Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ"

Факультет Почвоведения

На правах рукописи

САЩ АЗДЕЛЬ 1ЭЙ ВАХБА

ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СТРУКТУРООБРАЗОВйТЕЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ЛОЧБ

Специальность 06.04.Оз-почвоведение

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА • 19И

Г ■

Работе выполнена на кафедре ({язнкя в мелиорации аочв факультета Почвоведения Московского государственного университета иы.М.В.Ломоносова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор (йгсмклических каук, старший научный сотрудник И.И.СУДНИЩШ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ : доктор сельскохозяйственных наук, профессор П.Г.ЕШШ

кандидат биологических наук, М.К ГИНЗБУРГ

ЗЕДУЩВВ УЧРЕВДЕЯИЕ: Почвенный институт им. В. В. Доз^учаева

Автореферат разослан " ^С « ^ /Jf_ISfil г.

Защита диссертации состоится на заседании специализированного совета по почвоведению в ИГУ им.M.В.Ломоносова (К.053.05.16) " /J¿ " X J98I г. в V^Tf?'" часов в аудитория М-2.

G диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения MI7.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации, а <т»да на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, дросим направлять по адресу: г.Москва II7234, Ленинские горн, ИГУ, факультет Почвоведения. Ученый совет.

Ученый секретарь сде"Цйалжэированного совета доцент

И.П.ЕаОьева

Актуальность иройдемя

Сейчас перед человечестве»! остро стоит продовольс таенная проблема. КцК отметил в своей речи на Ш1 съезде КПСС Л.И.Брелнев,".., основой продовольственной программы является дальнейший полжем сельского хозяйства. Речь вдет о той, чтобы решительно повысить эффективность использования земель, особенно мелиорированных....

Особенно ето относится к песчаным почвам г пескам, которые без мелиорации не молут обеспечить получение высоких в гарантированных урожаев. Поскольку вески и песчаные почва занимают в СССР более 250 млн.га, а в ЛИ! -100 млн.га(т.е. 90# территории)» проблема их освоения имеет огромное государственное значение для этих стран.

Основное отрицательное свойство песков-отсутствие струг-тура,' связности } делает их крайне неустойчивыми против дефляции (развевания ветром). Закрепление песков не только позволит получать на нше устойчивые урожая, но' и предотвратит заносы дорог, каналов и т.п.

Двя коренного решения этой проблема необюдаио, как подчеркнул в свое! речи Д.И.Брезгаев,".. .продолжать планомерный перевод этой отрасли на индустриальную основу". Одной из мер такого перевода является широкое использование' для закрепления пеоков хн-мичееккхмелиоравтов- искусственно синтезированных полимеров различное природы— а естественных продуктов, например, битумов.

Актуальность данной работы обусловлена теп, .что в ней изучена эффективность влияния различных полимеров и битума на физические свойства песка, определяпцие его противодефщщнонкую устойчивость л плодородие.

Цели и задачи исследование.

Основной целью работы является разработка научной основы закрепления песка с помощь» хиигчеоквх препаратов-кондищонеров, необходимой для повышевкя его противодефлящоняой устойчивости и плодородия. Дня достижения этой дели были решены следуищге задачи:

I.Выявить влияние различных доз полимеров К-4, К-9, ЛАА, ЛВС и битума на механические, водно-фгзические и биологические свойства песка.

Цгитр, вйЗлОТеМ

Касз. г??!. Я езльт. г:гад. ;::!. £ ./.-¿ттг

21 Иаучить влшшие способов внесения полимеров на пх эффективность.

3. Исследовать возможности повышения эффективноСУИ ЗСОЦШЦГО-ивроа различной природа путем совместного юс применения в раз— личных комбинациях.

4. НаЯтл простые, надежные ж легко определяемые в полевых условиях критерии проптодефляцяонной устойчивой«! песка.

Научная новизна.

1. Свойства песка, обработанного разлячннии полимерами, изучены при помощи широкого набора: механически, водао-фкзгчеокш: (статических и динамических) и биологических" тестов: исследована различна« свойства, включая капшишрнов давяешю, влагонро-водность ненасыщенной почвы, прогнводеЗияциояную устойчивость, сопротивление проростка» растений.

2. В отличие от проводамах ранее работ доказано, что даже малые доза полимеров К-4,К-Э, ПДА,ВВС (0,03 - 0,08^ от массы «ухого песка wat 10 кг/га) обеспечивают достаточную противодефля-ционцую устойчивость поверхности песка» существенно уменьшают коэффициент фиьтрадизг, способствуя накоплении влаги в корнеоби-таемом слое и не препятствия в то же время прорастании растений.

3. Впервые показано, что противодефотяционная устойчивость ачекондтся дост&точяо надежной, если сопротивление расклиниванию поверхностной корки превышает I кг. Существование этого соотношения позволяет о'чеаь трудоемкие измерения протяводефляционной устойчивости заменить ггроотыьш, легкими и быстрыми измерениями сопротивления расклиниваш» (твердости почв).

4. Ва^рше ъояа&аво, что применений комбинаций полимеров разной природы, особенно с битумом, даже при очень малых их концентрациях, позволяет достичь заметного эффекта при сознании прочного (а главное- водопрочного) поверхностного слоя, не нс-ключапцего впитывания и фильтрации влаги, и в то же время спо-файй-гэдшйю более экономному расходу влаги ва испарение о поверхности и транспирацию.

Практическая д^шооть результатов всс^едовакиа и пути реализации.

X. Выявлены наиболее эффективные препараты, ш. комбинации г

дозы для обеспечения достаточно высокой устойчивости поверхностного слоя песке.к механически» нагрузка» я дефляции.

2. Доказано, то поверхностное разбрызгивание раствором полимеров приходит к создана» столь же прочного поверхностного слоя (корки), как к равномерное прокачивание верхнего горизонта с его последующим перемешиванием.

3. Доказано, что для обеспечения удовлетворительной механической прочности,,противодефлящюняой устойчивости и запасов доступной влаги достаточно весьма палых доз полимеров (10 кг/га) и битума (100 кг/га),что делает эти мероприятия практически осуществимыми я экономически рентабельными.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы заслушаны и одобрены на заседаниях кафедры физики я мелиорации почв факультета почвоведения ИГУ (1979,1980,1981 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи з журналах "Почвоведение" и "Вестник МГУ".

Объем работы. Диссертация изложена на /¿«и^-стравяцах машино-• писаого текста и состоит из введения, 4 глав и выводов, Работа содержит Щ таблиц, /(/ рисунков. Список литературы включает /у@ источников, кз которых -работа зарубежных авторов*

По вопросу применения полимеров и различных препаратов естественного происхождения в целях искусственкого оструктуривания почвогрунтов существует обширная литература, среди которой имеются фундаментальные монографии П.В.Вериинвна и В.П.Константииова (1955), Н.АЛСачинского (1965), К.П.Паганнса (1972), И. Б .Реву та и соавг.(1973), Б.П.Батсиа (1978). Этой проблеме были посвяцены материалы трех Международных симпозиумов (Гект,1972; Лас Вегас, 1973; Ген*, 1975).

Первые попытки создать искусственные хдевдие эецеотва для острухтурввавия почв были предприняты в России в конце проплого века (А.¿.Фадеев и В.Р.Вильяме). Больиие исследования проведены в Агрофизическом институте под руководством П.В.Вериганана.

Б США аналогичные работы выполнили апМг*еЪ1еу

(19*7). *

В качестве структоров использовались гумусовые вытяжки ив чернозема, битума, торфяной и смоляной клей, силикат натрия, стеа-

piiHOBàfl и альгиновая кислоти л др.

Во гее зїи препараты ае были рентабельными. В конце 40-х годов появились препараты синтетического происхождения (крклиумы), s основвом соединения акрмовой, uefакриловой х малеиновой кислот, способные к полвмвряэации.

Иг испытания били валом ены в CIA ( Rucbrwien, ward, 1Э&2; Caaatel ,1952! Heàrick, Motary 1952), В СССР

A.К.Абросимовой (i960) и Й.А.Романовнм( i960), Н.А.Качивскии 1Э62), Г.А.Масяввковой (1962).

Показано, что » процессе образования структуры- ведущая роль принадлежит водородной связи (Ыаслеикова, i960; Таймуразова, Игнатьева, 1965; ftwich ,gt al,1954; Toth ,1957; Яаиіівв Ki-ttrlck , Gard де г »1963).

При вабсеви* полимеров в оятимаэьаых дозах увеличивается содержание водопрочных ыикроаграгатов и агрегатов (В.Н.Днмо,19бО;

B,Б.Гусак, 1961; И.Б.Ревут и И.А.Ромаяов, 1966; А.И.Мосолова, 1970).

При их нанесения на поверхность почвы образуется прочная корта, препятствующая развит водной и ветровой эрозий (Захаров, 1954; ГабаЛ, 1965; Реву* и Романов ,1969; Нуриев, 1969; Амирас-лаяов и др., 1973; Jucobaon ,1959).

БУло выяснено, что полнмерн-крнлиумы, изменяя свойства поверхности почв и строение кх перового пространства) изменяют и »ъдиив хх свойства, повышает коэффициент фильтрации л влагоеа-їость (Качвнский и Мосолова, 1976; Пвгаяяо ,1972, 1980;

De Boodt ,1974; Verplante , Hartmna , De Boodt ,1976;

El-Hady ,1979 И др.).

Однако, для лесков информация сю вопросу влияния крилиумов не столь многочисленна и не отличается полнотой и систематичное-ты>. Работы Габай (1965), Нуриева (1969), Аыираслаяова (1973), Gabriela (1975) показали перспективность ях применения, но

иногне важные детали способов применения, дозировки и дальнейшая га стаъба еще ае знолае ясны.

Объект и методи исследования

3 опытах использовался чистые кварцевый песок с содержанием гранулометрических фракций: 0,5-0,25 од 49,0,25-0,1 мм -42,9^; 0,1-0,05 ш - 5,35$. .

Дія оструктуривания песков были испытаны следующие препараты: 1)шдрофвльше полки еры-дола ал ектролити, синте зированние на оо-кове полиагрилонигршш {К-4,К-9) г полиакряламвд США); 2 ревенный полимер - ПОЛИВИНИЛОВЫЙ спирт (ИБС) меньшей степени гвдро-фяльностя; 3) гидрофобная анионная битумная эмульсия (сокращенно "битум*).

Дозы кондиционеров:0,03; 0,05 и 0,08& для К-4 и К-9; 0,025; 0,05; 0,1 дяя ЛВС ; 0,05 ; Ч},! я 0,15 для ПАА; 0,5; I т 1,5? для битума. Парные комбинации полимеров включали минимальные из этих концентраций. Они составлялись с учетом их физико-хигягческих свойств, в частности, степени диссоцкавди полимеров и ш. гидрофильное-ти-гидрофобности. Так, комбинации ПАА и ИБС; ПАА и Е-4 и ПАА и К-9 содержат полимеры—стуукторы, обладание разной степенью диссоциации, а комбинации битума с полимерами содержат гидрофобные и гидрофильные вещества. Комбинации различных кондиционеров брались для того, чтобы попытаться о наибольшей полнотой использовать потенциальные способности различных по качеству участков поверхности песчинок к образованию связей с функциональными группами полимеров. Кроме того,предполагалось, что в зависимости от гидрологического режима почв моїут оказаться полезными то гидрофильные (ори впитывании влаги), то іидрофобнне (при испарении) пшшмери.

Кондиционеры применялись как цутем равномерного перемешивания песка с раствором кондиционера, так и путе« поверхностного нанесения пульверизатором. Ери первом способе образец песка помещали в металлически» кювету и равномерно перемешивали с раствором кондиционера. При этом влажность песка повышалась до полевой вла-гоемкооти.Поверхность его выравнивали,и образец подсушивали на воздухе в течение недели.

При втором способе песок помещали в фарфоровые чашки диаметром 12,5 см, алшшшевые биксы диаметром 5 см, в плексиглазовые кшегн размером 18,5x1x1 см. Использовались следующие дозн:; полимеров :5,10,20,30,50,100 и 150 кг/га, битума I, 1,5 и- 3 т/га. Количество раствора- 0,3 мм водн.слоя (3 т/га). После нанесения

• б

пденяпесок вйсушвала на воздухе» Контроле« служили навески песка, QÓрабоМЯШе днсталлнро^анной водой аналогичным образом,

Перемешзан*» о рвотворемя кондиционеров привело к образова-EED на поверхности песка сшгошворо сцементированного сдоя (корки) «едщиной 1-8 ми (в зависимости от доэн кондиционера), При механическом воздействия (ЭО~кратное постукивание по Соковым стенкам кювет) корка отслаивалась от остального объема веска, которгй при этом расчленялся на агрегата (педы) различного размера и формы.

Для изучения влнявжя ковдациоверов га. механические свойства таска иаиерияюь ero следующие свойства: содержание агрегатов разлпного размера (методом сухого просеивания), механическая прочность ахдоямой («вцюявление раздавяжванию), твердость (сопротивление раокжппоюшя) яра введенга в почну конического зонда (плунжера) »заостренного под углом I5°j устойчивость против ветровой эрозии (дефляции).сопротивление всходш растений, водопрочность агрегатов.

Црщаиеягв всех кондиционеров в любых дозах привело к образованию агрегатов диаметром более 0,5 им, содержание которых находится в прямой зависимости от иг доз (рис.1-В). Яря почти равных доых кондиционеры располагаются в следупаий ряд по убыванию иг эфЗШИаоотзд К-9, две, ДАА, битум. Вкум консолидирует почвенный uxtvçsmx » 10 ж dasôe ре» слабее, чш полиэлектро-лжты и высшие спирт». Coaan.90ванне парных комбинаций кощидиодв-ров привадо к заметному увеличению содержания агрегатов в варианте! битума и К.-3, битум и две. Вероятно это связано с тем, что при использовании даух кондиционеров столь различной природа во взаимодействие "включаются" разные по качеству участки поверхности. Дяя всех кондиционеров характерно затухание дифференциальной эффективности (т.е..^^_,где и -содержание агрегатов ]> 0,5 нв( - С -концевтрадая ковдащаоверов), что свидетеле- i CTïsyeT о неоднородности поверхности частиц песка: в первую очередь "насыщаются" наиболее активные, сильно вэаимодейстдуадие с кондиционерами участки.

Механическая прочность сууях агрегатов (сопротивление раздавливаю») одредедялось на электрическом рычажном прессе П-12,

?

се

да «

к к о

к сч

Ш к

«1 @

!5 н о

£ о о

в «

т т

сим я в)' о

Я "-Ч.

в и ш ьц

и «

5 Й С"» К

о »

о ж о к

1

<а

1-4

Ш

в X

о ил

я -

а; О <я _

Й А о.

о> -н » о о о я

30 9 8

7 б 5

4 3

г

1

5 Ц

3

2 I

20 16

12

8

4

(А1

I Ы

1В)

Рис Л,

0,01 0.06 ел ».,6 (С) полимеров

в,5 1.0 1.5 (С) битума

концентрация (С), % к изссе песка

Вляяаие яолимероз-структурообразователеЯ яа ыехааичесние свойства песка.

Результат» фш cnpo*aí*cb а» графякаг, где во вертикальной oes отгладывал* высоту агрегатов, па гориноатальвой - давление. Полученные приме обяарухалали несколько перегибов, которые со« ответствовали различии* фаза» разружения агрегате: на рисунке <1-Б,Ь) приведена дагвне о первой фаге. Такии хэ образом азотражались к результаты опыта по расклияияаннв песчаво-полимерной корки, где по оса ординат иаобракены глубина погружения в nacos конического I плунжера пенетрометра, а по оси абсцисс — расклинивающая нагрузка* Сопротивление раздавливание агрегатов (рисЛ-Б) дан всех ковдящонеров( кроме К-9, различается мало: при концентрации 0,08jí'ot 2,3 кг/см2 для к-4 до 1,6 кг/си ^для Д4А..... При использовании К-9 оно воараставт до 4,4 кг/см2. При »том для К-9 к 1Ш характер во снихение дифференщадьного прироста сопротивления с возрастанием концентрации, а для К-4 и ПВС и битума - сохранение его на практически постоянном уровне.

Приповерхностном нанесении нондищ онеров сопротивление расетинияани» возрастает почти пропорцяона льно доза коалиционера и достигает (при довв 150 кг/га) 7,5 кг для К-4; €,7 кг для ПАА я 6,2 кр для К-9 (рис.I-A). Dpi перемешивании с почвой ^ааяачий мекду ковдида онерами резко увеличиваются. Так, ори дозе 0,08^6 сопротивлений расклинивании достигает 9,7 кг для К-9; 6,5 - К-+; 3,5 - ИБС; 2,2 - ПАА.

При этом возрастание дозы сопровождается увеличением дифференциального приросте сопротивления , где Ар - сопротив-ttftffise расиаинквави».

Таким образок, механическая прочность корки, образовавшейся на поверхности почвы, обработанной кондиционерами, достаточна для того, чтобы выдеркать давление сельскохозяйственных орудий. Следовательно, далякеры-поляэлектролиты, спирты и битумы полно «сканьгаайЛь дня закрепления песков и освоения их в сельскохозяйственном производстве.

