Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава

Садовникова, Надежда Борисовна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава"

□03460413

На правах рукописи

САДОВНИКОВА Надежда Борисовна

ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОНАБУХАЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Об. 01.03-агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -2008

003460413

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факульт почвоведения Московского Государственного университ им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

А.С.Манучаров

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

П.М. Сапожников, кандидат биологических наук В.М. Кочерьян

Ведущая организация:

Ин-т Лесоведения РАН

Защита состоится «23» декабря 2008 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории М факультета почвоведения МГУ на заседании Диссертационного сове Д501.002.13.

Адрес: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, строен. 12. МГУ и М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ф-та почвоведен МГУ им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «20» ноября 2008 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации заседании Диссертационного совета. Отзывы на автореферат в дв экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанно адресу.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: Оптимизация физического состояния почв с использованием синтетических полимерных материалов традиционно является одной из приоритетных проблем почвенной физики и мелиорации. В настоящее время эта проблема получила новый импульс развития в связи с формированием отдельного почвенно-экологического направления - конструирования почв с заданными технологическими характеристиками для обеспечения устойчивого земледелия, функционирования городских ландшафтов и их элементов, а также иных объектов с повышенным антропогенным воздействием и техногенной нагрузкой [Шеин, 2005, Смагин, Шоба, Макаров, 2008]. Среди многочисленных почвенных кондиционеров, использующихся на практике, особый интерес представляют гидрофильные сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ), относящиеся к классу влагопоглотителей (суперабсорбентов). Эти вещества обладают очень высокой степенью набухания в воде (до 1000гН20/г сухого полимера) и могут быть эффективными средствами регуляции водоудерживающей способности особенно для широко распространенных почв легкого гранулометрического состава. Однако для создания научно-обоснованных технологий кондиционирования легких почв посредством СПГ необходим системный анализ их поведения в активной почвенной среде с выявлением как позитивных (увеличение водоудерживания, снижение непродуктивных потерь влаги на испарение и инфильтрацию), так и негативных эффектов (биодеструкция, вымывание полимеров, подавление их набухания со стороны твердой и жидкой фаз). Несмотря на обилие исследовательских и рекламных публикаций по применению СПГ, подобный комплексный анализ в науке о почвах до сих пор не проводился. Его осуществление представляется актуальным в научном и прикладном аспектах, поскольку он позволяет получить информацию о динамике физического состояния почв под воздействием синтетических гидрофильных полимеров и разработать рекомендации использования СПГ в технологиях почвенного конструирования. Цель работы состояла в комплексной количественной оценке поведения в почвенной среде СПГ на примере радиационно-сшитого полиакриламида и его влияния на почвенно-гидрофизические свойства и характеристики. Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие практические задачи:

-в экспериментах с грубодисперсными модельными пористыми средами исследовать изменение их водоудерживающих характеристик и структурной организации под воздействием различных доз и фракций СПГ, а также оценить способность гидрогеля к набуханию в поровом пространстве заданных размеров;

-в экспериментах с насыпными образцами почв легкого гранулометрического состава изучить влияние различных концентраций СПГ и способов его внесения на основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) почв как комплексный показатель их физического состояния и водоудерживающей способности;

-синхронно с определением ОГХ исследовать функции влагопроводности образцов легких почв в зависимости от содержания в них СПГ и в отдельных колоночных экспериментах определить влияние доз и способов внесения СПГ на фильтрационные свойства изучаемых объектов;

-в лабораторных и полевых экспериментах определить влияние СПГ на инфильтрационные потери влаги, физическое испарение, эвапотранспирацию, влагу завядания для травянистых растительных культур при различных дозах и способах размещения гидрогеля в грубодисперсных почвах и фунтах;

-в лабораторных экспериментах исследовать биодеструкцию, вымывание и фиксацию гидрогеля в легких почвах и модельных пористых средах для обоснования технологических приемов и периодичности внесения в них СПГ. Научная новизна:

На базе современных инструментальных методов исследования проведен комплексный анализ совместного поведения СПГ и влаги в грубодисперсных почвенных объектах, и на этой основе выявлены оптимальные рабочие дозы и способы внесения гидрогелей при использовании их в технологиях почвенного конструирования. Подтверждена гипотеза об аддитивности матричных потенциалов грубодисперсного субстрата и набухающего полимера в нем, и предложено соответствующее эмпирическое уравнение (модель) для описания ОГХ в зависимости от концентрации СПГ. Обоснованы способ внесения СПГ в песчаные почвы в набухшем состоянии и в виде растворов с поливными водами, а также технологический прием почвенного конструирования в виде слоистой закладки органических материалов, способствующий значительному повышению водоудерживающей способности, резкому сокращению непродуктивных инфильтрационных потерь поливной влаги и предотвращению вторичного засоления аридных почв легкого гранулометрического состава. Практическая значимость:

Полученная в работе информация о гидрофизических характеристиках и функциях грубодисперсных пористых сред под воздействием СПГ может -быть использована для обеспечения современных' моделей движения влаги и технологий почвенного конструирования. Экспериментально обоснованные в работе технологические приемы внесения биополимеров в легкие почвы легли в основу разработки на ф-те почвоведения и в ин-те Экологического почвоведения МГУ слоистых почвенных конструкции для выращивания зеленых газонов и предотвращения вторичного засоления в условиях экстрааридного климата О.А.Э (1995), Бахрейна и Катара (2005). Проведенные в соавторстве методические разработки, в частности метод равновесного центрифугирования для определения ОГХ и функции влагопроводности почв, активно используются в учебно-образовательном процессе на ф-те почвоведения МГУ. Защищаемые положения:

-СПГ является высокоэффективным средством искусственной оптимизации физического состояния почв легкого гранулометрического состава и его

применение в небольших рабочих дозах (0,1-0,2% от массы вмещающего материала) позволяет повысить водоудерживающую способность песчаных и супесчаных почв до уровня, свойственного оструктуренным суглинкам;

- матричный потенциал влаги в грубодисперсных субстратах и потенциал набухания вносимых в них СПГ являются аддитивными величинами, что позволяет прогнозировать изменения ОГХ смесей в зависимости от концентрации СПГ;

-слоистый способ размещения органических материалов в грубодисперсных субстратах предпочтительнее, чем смешивание, поскольку в этом случае на фоне увеличения водоудерживающей способности резко сокращаются инфильтрационные потери влаги вглубь почвенно-грунтовой толщи и создаются условия защиты коренобитаемого слоя от вторичного засоления. Апробация работы, гранты и публикации:

Основные положения и результаты исследования были доложены и представлены в виде постерных сообщений на II Всесоюзном совещании «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства» в Звенигороде (1991), съезде РОП в Санкт-Петербурге (1996), конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» в МГУ (2003), двух конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» в Яльчике (2005 и 2006 гг.), научно-методическом симпозиуме по российско-арабскому проекту «Arid Grow» в Бахрейне (2007) и на ряде других научных форумов. Работа прошла апробацию на кафедре физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ.

Исследования неоднократно поддерживались фантами РФФИ (проекты 9904-48509, 02-04-48087, 05-04-48456), а в настоящее время - Федеральной Программой фундаментальных исследований ОБН РАН «Биологические ресурсы России» (проект «Экологическая оценка и технологии оптимизации биоресурсного потенциала почв легкого гранулометрического состава»).

По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая коллективную монографию, методическое пособие и 7 научных статей в рецензируемых журналах и сборниках. Благодарности:

З.Н. Тюгай. Особую признательность автор выражает своему мужу и единомышленнику - профессору A.B. Смагину за неизменную помощь в получении экспериментального материала диссертации, его математической обработке и подготовке публикаций в рамках совместных исследований по фантам РФФИ и проекту «Биоресурсы России» под его руководством. Сердечную благодарность хочется выразить друзьям и коллегам по кафедре физики и мелиорации почв A.B. Кириченко, Н.И. Петровой, Е.М. Шевченко, А.Б. Умаровой, A.B. Дембовецкому за профессиональную и товарищескую поддержку, а также руководству кафедры и ее старшему составу в лице профессоров Е.В. Шеина, И.И. Судницина, Ф.Р. Зайдельмана, JI.0 Карпачевского, A.C. Никифоровой, доцента Л.Ф. Смирновой за неизменную доброжелательность, ценные советы и критические замечания, высказанные в процессе подготовки и предварительной экспертизы диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ (литературный обзор)

Анализируется история и современное состояние проблемы оптимизации физических свойств почв биополимерными материалами в нашей стране и за рубежом. Повсеместно отмечаемая деградация структуры, физических свойств и плодородия использующихся человеком почв во многом объясняется дисбалансом и потерями гумуса; вместе с тем при внесении природных (навоз, торф, сапропель, пожнивные остатки, сидераты...) и синтетических (гидрофобные и гидрофильные ПАВ, пенопласты, смолы, линейные (крилиумы) и сетчатые (гидрогели) полимеры...) органических веществ удается остановить эти процессы и в кратчайшие сроки оптимизировать структуру, водоудерживающую способность, влагопроводность, противоэрозионную стойкость и другие характеристики физического состояния почв (Вершинин, Константинова, 35, Качинский, 62, Мосолова, 64, Ревут и др., 69, Паганяс, 72, хей Вахба, 81, Кульман, 82, Бондарев, 94, Кузнецова, 94, Бондарев, Кузнецова, 87, Кирюшин и др.,93, Смагин и др., 99, 2003, 2004, Возможности современных..., 2000, Мироненко и др., 2000, Безуглова, 2002, Шеин, Милановский, 2003). При этом на фоне значительных доз и трудоемкости их применения для природных органических веществ (удобрений), на порядки меньшие количества синтетических биополимеров дают соизмеримый, а часто и больший эффект регулирования физических свойств и процессов в почвах. Особый интерес представляют почвенные кондиционеры нового поколения -СПГ на основе объемной полимеризации акриламида, акриловой кислоты и других сополимеров, успешно повышающие водоудерживающую способность и урожайность легких почв, экономию поливной влаги при небольших (0,050,5%) рабочих дозах (Грудинина, 83, Казанский и др.,86, Нурыев и др., 86,

Tayel, El-Hady, 81,Barcroft, 84, Azzam, 83, 85, Kullman, Benkenstein, 87, Al-Darby, 96). Сдерживающим фактором их использования могут быть проблемы технологического характера (способы внесения, равномерность распределения малых доз) и негативное воздействие со стороны почвы (ограничение набухания в порах, биодеструкция, вынос с током воды, коллапс от электролитов...) (Дубровский и др., 90, Петров, Рогачев, 91, Лагутина, 96, Лагутина и др., 95, Смагин, Садовникова, 94, Садовникова, Смагин, 2005), в связи с чем на современном этапе необходимы комплексный анализ и модели поведения СПГ в активных пористых средах для обоснования технологий их применения в почвенном конструировании.

Во второй части главы обсуждается современная термодинамическая концепция физического состояния почв и его динамики, развитая в отечественных и зарубежных работах (Физические условия.., 55, Нерпин, Чудновский, 67, Воронин, 84, 90, Судницын, 79, 95, Глобус, 87, Березин, 87, Шеин, 90, 2005, Сапожников, 85, 94, Смагин, 2003, van-Genuhten, 80, Campbell, 85, Dexter, 2002 и т.д.), рассматривающих в качестве базовых показателей ОГХ и функцию влагопроводности почв с соответствующими гидрофизическими моделями и способами их анализа, расчета структурных характеристик, определения характерных параметров почвенных физических систем (почвенно-энергетических констант), оценкой подвижности, доступности влаги растениям и технологических свойств почвы.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основными объектами лабораторных исследований послужили мелкозернистый стекольный кварцевый песок и его отдельные фракции размерами 1-0,5мм, 0,5-0,25мм и <0,25мм, а также ряд следующих образцов почв песчаного и супесчаного составов из России, Туркменистана и эмирата Дубай: дерново-подзолистая связнопесчаная слабоокультуренная и дерново-подзолистая супесчаная окультуренная почвы подсобных хозяйств Серебряноборского опытного лесничества ин-та Лесоведения РАН (Москва и М.О.); дерново-степная супесчаная почва Доно-Арчединского песчаного массива под пастбищем с лугово-степной растительностью; рыхлопесчаная пустынная почва Каракумов под саксаульником и пустынной осочкой (ст. Репетек); пылевато-песчаная карбонатная пустынная почва (ареносоль) под газонными травами Paspalum Hybrid опытного участка станции озеленения Муниципалитета Дубай. Выбор образцов отражал не только достаточно представительный набор пористых сред и почвенных объектов разного генезиса и дисперсности, но и разнообразные регионы, включая аридные, где использование СПГ представляется наиболее перспективным.

Почвы лесной зоны отличались достаточно большим исходным содержанием органических полимеров в виде гумуса (2-4%) и наличием тонкодисперсных частиц физической глины (до 14%) при кислой реакции среды (рН 4-6) и отсут-

Табл. 1. Характеристика дисперсности и состава твердой фазы образцов _исследуемых почв (выборочно) ___

Горизонт Гумус % Фракции, мм м"/г Рь, г/см3 Р=, г/см3 ЕС, дСм/м

> 0,25 0,250.05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 <0,001

Серебряноборское лесничество, дерново-подзолистая связнопесчаная почва

Ап 2,5 75,1 16,1 2,4 1,2 2,3 2,9 8,7 1,35 2,63 0,3

С 0,1 72,6 24,4 1,4 0,4 0,4 0,8 4,4 1,55 2,68 0,2

Серебряноборское лесничество, дерново-подзолистая супесчаная почва

А„ 4,0 63,0 18,3 4,7 2,2 5,5 6,4 27,1 0,98 2,65 0,4

С 0,1 79,3 17,8 1,4 0,3 0,3 0,7 3,8 1,62 2,67 0,3

Арчединский лесхоз, дерново-степная супесчаная почва

А 1,4 7,0 60,4 9,8 4,4 7,6 10,8 19,8 1,45 2,60 0,6

В 0,7 8,0 59,0 10,1 4,5 7,9 10,5 16,2 1,55 2,65 0,7

ВС 0,2 8,9 70,2 6,1 2,7 4,6 7,5 13,7 1,65 2,70 0,6

С 0,2 8,4 47,0 16,5 5,0 8,3 14,8 28,9 1,68 2,69 0,5

ст. Репетек, оыхлопесчаная пустынная почва

А 0,4 14,9 70,1 10,2 2 1,9 0,9 3,1 1,49 2,57 1,2

В 0,2 32,0 51,4 12,1 2,2 1,2 1,1 2,8 1,55 2,59 1,6

ВС 0,2 18,0 66,2 11,0 1,2 1,3 2,3 2,2 1,60 2,64 1,3

С 0,1 36,9 50,2 8,0 1,6 1,6 1,7 2,2 1,65 2,62 2,2

эм. Дубай, пылевато-песчаная карбонатная пустынная почва

А 0,3 6,3 73,2 10,8 3,0 2,8 3,9 12,1 1,43 2,61 4,6

С 0,1 6,7 74,7 9,9 2,4 3,0 3,3 8,9 1,63 2,67 5,1

ста и и засоления (ЕС 0,2-0,4 дСм/м) (Табл.1). Аридные почвы пустынных территорий содержали мало и очень мало природных органических веществ (0,1-0,4%) при разных количествах физической глины (5-10%), доминировании частиц мелкого песка (50-70%) и значительной доле пылеватых фракций (до 15% и более). При этом ряд аридных почв приморских территорий отличался наличием засоления (ЕС до 5 дСм/м) и повышенной карбонатностью (до 3060%), следствием чего являлась щелочная реакция среды (рН=7,8-8,1). В таких условиях возможно было ожидать ингибирование набухания СПГ и снижение его эффективности по сравнению с аналогичными по дисперсности песчаными субстратами. Кроме химических свойств и дисперсности на поведение СПГ, по-видимому, мог влиять и минералогический состав, в связи с чем в подборке образцов наряду с мономинеральными кварцевыми песками и супесями аллювиального и эолово-аллювиального генезиса находились полимиктовые кварцево-полевошпатовые с биотитом, амфиболами, эпидотом, роговой обманкой эоловые пески (Каракумы) и кварцево-карбонатные перевеянные пески приморских территорий Аравийского полуострова.

В качестве сильнонабухающего полимерного гидрогеля испытывапся синтезированный в ИХФ РАН радиационно-сшитый технический полиакриламид со степенью набухания в воде 700-1000гн20/г, а в солевых

растворах 0,01-0,1н концентрации не менее 250-500гН20/г [Казанский и др., 86, Лагутина, 96]. Для получения образцов геля использовалась технология у-радиационного сшивания сополимера линейного акриламида и акриловой кислоты в водных растворах [Казанский и др., 86].

В ходе исследований из традиционных химических показателей определялось содержание органического вещества методами Тюрина в модификации Никитина с фотоколориметрическим окончанием и сухого сжигания в токе кислорода на экспресс-газоанализаторе АН -8012 [Аринушкина 61, Воробьева, 98]. Для оценки засоления и pH использовались портативные кондуктометры-рН-метры DIST WP4 и HI 98130 Combo фирмы HANNA в соответствии с методической разработкой [Смагин и др., 2006]. Из общепринятых физических методов были применены - пикнометрическое определение плотности твердой фазы почв, пирофосфатный вариант пипет-метода для изучения гранулометрического состава, метод трубок для оценки влагоемкости насыпных образцов, метод вегетационных миниатюр для определения влажности завядания [Вадюнина, Корчагина, 86]. Удельная поверхность образцов почв легкого гранулометрического состава была получена экспрессным динамическим газохроматографическим методом по [Смагин, Смирнов, 91].

Для оценки скорости фильтрации, капиллярного рассасывания влаги в насыпных почвенных образцах и их композициях с СПГ, а также моделирования привноса растворенного гидрогеля и вымывания с поливными водами были проведены колоночные эксперименты [Теории и методы...,2007]. Изучение эвапотранспирации и физического испарения в лабораторных и полевых экспериментах с почвами, кондиционированными СПГ, проводилось посредством контроля динамики массы соответствующих сосудов с образцами почв (почвенных конструкций) и растений.

Для оценки потенциальной биодеградации СПГ и снижения его эффективности был проведен шестимесячный инкубационный эксперимент в термостатах при постоянных температурах 20, 30 и 37°С, имитирующих разные условия биодеструкции в гумидной и аридной климатических зонах. Влажность образцов при этом поддерживалась оптимальной для разложения и составляла порядка 20%. Перед закладкой эксперимента и по его окончании в образцах определялось содержание органического углерода (см выше), а также оценивалась ОГХ.

Получение ОГХ и функции влагопроводности в исследовании проводилось разными методами, включавшими как традиционные (капилляриметрия, тензиометрия) [Вадюнина, Корчагина, 86], так и новые оригинальные разработки в данной области. В соавторстве был предложен метод равновесного центрифугирования для сравнительного анализа ОГХ и функции влагопроводности почв под воздействием природных и синтетических биополимеров [Садовникова и др., 96, Смагин и др., 98, 99], составивший методическую основу данного исследования. Он позволил существенно (до 6001000 кПа) расширить границы традиционных определений капиллярно-сорбци-

онного потенциала, использовать небольшие образцы (10-20г), проводить анализ на массовом материале в повторностях с высокой точностью и репрезентативностью результатов. Для расчета абсолютных значений матричного потенциала почвенной влаги по данным о скорости вращения (п) центрифуги, расстояниях от верхнего и нижнего концов образца до оси вращения (Ri>2), его высоте (h) и угле наклона ротора (а) использовалась формула: у[Дж/кг] =Р[кПа] = 0,0055n2(R22 -R2,)cosa + ghsina, где [n] — об/мин, [R], [h] - м. Функция влагопроводности (К) определялась синхронно в нестационарном режиме, для чего данные по кинетике удаления влаги аппроксимировались полиномом второй степени Ww и at2 — bt + с, по параметрам которого находились кинетическая константа k = 2,733а/Ь и равновесная влажность для данного этапа центрифугирования с давлением влаги Р: Wp =с - а/(0,3536к2), необходимые для расчета К [Смагин и др., 98]:

^ _ k(W„-Wp)h2A где w0,%, р0, см водн. ст. - начальное содержание влаги и ее ЮОрДР-Р,,)

давление в образце, рь, Р( - плотности почвы и воды, г/см3; [h] - см, [к] - сут~'; [К] - см/сут. Все анализы осуществлялись в необходимом числе повторностей (не менее 2-3) с обязательной статистической обработкой получаемых результатов. Для графических построений, статистической и математической обработки данных (аппроксимации, интерполяции данных, подбора параметров и т.д.) были использованы прикладные пакеты функций электронных таблиц «EXCEL» и программы «Sigma-PLOT» 4-7 версий.

Для аппроксимации ОГХ применялась модель ван-Генухтена, достаточно удачно описывающая S-образную форму кривых ОГХ с одной точной перегиба при минимальном числе параметром аппроксимации [Глобус, 87, Шеин, 2005]: Vm = Veii©) "™-!}"", где i)/m - матричный (капиллярно-сорбционный) потенциал, - параметр потенциала (давления) барботирования, п или m = 1-1/п, - эмпирические константы, 0 - степень насыщенности эффективного порового пространства, определяемая для почв с жесткой структурой через переменную влажности (W), параметры полной влагоемкости (Ws) и прочносвязанной влаги (Wa) как: © = (W-Wa)/(Ws-Wa). Настроенная по экспериментальным данным модель ОГХ была использована для получения непрерывных кривых распределения пор по размерам их радиусов посредством аналитического дифференцирования (расчета дифференциальной влагоемкости по [Шеин, 2005]) и для определения почвенно-энергетических констант опцией EXCEL «подбор параметра» с требованием нулевого значения разности матричных потенциалов по модели ван-Генухтена и секущих по Воронину. Величина капиллярной влагоемкости (KB) условно была принята равной аналитическому значению точки перегиба модели ван-Генухтена: KB=(m+l)"m. Индекс интегральной энергии водоудерживания со стороны твердой фазы почв

(Е) по [Смагин и др., 99, 2004] рассчитывался как площадь под кривой ОГХ посредством численного интегрирования методом трапеций, формализованного в виде макроса EXCEL (автор М.В. Глаголев).

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАБУХАНИЯ СПГ В МОДЕЛЬНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ РАЗЛИЧНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ В СВЯЗИ С ИХ ВОДОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ.

В качестве модельных сред были использованы отсеянные фракции полидисперсного стекольного кварцевого песка размерами 0,5-1мм, 0,25-0,5мм и <0,25мм, соответственно. Их ОГХ, полученные капилляриметрическим методом, представлены на рис.1. Наименьшими величинами влагоемкости характеризовалась фракция самых крупных размеров 0,5-1мм. Ее полная влагоемкость составляла порядка 14%, а НВ (МКСВ по Воронину) не более 2%. Влажность точки перегиба на ОГХ, которую есть основания отождествлять с капиллярной влагоемкостью, была близкой к ПВ и равнялась 11,5%.

Промежуточная фракция 0,25-0,5мм обладала заметно более высокой водоудерживающей способностью, в связи с чем ее ОГХ закономерно сдвигалась в сторону больших значений капиллярно-сорбционного потенциала и равновесных влажностей (вправо относительно предшествующей ОГХ для частиц более крупных размеров). В результате ПВ здесь достигала 23%, KB -17%, а НВ (МКСВ) - 3,7% . Еще большее смещение ОГХ наблюдалось для фракции самых малых размеров (<0,25мм) (рис.1). Здесь полная, капиллярная и наименьшая влагоемкости составляли 27, 20 и 5%, соответственно. Собственно кварцевый песок, как полидисперсная система, состоящая из анализированных выше отдельных фракций, характеризовался ОГХ, занимающей промежуточное положение между таковыми для фракций размером 0,25-0,5мм и <0,25мм.

Аппроксимация ОГХ функцией ван-Генухтена позволила получить посредством аналитического дифференцирования структурные кривые распределения объемов пор по их размерам (рис.1). Как видно, распределения отражали сами размеры фракций и, вероятно, их отсортированность. Наибольшие размеры доминирующих пор отмечались во фракции 0,5-1мм, где максимум (экстремум) распределения приходился на диаметр пор в 0,26-0,27мм. Наименьшими величинами доминирующих размеров пор (0,07-0,08мм) характеризовалась, как и следовало ожидать, фракция <0,25мм. Фракция средних размеров 0,25-0,5мм закономерно занимала промежуточное положение, и экстремум распределения приходился здесь на диаметр пор порядка 0,12-0,13мм.

Собственно кварцевый песок имел распределение пор, как и ОГХ, среднее между таковыми для фракций <0,25мм и 0,25-0,5мм. Такой результат также вполне закономерен, поскольку по данным просеивания исследуемый песок содержал 60% частиц размером менее 0,25мм, 35% частиц от 0,25 до 0,5мм, и только 5% элементов крупной фракции 0,5-1мм.

100 |Р|Дж/кг

0,3 л \/пор,

0,1

Рис. 1. ОГХ и распределения пор для фракций кварцевого песка разных размеров.

При внесении гидрогеля в грубодисперсную пористую среду его частицы, в зависимости от размеров, должны располагаться либо в поровом пространстве, либо среди частиц твердой фазы почвы. Были использованы дозы гидрогеля 0,01, 0,05 и 0,2% от массы вмещающего субстрата при размерах частиц геля 0,10,2мм, соизмеримых с характерным размером пор, доминирующих в структуре фракций. В отдельном эксперименте были взяты более крупные частицы сухого гидрогеля размером 0,25-1мм.

Результаты экспериментов приведены на рис.2. Для фракции песка 0,5-1мм, имеющей минимальные характеристики водоудерживания, даже малые добавки СПГ 0,01-0,05% дали ощутимые результаты. При использовании СПГ размером частиц 0,1-0,2мм, соизмеримых с доминирующими порами модельной среды, в 2-4 раза возросла полная (до 30-50%) и капиллярная (25-40%) влагоемкости и в 2-2,5 раз НВ (до 4-6%). При этом размер доминирующих пор в структуре сохранялся в большинстве случаев прежним (0,2-0,Змм) (рис.2). То есть, гель не менял кардинальным образом структуру пористой среды, увеличивая влагоемкость преимущественно за счет собственного набухания и разрыхления песчаного субстрата (рост ПВ, КВ). Характерно, что несмотря на большой разброс данных в области насыщения почвы влагой, наименьшая влагоемкость субстрата с малыми добавками СПГ 0,01-0,05% была во всех случаях практически одинакова (4,5-5,5%) и значимо не различалась. Из работ [Дубровский и др., 90, Лагутина, 96] по измерению давления свободного набухания разнообразных слабосшитых гелей следует, что уже при небольших разряжениях порядка 3-5(10) кПа СПГ теряют значительную часть влаги. Поэтому в грубодисперсных средах с большим размером пор СПГ в

|Р|,Дж/кг

100 1

песок 0,5-1мм, СПГ 0,1-0,2мм

контроль 0,01%СПГ 0,05%СПГ 0,2%СПГ

секуи^е по Воронину

Рис. 2. ОГХ и распределения пор песчаных фракций под воздействием СПГ.

малых концентрациях вначале развивает максимальную степень набухания (6001000 гН20/г и более), обеспечивая очень высокое увеличение ПВ и КВ, а потом быстро теряет влагу на начальных стадиях разряжения. С технологической точки зрения интересен тот факт, что гель с исходно большими размерами зерен (0,25-1мм), превышающими характерный размер пор, давал стабильно большую влагоемкость (в 1,5-2 раза) по сравнению с теми же дозами тонко помолотого СПГ (0,1-0,2мм) (рис. 2). По-видимому, тонкие частицы геля, попадая в поровое пространство, были разобщены и набухали каждая по отдельности, испытывая ограничения со стороны твердой фазы субстрата (стенок пор). Тогда как частицы крупных размеров, соизмеримые с песчинками, имея исходно большие объем и массу, при набухании расширяли вокруг себя необходимое пространство, обеспечивая более высокие значения водовместимости и капиллярной влагоемкости среды. Эта закономерность повторилась и при максимальной дозе СПГ в 0,2% , причем не только в крупнозернистой фракции, но и в самом тонком песке <0,25мм (рис. 2). Значит, на практике использовать специальные тонко размолотые частицы СПГ нет смысла, что означает сокращение затрат на подготовку геля посредством дробления стекловидной массы - продукта радиационного сшивания полимера.

Малые дозы СПГ 0,01-0,05%, очевидно, нельзя признать удовлетворительными, поскольку их кажущаяся эффективность с увеличением влагоемкости субстрата в состоянии, близком к насыщению, очень быстро сходит на нет уже при первых небольших разряжениях (рис. 2). Весьма вероятно, что часть геля в крупнопористой среде, находясь в состоянии предельного набухания (1000 гН20/г и более) не только теряет воду при перепаде давления, но и начинает сама перемещаться в виде вязкого раствора. Попадая на фильтр капилляриметрической установки, гель кольматирует тонкие поры, приводя к кажущемуся увеличению влагоемкости образца. Этот механизм объясняет практически одинаковые результаты по наименьшей влагоемкости при малых дозах СПГ, различающихся в пять раз (0,01 и 0,05%), полученные как для грубой (0,5-1мм), так и для наиболее тонкой фракции песка < 0,25мм.

Вместе с тем применение максимальной концентрации СПГ (0,2%) равномерно увеличивает влагоемкость грубодисперсного субстрата во всем диапазоне давлений до величин в 4-6(9) раз превышающих таковые в исходной пористой среде (рис. 1,2). Как видно, значительно возрастает не только ПВ и КВ, но и самое главное - наименьшая влагоемкость, достигающая здесь величин 15-24% против 2-5% в исходных песчаных фракциях. Такие величины НВ свойственны супесям и суглинкам [Шеин, 2005], что означает «перевод» водоудерживающей способности несвязного песка как минимум на 2 градации по гранулометрическому составу при весьма небольшом количестве добавляемого органического вещества (0,2%). Как видно 0,2% доза меняет и исходную структуру порового пространства. Максимум, отражающий размеры доминирующих пор, в грубодисперсной фракции 0,5-1мм смещается в сторону меньших диаметров, а в тонком песке остается прежним, но во всех случаях

значительно возрастает доля тонких макропор, мезо- и микропор (<1-10мк), обладающих капиллярными эффектами и удерживающих значительную часть ранее подвижной гравитационной влаги.

Влияние СПГ на плотность грубодисперсных пористых сред (рь), по сути, отражается динамикой величин ПВ. Поскольку плотность твердой фазы песчаных субстратов (р5) не могла измениться при ничтожных добавках органического вещества в 0,01-0,2%, расчет величин плотности сложения можно было проводить по данным о ПВ с использованием постоянного значения плотности твердой фазы кварца в 2,65 г/см3 и известной в физике почв формулы ПВ=100(1/рь-1/р5). В результате оказалось, что при больших дозах СПГ плотность в состоянии максимального насыщения влаги снижалась от исходных величин 1,45-1,6 г/см3 в контроле до 0,88-1,3 г/см^ благодаря внутреннему разрыхлению при набухании СПГ. По-видимому, помимо разрыхления почвы, СПГ будет способствовать проникновению в нее корней еще и по причине увлажнения и формирования своего рода гелевой смазки, что весьма важно для жестких структур типа песчаных почв, обладающих, как известно, максимальной твердостью и сопротивлением пенетрации со стороны корней и обрабатывающих орудий [Гаель, Смирнова, 99]. Таким образом, при использовании СПГ возможно минимизировать механическую обработку почвы и регулировать плотность периодическим увлажнением, что спонтанно происходит при поливном земледелии.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПГ НА ВОДОУДЕРЖИВАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ И ФИЗИЧЕСКУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ ПОЧВ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА.

Общепринятые методы получения ОГХ (капилляриметрия, тензиометрия) позволяют производить оценку этой характеристики в относительно ограниченном диапазоне потенциалов (давлений) почвенной влаги, не превышающих по модулю 70-90 кПа. Однако, для почв легкого гранулометрического состава таких величин сосущей силы вполне достаточно, чтобы удалить основное количество влаги - до 80-90% от потенциальной водовместимости. Поэтому на начальных этапах исследования было решено ограничиться классическими методами капилляриметрии и тензиометрии для оценки водоудерживающей способности и структурной организации легких почв под воздействием СПГ. Результаты капилляриметрических исследований для несвязных грубодисперсных систем в виде кварцевого песка и полиминерального песка из пустыни Каракум (ст. Репетек), а также для супесчаной дерново-степной почвы Доно-Арчединского массива приведены на рис.3. Из графиков видно, что, как и в случае отдельных фракций, минимальные дозы СПГ (0,01%) повышали водоудерживание лишь в области близкой к состоянию насыщения; по мере удаления влаги этот эффект сводился на нет уже при небольших разряжениях в 1-3 кПа (Дж/кг). Вместе с тем более высокие

100 |Р|,Дж/кг

кварцевый песок

О контроль О 0,01%СПГ О 0,05%СПГ • 0,2%СПГ ------секущие по Воронину

О 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 3. ОГХ и распределения пор для кварцевого песка, полиминерального песка Каракумов и дерново-степной супесчаной почвы под воздействием СПГ (капилляриметрия).

дозы СПГ, начиная от 0,05%, статистически значимо повышали водоудерживающую способность почвенных субстратов разной дисперсности во всем диапазоне исследуемых ОГХ, смещая их в область более высоких значений потенциалов и влажностей. При максимальной концентрации геля 0,2% величины ПВ и КВ возрастали в 1,3-1,5раза, а НВ и ММВ - в 2-5раз, достигая в рыхлопесчаных образцах 20-22% (уровень легких суглинков по [Шеин, 2005]), а в супеси - 26-28% (уровень средних суглинков). Столь значительные изменения водоудерживающей способности сопровождались перестройкой структурной организации исследуемых пористых систем с тенденцией сдвига максимумов распределений пор по размерам влево, в область меньших диаметров, и выполаживания распределений с увеличением доли мезо- и микропор (<0,1-Юмк) (рис.3). Причем в тонкозернистом полиминеральном песке и супесчаной почве с гелем после сушки при 105°С для определения влажности возникали прочно-сцементированные комки, что указывало на взаимодействие СПГ с твердой фазой по типу коагуляционных контактов. Таким образом, можно заключить, что гель не только разрыхляет исходную структуру раздельно-частичных субстратов и формирует добавочную сеть тонких пор, но и может приводить к агрегации частиц.

В следующей серии опытов оценка ОГХ производилась тензиометрическим методом в зондовом варианте на образцах кварцевого песка, дерново-подзолистых связнопесчаной и супесчаной почв с высоким содержанием гумуса и засоленной пылевато-песчаной аридной почвы эмирата Дубай. Специфика тензиометрической установки (высокие кассеты для образцов с жесткими стенками) обуславливает, в отличие от капилляриметра, жесткое ограничение объема образца и набухания, что отражается в относительно слабом увеличении ПВ и КВ почв при внесении в них сухого порошка СПГ даже в больших дозах (0,2-0,3%). Резонно ожидать подобного эффекта и в природных условиях, где давление со стороны вышележащих слоев почвы будет препятствовать набуханию геля и самопроизвольному разрыхлению структуры. Изменить ситуацию возможно, если вносить СПГ не в сухом, а в частично набухшем состоянии, что, с одной стороны, позволяет равномерно распределить малые количества геля в почве, а, с другой, при смешивании получить рыхлую композицию с величинами ПВ и КВ в 1,5-2 раза большими чем для исходных грубодисперсных субстратов (рис.4). Указанный способ оказался эффективнее, чем внесение сухого геля и для повышения водоудерживания, причем даже в засоленной аридной почве при концентрации 0,1% СПГ были достигнуты величины НВ=32-38%, характерные в природе для тяжелых или обогащенных гумусом черноземных почв. По-видимому, здесь сработало преимущество отечественных СПГ (ИХФ РАН, школа проф. Казанского) с ионогенными группами, которые в слабосоленых растворах лишь наполовину теряют способность к набуханию, снижая ее до 500 гН20/г геля. Однако этого вполне достаточно, чтобы обеспечить при 0,1% концентрации СПГ величину ПВ порядка 50%, если посчитать, что вся свободная влага при этом связывается

|Р|,Дж/кг кварцевый песок, сухой гель

юо - ^сЧГ

10 - О контропь^^^!

0 0,05%СПГвл ^^Рсн

1 - Д 0,1%СПГ+5%торф

0О,1%СПГсух • 0,1%СПГвл

0,1 - А0,2%СПГ+10%торф -1-1-гН Ы- VI-

контроль СПГ 0,05%вл СПГ 0,1%*5%торф

-СПГ 0,1%су х

....... СПГ 0,1%вл

— — 0,2%СПГ*10%торф

70 w% 80

Рис. 4. Тензиометрическая оценка ОГХ и распределений пор в легких почвах.

гелем: 500гН20/г=50%Н20/0,1%СПГ. Вместе с тем опыт показал, что природные органические вещества (гумус, детрит) значительно снижают эффективность геля, особенно в области низких значений влажности (НВ, ММВ). Так, в образцах гумусированных дерново-подзолистых почв даже при больших дозах СПГ 0,1-0,3% НВ и ММВ возросли не более чем в 1,3-1,5раза, а в аридном песке добавление к СПГ торфа при высоких исходных влагоемкостях композиций ПВ и КВ «40-60% приводит к резкому сокращению НВ и ММВ до значений, близких к контролю. Такое поведение указывает на возможный механизм конкурентных поверхностных (молекулярных) взаимодействий в системе, где природные органические вещества преимущественно гидрофобной природы нарушают устойчивость пленок гидрофильного геля, приводя к коллапсу его структуры. Характерно, что в почвах с природными биополимерами (гумус, торф), внесение геля мало отражается на структурной организации, и распределения пор остаются близкими к таковым в контроле, тогда как для разнообразных минеральных субстратов (кварцевый песок, аридная почва) заметна тенденция смещения пика распределения в область меньших диаметров и увеличение доли микро- и мезопор (рис.3). Можно опять-таки связать это с молекулярными взаимодействиями частиц геля и минеральных субстратов с образованием зачатков агрегатной структуры, тогда как в почвах богатых органическим веществом такое взаимодействие ингибируется, а роль цементирующего агента (плазмы) выполняют сами природные биополимеры, находящиеся в значительно более высоких концентрациях, чем СПГ.

В заключительной серии экспериментов ОГХ грубодисперсных субстратов с СПГ определялась методом равновесного центрифугирования, исключавшим «кажущееся» увеличение влагоемкости за счет кольматации гелем пор керамических фильтров капилляриметра и тензиометра и на порядок увеличивающим диапазон оцениваемых величин матричных потенциалов. В частности, этим методом удалось показать, что большая часть влаги, удерживаемой гелем остается доступной для растений, поскольку показатели ВЗ (потенциал - 1500 Дж/кг) незначительно возрастают на фоне большого увеличения НВ, в связи с чем диапазон продуктивной влаги существенно (в 2-3 раза и более) расширяется при использовании доз СПГ порядка 0,1%. Этот вывод подтвердился и независимым методом вегетационных миниатюр, давшим сходные с расчетными по ОГХ значения ВЗ.

Не менее важным результатом экспериментов явился вывод о существенной роли фактора биодеструкции СПГ, в наибольшей степени лимитирующим его эффективность в реальных почвенных условиях. В качестве примера приводятся результаты оценки динамики ОГХ кварцевого песка и полиминеральной песчаной почвы Каракумов под воздействием СПГ и его биодеструкции в процессе шестимесячной инкубации при разной температуре и оптимальной влажности (рис.5). Как видно, первоначально высокий эффект от рабочих доз СПГ 0,1-0,2% практически сводился на нет при максимальной (оптимальной для

(Р|Лж:'кг кварцевый песок (центрифугирование) 1000

0 К0НТР°'Ь 0 0.05%СПГ ®0.1%СПГ • 0,2%СПГ

100 -

дерново-степная супесчаная почва, гор. А (тензиометрия)

пустынный Каракумский песок, доза 0,1%СПГпри биодеструкции (центрифугирование)

пустынный Каракумский песок, доза 0,2%СПГпри биодеструкции ¡♦^ (центрифугирование)

о контроль о 37'С, 0,04%СПГ о 20'С, 0,08%СПГ • 0.1%СПГ

|Р|Дж/кг кварцевый песок, доза 0,1% СПГ при 1000 -еК , биодеструкции (центрифугирование)

100 -

о контрот о37'С,0,038%СПГ о30'С,0.063%СПГ ®20'С,0,081%СПГ • 0,1%СПГ

Рис. 5. Экспериментальное исследование и моделирование ОГХгрубодисперсных почвенных субстратов под воздействием разных доз и биодеструкции СПГ (ОГХ субстрата - черная тонкая линия, модель ван-Генухтена, ОГХ композиций с гелем — серые линии, модель аддитивных потенциалов; символы — экспериментальные данные).

микроорганизмов) температуре опыта порядка 37°С и уменьшался наполовину при 20 °С (комнатной) температуре.

Оцененные по данным об убыли содержания СПГ с помощью экспоненциальной модели биодеструкции [Смагин и др., 2001] времена полураспада геля в почвах составили в кварцевом песке 0,3-1,1 года, а в полиминеральном 0,4-1,0 года для условий оптимума и 0,5-3,3 года (кварцевый песок) и 1,0-1,6 года (полиминеральный) при температуре 20°С для всех исследованных доз СПГ в диапазоне 0,05-0,2%. Обобщенная информация двух экспериментов по биодеструкции - с кварцевым песком и полиминеральной песчаной почвой Каракумов позволила выявить зависимость кинетических констант разложения СПГ от температуры. На ее основе с использованием данных о естественном ходе почвенных температур в аридных условиях Персидского залива (техника «термохрон») и экспоненциальной модели биодеструкции были осуществлены расчеты потенциального разложения гидрогеля. Потери для 580 часов (менее 1 месяца) составили 8-8,7% , а для трехмесячного срока - 35-38% от исходного содержания независимо от дозы СПГ. Таким образом, биодеградация СПГ как влагонасыщенного, обогащенного углеродом и азотом органического вещества является одним из наиболее серьезных факторов, снижающих его эффективность в производственных условиях.

В последнем разделе главы рассматривается задача моделирования влияния содержания (концентрации) СПГ на ОГХ почв легкого гранулометрического состава. ОГХ грубодисперсных почв и их композиций с СПГ хорошо описываются моделью ван-Генухтена с коэффициентами нелинейной регрессии R2 « 0,98-0,99, статистически значимыми параметрами регрессии и ш (п) и небольшими среднеквадратическими ошибками s « 0,2-1,3%, не превышающими доверительные интервалы варьирования исследуемых зависимостей vym(W). Визуально это положение подтверждается графиками ОГХ (Рис. 1-5), полученными в данном исследовании, где собственно кривые являются результатами подобной аппроксимации функцией ван-Генухтена экспериментальных значений в виде отдельных точек (символов) на графиках ОГХ. Для учета вклада СПГ в формирование водоудерживающей способности была предложена модель аддитивности потенциалов почвенной влаги с использованием функции ван-Генухтена и уравнений теории физического состояния почв [Смагин, 2003] (все величины потенциалов даны по модулю):

где \|/к— суммарный термодинамический потенциал влаги в композиции «почва-гель», vj/m - матричный (каркасный) потенциал влаги в исходном субстрате, описываемый полной или упрощенной (0=W/Ws при Wa<2%,) функцией ван-Генухтена, i|v - потенциал набухания гидрогеля, описываемый согласно фундаментальному уравнению для молекулярной составляющей расклинивающего давления, доминирующей в коллоидных телах [Смагин, 2003].

В качестве аргумента последнего уравнения используется соотношение

концентрации геля и влажности почвы (СЛУ), - величина, обратная в первом приближении степени набухания (влажности) СПГ. Параметрами уравнения являются удельная поверхность (Б) системы «почва-гель» и константа Гамакера для молекулярных взаимодействий твердой и жидкой фаз в системе. Проверка дееспособности предложенной модели показала удовлетворительное описание с ее помощью практически всех вариантов композиций СПГ с грубодисперсными почвенными субстратами в диапазоне рабочих доз гидрогеля от 0,05 до 0,2%. при параметрах 50< Б <200 м2/г и А = 2-5-10-19 Дж (рис. 5). Помимо задач по оптимизации водоудерживающей способности почв определенными дозами СПГ в технологиях почвенного конструирования, модель может быть полезна для выявления потерь водоудерживания при биодеградации геля и для расчета доз периодических добавок СПГ при компенсации этих потерь в поливном земледелии.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ И СПОСОБОВ ВНЕСЕНИЯ СПГ НА ПОДВИЖНОСТЬ И НЕПРОДУКТИВНЫЕ ПОТЕРИ ВЛАГИ В ПОЧВАХ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА.

В последней главе рассматриваются вопросы подвижности влаги и гидрогеля в почвенных физических системах и связанные с нею непродуктивные потери влаги. Внесение СПГ, как обсуждалось выше (гл. 3,4), способствует формированию дополнительной сети тонких макропор и мезопор, что хорошо видно на соответствующих графиках распределения пор по размерам. Благодаря этому песчаные почвы, кондиционированные СПГ, обладают повышенной гидравлической проводимостью в области капиллярной и пленочной влаги по сравнению с контролем, что хорошо видно при расположении данных в билогарифмическом масштабе, согласно модели Кэмпбелла (рис.6). В состоянии почвы, близком к насыщению, СПГ снижает влагопроводность, по-видимому, за счет кольматации пор и повышения вязкости воды. Для супесей и частично связных песков с узкими порами снижение влагопроводности может наблюдаться во всем диапазоне давлений, особенно при использовании высоких доз СПГ. В некоторых случаях для этих субстратов отмечается также увеличение проводимости в состоянии, близком к насыщению, что можно объяснить разрыхлением супесей при смешивании с набухшим СПГ или агрегацией частиц с образованием межагрегатных макропор.

Как показывают эксперименты с почвенными колонками, коэффициенты фильтрации влаги зависят не только от дозы геля, и способов его внесения (сухой, набухший), но и от структуры самой композиции (гомогенная - с перемешиванием или слоистая) (табл.2). Так, слоистый способ заделки геля в почву в виде 0,1-0,2% смеси или тонкой прослойки (100%СПГ), ограниченных сверху и снизу вмещающим песком, приводит к сокращению Кф в 40-80 раз, почти полностью устраняя непродуктивные потери влаги из конструкции.

0,1 -0,01 0.001 ■

К,см/сут

0,001 ■

0,1 1 О контроль 00,01%СПГ О0,03%СПГ • 0,05%СПГ

10 100 Р, кПа 1000

у = 1.0700Х'1'4515 р!2 = 0,9936 у = 0,8612х '3011 Р2 = 0.9818 у = 0,5445х ' "" = 0,9873 у = 0,5878х и428 И2 = 0,9862

0,0001

К,см/сут

100 Р. кПа 1000

Оконлроль у = 1,0700х 14515 Р2 = 0,9936 а 0,1%СПГ у = О^ЭОх"0'9508 Я2 = 0,9769 у = 0,1831 х^ 8567 Р.2 = 0,9908

к 0,2%СПГ

Рис. 6. Функции влагопроводности мономинерального кварцевого песка под воздействием СПГ (метод равновесного цетрифугирования) и их аппроксимация моделью Кэмпбелла.

Таблица 2. Колоночные эксперименты по фильтрации влаги в пылевато-

Материалы и их композиции Кф,см/сут рь, г/см3 ОП%

Гомогенные смеси

аридный пылеватый песок 219,9-235,1 1,44 45,7

аридный пылеватый песок 219,9 1,40 46,2

низинный торф 6814,0 0,14 90,9

0,1%СПГсух 159,0 1,31 50,0

0,1%СПГвл 71,8 1,38 48,5

0,1 %СПГ+5%торф 527,0 0,89 65,5

0,2%СПГ+10%торф 572,0 0,71 72,1

Гетерогенные слоистые системы

песок/ 100%торф/песок 13,7 1,16 55,6

песок/ 100%СПГ7песок 5,7 1,38 47,9

песок/ 0,1%СПГ+5%торф/пееок 176,1 1,3 50,9

песок/ 0,2%СПГ+10%торф/песок 120 1,36 48,3

песок/ 0,1%СПГ/песок 18,9 1,47 44,5

песок/ 0,1%СПГ/песок 2,9 1,54 42,9

песок/ 0,2%СПГ/песок 24,8 1,48 44,2

песок/0,1 %СПГ/песок/5%торф/песок 5,6 1,44 45,6

ОП% - общая пористость образца (осредненная по всему объему колонки).

12 п И,см

10 -

6 4 2 -0

3,2

им

[

310

1 6-|

4 2 О

7Л

2,3

1.3

§Ц

1,3

ЯГ

1,2

18 24 1,час 42

слой гравия

0,8

Не

24 1,час 42

12 п И,см 10 -|

2,8

4 -

0,1%СПГвл.

3,2

И,см слой гравия +0,1°/<СПГ

^ 12 И,см

эю - 1,6

■1в- 3,8

4 - ря

2 3,4

0 -

24 1,час 42

4,2

ЖЕ

24 Ъчас 42

Рис. 7. Динамика капиллярного рассасывания влаги в аридной пылевато-песчаной почве (О.А.Э), композициях с СПГ и слоистых конструкциях на ее основе; И, см -мощности исходных слоев и положение верхней и нижней границ (фронтов впитывания) увлажненного срединного слоя (серый цвет);«2,1,2,4-на темно-сером фоне» - слой речного гравия.

На этом фоне под воздействием СПГ в 1,3-2 раза сокращаются и потери на физическое испарение, как в лабораторных, так и в полевых экспериментах. Вместе с тем в тонкодисперсных пылеватых песках и супесях остается еще один механизм потерь влаги и вторичного засоления — капиллярный (рис.7). Блокировать его позволяет способ разрыва капиллярной сплошности прослойкой инородного, лучше всего грубодисперсного (гравий), материала (рис.7).

Как показывают полевые эксперименты, слоистые конструкции на основе природных (торфяные почвомодификаторы) и синтетических (СПГ) материалов позволяют в условиях экстрааридного климата поддерживать высокую продуктивность зеленых насаждений при значительной экономии поливной влаги и надежной защите от вторичного засоления [Смагин и др., 99, 2005, 2008] (Рис.8). Балансовый расчет непродуктивных потерь в виде внутрипочвенного

1400 1200 1000 -800 600 400 200 О

500 450 400 -350 -300 250 -200 150 100 -I 50 0

Свежая биомасса (г/м2)

Содержание хлорофилла (мг/г)

4,5

4 -3,5

3 -2,5 • 2 -1,5 -1

0,5 0

контроль

новая технология

контроль

новая технология

Сухая биомасса (г/м2

18 16 14 12 10

Расход поливной влаги (л/м2/сут)

контроль

новая технология

контроль новая технология

Рис.8. Результаты тестирования технологии выращивания зеленых газонов в аридных климатических условиях (Дубай,9 5) на слоистых почвенных конструкциях с природными (низинный торф) и синтетическими (СПГ) биополимерами (по [Смагин и др.,99, 2005, 2008]).

оттока из 30 см корнеобитаемой толщи, выполненный на основе предоставленных автору полевых материалов по тестированию подобных конструкций в эмирате Дубай, выявил, что при традиционных технологиях потери достигают 50-60% от поливных норм или 4-7мм/сут, а использование слоя геля дозой 0,5т/га (0,1% в 5см) минимизирует их до 0,2-0,5 мм/сут. В результате на конструкции с СПГ удалось достичь 40-50% экономии поливной влаги, практически полностью лимитировав непродуктивные потери.

Заметим, что на ряде контрольных делянок полив также осуществлялся по дефициту влаги с соответствующей экономией последней, однако более высокое испарение и низкая водоудерживающая способность в пылевато-песчаной пустынной почве на этой территории привели в результате к угнетению состояния газона. Размеры и масса надземных частей травы Paspalum Hybrid и ее корней на варианте с гидрогелем в 2-2,5 раза превышала таковые на контроле

и участке, обрабатываемом по муниципальной технологии при хороших характеристиках внешнего вида (интенсивный зеленый цвет, повышенная густота газона). Подтверждающие эти результаты аналитические данные о биомассе и содержании пигмента хлорофилла иллюстрирует рис.8. Таким образом, можно заключить, что не только лабораторные эксперименты, но и непосредственные полевые испытания, проводившиеся в экстрааридных условиях эмирата Дубай в летний сезон показали высокую эффективность технологий почвенного конструирования с использованием синтетического влагопоглотителя в виде СПГ.

Лабораторные исследования подвижности самого СПГ в почвах и его фиксации в поровом пространстве показали, что при подаче СПГ в виде вязкого раствора концентрацией 0,25-0,5г/л или со «степенью набухания» в 2-4 раза превышающей номинальную (1000гН20/г), за 14 смен порового раствора (тактов) лишь 2-4% СПГ попадает в фильтрат на выходе из колонки, а 96-98% его исходного количества фиксируется в минеральном субстрате (кварцевом песке). Последующая промывка колонок чистой водой с тем же количеством тактов приводит к выносу геля из песка не более 1,3-2,3% от закрепившегося количества. Можно предложить эффективный технологический прием внесения СПГ в почву с поливными водами в концентрации порядка 0,25 г/л. Очевидно, таким путем удастся не только исходно вносить СПГ в почву при поливном земледелии, но и компенсировать его потери при биодеструкции. Вязкий раствор геля будет значительно (на 1-2 порядка) понижать фильтрацию поливной влаги и, возможно, уменьшать испарение. Этот способ следует опробовать в производственных условиях, и, в случае подтверждения его эффективности, включить в арсенал современных инновационных технологий почвенного конструирования и оптимизации водного режима почв в поливном земледелии на базе природных и синтетических биополимеров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1.На идеальных физических объектах - почвах легкого гранулометрического состава с использованием современных инструментальных методов исследовано влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на водоудерживающую способность, влагопроводность и структурную организацию порового пространства почв. СПГ являются высокоэффективными синтетическими кондиционерами нового поколения, перспективными для использования в современных технологиях почвенного конструирования.

2.Концентрации 0,1-0,2% СПГ достоверно повышают водоудерживающую способность грубодисперсных субстратов, доводя ее до уровня природных супесей и суглинков. При этом закономерно возрастают (до 2-3 раз и более) величины влагоем костей (ПВ, КВ, НВ, ММВ), диапазона доступной влаги, количества тонких макропор и мезопор.

