Водопроницаемость мерзлых черноземов обыкновенных и светло-каштановых почв нижнего Поволжья под влиянием карбоната калия

Природопользование

DOI: 10.12737/4512 УДК 634.0.29

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕРЗЛЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ И СВЕТЛО-КАШТАНОВЫХ ПОЧВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ

КАРБОНАТА КАЛИЯ

магистр естественнонаучного образования, преподаватель кафедры философии, истории,

теории искусств и культуры О. В. Чалова ГОБУК ВПО «Волгоградский государственный институт искусств и культуры»

chalova.o@yandex.ru

Водопроницаемость является важнейшим свойством почвы, которое лучше всего характеризует ее в физическом отношении и определяет водный режим. От величины водопроницаемости в значительной степени зависит водный баланс почв, в том числе поверхностный сток, а, следовательно, и увлажнение почвы. С водопроницаемостью почв и грунтов связаны многие проблемы, имеющие актуальное хозяйственное значение.

Под водопроницаемостью почв понимается способность почвы пропускать через себя воду. Явление водопроницаемости состоит из двух фаз: 1) насыщение почвы водой (впитывание или инфильтрация) и 2) проникновение воды через слой почвы [1].

Водопроницаемость почв главным образом связана с механическим составом, который определяет размер почвенных пор, что в свою очередь влияет на скорость просачивания воды через почву. Почвы, сложенные крупнозернистыми породами, обладают широкими порами, по которым вода передвигается под влиянием силы тяжести. Почвы, сложенные из мелкозема, обладают меньшей водопроницаемостью, так как в таких почвах некапиллярных пор мало, в основном, это капиллярные поры,

движение воды, по которым из верхних слоев почвы в нижние происходит под действием капиллярных сил. Водопроницаемость бесструктурных почв полностью зависит от механического состава.

Однако прямая связь между свойствами механических элементов, слагающих почвы, и водопроницаемостью отмечена лишь для почв легкого механического состава (песок, супесь) и для тяжелых, но полностью оструктуренных почв. Водопроницаемость же почв, обладающих хорошей структурой, определяется не механическим составом, а почти полностью их структурно-агрегатным состоянием [2].

Вместе с тем, инфильтрация воды в мерзлую почву в отличие от ее инфильтрации в талую почву обусловлена существенно иными физическими процессами. Водопроницаемость мерзлых почв значительно ниже, чем талых. Это объясняется снижением их инфильтрационной способности за счет закупорки пор льдом. Считают, что чем выше влажность мерзлой почвы и ниже ее температура, тем большая часть пор заполняется льдом и тем ниже ее инфильтрационная способность [3]. Исследованиями прошлых лет установлено, что в результате промерзания почвы влага в почвенной толще мигрирует. Ледяная

Лесотехнический журнал 2/2014

105

Природопользование

корка, формирующаяся на поверхности, начинает вытягивать воду по капиллярам из незамерзшей почвы. Поглощенная влага создает льдистую пленку, в результате замерзания которой жидкая фаза изымается. При этом наблюдается увеличение объема верхнего слоя почвы с возможным ее буг-рением и выпиранием растений. При оттаивании верхнего слоя вода высвобождается и опускается в нижние слои, при этом резко понижая влажность верхнего слоя. [4]. Миграция влаги в осенне-зимней период ведет к переувлажнению верхних слоев почвы, что под воздействием низких температур приводит к образованию «запирающего слоя». Наличие мерзлого слоя, в свою очередь, препятствует инфильтрации и увеличивает поверхностный сток талых вод, что способствует активному протеканию эрозионных процессов [3].

Водопроницаемость почв в период весеннего снеготаяния напрямую зависит от наличия «запирающего слоя» в верхнем слое почвы, его мощности и скорости оттаивания.

Одной из основных задач нашего исследования является выявление оптимального количества карбоната калия, необходимого для полного оттаивания определенного количества мерзлой почвы «запирающего слоя».

В связи с тем, что в натуральных условиях сложно выполнить необходимые для количественной оценки измерения скорости оттаивания мерзлого слоя, были проведены лабораторные исследования. Нами был смоделирован процесс оттаивания мерзлой почвы под воздействием раствора карбоната калия с целью выявления

необходимых количественных данных.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелиорации в отделе защиты почв от водной эрозии. Для опытных образцов были отобраны два типа почв наиболее распространенных на территории Волгоградской области: черноземы обыкновенные и светло-каштановые почвы.

