Единая водозаполненная капиллярная система - основной параметр, определяющий электрическое поведение почв

производство ресурсов / Научные труды МГУЛ. -Вып. 311. - М.: Издательство МГУЛ, 2001. - С. 106-112.

56. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Особенности радиоактивного загрязнения в насаждениях и специфика лесохозяйственных мероприятий в разных типах лесорастительных условий // Лесной вестник. - 2001. - № 5(19). - С 48-56.

57. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Радиационно-экологические основы ведения лесного хозяйства на загрязненных радионуклидами территориях / Экология. Наука, образование, воспитание. - Брянск: Брянская госуд. инженерно-технол. академия, 2001. - С. 15-17.

58. Мухамедшин К.Д., Чилимов А.И., Безуглов В.К. Основы лесной радиоэкологии и нормативная база по ведению лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения / Чернобыль: 15 лет спустя .

- М.: Издательство «Контакт - Культура», 2001. -С. 142-173.

59. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Концепция промежуточного и побочного лесо-пользований в лесном фонде, загрязненном радионуклидами / Научные труды МГУЛ. - Вып. 311.-М.: Издательство МГУЛ, 2001. - С. 113 - 120.

60. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Актуальные проблемы сертификации ресурсов по радиационному признаку / Научные труды МГУЛ.

- Вып. 311. - М.: Издательство МГУЛ, 2001. - С. 121-125.

61. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Радиационно-экологические основы ведения лесного хозяйства на загрязненных радионуклидами территориях / Экология. Наука, образование, воспитание. - Брянск: Брянская государственная инженерно-технологическая академия, 2001. - С. 15-17.

62. Мухамедшин К.Д., Безуглов В.К., Сныткин Г.В. Особенности радиоактивного загрязнения в насаждениях и специфика лесохозяйственных мероприятий в разных типах лесорастительных условий // Лесной вестник. - 2001. - № 5 (19), - С. 48-56.

63. Мухамедшин К.Д., Чилимов А.И., Безуглов В.К., Сныткин Г.В., Жуков А.М., Солдатченков В.И., Лазуков М.И.. Ведение лесного хозяйства на загрязненных радионуклидами территориях // Лесохозяйственная информация - М.: ВНИИЛМ, 2001. -№4.-С. 35-69.

ЕДИНАЯ ВОДОЗАПОЛНЕННАЯ КАПИЛЛЯРНАЯ СИСТЕМА -ОСНОВНОЙ ПАРАМЕТР, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЧВ

Г.Н. ФЕДОТОВ, доцент кафедры химии и биотехнологии МГУЛа, к. х. н.

Попытки повышения урожайности сельскохозяйственных культур при помощи электрических воздействий на почву предпринимались уже довольно давно. Полученные в разное время и различными авторами результаты свидетельствуют, что при прохождении через почву электрического тока определенной плотности наблюдается его стимулирующее действие на развитие растений и почвенных микроорганизмов [1-3], причем превышение некоего предела по плотности проходящих через почву токов ведет к угнетению роста растений. Наличие эффекта, повышающего плодородие, позволяет предположить его существование в природных условиях и «привычность» прохождения электрических токов через почвы для растений.

Такая постановка вопроса делает необходимым поиски механизма, ответственного за возникновение почвенных токов. Условием их возникновения, очевидно, будет являться неравновесное разделение зарядов в почве под влиянием каких-либо естественных факторов. В первую очередь, имеет смысл обратить внимание на прохождение водных растворов через почву под действием гравитационных сил.

Почву, в первом приближении, можно рассматривать как трехфазную, неоднородную структуру, в которой пустоты, заполненные почвенным воздухом, чередуются с твердыми частицами, покрытыми пленками жидкости, а также порами и каналами с почвенным раствором. Поверхность грубо дисперсной фракции, образующей пористую

каркасную структуру, обычно покрыта слоем органоминеральных коллоидных частиц. Таким образом, почва представляет собой некое структурированное коллоидное образование. Прохождение водных растворов через такие системы, очевидно, будет приводить к возникновению электрических полей.

Изучение этих полей на наш взгляд весьма перспективно, так как может позволить при помощи электровоздействий управлять почвенным плодородием. Особенно интересен подобный подход при исследовании тепличных субстратов из-за большой энергонасыщенности закрытого грунта.

