Анализ представлений о повышении водоустойчивости почв

Полный текст

Потеря плодородного слоя зависит от целого ряда свойств почвы – содержания органического вещества, гранулометрического состава, степени насыщенности обменными катионами, агрегатного состава и ряда других [1]. Эти свойства определяют противоэрозионную стойкость почв, которая характеризует способность почвы противостоять смывающему действию потока воды и капель дождя. Количественно она выражается величиной критической размывающей скорости потока, которая, согласно существующему мнению, непосредственно определяется двумя показателями почвы: размером водопрочных агрегатов и сцеплением их друг с другом. Остальные свойства почв влияют на противоэрозионную стойкость косвенно, через эти параметры [1].

Определение критической размывающей скорости потока для конкретной почвы проводят непосредственно в полевых условиях, либо в лабораторных модельных экспериментах на эрозионных гидролотках. Эти методы имеют низкую производительность. Однако наличие корреляции между эрозионной стойкостью и водоустойчивостью почв, показанной в работе [2], значительно повышает возможности разработки мелиорирующих составов.

В практике повышения противоэрозионной устойчивости почв, нашли широкое применение полимеры-структурообразователи – структоры [3–5]. Установлено, что применение различных полимеров способствует повышению агрегированности почв и межагрегатного сцепления. Это, в свою очередь, влияет на увеличение размывающей скорости и соответственно повышение противоэрозионной стойкости почвы. Считают, что механизм действия полимеров основан на их закреплении на частицах глинистых минералов и связывании последних друг с другом [3–5]. Такой подход не учитывает существующие представления о строении почв – расположение на поверхности минеральных частиц слоя органоминерального геля [6].

Цель работы – исследование взаимодействия ряда веществ-структоров, используемых для повышения водоустойчивости и эрозионной стойкости, с компонентами почв.

В качестве полимеров-структоров в работе использовали полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиакриламид (ПАА) и поливиниловый спирт (ПВС). Также в качестве структора использовали золь гидроксида железа, который готовили методом ионного обмена из раствора хлорида железа, используя анионит в ОН-форме.

Для моделирования взаимодействия веществ-структоров с органическим веществом почв в работе использовали водные растворы гумата из бурого угля, приготовленные из гумата калия ООО “Агротехнологии”.

Для определения размера частиц в растворах гумата с полимерами образцы готовили следующим образцом. В растворы полимеров с концентрацией 0.02% добавляли такую навеску гумата, чтобы обеспечить соотношение полимер: гумат 1:5. Далее растворы гумата с полимерами центрифугировали при 2000 об/мин, что позволяло отделить посторонние примеси.

Изменение размера частиц в суспензии гумата при изучении их взаимодействия с полимерами проводили с использованием лазерного дифрактометра.

В модельных опытах по изучению взаимодействия веществ-структоров с минералами группы монтмориллонита в работе использовали бентонит кальция, изготовленный по ОСТ 18-49-71.

Готовили 5%-й раствор бентонита при активном перемешивании, после чего полученный раствор центрифугировали при 2000 оборотах в течение 10 минут. Надосадочную жидкость отделяли от осадка и высушиванием на песчаной бане определяли полученную концентрацию раствора бентонита, которая составила 8.8 г/л. Далее готовили растворы полимеров с концентрацией 0.02%. В растворы полимеров добавляли раствор бентонита таким образом, чтобы в образце соотношение полимер: бентонит составляло 1:5.

Изменение размера частиц в суспензии бентонита при изучении их взаимодействия с полимерами проводили с использованием лазерного дифрактометра.

Для верификации результатов модельных опытов в работе использовали чернозем выщелоченный из Орловской области. В опытах с полимерами на каждый агрегат размером 4.5–5 мм наносили по 10 мкл раствора с концентрацией 0.02%. Далее образцы в чашках Петри помещали в эксикатор, выдерживали в течение недели, а затем оценивали их водоустойчивость.

Водоустойчивость почв определяли в соответствии с методом, описанным в работе [7]. Эксперименты проводили в шестикратной повторности с последующим расчетом доверительных интервалов при 95%-й доверительной вероятности.

Для приготовления золя гидроксида железа использовали 6-тиводный хлорид железа (III). Раствор соли обрабатывали анионитом в -ОН-форме для образования золя гидроксида железа (III). При приготовлении золя с разными значениями рН использовали разное количество анионита. Приготовление проводили при интенсивном перемешивании для обеспечения равномерности распределения анионита. Величину рН контролировали при помощи иономера И-500 Аквилон.

Для предотвращения осаждения гидроксида железа (III) при слабокислом и нейтральном рН в золь вводили стабилизатор. В качестве стабилизатора использовали 0.02%-ный раствор поливинилового спирта (ПВС). Соотношение стабилизатора и золя гидроксида железа (III) составляло 1:100.

