Mg, достаточно двух уравнений типа (1) и условия постоянства емкости обмена Q =NCa+NMg+NNa.
Если концентрация ионов Na, Ca и Mg в воде равна CNa, CCa, CMg, то при промывном режиме орошения можно положить CrNa= CNa, CrMg=CMg и, подставив эти значения в уравнения (2.2), (2.3), выразим значения
равновесной концентрации Са, определенной относительно ионов Na – CrCa(Na) и Mg – CrCa(Mg) , получим: где Ni– исходное содержание соответствующих катионов в ППК. Каждая из этих формул определяет концентрацию Са в воде, необходимую для сохранения исходного равновесия катионов в ППК. Если из двух значений, определяемых по формулам (4) и (5), выбрать максимальное, то это значение
будет характеризовать концентрацию Са в оросительной воде, ниже которой будет происходить увеличение содержания катионов Na или Mg, либо того и другого одновременно за счет вытеснения иона Са из ППК. Допустимый предел уменьшения содержания Са в оросительной воде будет определяться соотношением катионов ППК, при котором проявляются солонцовые свойства почв. Назовем такое состояние почвы критическим. Согласно
экспериментальным данным такое состояние для большинства почв начинает проявляется, когда поглощенный Na достигает 0,1 от емкости поглощения Q, а концентрация Mg в воде равна или больше концентрации Са. Из условия постоянства емкости обменных катионов также следует :
где Nkp– содержание катионов ППК, соответствующее критическому состоянию почвы, при котором проявляются ее солонцовые свойства. Учитывая что и пологая СMg=ССа, получим .
Тогда равновесные концентрации Са, соответствующие критическому состоянию почвы, согласно формулам (4) и (5), будут равны:
Таким образом, равновесные концентрации Са, соответствующие исходному и критическому состоянию почв, включают в себя как физико-химические характеристики почвы, так и концентрационные характеристики катионного состава раствора и могут быть приняты за стандартные состояния, относительно которых можно производить оценку оросительной воды. Разница значений максимальной равновесной концентрации Са, определяемой формулами (4), и (5), и фактической концентрации Са в оросительной воде дает недостаток Са в оросительной воде.
Обозначим этот показатель DK (дефицит Са оросительной воды): .
Физико-химический смысл этого показателя состоит в том, что он равен концентрации иона кальция , которую необходимо добавить в оросительную воду, чтобы не происходил сдвиг содержания ППК в сторону осолонцевания. Кроме того вводится показатель Сµ, который определяет дефицит кальция относительно его критической концентрации в данной почве.
Устранение дефицита кальция в оросительной воде может достигаться добавлением соли, содержащей ион Са, например гипса, фосфогипса. Таким
образом, вода для орошения конкретной почвы может быть 3 классов, которые определяются соотношением показателей DК и Сµ.
Класс 1 соответствует воде хорошего качества, для этого класса DК < 0, Cµ<0. Вода не требует мелиорации и орошение почвы такой водой не приводит к негативным изменениям структуры почвы.
Класс 2 – вода удовлетворительного качества, DК>0, Cµ<0. Орошение почвы такой водой приводит к сдвигу концентрации катионов в ППК в сторону признаков осолонцевания, но которые не достигают критических значений. Для перевода такой воды в класс 1 необходима ее мелиорация – добавление иона кальция в концентрации равной DК ( мг.экв/л). При использовании в качестве мелиоранта гипс, растворение его в количестве 1 гр/л соответствует увеличению концентрации иона кальция в воде равным 11,6 мг.экв/л.
Класс 3 – вода не удовлетворительного качества, DК>0, Cµ>0. Орошение почвы водой этого класса приводит к осолонцеванию. Необходима
мелиорация оросительной воды или внесения мелиоранта в почву. Доза мелиоранта для оросительной воды равна DK или Cµ мг.экв/л.
Таким образом можно рассчитывать дозу мелиоранта для предотвращении осолонцевания почвы при орошении ее водой конкретного химического состава. Для автоматизации расчета показателей качества оросительной воды была разработана программа для ЭВМ в среде «Excel» [8]. Для расчета по
программе необходимо задать содержание катионов в оросительной воде (таб.1) и физико-химические характеристики орошаемых почв (таб.2). В таб.2 входят коэффициенты парного ионного обмена изотермы Б.П. Никольского KNa-Ca , KMg-Ca. Определение этих коэффициентов нами были проведено на основе экспериментальных данных по установлению равновесия между катионами раствора и ППК. Для расчета были выбрана почва: чернозем, Сыртовое Заволжье, село Красноармейское Куйбышевской обл. Далее приведен пример расчета показателей качества оросительной воды по отношению к солонцовому процессу. Для расчета использовались три вида оросительной воды, различных по химическому составу, условно обозначенных «оросительная». «сточная» и «дренажная», которыми предполагается орошать данную почву. В таб.1 приведен катионный состав оросительной воды различного качества, в таб.2 – физико-химические характеристики орошаемой почвы, в таб.3 – рассчитанные показатели качества и класс оросительной воды.