Проведение исследований на почвах с ненарушенной структурой позволяет получать достоверные однозначно трактуемые результаты, но очень трудоемко и требует больших затрат. Тепличные грунты, как правило, однородны и приготовление образцов без сохранения исходной структуры значительно упростило бы проведение работ и повысило производительность. Однако результаты по измерению электрических полей, образующихся при проливах почвы, получаемые на стендовой установке и в натурных опытах, отличаются в принципе [ 4-5]. Испытания в теплице проводили, размещая измерительные электроды [6] на различной глубине и проводя пролив с расходом 20 л/ м2. Для стендовых опытов почву отбирали буром в теплице по стандартной методике, помещали навеску 650 г в гофрированную пластиковую трубу диаметром 56 мм и высотой 40 см, виброуплотняли, создавая слой почвы толщиной 35 см. Воду в количестве 200 мл выливали на почву в течение 2-3 секунд [4]. Разность потенциалов измеряли на расстоянии 5 и 30 см от поверхности. Использовали тепличный субстрат, обладающий следующими свойствами:

Удельная поверхность по Ку-тилеку 107м кв./г

Содержание органических веществ 42 %;

PH водной вытяжки 6,9;

Сумма поглощенных оснований по Каппену-Гильковицу 37,5мг-экв/100г почвы

Гидролитическая кислотность 2,4мг-экв/100г почвы

Насыщенность почвы основаниями 94 %;

Емкость катионного обмена 39,9мг-экв/100г почвы

В почве с ненарушенным сложением электрические поля, образующиеся при движении воды, существуют многие часы, и даже дни (Рис.1.). При лабораторных испытаниях мы получаем электрические поля, хотя и большие по величине, но исчезающие за несколько секунд (Рис.2.).

Для устранения структурных почвенных отличий, по-видимому, определяющих различное их электрическое поведение, мы провели пропитку насыпного образца водой снизу до полного влагонасыщения. Дали избытку воды стечь в течение суток, доведя влажность образца до величины близкой к почвенной полевой влагоемкости, и провели определение электрических полей, возникающих при проливе. Представленные результаты (Рис.З.) свидетельствуют, что таким способом принципиально изменить ситуацию и приблизиться к результатам, получаемым на почвах с ненарушенной структурой, не удается.

Подобная подготовка почвы, на первый взгляд, восстанавливает почвенную структуру, и отсутствие положительного результата свидетельствует, что существует некий параметр, связанный с почвенной структурой, который ответственен за электрическое поведение почв, и что его таким способом восстановить не удается. Мы предположили, что таким параметром является наличие в почве единой водо-заполненной капиллярной системы (ЕВКС).

Насыпной вес 0,65г/мл

Плотность почвы 1,8 г/мл

Полевая влажность 111 %

Г игроскопическая влага 3,66 %

Общая пористость при исходной влажности 53,5 %;

Рис. 1. Разность потенциалов (РП) между различными почвенными слоями (указано расстояние от поверхности почвы) от времени, прошедшего после полива

Рис.2. Влияние состава и концентрации растворов на создаваемую при проливе

разность потенциалов, (о )1- дистиллированная вода, ( )2-0,02М, ( )3-0,05М, ( )4-0,1М, ( )5-0,2М растворы, КС1 в дистиллированной воде

5 10 Время, мин

Рис.З. Разность потенциалов, возникающая в тепличном субстрате при проливе, после доведения его до полной полевой влагоемкости

Рассмотрим взаимодействие движущейся воды с влагоненасыщенной почвой при наличии и отсутствии ЕВКС, не затрагивая в деталях коллоидного механизма образования электрических полей.

Вода, двигаясь по трансмиссионным порам и каналам, взаимодействует с коллоидными частицами, покрывающими поверхность этих пор и каналов, по-видимому, каким-то образом видоизменяя структуру геля, что обусловливает возникновение при проливах электрических полей. При отсутствии ЕВКС в почве эти изменения касаются, только самих проводящих каналов и незначительного количества, примыкающих к ним водо-заполненных капилляров. Наблюдается большой скачок РП, но из-за того, что стабильность возникающих поляризованных коллоидных структур пропорциональна их количеству, а количество по отношению ко всему объему почвы чрезвычайно мало, то и происходит очень быстрый спад РП (рис.2).