Взтуоэроаноия&я (то&о^ушоде&дядиоякая') устойчивость корок определялась в аэродинамической тр?бе при скорости ветра 20 м/с. Такая скорость по кале Бофорта ехвтаетвя штормовой н обычно приводит к сильной грозии почвы. Аэродияатческвя труба имеет прямоугольное поперечное сечение (3x4 си); длина ее - 125 см. Для создании ветрсшесчакоа свеш песок размером 0,25-0,5 ш во-

дается во, время работы установка черев специальную воровку. Кюветы с образцами вдвигаются в паз.проделанный в две трубн.Про-тиводефляционну» роль песчаных корок оценивали по величине выноса песка (¡6 от массы образца). Результаты эксперимента (табл.1) показали, что полимеры К-4, К-9, ПАЛ и ПВО в дозах свыве 10 кг/га и битумная эмульсия в дозе свыше 0,1 т/га полностью предотвращают дефляций при продолжительности продувки 4 мин. Оря использовании К-4 в дозе 10 хг/га количество выдутого песка составило линь 0,55% от первоначальной массм. При дозе 5 кг/га количество вынесенного ветропесчаным потокам песка составило 0,97; 0,27 и 1,49$ соответственно для полимеров К-4, К-9, и ПАА. Доза Ъ кг/га оказала защитное действие лишь при использовании К-4 (потеря составила 1,55%). Полимеры К-9, ПАА и ПВО при мой дозе слабо повлияли на ветрозроаионную устойчивость: вынос песка в случае с К-9 составил 61,355, ПАА - 64,4%, ПВС-52,5% , причем разрушение поверхностной корки бкяо почти полным. Песчаная корка, полученная при помощи К-4, обладает наибольшей ветроароэжонной устойчивость!): вынос песка при дозе 2 хг/га составил всего л иль 12,7¡í. Наименее устойчивой против дефляции оказалась корна, полученная при обработке песка битумной эмульсией. Эффективное защитное действие обнаружилось лишь при дозе 100 кг/га; дозе 50 кг/га препятствовала выдувание песка (потерн 0,5%), однако к концу продувки песчаная корка разрушилась. При дозах 25 и 10 кг/га битумная эмульсия не оказала заметного влияния (потерн песка составили около 91 и 93% соответственно).

Между дозой полимера, нанесенного на поверхность песка (рис.2) и механической прочностью (сопротивление расклиниванию) образовавшейся песчаной корки существует устойчивая прямая зависимость. В проведенных нами опытах ветровая эрозия наблюдалась лишь в тех случаях, когда сопротивление расклиниванюо песчаной корки было менее I кг. Таким образом, сопротивление расклиниванию при обработке песка полимером можно использовать как удобный тест на противодефляциокную устойчивость.

Высокое сопротивление расклиниванию песка, обработанного полимерами, может сильно затруднить прорастание растений. Чтобы оценить ату опасность, бьи поставлен специальный опыт. В стаканы объемом 200 см3 на поверхность влажного песка были уложены семена

3~№z

Таблица I

Потери песка {% от сухой касс»), обработанного различными полимерами, после продувки в аэродинамической трубе

Доза полимера, кг/га К-4 К-9 ПАА ПВО Битум

Контроль 99,30 99,50 99,40 99,30 99,70

150(3)-г0(0(25) 0 0 0 0 0

10(0,1) 0,35 0 0 0 0

5(0,05) 0,97 0,27 0 0,50

3(0,025) Г,55 61,50 64,40 52,50 90,60

2(0,01) 12,7 99,20 - 92,70

Примечание: 2 трафе "доза полимера" э ско баи-дозы битумной эмульсии , т/га.

ячменя и присыпаны слоем песка товдшой 2 cu. Этот слой бш обработан растворами полимера, так что его влажность достигала Через 1-2 дня на новерхпостш образовалась прочная корка толданой 2-8 мм. Толщина и прочность корки находилась в пряной зависимости от доз кондиционера, которые варьировали в пределах 20-100 кг/га*

Всхожесть растений быта теп меньше, чек шшв доза. Тая, при дозах ПВС и ПАА 100 кг/га всхожесть упала до IO-I3JS; при той же дозе К-9 - до 33%. При дозе 50 вг/га ПЕС снизил всхожесть до I3J6, ПАА - до 63%, К-9 - до 8056. Более низкие дозы (20 кг/га) практически не уменьшили всхожесть (86-93% против 90% ва контроле).

Таким образом, при закреплении песка, засеянного злаками, доза полимеров яе должка превышать 20 кг/га, если нет возможности постоянно поддерживать поверхностный слой песка во влажном состоянии в течение всего периода прорастания семян.

Для выяснения возможностей ослабления механической прочности корки путем увлажнения были проделаны определения водопрочности структуры по методу Андрианова. На фильтровальной бумаге укладывали 30 агрегатов (в данном случае обломков корки и подкоркового объема). После увлажнения бумаги а создания слон води толщиной 2-3 мм агрегаты, образованные ЛВС, и К-9 ,начали быстро расплываться; в результате при их дозах от 0,025 до 0,1^ от массы сухой почвы показатель водопрочности едва достиг 10 (рис.3). В то же время ПАА, битум и их смеси способствовали созданию более водопрочных агрегатов-повазатель водопрочности 70-100.

Таким образом, если необходимо временно снять механическую прочность песка, закрепленного полимерами К-4, К-9 и ПВС, достаточно некоторое время поддерживать в нем высокую влажность.

Столь высокая растворимость полимеров в воде потребовала дополнительного исследования. Для этого в трубки высотой 25 см был помечен слой песка (Обработанного различными полимерами и их комби* нациями. Затем через трубки была профильтрована вода в количестве f 200 мм водного слоя и фильтрат проанализирован на содержание полимеров. Оказалось, что ПВС и ПАА растворялись сравнительно мало (16-17$ от их содержания в песае); К-4 и комбинатя ЕАА - ПВС-30-35£, а К-9 и комбинации ПАА- К-4, ПАА-К-9 - до 62-63% (табл.2).

Столь высокая растворимость полимеров,вероятно, обусловлена тем, что даже пря невысших применявшихся концентрациях больная их

Юо

2 90

к 80 Е-1

| 70 '

|б0 ■ 2 50 .

л

| 40 ■ а 50 ■

о с20 . 10 оо о

сГо"о

ОО гл ООО

о оо

ииалшлш.

о №

I

ЛЕ==

Ж К-4 К-Э ПАЙ Битум Рис.3.Водопрочность агрегатов, сформировавшихся при ' обработке леска различными кондиционерами

Таблица 2

Выаос полимеров с фильтрационными водами (свой песка- 25 см, воды - 200 мм)

Вариант обработки Бывос полимеров,;« от

--начального содержания

кондиционер концентрация,

к массе песка

контроль 0 0

ЛВС 0,1 16,25

Ш 0,15 17,33

К-4 0,08 35,32

К-Э 0,08 62,50

Битум 1,5 0

ПДА, ПВО 0,05 0,025 30,33

ш, К-4 0,05 0,03 62,19

ПА А, 0,05 63,43

К-9

час» в» связана непосредственно с поверхностью почвенльсх частиц я потону легко растворяется в воде.

