А.И. Куликов, И.О. Куклин

УДК 631.4:631.67.03
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВ В ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОРОШЕНИЯ
МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДОЙ
А.И. Куликов, И.О. Куклин
БГСА им .В.Р. Филиппова, г.Улан-Удэ, Россия
В химии почв физическое моделирование имеет достаточно большую историю. Так,
К.К. Гедройц путем искусственного засоления черноземов хлоридами и сульфатами
натрия и последующего отмывания разработал коллоидно-химическую теорию
солонцеобразования [5]. И.Н. Антипов-Каратаев на основе лабораторного физического
эксперимента утверждал невозможность осолонцевания почв нейтральными солями
натрия [1]. Информативность физических моделей доказана рядом других исследователей
/[6, 10, 11].
В качестве моделей служили почвенные монолиты, взятые без нарушения сложения
в гильзы в слое 0…25 см в 3-кратной повторности. Минерализованная вода подавалась на
поверхность монолита автоматически через Мариоттово устройство. Моделировалось 13-5-10-летнее орошение почв с годовой нормой 4000 м3 /га.
Воды с той или иной минерализацией достаточно широко распространены в
засушливых регионах, в том числе в Бурятии. В эксперименте использовались подземные
воды, выклинивающиеся в карьеры открытой разработки угольного пласта.
Минерализация этих вод равняется 1,5…2 мг/дм3. Содержание сульфатов колеблется в
пределах 550…1500 мг/дм3, при ПДК для оросительных вод 500 мг/дм3. Среди катионов
часто преобладает натрий, концентрация которого в зависимости от сроков отбора проб
воды колеблется от 92 до 339 мг/дм3, поэтому карьерные воды относятся к сульфатному
типу натриевому подтипу [2].
Рассчитанный уточненный показатель натриевого
*
отношения SAR , который считается наиболее совершенным показателем качества
оросительной воды [4], равен 8…16, то есть качество такой воды плохое, и возможно
осолонцевание орошаемой почвы. Интересно, что смеси карьерной воды с озерной и
хозяйственно-бытовой в пропорциях 1:1 и 1:5 не давали ощутимых преимуществ по
SAR*.
В течение эксперимента температура воздуха изменялась в пределах 2,7…80С, а
парциальное давление водяного пара в приземном слое в зависимости от суточного хода
температуры и влажности воздуха колебалось от 6,5 до 9,8 гПа. Как видно, пределы
изменения парциального давления водяного пара, а следовательно, и условия испарения
влаги, были незначительными. Это подтверждено прямыми наблюдениями за
испарением, которое за весь период эксперимента в день не превышало 5 мм. Все это
указывает на то, что в величине подаваемой воды в почвенные монолиты ее
испарительный расход можно не учитывать.
Скорость фильтрации на протяжении опыта претерпевала изменения. Однако при
этом зависимости от температуры среды, как отмечалось В.В. Сысуевым, не выявлено
[11]. У нас также не имеется оснований считать скорость фильтрации минерализованной
воды зависимой от концентрации солей, как это исходит из теоретических построений
С.М. Пакшиной [10]. В нашем случае наблюдается асимптотическое падение скорости
фильтрации в функции от времени и объясняется постепенным кольматированием
водопроводящих почвенных пор тонкодисперсным материалом, образующимся при
размыве почвы водой.
По результатам исследований химизма фильтрата обнаружено, что в течение
эксперимента содержание ионов существенно колеблется. Особенно отличается Са-ион.
При подаче на поверхность почвенной колонки 3-годичной нормы минерализованной
оросительной воды содержание этого иона изменяется от 122 до 315 мг/дм3, что в
эквивалентной форме соответствует 6,09 и 15,72 мг-экв./дм3. Сравнение с выходом Саиона за период орошения 3…5 и 5…10 лет свидетельствует о снижении темпов его
вымывания. В частности, при подаче воды в количестве, соответствующем 5…10-летнему
орошению, выходная концентрация иона кальция в фильтрате колеблется от 100 до 280
мг/дм3 или от 5 до 14 мг-экв./дм3, а средняя величина из 12 определений равняется
180 мг/дм3 или 9 мг-экв./дм3. Среднее значение выходной концентрации этого иона из
почвенной колонки, где моделировалось орошение за 3 года, составляет 231,8 мг/дм3 или
11,6 мг-экв./дм3.
Таким образом, с увеличением длительности орошения темпы потерь кальция
почвы уменьшаются.
С оросительной водой в почву попадает известное количество натрия. Из графика
видно, что содержание натрий-иона в первой пробе фильтрата резко повышено, затем
следует падение концентрации. Однако со временем отмечается отчетливая тенденция к
возрастанию концентрации этого иона в фильтрате. Это означает, что по мере увеличения
длительности ирригации выщелачивание натрий-иона будет усиливаться, в почвенном
поглощающем комплексе (ППК) его накопление происходить не будет, а имеющийся
минимум этого катиона в ППК также не будет оказывать заметного ухудшающего
влияния на свойства изученных почв.
Что касается главного загрязняющего сульфат-иона, то его содержание с началом
полива минерализованной карьерной водой возрастает относительно медленными
темпами. Такая форма выходной кривой свидетельствует о поглощении сульфат-иона
почвами [3]. За период модельного орошения 0-3 года концентрация этого аниона в
фильтратах колеблется от 43,5 до 125,3 мг/дм3, а в эквивалентной форме от 0,91 до 2,61
мг-экв./дм3. В среднем за это время выносится сульфатов с 1 дм3 оросительной воды в
количестве 83,1 мг или 1,73 мг-экв.
В варианте «3…5 лет орошения» среднее содержание сульфат-ионов в фильтратах
равняется 100,1 мг/дм3, а в варианте «5…10 лет орошения» - 82,3 мг/дм3 или
соответственно 2,09 и 1,71 мг-экв./дм3. Таким образом, просматривается тенденция к
уменьшению выщелачивания сульфат-ионов при длительных (до 10 лет) воздействиях на
почву минерализованной водой.
Идентификация полученных результатов с данными В.В. Сысуева позволяет
заключить, что наш эксперимент был выполнен методически правильно [11]. Орошение
минерализованной карьерной водой приводит к существенным изменениям солевого
режима каштановых почв. В аналогичных модельных экспериментах С.А. Николаевой,
С.Ю. Розова получено, что полив минерализованной водой сульфатно-натриевого состава
приводит к увеличению содержания натрий-иона в фильтратах, а выщелачивание Са-иона
со временем понижается [9].
Чтобы более полно и наглядно показать динамику выноса ионов из почвы при
орошении карьерной водой, был построен график, где совмещены результаты
исследований, моделирующие все варианты. По оси ординат показана относительная
(безразмерная) концентрация ионов, вычисленная как отношение концентрации иона в
фильтрате (Сф - выход) к концентрации иона в поливной воде (Со - вход): Сх = Сф/C0. На
оси абсцисс приведено условное (безразмерное) время, вычисленное по формуле [3].
tх = Vводы /Vпор= t Кf /Vпор = Vt/поL,
где V воды и V пор - объемы подаваемой воды и почвенных пор в образце почвы, взятой в
гильзу; t - время; Кf - коэффициент фильтрации; L - длина почвенной колонки; V cкорость фильтрации воды в почве; по - порозность почвы. Физический смысл
безразмерного времени заключается в том, что оно показывает, сколько раз произошла
смена почвенного раствора в объеме порового пространства почвы за период орошения.