При наличии ЕВКС движущаяся вода, по-видимому, изменяет структуру геля не только трансмиссионных пор, но эти изменения передаются по всей ЕВКС, всему почвенному объему или, по крайней мере, большей его части, что стабилизирует возникающие неравновесные электрические поля. Воссоздать же ЕВКС путем однократного промачивания не удается.

Таким образом, с одной стороны, невозможно изучать электрические свойства почв, в лабораторных условиях не воссоздав ЕВКС, а, с другой стороны, электрические свойства почв являются, весьма вероятно, наиболее чувствительным методом контроля воссоздания ЕВКС. Следовательно, вполне логично использовать электрические свойства почв для контроля воссоздания ЕВКС. Так как направленность электрического поля при воссоздании ЕВКС не имеет значения, то можно оценивать завершенность процесса по выходу РП на постоянный уровень при

непрерывной фильтрации дистиллированной воды через почву в режиме превалирования потенциала течения. Отметим также еще одно практически важное обстоятельство, а именно, что при уменьшении объема почвенного образца его ЕВКС должна образовываться быстрее. Это позволяет нам уменьшить исследуемый объем почвенной пробы без уменьшения точности получаемых результатов.

При проведении опытов тепличный субстрат насыпали в гофрированную трубу диаметром 45 мм, высотой 150 мм в таком количестве, чтобы после виброуплотнения, про-мачивания до влагонасыщения и последующего стекания избытка влаги из образца в течение суток образовывался слой почвы 10-12 см, что соответствовало 135-140 г почвы. Пролив такого образца 50 мл дистиллированной воды давал уже привычную картину скачка РП до -32 мВ с быстрым в течение десятков секунд спадом до нулевых значений. Причем изменение влажности образцов в интервале 20-110 % подсушиванием значимо не изменяло величины наблюдаемых электрических полей. Электроды при испытаниях в этом случае размещались следующим образом: верхний заглублялся на 3-5 мм в почву, а нижний контактировал с почвой через синтетическую ткань, удерживающую почву в трубе.

Для воссоздания ЕВКС на синтетическую ткань, размещенную на поверхности почвы для предотвращения ее разрушения, непрерывно по каплям подавали дистиллированную воду с расходом 8,5 мл/мин. Полученные данные представлены на графике (рис.4, кривая 1).

Результаты экспериментов полностью подтвердили наши предположения. Выход на плато при непрерывной подаче воды занимает несколько часов. Следует обратить внимание на колебания РП в образце в первые 20 минут подачи воды. Сначала, в первые секунды подачи воды наблюдается скачок РП в отрицательную область, связанный, по-видимому, с быстрым движением воды по незаполненным трансмиссионным каналам. Это приводит к превалированию потенциала фильтрации коллоидных раство-

ров (ПФКР) над потенциалом течения (ПТ) [7]. При дальнейшей подаче воды поры проводимости начинают заполняться, линейная скорость движения поступающей воды относительно почвы начинает замедляться, уменьшается и влияние ПФКР. Одновременно с этим вода из трансмиссионных пор впитывается в более мелкие капилляры, причем при впитывании вода может двигаться во всех направлениях, как вверх, так и вниз. Логично предположить, что в мелких капиллярах из-за малой скорости движения воды преобладает ПТ, и измеряемый потенциал является векторной суммой ПФКР и ПТ, а также разнонаправленных ПТ в элементарных почвенных объемах. Измеряемая же РП является векторной суммой РП элементарных почвенных объемов. Результат этих сложных взаимодействий - нестабильное изменение РП. В дальнейшем ПТ полностью превалирует над ПФКР, а вода движется сверху вниз в большей части почвенного объема, поэтому увеличение РП начинает определяться степенью вовлеченности капилляров в ЕВКС. Через 6 часов практически все почвенные капилляры вошли в ЕВКС, и РП выходит на плато.

После прекращения подачи воды (рис.4, кривая 2) РП уменьшается медленно. По-видимому, взаимодействие поляризованных коллоидных структур во всем почвенном объеме приводит к их стабилизации и РП меняется подобно изменению РП в тепличных субстратах естественного ненарушенного сложения. Для подтверждения наших предположений об определяющем влиянии ЕВКС на электрические свойства почв мы провели пролив образца с восстановленной ЕВКС дистиллированной водой по обычной методике. Полученные результаты (рис.4, кривая 3), как мы и предполагали, близки тем, которые были получены на тепличном субстрате в натурных испытаниях (см. рис. 1).