В полевых условиях ври интенсивной поливе или дождях весь до ликер будет вымыт ид поверхностного слоя, однако в аридньк условиях Египта таких осадков не бывает, поливы тоже не достигают даже 1/4 такой нормы, так что в действительности растворение полимеров не достигнет таких размеров, как в проделанной опыте. Кроне того, после прекращения полива начинается испарение-и полимеры вместе с водоя подтягивается к поверхности, где образуют вновь корку, что и было показано соответствии« опытом.

Поскольку одной из конечных целей обработки песка кондиционерами является улучшение влагообеспеченности растений, важно знать, как полимеры влияют на водные свойства песка, а именно: зависимость влажности от капиллярного давления, максимальную гигроскопичность и влажность заведения, коэффициент влаг о провод-кости и, в частности, фильтрации, высоту и скорость капиллярного подъема, испарение с поверхности и доступность растениям.

Рассмотрим эта свойства по порядку.

В диапазоне каяияларного давления ( Р ) от 0-до-0,8 атм (табл.3) при всех вариантах обработки влажность падает

от 30-40 до 3-19%. Особенно резкое падение происходило в диапазоне Р от 0 до 0,06 атм, где влага удерживалась в капиллярах между частицами песка.

В этом диапазоне влияние кондиционеров сказывается не очень сильно я не однозначно. Но уже при -0,1 атм практически при всех обработках их влияние резко возрастает: в контроле 11$, при ПВС I7-2QSS, НАА - 10-22%, К-4 -15-23%, К-9- 27-29%. Лишь комбинация ПАА-ПВС снижает влажность. При давлении ниже 0,4 атм влияние кондиционеров проявляется еце ярче: ПВС увеличивает влажность в 3-^ раза, ПАА - в 2-5 раз, К-4 - в 2-3 раза, К-9 - 1,52 раза по сравнению с контролем. Столь резкое увеличение влажности вызвано, видимо, как увеличением количества тонких капилляров в песке в результате образования полимерных нитей и тяжек, так к за счет набухания самих полимеров*

Практически для всех полимеров влажность при любом заданном уровне капиллярного давления находится в прямой зависимости от концентрации полимера, хотя эта зависимость не всегда пропор-

TadffiWi З

Влажность песка ( w ,%) .обработанного ковддаонеракя,при различно« капиллярном давлено (Р, атм)

Вариант Конт-овнта роль фш ЛВС ¥ ПВО ПВО EU Ш. ПІЛ 0^05 0^025 0^15 0^1 0,05 IM 0.08 % К-4 0.Û5 % К-4 0.03 % К-9 К-9 0.08 0.05 % % К-9 0.03 % (ПАЇ) (Ш) M ÍX-5)

0 34,7 38,6 38Д 39,5 32,5 36,8 37,3 37,3 30,3 33,2 36,7 32,0 33,4 37,2 39,6

-0,025 31,6 35,3 36,0 34,0 27,4 32,2 31,2 33,0 27,5 30,7 33,7 29,3 30,3 33,9 34,8

-0,06 19,5 21,9 23,5 21,9 21,7 27,2 14,3 26,9 21,4 21,0 - 23,6 -

-0,1 10,8 20,3 19,3 16,9 21,6 20,1 10,3 22,7 17,9 15,0 28,9 27,1 26,8 19,3 26,1

-0,2 8,4 19,7 16,3 14,7 21,4 18,6 8,6 15,3 13,1 6,5 22,2 21,8 16,4 13,6 22,7

-0,3 6,3 18,6 14,0 12,8 21,1 17,5 7,6 - - - - - - -

-0,4 5,S 18,4 13,4 12,2 20,9 16,2 7,5 12,6 11,2 5,6 14,2 12,7 6,3 12,0 19,7

-0,6 4,2 17,7 11,1 11,1 19,5 14,7 7,0 12,2 9,1 4,9 8,7 6,9 3,3 10, В 19,4

-0,7 3,7, 17,2 10,В 10,6 16,4 13,6 6,4 - - - _ - * -

-0,8 3,4 16,9 10,6 10,3 17,3 13,0 6,2 8,8 7,1 4,1 5,4 4,9 3,3 9,6 19,0

Средняя точность ошта ¿0,7

циональна. Так, дня ПВС увеличение концентрации от 0,025% до ' 0,05% почти не изменило гласности, во при ее увеличении до 0,1% она скачком возрастает на 6-7%.

Увеличение концентрации ПМ, напротив, почти пропорционально увеличении влажности,

К-4 в концентрации 0,03% практически не увеличивает влажность песке, но при 0,05% влажность сразу увеличивается в 2 раза и дальнейшее возрастание концентрации уже почти ее не увеличивает. Аналогична ситуация с К-9.

Комбинация ПАА - К-4 практически не увеличила влажность, по сравнению с суммой раздельного воздействия эти* полимеров, но комбинация ПАА-К-9 почти ее удвоила.

Таким образом, под влиянием полимеров содержание капиллярной влаги увеличилось в еескольво раз. Исключение представляет гидрофобный битум, который сделан практически невозможнш увлажнение песка в условиях проведенного опыта.

Соответственно изменяется и водоудерживаюная способность песка в диапазоне низких давлений. Так при полном давлении вла-ги-30 атм (максимальная гигроскопичность) ЛВС при концентрации 0,1% увеличивает влажность почти в 3 раза (с 0,13 до 0,34);ПАА ее почти не изменяет; К-4 увеличивает ее э 2 раза,. К-9-почти в 3 раза (табл.4).

