Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Количественные методы описания процессов ионного обмена для математического моделирования солевого режима почв при орошении

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Количественные методы описания процессов ионного обмена для математического моделирования солевого режима почв при орошении"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Н ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правеж рукописи

Камалов Самиджан Джамалович

УДК 681.0

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИОННОГО ОБМЕНА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СОЛЕВОГО РЕЖИМА ПОЧВ ПРИ ОРОШЕНИИ

(на примере Предкавказских черноземов)

06.01.02 — Мелшорацм к орошаемо» земледелию

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1001

Работа выполнена в Проблемной лаборатории Мооковокого ордене Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института.

Научные руководителя: доктор технических наук, профвооор

И.Л.АШАР0В

квндвдвт технических неук, вед.н.сотр. Б.Ф.кшггшав

Официальные оппоненты; поктор биологических наук, профеооор

А.1ШРПШН

доктор техннчеоких наук, профеооор Л .М.РЖС

Ведущее предприятие - ПО "Сониитервод"

Зшнта диооертацли ооотоитоя " " «.¿она. 1991 г. в "(О чаоов на заоедании Специализированного оовета К 120.16.02 по присуждению ученых степеней в Московок ом гидромелиоративном институте по адресу: 125006, г.Моонве, ул.Прянишникове, 19, МГМН

С диооартадией можно оанакомятъоя в библиотеке инотитуто. Автореферат разослан " ¡У " 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических неук, ■ доцент

Т.И.СУРШША

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теми. Дальнейшее развитие мелиорации, обеспечивающее наряду о повышением продуктивнооти сельскохозяйственных земель улучшение плодородия почв и охрану окружающей ореды, требует надежных методов обоснования проектных решений. Неряду о разработкой вое более совершенных методов прогнозирования водио-оолевого режима почв и соответствующих программ для ЭВМ решение данной проблемы овяэено о' дальнейшим развитием теории оамих почвенных процеооЮв, методов их количественного опиоания.

При орошении черноземов, каштановых почв оообу» актуальность приобретает проблема предотвращения их ооолонцввания и деградации. В оонове этих явлений лежат процеооы ионного обмена, которые во-миогоы определяй! водно-физические, химячвокие овойогва почвы, ее агрегатное ооотояние.

Математические модели, получившие в наотоящее время широкое раопроограноние в научных иооледовсиилх и проектирована мелиорации, учитывают различные факторы формироввная водного и солевого режимов почв, в том чиоле и процессы ионного обмена. Одновременно теория и методы исследования ионного обмена получили дальнейшее развитие в других облпогях науки и технологии, использование достижений которых применительно к задачам метиорпции предотавляетоя весьма актуальным.

Цель и задачи исследования. Основной цельв работы является исследование и разработка катодов количественного описания процес-оов ионного обмена для математического моделирования солевого режима почв при орошении. В соответствии о этой целью были поставлены и решены следующие задачи: исследовать влияние условий неполного влагоносыщепия почз на процесс конного обмена и разработать

способ его учете для целей мелиоративных раочетов; разреботатъ методы количественной оценки физического ооотояния почвы при математическом моделировании процеосов влаго- и оолаперенооаг последовать пространственную изменчивость ионообменных свойств почв и разработать способ ее, учета в практических расчетах.

Методика иооледованиД. Теоретические и екоперименгальные иооледования лроиэводилгоь на основе современных представлений о процесоах ионного обмена, о использованием методов химичвокой кинетики, термодинамики, фиаичвокой и коллоидной химии и матемаги-чеокой статиотики.

Научная новизна. Пв основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны: метод количественного описания ионообменного рнвномеоия в почвах при неполном влагонасыщении; метод раочета электрического потенциала коллоидной оиотеш.кек критерия физичеокого ооотояния почвы; опоооб учета пространственной изменчивости параметров ионного обмона в прогнозах солевого режима почв.

Практическая значимость работы эаключаетоя в оовершенотво-вании блока олиоания ионного обмена в современной математической модели влаго-оолепереноса, а также в споообе учета отатиопгческо-го характера свойств почвенного покрова для целей повышения на-деадооти методов прогнозирования водно-солевого режима почв.