Таким образом, изучение электрических свойств тепличных субстратов можно проводить и в лабораторных условиях на почвах с разрушенной структурой после восстановления ЕВКС.

Можно ожидать также, что способ контроля восстановления ЕВКС по почвенным электрическим свойствам будет полезен

для приготовления почвенных образцов при изучении физических свойств почв в лабораторных условиях.

Рис.4. Разность потенциалов в тепличном субстрате при непрерывной подаче воды с расходом 8,5

мл/мин

Литература

1. Кравцов П.В. Влияние слабого электрического тока на развитие и активность почвенных микроорганизмов. ; Автореф. дис. канд. биол. наук. -Ульяновск: Центральная генетическая лаборатория им. И.В. Мичурина, 1965.

2. Савич В.И., Ванькова А.А., Гущин В.П., Наумова Е.В. // Известия ТСХА - 1989. - Вып.2. - С.63-71.

3. Шустов В.А. Электрический обогрев и воздействие электрических токов на растения в защищенном грунте. : Автореф. дис. канд.техн. наук. - М.: ТСХА, 1961.

4. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Взаимодействие водных растворов с гумусом при их движении через слой почвы // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 6. - С.62-66.

5. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Электрические поля в почвах и их влияние на рост растений // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 10. - С.23-26.

6. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Олиференко Г.Л. Электроды для измерения электрических полей в почвах // Экологические системы и приборы. -2002.-№ 1. -С.16-18.

7. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Фильтрационные электрические поля и почвенная экология растений // Экологические системы и приборы. - 2002. -№4.-С.7-12.

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОЧВЕННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОД НЕКОТОРЫМИ ДРЕВЕСНЫМИ РАСТЕНИЯМИ

И.Е. АВТУХОВИЧ, Московская селъско-хозяйственная академия им. К.А. Тимирязева,

Ж.Р. ГОБРАН, профессор кафедры экологии и исследования окружающей среды Шведского сельскохозяйственного университета г. Уппсала

Данная работа посвящена изучению и сравнению основных химических характеристик почвы таких, как рНка И, Р и К под тремя различными древесными породами: сосной обыкновенной (Ршиз лиственницей сибирской (Ьапх зЫпса) и березой повислой (ВеШ1а репс1и1а), произрастающих на Лесной опытной даче МСХА на расстояниях 5 м и 50 м от источника загрязнения - автодороги. В качестве почвенных составляющих рассматриваются: почвеннокорневая поверхность (ПКП -), ризо - (Р-) и общая масса почвы (ОМП - ) - почва, находящаяся вне корневой системы. На основе проведенных исследований было установлено, что величина показателя рНка в указанных почвенных составляющих изменяется в следующем порядке: ПКП - < Р - < ОМП -для обоих расстояний от источника загрязнения и для всех исследуемых древесных пород. При этом величина рНка оказалась выше на расстоянии 5 м от дороги. Последовательность увеличения концентраций азота (№}/) и калия (К+) в почвенных составляющих была следующей: ОМП - < Р - < ПКП - на всех удалениях от источника за-

грязнения и для всех исследованных древесных пород. Наличие самых высоких концентраций этих элементов имело место на расстоянии 5 м от источника загрязнения. Последовательность изменения концентраций доступного фосфора в компонентах почвы в нашем эксперименте была следующей: ПКП - < Р- < ОМП а общего, неорганического и органического: ОМП - < Р - < ПКП - на всех расстояниях от источника загрязнения и для всех древесных пород.

В последние годы для защиты окружающей среды и нейтрализации поллютан-тов широко используются биологические методы. Для детоксикации загрязненных почв большой интерес заслуживает зарубежный метод использования непищевых растений, так называемое «фитообезвреживание» [12,16]. При этом, ризосфера растений играет ключевую роль в контролировании загрязнения почвы токсическими концентрациями химических элементов [13].

Для изучения вопросов почвеннокорневого взаимодействия и выявления роли ризосферы в процессе изменения почвы должен быть использован комплексный