Далее на агрегаты чернозема, не подвергавшиеся высушиванию, наносили по 10 мкл золя гидроксида железа, после чего обработанные образцы выдерживали в эксикаторе с насыщенными парами воды в течение 7 суток. Затем определяли водоустойчивость полученных образцов по методу лезвий.

В работе [8] было показано, что водоустойчивость почвенных агрегатов обусловлена гидрофобными связями в почвенных органоминеральных гелях, которые покрывают и связывают почвенные частицы между собой.

Для проверки взаимодействия органической составляющей почв с полимерами был проведен модельный эксперимент по взаимодействию гуматов с полимерами, молекулы которых обладают разными гидрофильно-гидрофобными свойствами. Мы предполагали, что в водном растворе дифильные гуматы будут взаимодействовать с дифильными полимерами за счет гидрофобных взаимодействий. Это должно приводить к увеличению размера частиц в растворах. Причем с увеличением гидрофобности полимера должен возрастать размер частиц в растворах.

Полученные данные свидетельствуют о том (рис. 1), что наибольший размер частиц характерен для суспензий гуматов с ПВС – самым гидрофобным среди изученных полимеров. В варианте с самым гидрофильным полимером – ПЭГ частицы имеют наименьший размер, вариант с ПАА занимает промежуточное положение.

 

Рис. 1. Влияние добавления полимеров к растворам гуматов на распределение частиц по размеру.

 

Для проверки взаимодействия минеральной составляющей почв с полимерами-структорами был проведен модельный эксперимент по взаимодействию бентонита с теми же полимерами, которые использовали в опытах с гуматами. В этом случае рабочая гипотеза состояла в том, что для гидрофильного бентонита ведущую роль в образовании агрегатов должны играть гидрофильные связи, т. е. самый крупный размер частиц должен наблюдаться в варианте с самым гидрофильным полимером – ПЭГ.

Полученные данные опровергли наше предположение (рис. 2): как и в случае с растворами гуматов наибольший размер частиц характерен для суспензий бентонита с ПВС. Это можно объяснить тем, что гидрофильные участки ПВС взаимодействуют с гидрофильными участками бентонита. Гидрофобные участки ПВС оказываются на поверхности частиц бентонита и дальнейшее взаимодействие минеральных частиц осуществляется посредством гидрофобных взаимодействий. Такой механизм предложен для описания роли дифильных гуминовых веществ в обеспечении водоустойчивости почв [9].

 

Рис. 2. Влияние добавления полимеров к суспензии бентонита на распределение частиц по размеру.

 

Распределение частиц по размеру в вариантах опыта с ПЭГ и ПАА сходно с контролем. Это говорит о том, что вклад гидрофильных связей при сцеплении частиц бентонита и полимеров меньше, чем гидрофобных.

Для верификации данных модельных опытов была определена водоустойчивость чернозема, обработанного различными полимерами. Гипотеза эксперимента состояла в том, что с увеличением гидрофобности полимера водоустойчивость почв, обусловленная гидрофобными связями, должна возрастать.

В ходе экспериментов установлено (табл. 1), что наибольшее значение водоустойчивости – 34.38 мН/агрегат – отмечено в варианте ПВС, что на 43% выше по сравнению с необработанным контролем. После него идут варианты с ПАА – 28.60 мН/агрегат и ПЭГ – 23.87 мН/агрегат. Таким образом, снижение водоустойчивости соотносится с уменьшением частиц по размерам в модельном опыте с суспензиями гуматов с полимерами, где размер частиц убывал в ряду: ПВС‒ПАА‒ПЭГ. При этом ПВС среди изученных полимеров формировал с бентонитом наиболее крупные частицы.

 

Таблица 1. Влияние внесения полимеров разной гидрофобности при концентрации 0.02% на водоустойчивость чернозема

Полимер	Водоустойчивость, мН/агрегат
Контроль без обработки	24.11±0.54
Полиэтиленгликоль 300	23.87±0.59
Полиакриламид	28.60±1.03
Поливиниловый спирт	34.38±1.19

 

Учитывая, что на протяжении десятилетий разработка структоров была ориентирована на связывание частиц глинистых минералов [3–5], вопрос их взаимодействия был достаточно подробно описан в литературе [3–5]. На наш взгляд, смещение акцента при подборе структоров с почвенных минералов на органоминеральные гели может выступить резервом повышения эффективности составов для улучшения водоустойчивости и эрозионной стойкости почв. Для проверки этой гипотезы следовало уточнить вклад органической составляющей почв – гуминовых веществ (ГВ) – в формирование почвенной структуры.

Из литературы известно [10], что, наряду с дифильностью, гуминовые вещества обладают отрицательным зарядом, поэтому на прочность гелей должны влиять связи, возникающие за счет взаимодействия разноименно заряженных ионов. В качестве примера можно привести гидроксид железа, частицы которого имеют положительный заряд поверхности и хорошо взаимодействуют с гумусом [11]. При этом как ГВ, так и гидроксид железа имеют многоуровневую организацию.