Реализация работы. Методы определения параметров внедрены в проектную практику института "Кубаньгилроводхоз" при оосгнвле-нш! долгосрочных прогнозов водного и солевого режимов почв. При' разработке проекта орошения земель на площади Ю тыо.га; экономический э$*1-«кт от внедрения составил 38 тыс.руб.

Апробация и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсувдались на научно-технических конфе-

рвнциях МГМИ в 1984, 1ЭВ7-1909 гг. По теме диаоертации опубликовано оемь работ.

Структуру и объем диооертации. Диооертапия состоит ив введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 169 отраницах машинописного текога, оодержит 24 таблицы, 34 риоун-ка. Спяоок литературы включает 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. "Оообеннооти формирования я методы математичеоко-го моделирования оолевого режима почв отепной зоны".

Еотоотвенныэ ооадки, ооздающие умеренный дрошвной режим, и достаточное поступление солнечной радиации в отепной зоне обво-печили благоприятные условия формирования черноземов, характеризующихся повышенной биологической актшшоогью, богатым содержанием гумуоа и как оледотвие высоким плодородием. Многочисленные исследования и практика орошаемого земледелия в отепной зоне показали, что достаточная обеспеченность влагой оказывает благоприятное влияние на отруктурно-огрегатный ооотав черноземов и интенсивность биологичеоких процессов. Орошение, как дополнение к еотеотвенным ооедаам, на ^оне выоокой культуры земледелия наряду о повышением урожайнооти в заоушливые годы доляю стать надежным средством сохранения плодородия почв.

Однако черноземы оказались недостаточно устойчивой оисте-мой, очень чувствительной к резким изменениям гвдротзрмических, гидрогеологических и геохимических уоловий. Дах;е традиционное сельскохозяйственное использование черноземов, их распашка соп-роволдается изменениями почвенно-меллоративнкх условий. Обобщение результатов многолетних исследоввний влияния оросительных ыелпорацШ: на свойства черноземов Кргснодарского края и других регионов ношеИ страны, произведенное сотрудниками НИС лГ.\31, поз-

волило уотанавить оптимальные пределы регулирования мелиоративного режима данных цочв.

Hei современном етапе развития орошения в отепной зоне значительно возраотвег роль мелиоративных прогнозов для оценки принимаемых проектных решений. Математичеокие модели для реочетов прогнозов мелиоративного соотояния земель должны возможно полное учитывать многообразные и сложные процеооы, протекающие в черноземах.

Одна из первых - математичеоких моделей оолеперенооа учитывающих индивидуальные овоНотва ионов поровог'о раогвора, их опоооб-'ноогь вогупагь в различные взаимодейогвия о твердой фазой почвы я по разному влиять на овойотва пооледней была предложена И.П.Айдаровым, Д.Ф.Шульгиннм и др. Исследованию процоооов формирования водно-оолевого режима почв и разработке методов их количественного огш'ошия были посвящены работы С .Ф.Аверьянове, Н.Н.Веригина, А.И.Голованова, Л.М.Рекоа, Я.А.Пачепского и других ученых.

Определяющую роль в формировании оолевого режима почв степной воны играют процеооы ионного обмена. Для описания равновеоия реакции ионного обмене в настоящее время широкое распространение получило теоретически наиболее обоснованное уравнение изотермы, связанное с именами А.Венслоу в В.П.Никольского г -

. Niyvf = к;,а?>/а?' (i)

где! Nа и - .содержания ионов /4 и ß в твердой фазе» мг.экв/ЮО г;

Qa iOj- вжтивнооти ионов в реотворе, мг.экв/л; и 2ГВ - заряды ионов;

параметр уравнения изотермы.

Гдстп 2. "Моделирование процеоооя ионного обмена при неполном влнгоняоыщении почв". В результате обобщения и анализа обширного литературного мяторивян удалось уотановитъ, что иооледова-лил влияния условий неполного влпгонаоыпюния почв на процоосы ионного обмена практически не развиты. •

Извеотное в термодинамике ионного обмена выражение для приращения овободной энергии Гиббоа при иэобарно-изотермичеоком процессе о использованием принятых в почвенной гидрофизике величин было нами приведено к виду:

д 1 гл \дввЫ ( >

гдв1 V/ - влажность почвы;

- давление почвенной влаги; К45- константа ионного обмена;

- количество моль эквивалент В в твердой фаза;

и Ъх - переочетные коо(ЭД«циенты.

Получением выражение послужило основой для анализа влияния влая-нооти на характер ионообменного равновесия. Известными исследованиями и облаоти гидрофизики ночш установлено, что при обмене ионов /Уа*(А) и Са*(В) для одних и тех жо значений 1>/ всасывающее довление Р^ раотет о увеличением соотношения (А/о/Са) в растворе. То еоть можно говорить, что справедливо дРк/двд<.0 , тогда согласно

(2) дК4й/д№<0 и следовательно, с уменьшением влажности конотанга ионного обмена должна раоти. Это явилооь теоретической предпосылкой намеченных исследований.

Экспериментальные исследования обмена ионов кальция и натрия при неполном влегонасыщешш производились по оригинальной методике, позволяйте <1 моделировать реальние уровни влажности в почвах при оропешш. Рглзновесные пороьые р л створи отжимались с

помощью центрифуги. Давление в увлажненном обравце почвы измерял* о помощью датчиков тенаиометров. Для кеадого уровня влажнооти результаты представлялись для наглядности, в оиотемв координат графика изотермы:

А^АЯГ* = *3)

График приведен не рио.1. Как и ожидалооь, наиболее крутой окевалоя график при оа> зй меньшей влажности. С роотом влажнооти кривые выполеживоютоя.

Исследованиями различных авторов уотеновлено, что актив-ибсть ионов, измеренная в почве, существенно отличаетоя от их ек-тивнооти в отжатом почвенном раотворе. Эти различия были отнесены в счет диоооциации ооединенлй обменных катионов, которая оообенио характерна для ионов натрия. Активкооть ионов в почве определяется сложным комплексом взаимодействий между ионами солей, моявку-дош воды и зарядами твердой фазы. Точное решение задачи количественного описания ионообменного равновесия о учетом диооодив-ции соединений обменных катионов может оказаться весьма оложным.

Нами предложена модификация иавеотного полуампирического уравнения изотермы обмене для ионов кадьцая к натрия, в котором чаоть обменных катионов натрия "перенеоеяа" в очет его активности в раотворе:

где: •< - отепень диоооциации соединений обменного натрия;

fi " коэффициенты активности катионов;

Ji - переочетный коэффициент;

Ci - концентрация катионов в растворе, мг.экв/л.

Числитель дроби в правой части (4) представляет собой эмпирическое выражение активности ионов натрия в поровом раотворе.

ж ш,

0,8 ОА

ОЛ 02

/

/

/

/

+7

/ * - Ч^о^

У л ^ & - Щ- 0,38

о - 0,46

£

1,0 го -3.0 А,О 5,0 6,0 7Р 8,0 9,0

Рас Д. График лзотерш обмена Са -ЛЬ при различных значениях вес0Б03 влазн ости и 0& - соответственно активности А/а и Са+ъ растворе; /ум, и ЛЬ, - содержания этих катионов в об;.«нно5 ^орме

Коэффициент пересчета^ аавиоит от влажнооти почвы » Ю/^с). Благодаря коэффициенту £ с изотерма (4) обладает очень существенным свойотвом; чом меньше значение влажнооти, тем больше вклад обменных катионов в акшшоогь ионов раогвора, и наоборот. Это позволяет объяонить, прчевд в традиционной оиотеме координат графики изотерм были тем круче. Чем меньше была влмшооть. По данным эксперимента были произведены оценочные раочетн значения для выражения (4). Значения и изменяются в достаточно узких пределах (от 0,15 до 0,20), что вполне ооответотвуат данным других авторов, полученным при прямом измерении активностей в почве ' (Н.И.Горбунов и др.,1982} М.Б.Минкин и др.,1062).

Уравнение изотермы в форме (4) можно применять ь расчетах оолевого режима почв без принципиального изменения концепции ионного обмено, заложенной в современных математических моделях. В связи о предложенным выражением изотермы (4) в современной комп-•леконой математической модели влего-солепереноса в почве, созданной в ШЙ1 Б.ЗЖоганом под руководством И.П.Айдарова и Б.Ф.Ники-тенкова совместно с автором, била изменена подмодель ионного обмена. Уравнение изотермы типа (3) было заменено на уравнение (4), были также внесены соответствующие изменения в численную модель и программу ддя ЭВМ. Нами была проведана серия имитационных прогнозных расчетов, в которых сравнивались результаты, полученные с использованием первоначальной и измененной моделей.

Реочет прогноза оолевого рекима черноземов производился для типичного на этом массиве шестипольного оевооо'орота: первый и второй годы - люцерна; третий год - озише зерновые и кукуруза на силос; четвертый год - сахарная свекла; пятый год - зернобобовые и шестой - 'кукуруза на зерно. Была поставлена цель по результатам численного эксперимента оценить влияние водного режима почв на

режим ионов ооявй н их оодвржпниа я почвенном поглощающем комплекса в чаотноот». В овлэн о »тим режимы орошения оельокоховяйогвен-них культур осьооборогя определялись иа уоловш поддержания » pao» четном олов »адгшаеыих пределов регулировании ллажнооти. Пределы регулирования иляжнооти по четырем вариантам рчочетов dina: (0,6-0,7)/ (0,7-0,a)i (0,0-0,9); (0,76-1,0) п* 1Ш. Для Польшей наг-ляднооти реяульгатов раочвто> принят« характерная для мвотного стоке, неблагоприятная по минерализации и химическому ооотнву поливная вод« (около 3 г/л). Для двух моделей - иоходцой и о каменной подмодели) ионного обмена - были проведены восемь вариантов рпочетов оолеюго режима почв. В таблице I привод ей и результаты раочетов для оривнитнльного шпишн,

Тоблицп I

Показатели Пределы регулирования вяалнооти, и долях от Ш

о,а-о,7 0,7-0,0 о,а-о,9 0,75-1,0

Орооитеяьные нормы, ы9/гв 1ЭОО ¡¿эоо 3000 3300

Содержание натрия в ГПК, в % по вариантам расчета! - иоходлал модель б 10,6 15 16

<• измененная модель 10,0 Ю.5 16,0 19

На рио,2 приведена зивиоимооть оодаржвнин натрия » ППК на конец ротации ог оредней влажнооти для иоходной и измененной моделей. Как этого и следовало ощцвть, в расчетах о походной моделью накопление натрия в ППК находится практически в прямой злвиоимости от количества поданной поливной воды. Результаты расчетов по измененной модели показали, что вта зависимость не однозначна. Полученная зависимость может служить для обоснования пределов регулирования влажности из условия обеспечения минимальной интенсияности накопления

Рио.2. Зависимость интенсивности накопления ионов натрия в ПЕК ог пределов регулирования влажности почвы:

1 - исходная модель;

2 - измененная модель

ионов натрия ■ ППК. В нашем примере поливные нормы целесообразно назначат» ия раочета допустимого верхнего продета регулирования влажности на более (О,7Ь-0,0) от НВ, При дальнейшем увеличении норм поливов наблюдаетоя повышение интеноивнооти накопления натрия в ПШ ■а очат его поступления о поливной водой.

Глава 3. "Методы количественной оценки физичеокого ооотояиия почвы о позиций теории ионного обмена и двойного злектричеокого слоя", Соотав обменных катионов и концентрация порового раотвора могут определять физичеохие, водно-физические'овойотва почвы, ее

агрегатное ооотояние. Ионный обмен являетоя одним из проявлений по»

вврхноотных явлений и имеет меото в почве благодаря двум важнейшим а* признакам» гатерогеннооти л диоперонооти. В овязи о этим почва являетоя класоичеоким объектом коллоидной химии, применение методов которой в почвоведении очень актуально и широко развиваетоя в современных исследованиях.

Вытеонение ионов С<а*из ооотнва поглощающего комплекоа ионами Л^оопрсооадается пептиэациой коллоидов, разрушением их овязей. В физике почв создана стройная теория формирования почвенной структуры и уоловий ее' существования. Хотя в литература в приводятся методы количественного опиоания ионообменного равновеоия о исполь-аованием теории двойного электричеокого олоя (д.э.о,), однако в практике гидромелиоративных раочетов они не получили широкого распространения. В наотоящее время по результатам раочетов о использованием математических моделей о состоянии почвы можно судить только по содержанию обменного Ыа на оонове известных классификаций отепеней оолонцеватооти.

На основе теорий д.э.о. и термодинамики ионного обмена нами была разработана методика расчета электрического потенциала в качеотве параметра ионносолевого комплекса почв. Значение

вшзкоиг о» распределения ионов в д.О.о., которое может быт» установлено но оонObе некоторых модельных предотнвлоний.

Соглаоно теории рьонредоление ионов в дневной ч«втв Ä.e.Ot определяется » ооответогяии о урпвнением Больцмана!

ntt = Ci &хр (Xffib-J ЛЬ)

где» Ci - концентрация иона в свободном рвогворе| Zi - вилентнооть ; ОИв| F - постоянная Форадея (9в484 Кл/моль)| fx - вначенив потенциала на рвоотояиин X. В диШаной чвоти д.s.o. кроме ионов C<f*, Mq*Nq прноутот-вуот также некоторое количество ионов хлоре - Ci • Обозначая сумму обменных катионов 21 До «впишем!

Ct~R9-ZN0 < в )

вдеоь /?0 - плогнооть псверхноогного вереде уверцой чвоти почвы, ъ мг вкв на IOO г. Соглеоно (Ь), оодвржаквв ионов в дифуувной чвоти д.е.о.;

а^ип^^':**'-!)** с»»',

вдеоь\Uaf/RT;S - удельная поверхность чвотиц твердой i®su (м/г). Аналогичные выражения можно написать в для катионов Ca*, Mg и Nu » Значение потенциала на грайте диффузной чаотн д.е.о, определяется из выражения <7) по концентрации ионов в рсвновеоном ряст-воре и их содержанию в обменном комллексо. Очевидно, что для рео-чета fä необходимо также в качеотва иоходних парвмэтров вноть плотнооть поверхностного варяда Ra и величину удельной поверхности коллоидной чаоти твердой фезн S . В втой части роботы нами была поставлена и принципиально решена задача определения парамет-•рсв R0 S , по данным экспериментальных исследований ионного обмела. Важно отметить, что химическая реакция ионного обмена проио-

ходит на границе едоорбционного в диффузного слоев внутри д.э.с. Поэтому рапноввоиа ионного обмена должно удовлетворять уоловиям авоторм вида ^

где знаком ^v обозначена конце«грецкя катионе на границе дневной чаоти д.о.о.

Задача определения параметров R, и 3 нооила оптимизационный характер иа уоловия соблюдения обеспечения линейной регрееоии для (3) а (9). Оценочным параметром при отом будет коэффициент корреляции ,

По дашшм вкоперкмеитальных исследований ионного обмена в чврновэмах Краснодарского края, нами были в качестве дополнительных параметроэ определена шачеидя R0 и S • Решения эадачи оптимизации параметров я 3 » для ноторой была составлена спо -цдальная программа для ЭВЫ# оказаяооь весьма чувствительным и оптимизируемым параметрам. При наибольшем коэффициенте корреляции

о

( X » 0,989) искомые параметры имели значения: ,5 ■ 80 >/*/г и й» » 49,6 мг.экв/ХОО г почвы.

Сиотема уравнений для расчета значения электрокинетичесжого потенциала была включена нами в качестве дополнительного блока в комплексную магематичеокув модель вяаго- и оолеперенооо в почве, о которой упоминалось выше в главе 2.

Возможность прогнозирования динамики элоктричеокого потенциала была рассмотрена на двух примерах раочетов прогноза водно-оолсвого режима почп:

1 - два варианта орошения черноземов - водой хорошего качеотва ив

реки Кубань ( 0,65 г/л) и малоудовлетворительного - меотного отока иа реки Чалбео ( 3,0 г/л).

2 - два варианта орошения ооолонцовонкой почвы водой хорошего ка-

чества - о предварительным внесением гипоа в почву и без него. На рио.З приведены динамика влажнооти и кривые влектричвоких потенциалов за период ротации, В варианте орошения черноземов водой из р.Челбао наблюдается существенное увеличение содержания обменного натрия в ПИК, которое определило общею тенденцию онижения fy, При этом динамика електрокинотического потенциала отразила bod оо-вокупнооть происходящих изменений как волевого, так и водного режима почв. "Пики" на кривой влажности, обусловленные атмоофернымя осадками, последовательно оопроволдалиоь "пиками" на кривой (-У^). В варианте орошения оолонг^вой почвы без предварительного внеоения гипса в динамика алекгричеокого потенциала также наблюдаюгоя очень резкие окачки. По-вадимому, при неблагоприятном соогаве катионов в П1К величина fs отановитоя крайне неуотойчивой, и очень чутко реагирует на изменения влажнооти и концентрации порового раствора, Ыо*-но полагать, что почва о повышенным содержанием натрия и магния в ППК предотавляет ообой менее уотойчивую оиотему, когда опаснооть деградации наиболее велика. Противоположную картину можно наблюдать в варианте орошения солонцовой почвы о внеоением гипоа. Цдеоь на 4ше неуклонного улучшения состава ПЩ я повышенной концентрации порового раогвора можно отметить устойчивый характер электрического потенциала, его постоянное увеличение. Динамика Yir очень наглядно иллюстрирует благоприятное влияние химмелиоранта на состояние оо-лонцовой почвы.

Глава 4. "Пространственная неоднородность физико-химических свойотв почв и ее учет в раочетах прогнозов мелиоративного состоя-

АОР нв ■ а

да л а А^

20.0 \ 0.65НВ ^ V /и

V»

8.0 ЬО 4.0 2.0 -К,** б

300 200 т * , 6 <и\А Адд/ л А ^ л/и \ / и* V/ У з _____

месяц

год Ш* 1973 1??р 49М 1 /йй

Рио.З. Динещта влажности (а) и величины электрического потенциала: 6 - при орошении черноземов водой хорошего (I) и неудовлетворительного (2) качеотвя; в - при орошении солонцовой почвы о предварительным внесением гипса (3) и без него (4)

кия земель Пространственная изменчивость овойотв почий является одной И8 ооноиных ее оообенноотеП как объекта научной и практической деятольнооти. В овяэи о этим учет отатиотичаокой природы свойств почвы при использовании математических моделей выотупоет одним на важне№их уоловий повышения .цоотапернооти результатов практических расчетов (А,.М.Глобуо,1;?Ь7), Результаты прогнозных расчетов, предотавленные в отатиогичеокой форме, будут способствовать повышению надежности принимаемых инженерных решений.

Для изучения проотранопшшой изменчивости параметров ионного обмена был выбран учаоток на неорошаемом поле на территории колхоаа им.С.М.Кирова Корановокого района Краснодарского края. Почве была представлена черноземом обыкновенный о заметным содержанием карбонатов о глубины один метр и более.

Для определения отепвни ивменчивооти раооматриваемых парам»»« ров в аавиоимооти от площади на севооборотном поде были раабиты три уровня вложенных ортогональных сеток. На рио.4 приваднна схема разбивки и размеры сеток отбора образцов почвы. Выбор квадрата внутри большей оетки проиаводилол произвольным образом по результатам жребия.

В каадом ив 6? образцов наряду о исходными содержаниями обменных катионов по результатам иавеотных в литературе экспериментов "в статичеоких условиях" были определены также параметры изотерм обмена для пар катионов кальций-магний и кальций-нятрий. Далее были построены интегральные распределения указанных параметров отдечьно для ке'сдой оетки отбора образцов. На рио.б приведен пример интегральных распределений параметра изотермы обмена катионов кальция и магния. Анализ приведенных распределений позволяет сделать следующие выводы. С уменьшением размеров рассматриваемых площадей существенного оужения диапазонов изменения параметров не наб-

Рис.4. План и схема разбивки большой (а), средней (б) и мацой (в) сеток.

10 0,8 0,6 04 02

ол 05

0,8 0.9 <0

Рис.5.' Распределение параметра изотермы обмена ионов Са* и Ыа для большой (а), средней (б) и малой (в) сеток

людаетоя. Характер кривых интегральных вероятностей, юс крутизна повторяются для всех грех вариантов. Можно предположить, что для генетически однородной облаоти наблюдаемая изменчивость ионообменных Ьвойогв носит случайный отохаогичеокий характер. В пользу такого предположения говорит также анализ распределений исходных содержаний обменных катионов для рассматриваемых площадей. Наиболее близким для всех полученных оовокупноогей будет яогарифмичеоки нормальный закон распределения, наиболее распространенный для подобннх величин (А.И.Голованов, Д.Г.Пападопулоо,1972).

Иоходя из того, что интегральные вероятности однозначных функций и аргументов равны, полученное в прогнозах содержание катионов, в ПИК будет иметь вероятность равную вероятности-значения аргумента. При этом производится серия повторных прогнозных рао-чвтов при нескольких значениях интегральных вероятностей иоходных параметров. Учитывая современный уровень развития вычислительной техники а ее доотупнооть, подобный подход предотавляотоя вполне оправданным. Нами била выбрана серия из пяти раочетов прогноза оо-левого режима почв при исходных значениях параметров ионного обмена Ю, 25, 60, 75 и 90 процентов интегральных вероятностей.

В этой чаоти работы нами была поотавлена задача определения оптимальной дозы гипоа для •"несения в почву о учетом пространственной изменчивости содержаний обменных катионов и параметров изотермы.

Раоход гипоа наряду о его раотворимоотью будет зависеть также и от интенсивности ионообменных реакций. Кроме этого, процесо оопроволдается увеличением концентрации оульфат иона в поровом раогворв, что может привести к токсичным условиям для произрастания сельскохозяйственных культур. Для расчетных интегральных веро-

ятноотей исходных параметров ионного обмена мы предварительно определили количество расходуемого за ротацию гипса. Раоходн гипоа по вариантам интегральных вероятностей 10, 25, 50, 75 и 90 процентов составили ооответогвенно 10,1; 13,9; 19,8; ¿6,8 и 54,7 т/га. Далее для целей сравнительного анализа были произведены серии повторных прогнозных раочетов при нормах внеоения гипоа 10, 15, ¡¿О, 25 и 55 т/га. Анализ полученных результатов позволяет определить наиболее оптимальный по уровню ооолонцевания, степени заооления и расхода хиымелиоранта вариант дозы гипоа. Для сравнения экономической эффективности реооматриваемых вариантов учитывались различающиеся при прочих равных уоловцях уровни продуктивцооти и раоходы на внесение гипса в почву.

Практическая оценка снижения урожайности сельскохозяйственных культур для поля севооборота должна производиться с учетом про-

1

странотвенной изменчивости отепени засоления, ооолонцевания. При наиболее часто встречающемся логарифмически нормальном законе распределения величины -заооления по площади, оценка урожайнооги по среднему уровню ооолонцевания не будет достоверной. Походными данными для оценки урожайности были графики зависимостей урожайности культур севооборота от отепени ооолонцевания и вариационный ряд пЪследнего. Раочет средней урожайности производится по формуле:

где: P¿tiv-P¿ - граничные значения интегральных вероятностей для ¿ -го интервала; y¿ - относительная урожайность при уровне ооолонцевания соответствующей середине ¿.-го интервала вероятностей.

- 21 -

Наиболее оптимальным о точки зрения продуктивности и раохо-доЯ на химмелиорацй» оказалоя вариант орошения черноземов о предварительным внеоением гипса нормой 25 тонн на га, что соответствует примерно 75Я вероятностей. При этом на преобладающей чаоти площади наблюдается оущаогвешшй положительный балано содержания катионов кальция в ППК, что являетоя очень важным о точки зрения поддержания плодородия черноземов на выооком уровне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

X. Черноземы, обладающие выооким плодородием в естественном ооотоянии очень чутко реагируют на изменения внешних условий. В овязи о этим необходимо тщательное регулирование мелиоративного режима черноземов, являющихся наиболее оложной в фильтрационном и физико-химическом отношении почвенной оиотемой. Проблема повышения надежнооти мелиоративных мероприятий овязала о дальнейшим развитием теории почвенных процеооов, методов их количественного отменил.

2, На оонове т ретического анализа термодинамики ионного обмена и экспериментальных исследований ионообменного равновеокя при неполном влагонасшцении почв предлагается модификация известного уравнения изотермы обмана катионов натрия и кальция. Раочеты прогнозов оолевого режима с использованием полученного выражения для изотермы ионного обмена в математической модели показали существенное влияние интервалов регулирования влажнооти почвы на интенсивность накопления ионов натрия в ППК. Серия имитационных расчетов позволила определить оптимальный предел регулирования влажности почв о точки зрения интенсивности накопления натрия в ГЯК. Поливные нормы целесообразно назначать из расчета допустимого верхнего предела регулирования влаинооти почв не более (0,75-0,8) от НВ.