Чернозем обыкновенный отличается рыхлым сложением с характерной комковато-зернистой структурой. Содержание гумуса 6...9 %, pH водный 7,5...7,7 [6].

Светло-каштановые почвы формируются в условиях большей сухости климата, при изреженном опустыненном травостое и ослабленной биологической активности почвенной микрофлоры. Поэтому светло-каштановые почвы значительно беднее органическим веществом и содержат в глубине больше водорастворимых солей, отличаются меньшей оструктурен-ностью и наличием большего количества пылеватых частиц [2].

В качестве химического реагента нами был использован карбонат калия. Карбонат калия, калий углекислый или поташ К2СО3, бесхлорное калийное удобрение, порошковидное, очень гигроскопичное, растворяется в воде, содержит 55.56 % K2O [7].

Реакция взаимодействия карбоната калия с водой проходит с выделением теплоты. Изначально данное свойство было определено в соответствии с данными изменения энтальпии водного раствора (- 27, 5 АН кДж. при t° воды +18 °C) и подтверждено в процессе проведения эксперимента, путем измерения температуры раствора

106

Лесотехнический журнал 2/2014

Природопользование

через определенные промежутки времени [5]. При взаимодействии талой воды объемом 100 мл и температурой 0,8 °C с карбонатом калия (от 5 г до 55 г) на протяжении 40 минут наблюдалось повешение температуры раствора с максимальными показателями от 11,3 °C до 26,7 °C соответственно. Измерения производились с интервалом времени в 5 минут термометром Digital thermometer TP3001.

Для непосредственного исследования процесса оттаивания были использованы опытные образцы мерзлой почвы объемом от 10 см3 до 64 см3, с высоким процентом влажности почвы - до полной влагоемкости. К опытным образцам добавлялось различное количество карбоната калия и заливалось определенным количеством талой воды (от 100 мл до 300 мл). С интервалом в 5 минут производились замеры

температуры раствора и определялся процент оттаявшей почвы от общего объема. Результаты многочисленных экспериментов по изучению влияния карбоната калия на скорость оттаивания мерзлых почв приведены в табл. 1 и 2.

Анализируя данные проведенных экспериментов, а так же данные, полученные в ряде аналогичных опытов с изменением объема опытных образцов и количества раствора карбоната калия, было выявлено следующее:

1. Во всех опытных образцах наблюдается линейная зависимость времени оттаивания и процента оттаявшей почвы от количества карбоната калия.

2. В образцах светло-каштановых почв с увеличением количества карбоната калия в растворе более 20 г на 100 мл раствора наблюдается только разница в тем-

Таблица 1

Динамика оттаивания мерзлых светло-каштановых почв под воздействием раствора

карбоната калия

V мерзлой почвы 10 см3 Кол-во К2СО3, г Кол-во Н2О, мл (t+1,3°C) Изменение температуры раствора, °C / процент оттаивания, %

5 мин. 10 мин. 15мин. 20 мин. 25 мин. 30 мин.

контроль - 100 1,6/10 3,5/20 4,9/70 7,3/100 9,7/100 11,2/100

1 5 100 0,8/10 3,1/30 3,8/90 6,6/100 9,2/100 11,3/100

2 7,5 100 1,9/40 4,7/80 5,2/100 7,0/100 8,5/100 11,6/100

3 10 100 3,2/90 5,6/100 8,2/100 9,0/100 10,8/100 12,4/100

4 12,5 100 3,4/90 6,1/100 8,9/100 9,6/100 12,2/100 13,1/100

5 15 100 6,4/100 11,8/100 13,8/100 15,7/100 16,7/100 17,0/100

6 17,5 100 4,4/30 4,6/90 7,3/100 8,6/100 11,6/100 12,2/100

7 20 100 4,6/40 6,2/100 7,5/100 9,5/100 12,1/100 13,0/100

8 22,5 100 5,1/50 6,1/100 6,8/100 9,2/100 10,2/100 13,4/100

9 25 100 6,1/70 5,9/100 6,8/100 9,4/100 10,2/100 12,5/100

10 27,5 100 7,1/100 6,7/100 8,4/100 9,8/100 10,3/100 13,1/100

Лесотехнический журнал 2/2014

107

Природопользование

Таблица 2

Динамика оттаивания мерзлых черноземов обыкновенных под воздействием раствора

ка

рбоната калия

V мерзлой почвы 10 см3 Кол-во К2СО3, г Кол-во Н2О, мл (t+1,3°C) Изменение температуры раствора, °С / процент оттаивания, %

5 мин. 10 мин. 15мин. 20 мин. 25 мин. 30 мин.

