Тепловые эффекты взаимодействия почв с водой, удобрениями и токсикантами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые эффекты взаимодействия почв с водой, удобрениями и токсикантами

Савич В.И.*, Сорокин А.Е.**, Балабко П.Н.***, Пискунова А.*, Суккар Л.*

*РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева

**Московский авиационный институт

***МГУ им. М.В.Ломоносова

Аннотация

Определены тепловые эффекты реакций почв с Н₂О, КН₂РО₄, Рb(NО₃)₂, гидроксиламином, NН₄NО₃ с использованием термоиндикаторных пленок, тепловизора, калориметра, по изменению цветовой гаммы почв в цветовых системах RGB, CMYK. Большая теплота смачивания (кал/г) от 2,0-3,9 до 4,7-6,3 соответствовала большему набуханию (соответственно, 7,4 и 16,7 % от объема), меньшей скорости фильтрации - с 14,5 мл/см² в час до 3,1. Тепловые эффекты взаимодействия почв с 0,1н КН₂РО₄ отличались для разных типов почв и горизонтов.

При взаимодействии сорбата с Ап дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы величина Дt⁰ составляла +1,0⁰, в черноземе - +2,2. Для горизонта А₂В дерново-подзолистой почвы тепловой эффект этой реакции был равен +0,5⁰, для горизонта В чернозема - +0,6⁰. При взаимодействии горизонта Ап чернозема с 0,1н Рb(NО₃)₂ тепловой эффект был равен +1,1⁰, для горизонта В₁ - +0,2⁰.

Величина температурного эффекта взаимодействия почв с КН₂РО₄, NН₄NО₃ была пропорциональна насыщенности почв этими соединениями. Тепловой эффект реакций распространялся волнообразно от зоны внесения в почву сорбата и изменялся во времени.

Предлагается использовать тепловой эффект реакций почвы с водой, удобрениями, мелиорантами, токсикантами для характеристики сорбционных свойств почв по отношению к этим соединениям.

Ключевые слова: гидратация, тепловой эффект сорбция, плодородие, загрязнение почв

Введение

Объектом исследования выбраны пахотные и подпахотные горизонты дерново-подзолистых почв, черноземов, серых лесных, каштановых почв, почвы Сирии, Египта, рендзины, вертисоли, ферраллитные почвы [1-6].

Методика исследования состояла в оценке тепловых эффектов взаимодействия почв с водой, КН₂РО₄, Рb(NО₃)₂, гидроксиламином, NН₄NО₃. Тепловые эффекты взаимодействия почв с сорбатами оценивались с использованием тепловизора, термоиндикаторных пленок, термостата и термометра, прибора «Директермом».

При оценке теплового эффекта использовались термоиндикаторные пленки марки ПТ-1 (от 18 до 21 ⁰). При этом синий цвет соответствовал 21⁰, зеленый - 20⁰, желтый - 19⁰, коричневый - 18⁰. При оценке теплового эффекта реакций сорбата и сорбента использовали тепловизор FLIRT-335 и измеритель климата «Метеоскоп-М», тепловизор АGА-780 фирмы АGЕМА. Цветовую гамму почв оценивали методом компьютерной диагностики в цветовых системах Lab, RGB, CMYK [2-5]. Анализы содержания в почве катионов и анионов проведены с использованием общепринятых методов [4, 7].

Экспериментальная часть

Генезис и плодородие почв характеризуются трансформацией, миграцией и аккумуляцией вещества, энергии и информации [4, 5, 8-10]. Предложена информационная и энергетическая оценка плодородия почв [4]. Одной из составляющих этой оценки являются тепловые эффекты реакций, протекающих в почве [4, 8]. Для любого процесса в системе почва-растение необходимы затраты энергии, а взаимодействие удобрений и мелиорантов с почвой, протекание почвообразовательных процессов целесообразно рассчитывать по рационам калорийности [4, 5]. Однако эти вопросы изучены недостаточно [7-10].

1. Значительное количество данных имеется по тепловым эффектам взаимодействия почв с водой [7, 11]. Теплота смачивания (Q) прямо пропорциональна содержанию ила (ил) и физической глины (< 0,01 мм):

Q = -0,91 + 0,16 (ил); Q = 0,34 + 0,07 (< 0,01 мм)

В исследуемых почвах Азербайджана наибольшая теплота смачивания отмечена у слитого чернозема (до 11,4 кал/г) и наименьшая - у сероземно-луговой почвы (до 4 кал/г). Теплота смачивания была обратно пропорциональна содержанию рыхлосвязанной воды: Q = 9,18 - 0,74 РС при r = -0,70 [11].