Комбинирование полимеров' почти не изменяет их действия. Таким образом, в диапазоне высоких и низких давлений влаги действие полимеров неодинаково: ПВС и ЕАА сильно увеличивают влажность фи высотах давлениях, я Мало - при низких, К-4 и К-9 - наоборот. Соответственно 1С меняется и величина влажности заведения (ВЗ), рассчитанная по величине аГ:ВЗ*1,5 ИГ (табл.4), В отличие от расчетного метода, прямой метод вегетационных миниатюр дал неожиданно высокое значение ВЗ для необработанного полимерами песка - 0,92%, что превышает ИГ в 7 раз. Прямой метод дал также более высокие значения для ПАА (в 4-5 раза); битума (в 2 раза). Другие полимеры и комбинации дали более низкие значения. Особенно большое превышение отмечено для К-9 в концентрации 0,08%. ВЗ было в 20 раз выше КГ. Это бшо вызвано тем, что при такой концентрации К-9 действовал на растения угнетающе,» они не смогли взять даже половины всей доступной воды.

Таблица 4

Максимальная гигроскопичность (ШГ), вкажнооть зарядання растений (ВЗ) и коэффициент фильтрзцвя (К*) песка, обработанного коалиционерами

Ьараант обработки коядищю— кандантра-нер цгя,2 к массе песка ИГ, % ВЗ U.SsMT), % / 53 (зегетад.ме- ТОД, %) Кф,через 3+6 часов, см/час

Контроль . 0 0,13 0,20 0,92 100,8

0,15 0,16 0,24 0,85 100,8

НАЛ 0,05 0,13 0,20 0,62 77,8

0,1 0,15 0,22 0,43 102,6

ЛВС 0.1 0,05 0,025 0,34 0ÍI6 0,12 о; is 0,31 0,26 0,17 93,6

К-4 0,08 0 05 0,03 0,27 0,20 0^26 0,40 о.зо 0,39 - Ш 27,0

Кг-9 0,08 0,03 0,35 0,34 о'34 0,53 0,51 7,93 о; 18 30.6 9,7 27.7

Еятум 1,5 1,0 0,5 0,16 0,14 о; ю 0,24 0,21 о; 15 0,39 0,28 о;з2 9,0 19,8 И,9

ПДА пвс 0,05 0,025 0,14 0,21 0,45 126,0

ПАА К-4 0,05 0,03 0,46 0,69 - 50,4

ПАА К-Э 0,05 0,03 0,40 0,60 0,63 57,6

Битум К-4 0,5 0,03 0,20 0,30 - 3,2

Вгау» К-9 0,5 0,03 0,25 о,зв 0,48 12,2

ft?" 0,5 0,025 0,09 0,14 0,37 13,3

Эти оютн показали, во-первых, опасность создания высоких концевтраций полимеров для растений,' и* во-вторых, непригодность для этих случаез расчета ВЗ по величине КГ.

В далон ВЗ со прямым определениям после обработки кондиционерам уиенышась, по сравнений с контролем, его? эффект, вероятно, связан с лучшим распрострененжем корне! в песке, во торн В го еле обработки кондиционерами становится во влажном со стоянии более пластнчвыи.Кроме того, как шкавалк работы Мосоловой, полимеры могут потребляться растеаиякк как источник питательных веиеств, что« как иэБ©стяо1стимуляруэт развитие корней. Повышение содержания капиллярной влаги и снижение ВЗ привело к увеличению диапазона доступной для растений воды, что весьма полезно для ваагообеспе-чевностн седьскохозНЙСIВ9аянг культур.

Полимеры сильно влияют на коэффициент фильтрация (Кф ),способствуя образованию макроструктуры, увеличивая количество и размера пор в в результате повывая К^. Но при бохъяой концентрации они могут заполнить поры, что приведет к уменьшения Кф. Поел« обработки {Ш к ИБС Еф изменился незначительно, почти в пределах точности опыта (табл.4), в К-9 сильно уменыгали Е^; в среднем в 8 к 4 раз, соответственно. Такой хе эффект дал а битум яр» конце атрациях более 1%. При 0,5^ в первве 3 часа Кф был также очень низкий, ко затеи он резко увеличился. Комбинации полимеров О битумом также привели к снижении Кф в 8-30 раз, а комбинации тикеров К-* я К-9 с ЩА - 2 раза. Таким образом, К-4.Х-9 в битум.увеныая Кф, уменьшают опасность филмращи воды на большую глубину, где ова будет недоступна растениям. В условиях аридного климата это может оказаться полезным. В то же время при интенсивном поливе вто может вызвать опасность переувлахвевия поверхностного слоя в возникновения поверхностного стока. Впрочем к развитию врозиж вто едва ли приведет, т.к. кока полимер находится в почве» од закрепляет ее поверхность; если хе он из яве вымывается, К» сразу хе резко увеличивается. В ненасыщенном влагой пеаю значения коэффициента влагопроводностл (К) были определены на капилляряметричее но й установке в вертикально-зондовои ее вариапте, ско нет руир о ваиной на кафедре физики и мелиорация почв. При снижении влажности и развитии капиллярного давления (V) вдаг о прово дност ь (Я )пес ка сразу резко уценивается о 1СГ5 до 10"^см 8. сон. г '1. В облает* Р от -0,025 до -0,7 атх значения К для песка, обработшвого полимерами, почти

я» отличались от к необработанного песка* Отмечена лишь слабев тенденции к уменьшения К при возрастании дозы полимера. Это косвенно свидетельствует о том, что полимеры ее приводят к создавши большого числа тонких транзитных капилляров. Скорее всего они покрывают поверхность песчинок тонки к слоек, а избыточное их количество образует микросгустя* в порах между песчинками. Поэтому при снижении Р ужа же -0,025 а ти вода уделяется из пор л дшжение ее происходи г лиш. по воверхвостя песчинок, окутанной тонким слоем полимеров*

Влияя на коэффициенты влагоцроводвости и фильтра да и, полимеры, конечно, изменяпт максимальную высоту я живамант капиллярного яви-жения влаги, в частности при его подъеме снизу вверх. Изучение подъема воды производилось в стеклянных трубках диаметром 3 см, заполненных песком* Отчетливо проявляется сильная депрессия скорости капиллярного подъема под влиянием полимеров (рис.4). Тав.ПАА при концентрация 0,15% в 2 раза уменьшил скорость подъема в течение первых 3 суток опыта, а максимальная высота подъема уменьшилась в 3 раза (с 20 до 6 см).'Уменьшение концентрации сопровождалось соответственно меньшим изменением скорости я высоты подъема.