Отчетливо видно, что условная концентрация кальция явно выше 1,0, то есть
реальная концентрация катиона на выходе больше, чем на входе. Это однозначно
свидетельствует о происходящих потерях почвенного фонда кальция. По-видимому,
имеют место как растворение твердофазных соединений кальция (например, кальцита),
так и высвобождение катиона из ППК. Кроме того, по мутности фильтрата можно
заключить, что происходит суспензионный и коллоидный вынос. Эти факты достаточно
настораживают, так как указывают на обеднение орошаемых почв кальцием. Между тем,
магний выносится из почвы в значительно меньших количествах, чем попадает сюда с
водой (условная концентрация магния меньше 1). Значит, определенная часть магния
накапливается в почве. Возможно, идет нежелательное замещение в ППК кальция
магнием, а также некоторое накопление натрия, что еще более нежелательно. Наиболее
низка выходная концентрация сульфат-иона, поэтому вероятность его накопления в почве
существенна.
По линиям трендов кальция, натрия и сульфатов видно, что по мере увеличения
длительности взаимодействия почвы с минерализованной карьерной водой вынос
кальция и сульфатов уменьшается. Однако для кальция величина выноса остается
высокой, продолжается расходование почвенного резерва. А для сульфат-иона такая
тенденция неблагоприятна и может привести к сульфатному засолению почв. Линия
тренда для выходной концентрации натрия указывает на тенденцию к ускорению его
выщелачивания из увлажняемой толщи, что следует считать положительным явлением.
Для концентрационной кривой магния характерен слабый тренд, что указывает на его
устойчивую аккумуляцию в мелиорируемой толще почвы на всем протяжении периода
орошения.
Нами предпринята попытка промоделировать ситуацию мелиоративной промывки
почв пресной водой (на графике это показано внизу стрелками). По поведению выходных
кривых видно, что почва чутко реагирует на промывку. Выщелачивание двухвалентных
катионов и сульфатов, которые могут переходить в поглощенное состояние, при
промывках почвы снижается. Натрий, образующий только легкорастворимые соли и
легко вытесняемый из ППК, при подаче дистиллированной воды, наоборот, начинает
более интенсивно выноситься из промываемой толщи. Исходя из выявленного факта, на
практике следует орошение минерализованной водой периодически чередовать
промывками пресной водой. Чтобы пополнить почвенный фонд кальция, оросительные
воды необходимо предварительно мелиорировать кальцийсодержащими веществами.
В ходе модельного эксперимента величина рН воды после ее прохождении через
почвенную колонку уменьшается. Тем самым происходит снижение исходной
щелочности карьерной воды. Так, в варианте «0…3 года орошения» в среднем на входе
рН = 8,63, а на выходе рН = 7,73. Щелочность карьерной воды обусловлена присутствием
в ней бикарбонатов (частично карбонатов) щелочноземельных оснований и в меньшей
степени натрия. Природа щелочности этих вод вскрывается по схеме: Са(НСО3)2 + Н2О
 Са(ОН)2 + Н2СО3  Н2СО3  Н2О + 2СО2, а в растворе при взаимодействии с
кислотами: Са(НСО3)2 + 2Н+  2Н2СО3  2Н2О + 2СО2. Интересно, что черноземы
Забайкалья нередко могут иметь кислую реакцию среды. Литогенная природа
кислотности этих почв установлена еще Н.А. Ногиной /1964/. Такие почвы выделены в
качестве самостоятельного рода литогенно-кислых почв. В данном случае источником
протонов может быть обмен типа: ППК2Н + Са2+  ППКСа + 2Н+.
Нейтрализация бикарбонатной щелочности карьерных вод в почве происходит за
счет следующей реакции обмена: ППКСа + Са(НСО3)2 + Н2О  ППК2Са + 2Н2СО3 
2Н2О + 2СО2  или в растворе при взаимодействии с кислотами: Са(НСО3)2 + 2Н+ =
2Н2СО3 = 2Н2О + 2СО2 .
Интегральной галогеохимической характеристикой орошаемых почв является
баланс солей. Солевой баланс единичного объема почвы можно представить в виде
(П/Р)=(Зн + Пос + Пор )-(Р6 + Ргх + 3к ) = П+Р,
где П/Р - изменение запаса солей в почве; 3н , 3к - начальные и конечные запасы солей в
почве; Пос, Пор - приход солей соответственно с атмосферными осадками и оросительной
водой; Рб, Ргх - расходные статьи, соответственно биологического и геохимического (в
подпочвенные слои) удаления. По соотношению прихода и расхода можно выделить три
типа солевого баланса почв [7]: 1) транзитный (П/Р = 0 или П=Р); 2) положительный
(П/Р0, ПР); 3) отрицательный (П/Р0, ПР). Складывающийся тип солевого баланса
почв зависит от взаимоотношений между элементами системы атмосфера-растенияпочвы-породы.
Балансовые расчеты показывают, что во всех случаях происходит снижение
содержания в орошаемой почве щелочноземельных элементов, особенно кальция. Тем
самым подтверждаются результаты расчетов с выходной условной концентрацией. Всего
теряется кальция более 600 мг на почвенную колонку. В целом потери этого катиона
составляют 40…50% исходного запаса ( см.таблицу).
Баланс основных ионов в модельных экспериментах в почвенных колонках
с орошением карьерной водой, мг
Исходный запас
Са +Mg2+
Na+
SO42.2+
1103
100
454
100
909
100
910
100
375
100
749
100
1064
100
438
100
976
100
Конечный запас
Са +Mg2+
Na+
SO42Орошение 3 года
487
1104
5517
44
243
607
Орошение 5 лет
455
856
4227
41
228
564
Орошение 10 лет
438
1158
7136
41
264
815
.2+
Баланс
Са +Mg
Na+
.2+
2+
SO42-
-616
+650
+4608
-455
+481
+3478
-626
+720
+6260
Наблюдается накопление ионов натрия и сульфатов, что также было предсказано по
выходной концентрационной кривой этих ионов. Содержание натрия повысилось в
2,3…2,6 раз относительно исходной. Еще больше размеры накопления сульфат-ионов,
которые превысили исходный запас в 6…8 раз. Для этих ионов сальдо имеет
положительный знак.
Таким образом, на основе физического моделирования процессов засоления
каштановых почв Забайкалья при орошении минерализованными водами показана
возможность трансформации солевого и катионообменного статуса почв при орошении.
Прогнозная ситуация такова, что позволяет уже сейчас наметить ряд превентивных мер,
позволяющих избежать нежелательных эколого-экономических издержек.
Библиографический список
1. Антипов-Каратаев И.Н. Вопросы происхождения и географического распространения
солонцов //Мелиорация солонцов в СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1953. С.11-268.
2. Валяшко М.Г., Поливанова А.И., Жеребцова И.К и др. Геохимия и генезис рассолов
Иркутского амфитеатра. М.: Наука, 1965. 159 с.
3. Веригин Н.Н., Васильев С.В., Саркисян В.С., Шержуков Б.С. Гидродинамические
физико-химические свойства горных пород. М.: Недра, 1977. 271 с.
4. Воробьева Л.А. Система показателей химического состояния засоленных почв //Вестн.
МГУ. Сер. Почвоведение, 1984. № 2. С. 3-11;
5. Гедройц К.К. Коллоидная химия в вопросах почвоведения //Журнал опытной
агрономии, 1912. Т. 13. С. 363-412.
6. Кизяков Ю.Е. Методика экспериментального моделирования почвенных процессов
при орошении минерализованными водами. //Вопросы мелиорации почв и воды.
Киев: УкрНИИГиМ, 1987. С. 36-41.
7. Ковда В.А. Водный и солевой баланс местности и почв. //Почвы аридной зоны как
объект орошения. М.: Наука, 1968. С. 105-136.
8. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. М.: Наука, 1964. 314 с.
9. Николаевой С.А., Розова С.Ю. Орошаемые черноземы. /Под ред. Б.Н. Розанова. М.:
Изд-во МГУ, 1989. 240 с.
10. Пакшина С.М. Передвижение солей в почве. М.: Наука, 1980. 120 с.
11. Сысуев В.В. Моделирование процессов в ландшафтно-геохимических системах. М.:
Наука, 1986. -301 с.