- 22 -

3. На оонове теории двойного электрического олоя и некоторых модельных представлений о взаимодейотвии обменных катионов о поверхностными зарядами твердых чаотид разработана методика раочета влек-трического потенциала коллоидной оиотемы, как наиболее объективного показателя физического ооотояния почвы. При этом на отадии иэыока-ний по результатам экспериментальных исследований ионного обмена наряду с другими параметрами следует определять также величину удельной поверхности коллоидной части твердой фазы почвы и плотно-оти поверхностного заряда. Предлагается методика определения втих параметров.

Сиотема уравнений для раочета величины элекгричеокого потенциала коллоидной оиотемы почв была включена в качеотве отдельного блока в комплексную математическую, модель влаго- и оолепереноса. Примеры прогнозных раочетов солевого режима почв продемонстрировали возможности предлагаемой модели. При орошении черноземов водой о неблагоприятным химическим ооотевом и повышенной минерализацией в динамике электрического потенциала на фоне его неуклонного снижения, в овязи о ухудшением соогава обменных катионов,наблюдаются резкие провалы, связанные о опреснением порового раотвора во время обильных атмосферных осадков. Неуклонное повышоние величины и устойчивый характер динамики электрического потенциала подтвердили так::;е целесообразность предварительного внесения гипса при орошении солонцов, для обеспечения благоприятного соотояния коллоидной системы почвы.

4. Исследованиями в полевых условиях установлена существенная пространственная неоднородность ионообменных свойств почв. Изменчивость ионообменных свойств носит случайный стохастический характер и не зависит от площади обследования. Совокупности параметров ионного обмена соответствуют преимущественно логарифмически

- 2В -

нормальному закону распределения.

Учет проотраногвешюй изменчивости ионообменных овоНотв почвы путем проведения оерии прогнозных раочетов позволяет определить оптимальную по уровню продуктивности, степени ооолонцсвалия и расходу химмелиоранта дозу внооимого в почву гипоа. Статистический характер результатов прогнозов оолевого режима позволяет получить более достоверную оценку снижения урожейнооти,сельскохозяйственных культур от ооолонцеванил. Приведенные расчеты покеоалл также высокую чувствительность современной мвтвматичеокой модели влаго- и оолеперенооа к параметрам ионного обмена.

Список опубликованных работ по теме диооертации |

1. Методы составления почвенно-мелиорогивных прогнозов орошаемых земель Краснодарского края //Отчет о НИР. й гоо.регистрации 0.182.5038594. - М., I¡>85-1987 (в соевторотве).

2. Уточнить математичеокие модели и разработать алгоритмы расчета пищевого режима торфяных почв в уоловиях БССР на примере ОПУ "Леонов" // Отчет о^НИР, И гоо.регистрации 0.182.6038593. - и., 1985 (в соавторстве).

3. Отработать методы комплексных мелиораци.1 и еыдэгь нормагивно-методичеокую документацию и иоходние требования для проектирования, строительства и реконструкции производственных мелиоративных оистем //Отчет о НИР, гоо.регистрации 0.1&.0057775. -М., 187 (в соавгорогве).

4. Обосновшие системы мелиоративных мероприятий на орошаемых черноземах I очереди Барнаульской ОС в Алтайском крае // Отчет о НИР, № гос.региотрации 0.186.0117141. - М., 1988 (в соавторстве).

5. Методы определения гидрохимических и гидрофизических параметров, иопольвуемых в долгосрочных прогнозах водно-оолевого режима почв //Удобрение о/х культур. Агропочвоведение. - й 3, -1988. - С.22 (в соавторстве).

6. Количественная оценка фиэичеокого ооотояния почвд при мелиоративных раочетах с позиций теорий ионного обмена и двойного электрического олоя //Удобрение с/х культур. Агропочвоведение. -№ 2. - 1990. - С.16 (в соавгорогое).

7. Математическое моделирование ионного обмена в почвах I/Удобрение о/х культур. Агропочвоведение. - № 2. - 1990, - С.18 (в соавторстве).'