ИБС в применявшееся концентрациях дал не столь эффективные результаты: высота подъема уменьшилась лишь на 20-30%. Сходные результаты отмечены для К-4 я К-9, Наибольшее влияние оказал, как и следовало ожидать, битум. При концентрвгяи подъем начался лишь через 4 сут., а при 1,5}5 - через 7 сут. Существование такого "лаг-периода" связано, вероятно, с тем, что вода, хотя и очень медленно, все же способна продиффундирбвать через битумную плевку к поверхности песчинок и, смочив их, обеспечить возможность капилляр* ного подъема. Наксммальная ее высота оказалась ничтожной: всего 2 см, при 20 см у необработанного песка. Надо полагать, что это влияние обусловлено уменьшением смачиваемости поверхности песчинок.

Комбинации полимеров с битумом дали не столь резкие изменения, как один битум. Видимо, полимеры и битум не смеииваотся достаточно полно и поверхность леочяноя представляет собой "мозаичное шле*, где отдельные участки покрыты полимером, а другие -битумом, так,что воде "удается найти" непрерывную цепь участков, покрытых гидрофильными полимерами и по вам осуществлять капиллярный подъем.

Влияние полимеров на высоту капиллярного подъеме может оцениваться неоднозначно: с одной стороны, если имеются пресныз неглубокие грунтовьв воды, уменьшение высоты капиллярного подъема может

Ряс.4*3ннамнка капиллярного лодъена вода в песке, обработанном кондиционера« к

уненыаиь воя но «so ст и водоснабжения растений. С другой стороны, вехи грунтовые волы засолены, ato иогет предотвратять опасность засоления поверхности почвы.

Из пеняя "всасывающую силу" капилляров, полимеры и битум ова-зываят сильное влияние и на скорость подтягивания влаги, находящейся в "подъеоенвом* состоянии, к поверхности и ее лоеаедуюиего испарения» Опыт проводился в алрминиевнх биксах знсото? 5 cu и диаметром 5 см при испаряемости 1,3 мм водв.слоя в сумя.Начальная влажность песка IQJ6. Первые 5 сут. скорость испарения во всех вариантах практически была одинаковой, яо затем в контроле она ьескоЕьъо увеличилась, а в обработанном пе сяе-уменьтилась, осе бе н-но в.варианте с битумом. Более высокая скорость испарения на 6-Те суt-, вероятно, вызвана тем, что освобождаются от води переаейка пор и влага начинает испаряться не только с поверхности, во и из всего промоченного сдоя* После 7 сут. испарение во всех вариантах яетггаает аамедаятьед ■ к 13 сут. почти прекрацается (ряс.Б). Это вызвано тем, что вода из глубоких слоев песка не успевает подтянуться к испарявдей поверхности, в на поверхности песка образуется сухой слой, через который вода может лига, диффундировать в виде пара, а вто - очень медленный процесс. Замедление испарения в песке, обработанное полимерам,вероятно, было вызвано тем,что "сгустки" полимеров, находившиеся в сужениях пор, уменьшали площадь иг поперечного сечения, что приводило s замедление диффузии. Конечно,эта разница невелика, но при засухе она может оказаться той "спасительной каплей", которая поможет растениям выжить до довди или полива.

Чтобы выяснить, как влияет обработка песка на доступность влаги растениям и на их Рвавитиа. бда проведен опыт в сосудах емкость» 200 мл. В каждый сосуд были высеяны 7 зерен ячменя.Кондиционерами была равномерно обработана вся,масса песка <250 г). Взвешивая сосуды, измеряли транспирацию растений. Через неделе после посева, когда растения достигли фазы 9-го листа, песок был увлажнен до 10% и поверхность его была покрыта смесь» парафина и вазелина. Потенциальная транспирация достигала 1,5-2,5 мм/ сутки,что обеспечивалось интенсивным освещением лампами накаливания я дюжинесцентядои светильниками тина ДДС (освещенность Ю4 лдос). Растения ai» испытывали дефицита влаги в среднем в течение

и

м

м ф

Расход вода на трансшравдю, ш вода, слоя

?

о

Запасы ьлага через 7 сут после лолива, ш вода.слоя

ї

*

Сл

№

оо §§

£

ок

Є *р ді и>| Ф и ой я о

і *

ІЗ

З

(а

М

01

отіз%

п

гг

Т37ІГ

0.05? І

X

ш

и

ТЖ

ш

ПАА,ПВС гті1 і

ищ&і

и

ІТ

Ь суток (рис.б), в дальнейшем скорость расхода воды начала снижаться, причем, как правило, в песке, обработанном кондиционерами,раньте, чем в контроле. Кг-9 при концентрации 0,08% уменьшил скорость расхода почта в 5 раз, высота растений была также в 2 раза меньше. По всей вероятности, К-9 В такой концентрация оказывает резкое угве-тавцее действие на ячмень. При 0,03 и 0,05$ растения были лишь на 1-2 ш иияе, чем в других вариантах и к исходу 6-х суток расход вода уменьшался лижь на 15-20$ от контроля. Другие кондиционеры не оказали столь резкого влияния на рост растений и расход вода.На песке, обработанном ЕВС и ПАА при концентрация 0,05$,устойчивое завядашш заступило, как и в контроле, нз 8-й день, ПАА при 0,1% и битумом при 1% к комбинациями о битумом -на 10-й декь,К-9 и ПАА пей 0,15$- на. 13-Й день. Таким образом, все кондиционеры,кроме К-9 в концентрациях вше 0,05$, не угнетая растений, способствует более экономному расходованию воды в тем самым отодвигает наступление завядают, что в аридных условиях имеет существенное значение.

Таким.образом, проделанные опыты по выяснению перспективности применения кондиционер® дая закрепления песков, а отличие от выполненных ранее исследований Нуриева, Кима, Аишрасланова, Утдаевой и ряда других исследователей дозволили действие наиболее широко распространенных я доступных полимеров и битума испытать на едином объекте. Причем при этом бьио проделано большое число всевозможных тестов-, механических, водно-^изичесгак и биологических. Это дало возможность провести многостороннюю оценку действия полимеров и прогнозировать их полезность в различных природных и хозяйственных условиях. Впервые было изучено влияние полимеров на капиллярное давление влаги и влагопроводноеть ненасыщенного песка; впервые дая одшк и тех же обработок определена сопротивление корки на расклинивание, раздавливание и дефляционную устойчивость. При этом установлено соответствие между этими видами механической устойчивости. Изучено также действие смесей полимеров различной природа, что позволяет добиться большого эффекта при малых дозах полимеров.