По полученным нами данным, теплота смачивания почв (кал/г) коррелировала с набуханием в % от объема, гигроскопической влажностью в % от обмена, максимальной гигроскопией и скоростью инфильтрации (мл/см² в час). Это иллюстрируют данные таблицы 1.

Таблица 1. Теплота смачивания почв и ее связь с водными свойствами

Как видно из представленных данных, большая теплота смачивания почв соответствовала большему их набуханию, большей гигроскопичности и меньшей скорости фильтрации.

Значительные отличия по этим показателям отмечались и для отдельных типов почв. Так, для дерново-подзолистой почвы и чернозема теплота смачивания, соответственно, составляла 3,1 и 6,3; набухание - 3,4 и 25,9; гигроскопия - 1,8 и 5,6; скорость инфильтрации - 2,0 и 0,2.

Влажность образцов существенно изменяла цветовую гамму почв, оцениваемую методом компьютерной диагностики. Так, в системе СМYК сухие образцы имели интенсивность черного цвета К - 3,4±0,3, а влажные - 31,3±1,3. При этом с утяжелением гранулометрического состава влияние влажности на цветовую гамму почв увеличивалось. Так, по полученным нами данным, для горизонта А₂ подзолистых почв песчаного гранулометрического состава для сухой и влажной почвы интенсивность К составляла, соответственно, 1,0 и 30,8, для суглинистых - 0,1 и 22,8. Аналогично изменялись интенсивности красного М и оранжевого Y цветов.

2. Тепловой эффект реакций сорбатов с почвами идентифицируется по цвету термоиндикаторных пленок [3, 4], что иллюстрируется данными таблицы 2.

Таблица 2. Изменение цветовой гаммы почв Ирана после взаимодействия с гидроксиламином в цветовой гамме СМYК

Как видно из представленных данных, при развитии восстановительных условий увеличилось количество водорастворимого железа, уменьшилась интенсивность цветов красного (М), оранжевого (Y), черного (К).

3. Тепловой эффект реакций отличается для отдельных типов почв и горизонтов. По полученным данным, тепловой эффект взаимодействия почв Сирии с 0,1н КН₂РО₄ (Дt⁰) был выше для пахотного слоя - 2,7⁰ и до 0,8⁰ - для подпахотного, выше для почв черных по цвету и ниже - для бурых почв.

Тепловой эффект реакций зависит от гранулометрического состава почв. Так, по полученным нами данным, отношение теплового эффекта сорбции фосфатов (КН₂РО₄) с черноземом тяжелого и легкого гранулометрического состава составляло 2,4, а это отношение в вертисоли тяжелосуглинистой и в красновато-бурой песчаной - 2,8.

Тепловой эффект зависит от продолжительности взаимодействия сорбата с почвой. При внесении КН₂РО₄ в глееватый тяжелосуглинистый выщелоченный чернозем величина Дt⁰ через 20 и 120 секунд составила -1,0⁰. При разном времени взаимодействия сорбата с почвой в реакцию вступают разные сорбционные места. Это определяет изменение тепловых эффектов реакций со временем. Так, по полученным нами данным, при взаимодействии КН₂РО₄ с рендзиной тепловой эффект составлял 11,7 кал/г, за 15 минут он изменился в 5,6 раза; в легкосуглинистом черноземе этот тепловой эффект составлял 3,6 кал/г, а изменение - в 4 раза.

На разном удалении от зоны внесения сорбата в почву температура почв изменяется неодинаково. Это хорошо идентифицируется при оценке теплового эффекта реакций с использованием тепловизора АGА-780 фирмы АGЕМА. Так, при внесении в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву КNО₃ температура в зоне внесения составляла 16⁰, при увеличении удаления от центра внесения, соответственно, 17,2⁰, 20,8⁰, 23,2⁰.

4. Тепловой эффект реакций сорбатов с почвами сопровождается изменением содержания в почвах водорастворимых соединений. Так, по полученным нами данным, при взаимодействии почв с NН₄NО₃ и Н₂О содержание NО₃ в центре внесения сорбата (n = 16-20) изменилось от 3,3±0,1 м/л до 1,9±0,01; водорастворимого Са - от 110,4±16,3 мг/л до 375,8±46,1. С изменением величины температурного градиента от > 4,6⁰ до < 4,6⁰ уменьшается градиент изменения и водорастворимого Са (от -28,6 до +1,7) и Мn (от -6,2 до -0,2). Для почв разного гранулометрического состава эти изменения являются характеристическими, что подтверждается данными таблицы 3.