Структурная организация ГВ выглядит следующим образом. Первичные частицы-молекулы гуминовых веществ (ГВ) размером 2–10 нм объединяются во фрактальные кластеры (Ф-кластеры) размером 100–200 нм [12–14]. Возникновение Ф-кластеров и их объединение с образованием органической составляющей гелей происходит из-за мозаичной гидрофильно-гидрофобной поверхности частиц-молекул ГВ [15].

В структурной организации гидроксида железа выделяют первичные коллоидные частицы, которые объединены в агрегаты 1-го уровня размером около 100 нм и агрегаты 2-го уровня размером несколько микрон [16].

Разноименный заряд ГВ и железа в сочетании со сходным размером образований – Ф-кластеров ГВ и агрегатов золя железа – позволяют предположить возможность использования железа для повышения водоустойчивости почв.

Основной проблемой применения растворов солей железа (III) для повышения водоустойчивости почв является их высокая кислотность. В работе [17] приведен график, показывающий распределение в системе ионов железа (III) и их гидроксокомплексов в зависимости от рН. Попытки повысить рН растворов солей до величин, безопасных для растений, добавлением щелочи приводят к выпадению осадка гидроксида железа, механизм которого состоит в образовании коллоидных частиц гидроксида железа при гидролизе соли, их коагуляции и седиментации.

Из коллоидной химии известно [18], что коагуляция ускоряется при повышении температуры, ионной силы раствора и концентрации частиц. Добавление для увеличения рН растворов щёлочи одновременно приводит к росту ионной силы растворов и числа коллоидных частиц, провоцируя коагуляцию. Значительно более мягким является обработка растворов железа анионитом в ОН-форме. В этом случае происходит обмен анионов в растворе на -ОН-группы из анионита, рН увеличивается, а ионная сила даже снижается. Так электропроводность золя железа с рН 6.1 примерно в 40 раз ниже электропроводности раствора хлорного железа, из которого его приготовили.

Повышение рН подобным способом позволило получить коллоидные растворы с концентрацией 6.0 г/л по железу при рН 6.0 (рис. 3, 4). При этом увеличение рН сопровождалось повышением водоустойчивости чернозема с 26.7 до 38.6 мН/агрегат (рис. 3, табл. 2). По отношению к необработанному чернозёму водоустойчивость возросла на 59%, что заметно больше, чем при использовании полимерных структоров (табл. 1).

 

Рис. 3. Влияние рН золя железа на водоустойчивость чернозема.

 

Рис. 4. Влияние концентрации золя железа на водоустойчивость чернозема.

 

Таблица 2. Влияние внесения поливинилового спирта (ПВС) при концентрации 0.02% на водоустойчивость чернозема

Концентрация Fe, г/100 г	Водоустойчивость образцов без ПВС, мН/агрегат	Водоустойчивость образцов с ПВС, мН/агрегат
0.2	26.73±1.00	26.85±0.50
0.6	38.41±1.29	38.58±0.94

 

Однако устойчивость золей железа при рН близких к нейтральным оставалась низкой. Для стабилизации золя железа мы использовали ПВС – полимер, который ранее в экспериментах увеличил водоустойчивость чернозема и, согласно литературным данным [19], обладал способностью к стабилизации золя железа.

Проведенные опыты показали (табл. 2), что золь железа в сочетании с ПВС перестал выпадать в осадок при хранении, т. е. его устойчивость возросла. При этом эффективность золя железа сохранилась на уровне нестабилизированного варианта.

Полученные результаты дополняют представления о роли органического вещества почв в формировании структурообразующих связей при использовании веществ-структоров. Смещение акцента с усиления сцепления между минеральными частицами на укрепление органических и органоминеральных взаимодействий следует рассматривать как резерв повышения эффективности составов для поддержания структуры почв.

ВЫВОДЫ

Размер образований в растворах гуматов с полимерами возрастает с увеличением гидрофобности полимеров, что говорит о ведущей роли гидрофобных связей при взаимодействии гуматов с полимерами.

Наибольший размер образований в растворах бентонита с полимерами отмечен для поливинилового спирта. При этом сходное с контролем распределение частиц по размеру в вариантах опыта с ПЭГ и ПАА говорит о том, что вклад гидрофильных связей при сцеплении частиц бентонита и полимеров меньше, чем гидрофобных.

С увеличением гидрофобности изученных полимеров для повышения водоустойчивости чернозема их эффективность возрастает до 43%.

Использование суспензий золя железа для обработки чернозема позволяет повысить его водоустойчивость на 59%.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена при финансовой поддержке работы РНФ: проект № 22 14-00107.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

Г. Н. Федотов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: gennadiy.fedotov@gmail.com

факультет почвоведения

Россия, Москва

С. А. Шоба

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: gennadiy.fedotov@gmail.com

член-корреспондент РАН, факультет почвоведения

Россия, Москва

И. В. Горепекин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: gennadiy.fedotov@gmail.com

факультет почвоведения

Россия, Москва

Д. А. Тарасенко

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: gennadiy.fedotov@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы