Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности диффузии солей в почвах

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Особенности диффузии солей в почвах"

МОСКОВСКИ!! ордена ЛШША, ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ и ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ . ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

ШгШ***- '

Г*тА№718"наЯ' Млм*т«1са

флш '

Факультет почвоведения

На правах рукописи

11АРША1С1ДЗЕ ШШСО ИВАНОВНА

особенности димузин солш в почвах

03.00.2V - почьоводошю

Аиторофорат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор Л. О.КАРДАЧЕВСКИЙ

Официальные оппоненты: доктор биологических наук.

в ч. мин. в аудитории М-2 на заседании Специализированного совета K-053.05.I6 в МГУ им. Ы.В.Ломоносова по адресу: 119899, г.Москва, Ленгоры, МГУ, Факультет почвоведения. Отзывы на автореферат просим направлять по указанному выше адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " " /у/ ';у 199тг.

профессор М.Ф.ГА1ШАРА, ТСХА

кандидат биологических наук И.Е.ПЕРВОМ, МГУ

Ведущее учреждение - ИПИФ АН, г.Пущино

Защита диссертации состоится

Ученый секретарь Специализированного совета

Г.В.Мотузова

ВВЩЕНИЕ

Актуальность работ. Специфические особенности почвы: полидисперсность, шюгофазность, полиминеральность, отличающие ее, о одной стороны, от синтетических ионообменников и, с другой стороны, от таких неорганических ионообменных материалов, как глины, цеолиты и др., создают трудности при интерпретации и количественном описании явлений миграции, несмотря на то, что в их основе лежат хорошо известные в химии закономерности. В частности, при описании диффузии ионов в почве необходимо учитывать ее гетерогенность, пористость, способность адсорбировать и обсзанно поглощать перемещающиеся в ней ионы. Говоря о диффузии в почвах, мы имеем в виду совокупность элементарных процессов, в результате которых происходит передвижение вещества и в которых единственной причиной движения является градиент концентрации вещества.

В последние годы все большее внимание привлекает проблема поведения различных видов загрязнений, в частности, радиоактивных веществ. В результате систематизации и обобщения большого объема экспериментальных работ было убедительно показано,что диффузия ионов часто вносит основной вклад в суммарное перемещение радионуклидов в различных природных средах, в том числе п почвах, где поступающие вещества закрепляются на наиболее длительный срок по сравнению с атмосферой и гидросферой. Исследователями последних десятилетий установлено, что диффузия ионов и молекул по почвенному раствору и по поверхности почвенных-частиц к поглощающей поверхности корня - один из процессов, лимитирующих поступление ионов из почвы в корни растений.

Этот процесс играет-более значительную роль в массопереносе-веществ в почвах, чем представлялось раньше, поскольку для многих почв передвижение водных растворов наблюдается лишь в отдельные периоды.

Цель настоящей работы - изучение процесса диффузии ионов в различных почвах.

В задачи исследования входило:

I. Получить коэффициенты диффузии Р ионов К , для

разных почв и горизонтов в зависимости от влажности, температуры и концентрации почвенного раствора.

2. Оценить масштаб процессов диффузии в почвах.

3. Оценить особенности диффузии отдельных ионов и выявить возможные характерные отличия в их поведении.

Объекты исследования. Доя исследования были выбраны дерно-во-нодзолистые почвы Московской области, черноземы южные Одесской области, желтоземы Западного побережья Грузии, коричневые почвы Восточной Грузии, краснозеш Чаквы.

Методы исследования. В работе использовали метод ионоселек-тивыых электродов и специально разработанные почвенные колонки для оценки диффузии ионов в почве.

Научная новизна. Установлено, что если в первом приближении для несорбируамых почвой ионов О - постоянная величина (при изменении концентрации), то для поглощаемого /Уа+ , и особенно К!+. Р заметно изменяется с изменением концентрации ионов. Увеличивается с ростом влажности и температуры почти для всех изученных ионов, но для К иногда отмечаются отклонения.

Р для разных почв и разных горизонтов одной почвы заметно различается, что вносит свой вклад в снабжение корней питательными веществами и в моделирование массопереноса в почвах.

Дшктичеокая ценнооть. Определены коэффициенты диффузии ионов К.+ . С6~ для ряда конкретных почв (дерново-подзодис-тые, коричневые, желтоземы, Черноземы, краснозеш).

Разработан метод контроля за диффузией с помощью ионселек-тивных электродов.

8тш псмотзадд.

1. О различается для разных почв и разных горизонтов одной почвы.

2. В первом приближении для несорбируемих почвой ионов р можно считать константой.

и. При взаимодействии иона и почвы (обмен или другие химические реакции) р не является константой, а изменяется в зависимости от времени.

4. Увеличение температуры и влажности увеличивает Р в почве душ большинства ионов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: выездных школах факультета почвоведения МГУ 1991 и 1993 гг.; семинарах кафедры физики и мелиорации почв, 1991-1992 гг.; конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии", Пущине, 1992 г.

Структура работы. Диссертация состоит из введения,** глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на страницах машинописи, содержит 2»6~ таблиц и рисунков. Список литературы содержит наименований , из них ¿0 - иностранных авторов.

Автор искренне благодарен научному руководителю работы доктору биологических наук, профессору Л.О.Карпачевскому.

Автор выражает глубокую признательность доктору биологических наук, профессору Т.Ф.Урушадзе, кандидату биологических наук. Т.А.Зуйковой, а также сотрудникам кафедры физики и мелиорациц почв за помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБО'Ш Глава I. даМУЗ.Ш. ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

Почва представляет собой среду, состоящую из твердой,жидкой и газообразной фаз. Многофазность среды усложняет количественное описание процессов переноса. Сложность среды усугубляется тем, что жидкая фаза (почвенный раствор) неоднородна по своим свойствам. Характер раствора (плотность, вязкость, структура, концентрация) , прилегающего непосредственно к поверхности твердых частиц, отличается от свойств раствора, удаленного от твердой поверхности. Неоднородность почвы, включая ее жидкую и твердую фазы, определяет миграцию веществ в почве. Она связана как с движением самих растворов, так и с диффузии веществ.

Среди других процессов миграции диффузия занимает особое место, поскольку она является непрерывно проходящим процессом. Диффузией называют миграцию ионов под действием градиента химического потенциала (концентрации) при условии отсутствия потоков влаги и химических реакций между компонентами /Прохоров, 1975/. Диффузия играет исключительно ватаую роль в функционировании

почвы как природного тела и в ее хозяйственном использовании.Перенос питательных веществ, поступление их в корни, распространение мелиорантов и удобрений, передвижение загрязшдащих веществ, возникновение зон вторичной кислотности, транспорт солей происходит о существенным участием диффузии и часто определяются ею. il/ye. Tornas . Фрвд» ЧайДдаь-йН, Пакшина, ПачеИский, Савич и др.) Факторы, от которых зависят подвижность и связанная с ней скорость миграции ионов в почве мсшю разделить на две группы:свойства ионов и свойства почвы.

Свойства ионов: знак заряда иона, величина заряда иона, радиус иона, фо|ыа соединения, способность к адсорбции, способнооть к кошихксообразовацию, способность к гидролизу.

Свойства почвы; шшералогический состав, химический состав, гранулометрический состав, плотность, влажность, содэрсшние и состав органического вещества, кислотность, емкость поглощения, температура, концентрация и состав почвенного раствора.

В работах /IVye. 1966,1968/ диффузия упрощается и рассматривается как процесс, осуществляющийся посредством переноса ионов в растворе и адсорбировшшоы слое. Диффузионный поток ионов состоит из оушы потоков ь жидкой фазе и по поверхности твердых частиц:

где индекс I относится к гидаой фазо, 2 - к поверхности твердой фазы;

VA . \4 ~ соответственно объем раствора и оуымарный осаем поч-iua; С^ »С, - концентрации ионов, находящихся в равновесии с ^створом; С - средняя концентрация ионов в почве; f - фактор сопротивления в первую очередь учитывает извилистую траекторию, по которой движутся растворенные вещества через поры.

Выявлено, что диффузия прадстгшляет собой достаточно аффективный почвенный процесс. Накоплен большой материал но диффузии разных ионов и газов в почвах. Установлено, что коэффициент диффузии в почвах зависит от их плотности, состава подышшх солой, гранулометрического состава, влажности, теилоратуры. Выявляется особенность Р - он не является константой не только лдц почв,но и душ отдельных горизонтов. Поэтому перед авто^юм данной работы

была поставлена задача: уточнить роль свойстб почв, катионов, влажности л температуры в оценке величины р , пределы ого изменчивости.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Для изучения диффузии в почвах били выбраны наиболее известные и детально исследовашше почвы с л'1-статочно различными свойствами. Текстурно-диффоренцироваинно (дерново-подзолистые), ферролитные (красноземы), коричневые.черноземы, желтоземы. Эти почвы отличаются по гранулометрическому и валовому составу, pH, содержанию гутлуса. Эти различия в свойствах должны влиять на коэффициент диффузии разных веществ в почвах.Но в данной работе упор дается на роль влажности, температуры и градиента концентрации веществ в определении величины коэффициента диффузии.

Методы исследования. Проводили измерения активности ионов |Va+ , , Ct' в пастах при влажности 30-60$ с помощью ионселек-тивных электродов Ленинградской фирмы "Сенсор". Для определения К-функцпи использовали мембранный электрод с твердым наполнением, для !Va - функции стеклянный твордоконтактный электрод, для СС-функция твердоконтактный электрод с твердым наполнением. В качестве электрода сравнения применяли хлорсеребряный электрод ЭВА-Вгй. В качестве измерителя - pH - метр-милливольтметр рН-150. В работах Гончарова В.В. и др. /1987/, Керзума П.А. и др. /1970/ делается вывод о надежности работы электродов при влажности почвы более 10-15$. Но результатам работ Понизовского, Зыкиной, Снакпна и др. разница э.д.с. между измерениями в пасте (суспензии) и в растворе (фильтрата) в большшетве случаев не превышает ±5...7мВ, peso возрастает до ±10...15 мВ и лишь в отдельных случаях разница достигает 30...60 мВ.

Для решения поставленной задачи определения коэффициентов диффузии ионов К+Ма\ СС~ в модельных опытах в почве, их рассчитывали, используя значения активностей ионов K+,f/a + н С С", измеренных ионселективнымп электродами.

Пачепским Я.А. /1930/ был проведен литературный' оозор физических моделей для изучения диффузии в почвах. Он показал, что в большинства случаев используются варианты и модификации одной из трех схем:

- а -

1) внесение соли на торец цилиндрического образца почвы;

2) поддержание постоянной концентрации изучаемого компонента в растворе у торца цилиндрического образца почвы;

3) составление почвенной колонки из двух частей, в которых в начальный момент созданы разные концентрации изучаемого компонента.

До мнению автора, все три схемы содержат элементы, искажающие процесс диффузии. В первой схеме это - изменение коэффициента диффузии при очень высоких концентрациях, изменение структуры почвы близ поверхности с солью, лимитирование диффузии скоростью растворения. Во второй схеме - перемешивание раствора неизбежно вызывает пульсации в образце, приводящие к росту кажущегося коэффициента диффузии. Наконец, в третьей схеме нельзя гарантировать идеальный контакт на границе двух частей, из которых составляется почвенная колонка.

Мы проводили модельные опыты по третьей схеме, в которой в наибольшей степени поддается управлению диффузия ионов. Для составления почвенных колонок использовали специальные диффузионныо коробки, сделанные из органического стекла с крышками (размеры: длина 10 см, ширина 3 см, высота 2 см).

Образцы почв очищали от корней, растирали, просеивали в сухом состоянии чераз сито с размером отверстий I мм и перемешивали для придания однородности всей массе.

Чтобы задать почве требуемую влажность, к навеске почвы прибавляли нужное количество дистиллированной воды или солового раствори определенной концентрации и перемешивали влажную почву.Почвенные колонки составляли из одинаковой навески почвы с реактивом и боа реактива и доводили до одинаковой влажности (в каздом образце) обе половины. Влажность определяли методом высушивания при Ю5°0. Доя сохранения заданной влажности диффузионные коробки закрывали крышками и помещали в эксикаторы. Время опыта составляло от нескольких суток до месяца и больше в зависимости от типа почвы, от свойства диффундирующего иона и условия опыта.

Вариант прямой ионометрии в почво 1п я1и , при котором отклик ионселективного электрода иропорционалон активности измеряемого нона, давал возможность наблюдать по распределению концентрации ионов в пределах почвенной колошей и различные промежутки времени после контакта почвенных частей.

Дяя расчетов концентрации ионов в жидкой фазе почвы,электрода калибровали в растворах с известной концентрацией определяемого иона.

Процедура измерения активности ионов в пасте такая же, гак при измерении в растворе, при этом следует особо обратить внимание на погружение электрода в пасту, обеспечивая их механическую сохранность и хороший контакт мембраны с измеряемой средой, особенно при низких влажностях.

Коэффициенты диффузии рассчитывали по программе Пачеп-ского Я.А.

Кривые распределения концентрации ионов в проделах почвенной колонки в различные промежутки времени после контакта строили по 'программе " На*.^аг.с1".

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ДЛШЗИОННОГО ПЕРЕНОСА ИОНОВ В ПСИВАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТНШЕРАТУРЫ, ВЛАЖНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА

Во всех диффузионных колонках точки 1-4 принадлежат объема?,! контрольных почв, 5-8 - объемам почвы, куда вносили растворимые соли в необходимой концентрации. Расстояние между точками 5-4 2 см, между остальными - I ал.

Распределение К4" в почвах. В коричневых.почвах при высокой влажности (60$, 40$)"в гор. А после одного часа взаимодействия активности К+ в 4-ой точке увеличил до 7.05'ПГ3 иол/л, тогда, как в точках'3,2,1 она равнялась 1.50-Ю-^ мол/л. На 5-е сутки в 4 п 3 точках аК+ возросла на порядок. Аналогичные наблюдения были сделаны для"других горизонтов почв и для других почв. Установлено,. что распределение К+ иногда не зависит от темпера*-туры и ни в одном опыте не выравнивалось полностью. Кроме того, балансовый подсчет показал, что заметная часть К+ зафиксирована в почвах (Табл.1, рис.1)

Распределение ГУа* в почвах. Наиболее показательно распределение в коробках на 5-е сутки при влажности почвы 55;«'. Во всех точках (4-1) активность увеличилась на порядок. К концу опытов выравнивание' активностей [Уй+ в диффузионной колонке было более яйным, чем для К+, хотя градиент концентрации

УдОлщя l

распределение ионов К+, fVa^i tV в дерново-нодзолистой почве в процессе дафузиц

Вариант Ион Влажность, % Срок (сутки) Внесено (мг) Осталось (мг) Перемоет. (мг) %% но— ремещ. от СУММЦ

А . 45 5 21 16.8 4.2 208

10 28.6 20.1 8.5 ш

16 37.3 23.8 13.5 36$

А2 40 5 13.4 II.Б 1.6 12%

£0 20.4 15.5 4.94 24%

16 25.24 17.54 7.7 ш

и 52 5 9.84 9.26 0.58 6%

10 11.99 10.85 I.I4 ш

16 15.68 13.61 2.07 13%

А IV 45 5 90 77.3 12.7 13%

19 95.0 65.5 30.1 32/я

24 67.1 43.5 23.6 Зй%

¿2 40 5 ßl 70.8 10.2 13%

19 83.7 58.1 25.6 31%

24 103.6 68.0 35.6 34$

и 52 5 68.8 62.4 6.4 %

19 61.7 43.5 18.2 зол

24 77. ü 54.1 23.7 Ш

А сс 45 5 288 229 58.7 Ш

II 303 221 81.5 27л

15 330 226 104 З'£к

h 40 5 250 206 43.8 1%

II 2БЗ 209 74.2 2G%

15 322 218 105 33,1

и 52 5 II 307 341 252 249 55 92 lüi 27 :i

15 378 258 120 Ii 2'/!/

0.1*

аК+(моль/л)

Образец ЗАВ ¿=20? \У=47%. С=2% Рис* I. Распределение !С+ в коричневой почве

сСГ(мо-пь/л)

' 0—е сутки

■ б—в сутки

2,2—е сутки

Образец ЗВ {=20*УУ=52%,С=2% Рис. 2. Распределение в корйчневой почве

сохранялся. Отмечался большой общий перенос Ыо? в почве и меньше его фиксация в почве (вынос К+ составлял в среднем 2U%, вынос - 3£#).

Распределение Ct~ в почвах. Ион се: как почти не сорбирующийся почвой ион, показал наиболее четкую зависимость переноса от концентрации, температуры, влажности.

При этом, балансовые расчеты дали наиболее близкие значения запаса (X к внесенным в почву. Перенос С6 был наибольше в ' среднем 30$. Он всегда завышал перенос > хотя цифры достаточно близки.

Дня характерно наибольшие выравнивания активностей в колонке почв к концу опыта. Можно говорить с определенной степенью вероятности о фиксации С6~ в верхних горизонтах коричневой почвц и краснозема.

Таким образом, обнарушглась зависимость переноса К+, Wa+, Ct" от влажности почвы, температуры, концентрации (градиента концентрации) и характера самой почвы (почвенного горизонта). О стабильности переноса должны дать представление коэффициент диффузии этих ночв, рассчитанные для условий опыта.

Глава 4. КОЭМВДШГШ ДШУЭДИ К+, fJa, Ct~ в РАЫЩ ПОЧВАХ

ДнффуЗИЮ ионов можно оценить по коэффициенту диффузии J} , который в соответствии о первым законом Фака, определяется как коэффициент пропорциональности ыезду потоком и градиентом концентрации. Но окоему физическому смыслу коафф!щнент диффузии представляет количество вещества, проходящее через едшшцу по-трв'шоси сечония за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Диапазон значения р по литературным даннш свидетельствует о непостоянство ого величин даже дал конкретного иона в конкретной почве.

Теоретически следует ожидать изменения .0 в зависимости oí температуры и влажности и относительного постоянства при изменении концентрации.

lía практике почва представляет собой црцроднио тело, неоднородное по своей структуре /Воронин, 1906/. В почве выделяются

разные горизонты, морфоны, агрегаты. Разные участки одного и того яе горизонта могут существешго отличаться по плотности почвы. В профиле природных почв всегда (или почти всегда) присутствует градиент влажности и температуры (изменение их с глубиной). Все эти факты свидетельствуют априори, что р даже для одной почвы должен различаться в зависимости от горизонта, его свойств, температуры, влажности. Поэтому диффузия веществ в почве должна аппроксимироваться серией коэффициентов диффузии или же усредненной по профилю их величиной.

Зависимость диффузии в почве от влажности. С изменением влажности меняется доля объема, которую занимает раствор в почве, а значит и площадь поперечного сечения раствора, чероэ которую происходит диффузия. Помимо этого меняется и геометрия расположения потаенной влаги, в частности, соотношение между площадью . сечения в узких и широких местах почвенных капилляров, а также извилистость диффузионного пути ионов. Наконец, изменение влажности почвы влияет и на структуру двойного слоя, окружающего почвенные частицы, а, следовательно, и на ту составляющую общего диффузионного потока, которая обусловлена адсорбированными ионами.

Коэффициенты диффузии для ионов К4", !Уа+ и С6~ определяли в диапазоне влажности 26-60$, который реально можно разделить на два диапазона: менее влажные пасты и более влажные пасты.

В черноземе южном величина р дои несорбируемого иона С6Г в диапазоне влажности 26-42$ меняется в пределах (3,36+4,98)хЮ~® см^/сек по всему профилю, а в диапазоне 50-60$ влажности: (4,57+6,84)хЮ~® см~/сек, что свидетельствует об увеличении р с увеличением влажности.

Несмотря на почти близкие значения по всему профилю, можно выделить гор.А, в котором р представлен большими величи-" нами и гор. Ад с минимальными р .

По-другому ведут себя сорбируемые катионы №а и особенно К+. Значения в диапазоне влажности 50-60!? равны

(4,54+9,02)х10~6 см2/сек и в диапазоне 26-42$: (2,27+6,79)хЮ~6 с!.г/сек и свидетельствуют об увеличении Р^о ростом влажности. Из профиля можно выделить гор.А о высоким значением Р и гор.Ад с меньшим значением р , чем все остальные горизонты, близкие по величине 0 .

Рк+ по профилю уменьшается с глубиной, при влажности ЪЪ% большим значением Р выделяется гор.А (6,77-10"^ см2/сек) и

гор.Ад (5,59'I0_® см2/сек); в нижележащих горизонтах меняется в пределах (2,51+3,24)х10~^ см^/сек.

В диапазоне влажности 26-42$ значения уменьшаются вниз по" профилю от 5,36 до 2,6Х'10~6 см2/сек. В целом, увеличение влажности приводит в увеличению Рк+ .

В дерново-подзолистой почве в диапазоне влажности 23-38$ Dee- меняется от 5,11 до 5,65*10"^ см2/сек, а в диапазоне 40-52$ от 5,97 до 6,49'Ю сы2/сек. Все величины Dee- близки по значению по всему профилю и по всем значениям влажности, но тенденция к увеличению р^- есть (Табл.2).

Для коэффициента диффузии IVa+ диапазон значений Р т<де не широкий: от 2,71 до 4,47*10"^ см2/сек; наблюдается уменьшение с глубиной и тенденция к возрастанию с увеличением влажности.

Коэффициент диффузии К+ имеет совсем иные особенности. Во-первых, значения Р<+ в диапазона влажности 23-38$ равны (1,21*8,50)'10""^ см >/сек, и больше значений рк + в диапазоне W 40-52% ((0,846+7,81)«Ю-6 см2/сек). Во-вторых, £)к+ уменьшается с глубиной, в горизонте В - на порядок по сравнению с горизонтом А. Все это можно объяснить сорбционными способностями этого иона, что приводит к расхождению фактического и измеряемого коэффициента. ■

Вависимость диффузии в почве от температуры. Коэффициенты диффузии IVci+ , К+, СГ в изученных почвах в интервале температур 6-20-40°С увеличиваются с ростом температуры, но для сорбируемых почвой ионов ярко выражен аномальный ход температурной зависимости, в частности, дал К+. В чернозема южном с ростом температуры 6-20-40°С коэффициент диффузии достигает максимума при температуре 20° для всех значений влажности по всему профилю.Для гумусовых горизонтов Ад и А Р характеризуется близкими значениями при температуре 6 и 20°С 1(5,06+5,59)-Ю"6 а$сек для Ад и (6,79+6,77)'Ю-6 см2/сек для А), с увеличением температуры до 40° уменьшается до 3,78-10~® см2/сек для Ад и до 2,90-10~6 см2/сек дая гор.А. Для нижележащих горизонтов различия в величине D небольшие СГабд.З). В дерново-подзолистой почве, в гор.А и Aj. при больших влажностях убывает с увеличением температуры, а в

гор.В наблюдается возрастание Рк+ с ростом томпоратуры (Табл.4).

Совсем другой зависимостью характеризуется Рк+ в корн'ше-вой почве. Увеличение температуры почти всегда приводит к увеличению коэффициента диффузии. При больших значениях влажности

Таблица 2

Зависимость коэффициентов диффузии (р 'Ю-® см^/сок) |/а+ . • С С.- п дерново-подзолистой почво от влажности

й образца Влажность эксперимент для среднее для

м»+ к+ се" уг 1С + С6"

5А 45 3.70 4.84 4.87 7.52 8.10 7.81 7.41 5.89 6.17 4.47 7.81 6.49

34 3.82 2.19 3.66 9.95 8.45 7.09 5.67 5.50 5.71 3.22 8.50 5.05

5А2 40 2.78 4.54 4.68 2.43 5.27 5.39 5.56 5.78 6.56 4.00 4.36 5.97

23 3.12 3.35 5.76 9.26 5.27 4.92 6.02 4.95 5.79 4.08 6.48 5.5У

5В 52 1,50 4.20 3.57 0.694 0.868 0.977 5.79 6.00 6.33 3.09 0.846 6.04

38 1.39 3.84 2.89 1.27 1.27 1.09 4.98 5.05 5.29 2.71 1.21 5.11

9 ?

1 6

5 Ц ■

3 • I 1

ЬхЮ6сгчг/сек

К +

---се

£0

ко ГС

Рис.3 Зависимость коэффициента диффузии £): (С1, С£Г в дерново-подзолистой почве от температуры /гор. А, №-34%/

1)хЮ*смаА*к

-ю

— №Г

-сег

6 го <<о Ш

Рис. 4 Зависимость коэффициента диффузии £>: Уй, К\ Сб" в черноземе южном от температуры /гор. А,

о о

s

Q

о

о

M Q

СО о

• •

со <о

to со 00

см ■il' ¡>

я ^ а

S «о

M

• m

СП 00

о со м*

о со

«о M см

СП

о о

СМ

Е> (D IO.CO

со ^ СГ>' СО СМ

СО ОЭ. СГ) ю «5

со со Ю 1«

M • •

to

цщ

ю

m

■5J1

ц

о СО

M И СО M Г- СП

см ю м го to со со ю ■ч1 ^ "i

3 8 S

to » •

CO t0 M

CO

о о

-p & +

S

а

о о

-+J

N &

V

Q

°o ■if

о о

C\J

о to

о о

о а

СМ

о <о

I .4 M H

ni о

to со ю о см со и м m оо аз л о ю о ю см о Hto осо ю см

ю со 'О ^ ¡> to to -sí m со o i>

£> см an in N О Ю

<м - í oí

CO c-

to

M H О СО С) о H л

СТ> ^ СО со Ю to to m

со со tú о

со M

to M m а> со M M см to со 3 ю s со о а> Ci

• • • •

CO см со СО см -3* СО СМ '.О

СО СО о со to о см со 1> о см

О 01 СО см ни to 00 со см сО

со см см СО СМ со M M см H СМ см

СП со с- ю ю со г- to

M1 00 IM tú

M Ю

m uo

lO m СО ^í1 СО СО M (.M

IH M Щ СО

id со о

c j м CO CM

с) Ol Я

ю о

8

tri »i со to

со

О cû

• •

CM M

ю ю

О si"

о о to 00

Г- со

СО M

см см ни

о о

аЭ СО

Í8 ^

M

to СО

g 8

СЛ о СО

СО

á¡

fi со

4*

m

Pi4

Таблица 4

Зависимость коэффициентов диффузии (р х!0~® см^/сек) K^.tYa"1". СС~ в дерново-подзолистой почзе от температур!

Гори- Влаж- при "Ь > °С Dw0+ при i °с Dce- щи £ . °с

зонт ность % 6° 20° 40° 6° 2СР . 40° 6° 20° 40°

А 45 34 8.25 6.15 7.73 8.48 5.00 6.30 5.61 2.00 4.47 3.14 5.69 4.15 10.03 3.99 6.49 5.62 11.77 9.34

h . 40 23 4.93 5.48 4.36 4.45 4.29 3.13 2.56 1.88 3.99 4.09 5.92 4.59 7.09 4.37 5.97 5.85 11.27 10.78

В 52 38 0.718 0.483 0.827 I.2I I.I2 1.49 3.12 2.09 3.09 2.71 4.99 3.39 4.95 3.66 6.07 5.07 9.25 8.49

- 19 -

Ш/о) за исключением гор.Б увеличение температуры приводит к возрастанию на порядок 1(0.58+5.1)»10 см^/сек;

(5,97+11,0)'Ю-® сы^/сек). По всему профилю и воем значении температуры диапазон коэффициента диффузии меняется на два порядка: (0.585+11.0ЫО-6 см2/сек.

Коэффициенты диффузии в чорноземе южном, получешше

в интервале температуры 6-20-40 °С, свидетельствуют об увеличении 0|уя+с ростом температуры. В отличие от катиона К* не наблюдается аномального хода температурной зависимости.

Увеличение + с ростом температуры хорошо выражено для высоких значений влажности (50-64$) по всему профилю. Только в гор.А максимальное значение £) наблюдается при температуре 20 °0: 9.02-Ю"6 см2/сек, и при 40 °С снижается до 6,95-Ю-6 ш^/сек.

При этом все равно Р^а* возрастает по сравнению о 6 °0, когда величина Р равна 3.16-Ю-6 см^/сек.

Гор.А выделяется и для средних значений влажности (26-44$) как аномальный, где рост температуры 20-40°С не приводит к увеличению и характеризуется одинаковыми значениями: 4,59 и 4.50-Ю"6 см2/сок.

В остальных горизонтах рост температуры приводит к увеличению рг/ч +• . Для всего профиля по всем значениям влажности значения р,/а<- одного порядка и лежат в интервала (1.78+9.02) • 10"^ см^/сек. Можно сказать, что минимальными р характеризуется гор.Ад. Хорошо выражен рост с ростом температуры в гор.ВО.

В дерново-подзолистой почве интервал значений £\/„+:

о о »• Ч

(1.88 + 5.92)*Ю си /сок но широкий. С ростом температуры растет по всему профилю и для всех значений влажности, только выделяется гор.А.

Зависимость диффузии в почве от градиента концентрации. Зависимость коэффициента диффузии К! от концентрации почвенного раствора исследовали в желтоземе, в коричневой и дорнрво-подзо-листой почвах. В желтозем и в коричневую почву добавляли и 2% 1С СС (от сухой навески почвы), образцы увлажняли до двух зшче-ний влажности.

В коричневой почва Рк+ для всех значений влажности по воому профилю меняется от 0.276 до 1.84*Ю-6 см2/сек и увеличивается с ростом концентрации, т.о. о ростом градиента концентрации.

В желтоземе Рк+ меняется от 0.281 до 2.25'ДГ6 см2/сек. В горизонте Ац^ с ростом концентрации увеличивается на порядок: от 0.664 до 1.59« 10~® см2/сек. для всех значений влажности всегда возрастает с ростом концентрации.

В дерново-подзолистую почву добавляли Ев, 2% и Ъ% Kf/Q3 (от сухой навески почвы) и исследовали зависимость коэффициента диффузии для двух диапазонов влажности от концентрации. + с ростом концентрации увеличивается от 0.203 до I3.0V-I0"6 см2/сек, т.о. на два порядка (Табл.5).

Гор.В характеризуется более низкими значениями , чем гор.Л.

Таким образом, зависит от градиента концентрации,что

связано, очевидно, со взаимодействием К+ и почвы. Также взаимодействие изменяет свойства почвы и соответственно для этих почв.

Итак, общий анализ изменения в зависимости от кон-

центрация показывает, что коэффициент диффузии этого элемента в меньшей степени, чем другие Р , зависит от концентрации.

Во-вторых, зависимость этого коэффициента от концентрации наиболее Hpzco проявляется в горизонтах с активными, тонкодисперсными формами оксидов Fe, - Именно в красноземах, гор.В дерново-подзолистых почв, верхней толще коричневых почв Рее- в наибольшей степени связан с концентрацией. Возможно, это результат определенного взаимодействия Сб~ и оксидов Fe • Но эта гипотеза требует специальной проверки.

Проведенный анализ показывает, таким образом, что коэффициенты диффузии всех почв и всех исследуемых ионов зависят от градиента концентрации этих элементов. Эта зависимость определяется особенностями взаимодействия иона и твердой фазы почвы.Поскольку свойства твердой фазы почвы изменяются под-влиянием влажности почвы, температуры, концентрации раствора и селективности ионов в зависимости от концентрации раствора (она часто уменьшается с ростом концентрации иона в растворе), то D не может считаться константой для данного горизонта почвы. Тем более не может быть одного константного £) для почвы в целом. Поэтому все модели должны учитывать эту-зависимость р от температуры, влатаости и концентрации ионов.

Но это совершенно правильное положение затрудняет использо-

Таблица 5

Зависимость коэффициентов диффузии (В х1СГ6 си^/сек) К1", С£~ в дерново-подзолистои почве от концентрации

Гори- ■ Влаж- Ък + при С Рее - при С

зонт ность с п <2$ 3% 1% 2$> О/о & 2$ з:%

А 45 2.27 7.81 13.07 3.88 4.47 5.12 6.27 6.49 6.19

34 1.50 8.50 9.22 3.36 3.22 3.80 4.81 5.65 5.44

А2 40 1.30 4.36 7.58 3.92 4.00 4.78 5.58 5.97 5.80

23 1.26 6.48 11.68 2.15 2.71 2.67 5.74 5.59 5.76

В 52 0.203 0.846 2.28 3.30 3.09 4.31 5.41 6.04 6.05

38 0.187 1.21 2.32 2.15 2.71 2.67 4.23 5.11 5.02

13 12 /1 <0

9 ?

7 6 5 Ч 3 2 1

£х!б*смУ<*к

Рис. 5

Зависимость коэффициента диффузии К+, Се" в дер-ново-подзоли с той почве от концентрации /гор. А, 45$/.

К*

1/я'

-СГ

3 С%

рх^см'/сек

■ гор Л --гор. В, ^

-гор. А .. 4-гср- В<

36 « ^ \Х/%

Рис. 6 Зависимость коэффициента диффузии Р ['/.<\ СС

в чернозёме южном от влажности /гор. А, В^ /.

ванне Р при расчетах движения веществ в профиле почв, усложнял и без того сложные расчеты. Поэтому, хотя это не корректно, но с учетом степени приближения допустимо, были рассчитаны средние коэффициенты диффузии для исследуемых почв, которые включили в себя все определенные значения £> (при разных определениях влажности, температуре и концентрации). Эти рассчитанные средние коэффициенты отражают реальное движение веществ в ночв<1Х в природных условиях, когда в течение суток все указанные параметры могут заметно изменяться.

Полученные коэффициенты различаются для отдельных ионов и для разных почв (для одного нона), при этом отмечаются нрофидь-ныо закономерные изменения р (Табл.6).

Так, в дерново-подзолистой почве в отличие от всех других, Р ворхних горизонтов заметно вшо в среднем, чем Р шшшх.

черноземов, коричневых почв, Зсшотно уволичоние £) в верхней и сродней части профиля (А, АВ, Ш. Тенденции к такому увеличению ( Р^е-) заыотны и для других почв, по меной четкие.

Цолучешшо данные говорят о том, что диффузия веществ в исследуемых почвах заметно различается. С учетом различил влажнос-ти и температурного режима отличил ь диффузш1 в природной обета-цовке могут быть еще больше.

ЗАКЛЮЧКШШ

Изуче1ше диффузии разных ионов в почвах вскрыло ряд осооен-ностей этого процесса но всех изученных иочвгис. Бо-перьых, душ почв следует различать истинную диффузию и кажущуюся. Истинная диффузия, очовидно, свойственна донному катиону в данной почви при полном насыщении ее поглощающего комплекса этим катионом. II обычных условиях на па^шотрн процесса диффузии сказывается взаимодействие катиона с почвой (вхождение в ППК, образование нерастворимого осадка и т.п.). Величины коэффициентов диффузии для всех изучешшх ночи, принедошшх в работе, представляют собой кажущуюся р .

В исследованных почвах^ диапазо1ш величин коэффициента Р измеряются,П-КГ^ - 1У"' см^/сок. !,1аксш.1алыше значения отмоча-ются у чернозема, дерново-подзолистой почвы и в горизонтах А. Минимальные величины Р харша'ерны для гор.Ад.

Тдбладд 5

Средние значения коэффициентов диффузии (£> хЮ-6 см2/сек) для разных почв и ионов

Почва Горизонт се~ К*

Чернозем 4.52 4.72 3.44

южный д

А 6.38 3.91 5.73

АВ 6.03 2.89 5.16

В 5,76 2.34 4.83

В 5.65 2.22 4.85

ВС 5.53 2.45 5.47

Дерново- А 6.84 7.02 4.08

подзолистая А 6.65 4.94 3.93

В 5.78 1.07 3.14

Коричневая А 5.30 1.06 -

АВ 5.36 1.66 -

В 6.36 1.18 -

С 5.47 2.64 -

Колтозем •^пах 5.36 0.844 -

Тяжелосугли- А 5.47 1.34

нистый В 4.68 1.34 -

С 4.83 0.833 -

Краснозем А 2.16 - 3.88

АВ 4.87 - 4.78

В 4.27 4.74

Увеличение влажности почв всегда сопровождается возрастанием величины Р . Эту связь можно аппроксимировать линейной или логарифмической зависимостью. Сама природа этой связи определяется тем, что процесс диффузии в большей степени идет в почвенном растворе. Кроме того, чем выше влажность почв, тем большая часть пор занята водой и участвует в процессе диффузии.

Сложнее обстоит дело с зависимостью коэффициента О от температуры. В общем вида Р для всех почв увеличивается с ростом температуры. Ддя С6увеличение О линейно или экспоненциально. Однако, дяя калия очень часто характерны аномалии, выражающиеся в том, что при увеличении температуры Р уменьшается (в диапазоне 20-40 °С). Это уменьшение определяется усилением поглощения иона калия почвой (ППК), которое также возрастает с температурой.

Именно в этом случае взаимодействие двух процессов: диффузии и обмена приводит к резкому различию между истинным и кажущимся X) в почве.

На коэффициент диффузии почв влияет также градиент концентрация. Это влияние определяется тем, что при разной концентрации иона его взаимодействие с твердой фазой почвы (ППК, разными минералами, органическим веществом и пр.) отличается, что приводит к разным Р .

Исходя из проведенных наблюдений можно констатировать, что дая реальных почв "естественный" Р не является константой, а лежит в диапазоне, который определяется различиями температуры, влажности, градиента концентрации, локальными свойствами почв.

Анализ показывает, что в разных почвах скорость диф-

фузии питательных веществ к корням растений может существенно различаться, как и по горизонтам отдельных почв. В целом, для Р характерно профильное его изменение, хотя и не всегда совпадающее с изменениями других свойств почвы.

В ряде почв при снижении влажности внесение небольшой дозы удобрений может существешю помочь растению в выживании.

Все сказанное позволяет заключить, что коэффициент диффузии очень важная, пока еще недостаточно учитываемая характеристика почв, знание которой может помочь в управлении, экологическими функциями почв.

ВЫВОДЫ

1. Величина Р для всех исследуемых почв и ионов (Wo* , Ю, СС~ ) измеряется hxI0~5-I0~7 см2/сек, и изменяется по профилю почв, при этом минимальные значения I) наблюдаются в гор.Ад, максимальные - гор.А.

2. Величина Р возрастает с увеличением влажности почв по линейной и логарифмической зависимости. Особенно заметно возрастает Рц/П+ и в гумусовых горизонтах. Следовательно, при засухе резкое снижение влажности почвы в гор.А приводит к замедлению диффузионного подтока калия и других питателышх элементов к корням растений.

3. Коэффициент Р для всех почв и всех ионов увеличивается с ростом температуры. (Для хлора по линейной и экспоненциальной зависимости). Для ионов, реагирующих с ППК, кажущаяся диффузия определяется итогом двух процессов: собственно диффузией и поглощением. В зависимости от преобладания того или иного процесса при дшшой температуре кажущийся коэффициент р может даже уменьшаться с возрастшшем температуры.

4. Коэффициенты Р для почв возрастали с увеличением концентрации ионов, взаимодействующих с почвой (ШЮ, что связано с изменением почв в результате взаимодействия твердой ее фазы и диффундирующего иона.

5. При оценке диффузии веществ в почвах в связи с зависимостью диффузии от многих факторов (температура, влажность, концентрация, свойства почвы, взаимодействие почвы и иона) за величину Р следует брать диапазон значений D для данного почвенного горизонта.

По теме диссертации опубликована работа:

Нариманидзе Э.И. Скорость диффузии С6 в почве в зависимости от ее влажности и градиента концентрации // Тез. докл. Конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии", Пущино. 1992.