Таблица 3. Взаимосвязь градиентов температурного и концентрационного полей при взаимодействии почв с Н₂О и NН₄NО₃ (Дt⁰, ДХ мг/л) между центром внесения сорбата и периферией образца

5. Тепловые эффекты реакций сорбатов с почвами определяются совокупностью тепловых эффектов взаимодействия почв с водой, катионами и анионами сорбатов. Это иллюстрируют и данные проведенного нами опыта (табл. 4).

Исследование теплового эффекта взаимодействия почв с Н₂О, КН₂РО₄, Рb(NО₃)₂ проводилось с использованием тепловизионной камеры FLIRT-335 #456003345 и измерителя микроклимата «Метеоскоп-М-32014-11».

Таблица 4. Тепловые эффекты взаимодействия почв с Н₂О, КН₂РО₄, Рb(NО₃)₂ (Дt⁰)

* - по сравнению с исходным значением t⁰ почв;

** - по сравнению с температурным эффектом взаимодействия почв с водой.

Как видно из представленных данных, тепловой эффект взаимодействия почв с КН₂РО₄ в черноземе вниз по профилю убывает, в дерново-подзолистой почве в горизонте А₂В убывает, в горизонте В, по сравнению с А₂В, - возрастает. Тепловой эффект взаимодействия почв с водой был выше в нижних горизонтах, с Рb(NО₃)₂, в основном, выше в Ап.

Таким образом, температурные эффекты взаимодействия почв с удобрениями и мелиорантами характеризуют недостаток или избыток этих элементов в почве и, как следствие, уровень плодородия и степень деградации почв.

Предлагается оценка температурных эффектов взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвами с использованием тепловизора, термоиндикаторных пленок, термостата, прибора Директермом.

Температурные эффекты взаимодействия почв с водой характеризуют степень гидрофильности и гидрофобности почв, химический, минералогический и гранулометрический состав почв, степень увлажнения почв и являются основой для мелиоративных расчетов.

Температурные эффекты взаимодействия почв с удобрениями и мелиорантами являются характерными показателями для разных типов почв и более мелких таксономических единиц.

Температурные эффекты взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвами являются функцией рН и Еh почв, степени гумусированности, эродированности, гидроморфности, засоленности, солонцеватости.

Температурные эффекты взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвами зависят от концентрации сорбата, времени взаимодействия, соотношения почва-раствор в связи с вступлением в анализ разных типов сорбционных мест.

Температурные эффекты взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой являются составляющей энергетической оценки плодородия.

Температурные эффекты взаимодействия почв с катионами и анионами характеризуют долю в почвенном поглощающем комплексе ацидоидов и базоидов и плотность заряда их сорбционных мест.

тепловой почва удобрение энергетический

Список использованных источников

1. Болтенков А.В. Тепловые эффекты взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой. Автореферат канд. дисс. - М.: ТСХА. - 1992. - 20 с.

2. Савич В.И., Болтенков А.В., Муради Н.М. Тепловые поля в почве как фактор плодородия // Сб. «Управление плодородием почв в условиях интенсивного использования». - М.: ТСХА. - 1991. - С. 17-25.

3. Савич В.И., Амергужин Х.А., Садуакасов Н.М. Оценка сорбционных свойств почв на основе тепловых эффектов взаимодействия сорбатов с почвами // Изв. ТСХА. - 1998, вып. 4. - С. 70-72.

4. Савич В.И. Физико-химические основы плодородия почв. - М.: РГАУ-МСХА. - 2013. - 431 с.

5. Савич В.И., Мазиров М.А., Седых В.А. Агроэкологическая оценка геофизических полей. - М.: РГАУ-МСХА, ВНИИА. - 2016. - 492 с.

6. Хусейн Халед Ахмед. Некоторые особенности фосфатного состояния почв. Автореферат канд. дисс. - М.: ТСХА. - 1999. - 15 с.

7. Астахов С.В. Мелиоративное почвоведение. - М.: «Сельхозиздат». - 1988. - 367 с.

8. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. - М.: Наука. - 1974. -188 с.

9. Володин В.Л. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. - М.: ЦИНАО. - 2000. - 338 с.

10. Мазиров М.А. Теплофизические свойства основных почв Западного Тянь-Шаня. Автореферат докт. дисс. - М.: ТСХА. - 1999. - 32 с.

11. Надиров В.Т. Энергетическая оценка свойств удельной поверхности некоторых характеристик почв АзССР. Автореферат канд. дисс. - Баку. - 1987. - 26 с.

12. Савич В.И., Сорокин А.Е., Балабко П.Н., Пискунова А., Суккар Л. Тепловые эффекты взаимодействия почв с водой, удобрениями и токсикантами // АгроЭкоИнфо. - 2018, №4. Размещено на Allbest.ru