контроль - 100 1,6 3,2/5 5,6/15 5,9/20 7,7/30 11,1/90

1 10 100 1,5 2,1/15 4,5/40 5,1/50 7,8/70 10,1/100

2 15 100 2,8/15 4,7/70 5,2/80 7,8/90 10,5/100 12,9/100

3 20 100 2,6/30 3,4/40 5,0/90 6,0/100 9,4/100 11,4/100

4 25 100 3,5/30 4,4/50 5,3/100 6,8/100 9,1/100 10,8/100

5 30 100 3,7/40 5,7/80 7,0/100 8,5/100 11,7/100 14,1/100

пературе раствора, тогда как процент оттаявшей почвы остается одинаковым, полное оттаивание почвы происходит в течение первых 5 минут реакции. Более того, в опытных образцах № 6.. .10 поташ растворялся не полностью, от 30 % до 60 % поташа становится пластичным и не вступает в дальнейшую реакцию с водой, что может отрицательно влиять на инфильтрацию воды в почву в натуральных условиях.

3. После полного оттаивания опытных образцов наблюдается дальнейшее повышение температуры раствора на протяжении 40.50 минут во всех исследуемых образцах.

4. Время полного оттаивания увеличивается прямопропорционально увеличению объема мерзлой почвы.

5. Скорость оттаивания светло-каштановых почв по сравнению с черноземами обыкновенными в 2.2,5 раза выше. На наш взгляд, это связано с тем, что черноземы обыкновенные в структурном отношении состоят из более крупных почвенных агрегатов, хорошо оструктурены и, как следствие, содержат большее количество льда.

Зная, что водные растворы карбоната калия образуют сильнощелочную среду, нами был проведен эксперимент по выявлению pH раствора (100 мл) с различным количеством поташа. При этом pH контрольного образца был равен 8, при 20 г на 100 мл - 9, с увеличением поташа от 30 до 50 г на 100 мл значение pH возрастало от 10 до 14 соответственно. Следовательно, наиболее оптимальный показатель pH раствора карбоната калия, допустимый в использовании на светло-каштановых почвах и черноземах обыкновенных соответствует 20 г поташа на 100 мл воды. Растворы с большей концентрацией и большим pH целесообразно использовать на кислых почвах.

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований были определены количественные показатели влияния карбоната калия на процесс оттаивания мерзлой почвы. Учитывая полученные данные и многолетние данные стока, можно теоретически рассчитать необходимое количество поташа для увеличения водопоглощения, повышения водопроницаемости мерзлых почв и ускорения

108

Лесотехнический журнал 2/2014

Природопользование

процесса инфильтрации талой воды, что в итоге приведет к насыщению почвы дополнительной влагой и устранению условий, способствующих проявлению водной эрозии почв при снеготаянии.

Библиографический список

1. Агролесомелиорация [Текст] / под ред. А. Л. Иванова, К. Н. Кулика; ВНИАЛ-МИ. - 5-е изд. - Волгоград, 2006. - 746 с.

2. Ганжара, Н. Ф. Почвоведение [Текст] / Н. Ф. Ганжара. - М. : Агрокон-салт, 2001. - 392 с.

3. Гаршинев, Е. А. К обоснованию концепции ледяного экрана как ведущего фактора усвоения влаги мерзлой почвой [Текст] / Е. А. Гаршинев // Фитомелиорация Нечерноземья. - Волгоград : ВНИ-

АЛМИ, 1996. - Вып.1 (107). - С. 98-113.

4. Гидрофизическое обоснование мероприятий по задержанию талых вод на полях зоны богарного земледелия [Текст] / И. Л. Калюжный [и др.] // Метеорология и гидрология. - 1985. - № 7. - С. 90-100.

5. Рабинович, В. А. Краткий химический справочник [Текст] / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. - Л. : Химия, 1978. - 372 с.

6. Панов, Г. А. Структурность чернозема выщелоченного и ее агроэкологическая оценка [Текст] / Г. А. Панов, В. В. Гайдук // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения: сб. науч. тр. - Челябинск : Издательство ЧГАУ, 2004. - Вып. 4. - С. 197-201.

7. Справочник химика [Текст] : т.3. -Л.; М. : Химия, 1965. - 389 с.

Лесотехнический журнал 2/2014

109