В.Ы. В О Д.Ы

I. Обработка кварцевого средае-мелкозернистого песка растворами полимеров К-4, К-9, ПШшншак£Идамвд), ПВССпсмшшншгошй спирт), битумом я различными их сочетаниями даже при дозах (0,08-

0,15? для полимеров и 1,5? для битума) привела к созданию прочно-сцементированного слоя или поверхностной корки, обдадаодих высокой механической прочностью: сопротивление расклиниванию достигло

5-Ю кг для полимеров, I кг для битума, 1,5-2 кг для их смесей; сопротивление агрегатов раздавливанию -2-4 кг/сиг доя полимеров, 1,5 кг/см2- дан битума, 1-2 кг/см2 для их смесей. -

2.Толщина я прочность корки мало зависит от способа внесения полимеров; увлажнения 5-см слоя с последующим перемешиванием или разбрызгивания его раствора по поверхности.

3.Создание механически прочного поверхностного слоя даже при низких дозах полимера (10 кг/га) г сйиума (50 нт/га) обеспечивает надежную защиту песка от дефляции (выдувания).

4.Яри обработке песка кондиционерами образуется значительное количество агрегатов размером больше 0,5 мм в диаметре: до 13-17$ от масса песка при обработке полимерами; битумом,19-23$ - их смесями. Показатель водопрочности (по Андрианову) для битума равен 100£, ПАА-78-95^, для К-4.К-9 и ЛВС он не превышал 5%,

5.Корка на поверхности песка препятствует прорастанию растений; при дозе 50 кг/га ПВС снижает всхожесть ячменя в 6 раз, ПАА-в 1,5 раза, К-9 - на!0$; лея дозе 100 кг/га -ПАА- в 5 раз, К-Э в 3 раза^ Однако малая водопрочность корки дает возможность,увлажнив поверхность,обеспечить прорастайте растений.После высыхания вновь создается прочная корка,

б.Лосле высыхания песка нолимерн сохраняют способность частично растворяться в воде. Слой воды 200 ш,профильтровавшись через 25исм слой песка, обработанного полимерами, вынес из него 16-175! ПйА и ПВС, 30-35$ К-4, 62-63$ К-9, 30-6СЙ их смесей.

7. Даже при малой концентрации (0,03-0,1$ от масса песка) полимеры в несколько раз увеличивают влажность песка при низких капиллярных давлениях. При-0,6 ахм ПВС увеличивает влажность в 3-4 раза, ПАА- в 1-5 раз, К~4 - в 2-3 раза, - в 1,5-2 раза. Влажность находится в прямой, близкой к пропорциональной, зависимости от их концентрации. Соответственно увеличивается в 2-3 раза и максимальная гигроскопическая влажность,однако влажность завядания растений уменьшается. Гидрофобный битум сделал невозможным увлажнение песка

в условиях опыта.

8. Полимеры и битум приводят к уменьшению влаго про водности песка, в насыщенном водой состоянии коэффициент фильтрации при обработке битумом и К-9 умешивается в 4-8 раз; ПАА и ПВС- в 1,5 раза. Вероятно,это вызвано "зацупоркой* суженных участков пор мусткаш полимеров к битума. Снижение влаго про водности в ненасыщенном водой песке при обработке полимерами почти не выражено.

9. Обработка полимерами в битумом уменьшает иаксидальную высоту катшиярного подъема вода в сухой песок :ПАА- я 3 раэа(с 20 до

£ ом), ПВС.К-4 ,й-9 - на 20-30$, битум -в 10 раз. Снижается ж скорость ноль еда. После обработки битумом подъем начинается лишь через 4-7 суток. При близкой залегании засоленных грунтовых вод этот эффект несомненно полезен.

10. Скорость испарения вот о поверхности вначале одинакова в обработанных н необработанна! вариантах,но на последней стадии малые дозы полимеров и битума замедлили испарение, и запас доступной влага сохранялся на несколько дней долыве.

11.Кондиционеры не подавляли рост ячменя, кроме К-9 в концентрации 0,08%. В других вариантах скорость расхода воды бцда на 1520% меньше;аавяданиэ насзупило позднее, чем в контрольной варианте: хгри обработке ПАЛ в концентрации 0,15£, битумом и комбинациями с битумом-яа -2 дня, в ПАА в концентрация 0,155?- на 4 дня. При засухе и дефиците поливной воды и поливочной техники это может иметь решапцее значение для-урожая.

Предложение для практики

1.Все испытанные кондиционеры обладают способностью закреплять поверхность песка и предотвращать дефляцию. В аридных условиям целесообразнее применять полимеры К-4, К-9, полдакрплашй или поливиниловый спирт, создающие прочную корку, не обладающую водопрочноетыо при дозе 20 кг/га.

2.Во влажных песках, :цце полимеры могут быть вымыты из поверхностного слоя, для создания корки целесообразнее применять бнтувдую эмульсию в дозе ГОО'кг/га.

3.Не рекомендуется использовать полимер К-9 в дозе выше 0,05% от массы песка, если на поле имеются растения, т.к. высокие его концентрации оказывает на шх угнеталцее действие.

До материалам риссерташи опублеков^'-». оледтдвде работы:

1. К вопросу о применении полимеров для борьбы с ветровой эрозией.-Вестник Московского ун-та.Почвоведение, № 4, 1980.

2. Влияние полимеров-структурообразователей на механические свойства песка,- Почвоведение, 1981, * 7.

t

Подп. к оечмти Ôûr&fié

" *та. п. л- /fS Уч.-изд. л Тшрлж /Ze?

Изд»о Москомжого уммрсюета. Moot», К-». ул. Герцем, Í/7. Типография Иїд-ія МГУ. Москсі, Лсягори