Таблица 1
Катионный состав оросительной воды
|
ВОДА |
Концентрация катионов , мг․экв/л |
||
|
Na+ |
Ca2+ |
Mg2+ |
|
|
Оросительная Смешанная Дренажная |
5,0 12,0 21,0 |
10,0 11,0 6,3 |
5,8 10,8 14,2 |
Таблица 2
Физико-химические характеристики орошаемой почвы
|
ПОЧВА |
Исходный состав ППК, мг.экв/100г |
Коэфф.ионного обмена |
||||
|
Na+ |
Ca2+ |
Mg2+ |
Q |
KNa-Ca |
KMg-Ca |
|
|
Чернозем |
1 |
23 |
3 |
27 |
0,125 |
0,847 |
Таблица 3
Показатели качества и классы оросительной воды для черноземной почвы
|
ВОДА |
Раcсчитанные показатели, мг.экв/л |
Класс воды |
|||||
|
СрСа(Na) |
CpCa(Mg) |
CpCakp(Na) |
CpCakp(Mg) |
DK |
Cµ |
||
|
Оросительная Смешанная Дренажная |
9,0 51,8 158,5 |
31,9 59,4 78,1 |
0,8 7,1 12,9 |
5,8 10,8 14,2 |
21,9 48,4 152 |
-4,2 -0,2 7,91 |
2 2 3 |
Из данных таб. 3 следует, что для орошения данной почвы пригодны вода «оросительная» и «смешанная», орошение же «дренажной» водой может приводить к негативным последствиям – осолонцеванию почвы. Повышение класса пригодности воды может быть достигнуто ее мелиорацией, например добавлением гипса. Учитывая растворимость гипса при нормальных условиях, максимальная концентрация кальция, на которую можно увеличить его содержание в оросительной воде при однократном применении, равна 28,4 мг.экв/л, что соответствует растворимости гипса – 2,5 г/л .
Заключение. Предложен количественный метод оценки качества воды и ее влияния на возможность развития солонцового процесса. Метод основан на моделировании равновесных состояний и использования изотерм ионообменной сорбции Б.П. Никольского. Приведены примеры расчета влияния вод различного состава на структурные свойства почв.
1. Безднина С.Я. Качество воды для орошения: принципы и методы оценки. М., РОМА, 1997. -185 с.
2. Гапон Е.Н. Теория обменной сорбции в почвах. //Журнал общей химии, 1933, 3, с.144-163.
3. Гедройц К.К. Избранные труды. – М.: Наука, 1975. – 638 с.
4. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики. – Киев.: Изд. Объед. «Высш. школа», 1975. -268 с.
5. Министерство сельского хозяйства и продовольствия РФ. Экологические требования к качественному составу оросительных вод, обеспечивающих предотвращение засоления и осолонцевания почв. –М.: Центр научно-технической информации, пропоганды и рекламы, 1995. -33с..
6. Николаенко А.Н. Моделирование и экспериментальное определение коэффициентов изотерм ионообменного равновесия в почвах. Материалы Межвузовского международного конгресса Высшая школа: научные исследования. (г. Москва, 30 марта 2023 г.), -М.: Инфинити, 2023. с.155-158.
7. Никольский Б.П., Парамонова В.И. Законы обмена ионов между твердой фазой и раствором. //Успехи химии, 1939, 1939, т.8, вып.10, с.14-17.
8. Павлущенко В.А., Николаенко А.Н.Программа для ЭВМ «Расчет воздействия оросительной воды на структуру почв и ее мелиорация в случае развития процесса осолонцевания». Свидеельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2022682573 от 24.11.2022.
9. Nikolaenko A.N.,Kavokin A.A. Modeling the Connection of Soil Structure with the Content of Organic Matter and Exchangeable Ca2+ and Mg2+ Cations. ISSN 0147-6874, Moscow University Soil Science Bulletin, 2020. No. 2, pp. 82–86. Allerton Press, Inc., 2020