З.ОГХ композиций легких почв с гидрогелем удовлетворяют правилу аддитивности термодинамических потенциалов почвенной влаги, что позволяет

осуществлять прогноз воздействия той или иной дозы СПГ (0,05-0,2%) на ОГХ посредством простой модели на основе функции ван-Генухтена для каркасного потенциала минерального субстрата и фундаментального уравнения молекулярной составляющей потенциала набухания СПГ.

4. Дозы СПГ 0,1-0,2% закономерно снижают коэффициент фильтрации и гидравлическую проводимость песчаных почв в состоянии, близком к насыщению, и вместе с тем увеличивают влагопроводность в ненасыщенном состоянии для капиллярной и пленочной влаги. Эффективен слоистый способ размещения геля и органоминеральных смесей на его основе в грубодисперсных почвах, позволяющий на 1-2 порядка снизить фильтрацию и непродуктивные потери влаги.

5.Помимо сокращения инфильтрационных потерь, в слоистых органоминеральных почвенных конструкциях с грубодисперсными экранами удается прекратить капиллярное рассасывание влаги вглубь почвы и обратный подъем легкорастворимых солей к ее поверхности, что создает наряду с аккумуляцией влаги надежную защиту от вторичного засоления.

6.Набухание слабо-сшитых СПГ в жестком поровом пространстве грубодисперсных почв ограничено, поэтому на практике целесообразно вносить СПГ не в сухом, а в частично набухшем состоянии, что одновременно с приростом влагоемкости позволяет достичь более равномерного распределения кондиционера в почве.

7.Эффект оптимизации водоудерживающей способности и физического состояния почв от СПГ снижается по мере их биодеструкции как достаточно податливых к разложению (периоды полураспада 0,5-3 года) органических веществ. В аридных условиях при повышенных температурах почвы (30-40°С) за летний сезон может минерализоваться до 40% СПГ.

8.Вместе с тем потери СПГ как гидрофильного вещества при промывках почвы не превышают первых процентов, благодаря высокой вязкости растворов СПГ и кольматации пор набухшими частицами. Обоснован технологичный способ внесения СПГ и периодического пополнения его потерь при микробном разложении посредством добавок в поливные воды с концентрацией порядка

0.25./л.

Список основных работ по теме диссертации:

1.Тюгай З.Н., Садовникова Н.Б. О возможности повышения водоудерживающей способности песчаных почв с помощью сильнонабухающих полимерных гидрогелей // Тез. докл II Вс. совещ. «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства». Звенигород, 1991. 0,21.

2.Садовникова Н.Б. Влияние СПГ на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава // Сб. Тез. докл. конференции молодых ученых ф-та почвоведения МГУ «Современные проблемы почвоведения и экологии». М-Красновидово: 1994. С.92.

3. Смагин A.B. Садовникова Н.Б. Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на водоудерживающую способность легких почв // Почвоведение, 1994, №11.С.50-55.

4. Садовникова Н.Б., Смагин A.B., Смирнов Г.В. Использование центрифугирования для определения потенциала влаги в почвах легкого гранулометрического состава //Сб. Тез. докл. II Съезда почвоведов России. Санкт-Петербург, 1996, кн. 1, с. 110-111.

5. Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Мизури Маауиа Бен-Али. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования // Почвоведение, 1998, № 11. С.1362-1370.

6. Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. M.: МГУ. 1999, 48с.

7. Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В., и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М.: МГУ. 2001, 120с.

8.Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. Влияние органического вещества на ОГХ почв // Сб. Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации М.: МГУ, 2003 С. 115-118.

9. Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В., Кирюшова А.Б., Машика A.B., Еремина A.M. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв // Почвоведение, 2004, №3. С. 1-10.

10. Смагин А.В, Садовникова Н.Б. Роль молекулярных взаимодействий в формировании физического состояния и водоудерживающей способности почв // Сб. Тез. XI Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2004. Иошкар-Ола-Уфа-Казань-Москва. 2004. С.242

11. Садовникова Н.Б., Смагин A.B. Использование сильнонабухающих полимерных гидрогелей в почвенном конструировании // Сб. Тез. XII Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2005. Иошкар-Ола-Уфа-Казань-Москва. 2005. С. 185.

12. Смагин A.B., Садовникова Н.Б., Глаголев М.В., Кириченко A.B. Новые инструментальные методы и портативные электронные средства контроля экологического состояния почв и сопредельных сред // Экологический Вестник Сев. Кавказа, 2006 т.2 №1. С.5-16

13. Smagin А. V., Sadovnikova N.B. Soil constructions and technologies for stable effective farming under arid conditions // Abstr. of 18-th World Congress of Soil Science, 2006 - Philadelphia, Pennsylvania, USA v.3, p. 75.

14. Smagin A. V., Sadovnikova N.B. Application of Organogenic Materials in Soil-Landscape construction // Proc. of the Second Int. Symposium on Technology of Sustainable Irrigation Farming «Arid Grow» in 2007. The Kingdom of Bahrain, Manama: ISPC UNEPCOM 2007, P. 5-15.

15. Смагин A.B., Хакимова Г.М., Хинеева Д.А., Садовникова Н.Б. Гравитационный фактор формирования наименьшей и капиллярной влагоемкости в почвах и слоистых почвенных конструкциях // Почвоведение, 2008, №11. С.60-69.

ПРИЛОЖЕНИЕ: Параметры функции вак-Генухтена для ОГХ исследованных грубодисперсных почв и пористых сред._

Почвенный объект, метод определения ОГХ

Доза СГ1Г,%

у,, Дж/кг

Мономинеральнын кварцевый песок (к)

0,01

0,05

0,2

2,41

2,01

3,25

2,12

2,75

2,37

1,96

1,60

Фракция кварцевого песка 0,5-1 мм (к)

0,01

0,05

0,2

0,78

0,93

0,73

0,72

2,03

2,30

3,14

2,03

Фракция кварцевого песка 0,25-0,5мм (к)

0,01

0,05

0,2

2,19

2,01

2,62

1,18

3,44

3,03

2,58

1,59

Фракция кварцевого песка <0,25мм (к)

0,01

0,05

0,2

3,48

4,33

4,67

1,59

3,27

3,53

1,35

Полиминеральный Каракумский песок (к)

0,01

0,05

0,2

2,41

2,01

3,25

2,12

2,75

2,37

1,96

Дерново-степная супесчаная почва, гор. А (к)

0,05

0,1

0,2

0,83

0,66

1,15

5,08

1,45

1,63

1,27

1,24

Дерново-степная супесчаная почва, гор. С (к)

0,05

0,1

0,2

0,72

0,65

0,97

4,04

1,82

1,66

1,59

1,27

Мономинеральный кварцевый песок, сухой гидрогель (т)

0,01

■ 0,03

0,05

0,1

0,3

0,97

1,29

1,53

2,71

3,42

1,73

1,74

1,61

1,67

1,21

Мономинеральный кварцевый песок, влажный гидрогель(т)

0,01

0,03

0,05

0,1

0,3

0,98

0,63

0,56

0,70

3,29

4,30

1,73

1,96

1,55

1,63

2,08

2,12

Дерново-подзолистая связнопесчаная почва (т)

0,01 0,03 0,05 0,1

0,3

5,34

1,83

2,75 5,01 3,00 2,05

1,61

1,37 1,49 1,52 1,37 1,99

Дерново-подзолистая супесчаная окультуренная почва (т) - 6,22 1,57

0,01 11,88 1,52

0,03 2,76 1,49

0,05 7,78 2,19

0,1 6,67 2,35

0,3 1,69 1,27

Пустынная пылевато-песчаная почва (О А Э) (т) - 4,28 2,22

0,05 4,30 1,95

0,1 4,93 2,39

0,1 5,44 1,66

добавка 5% низинного торфа 0,1 4,46 2,27

добавка 10% низинного торфа 0,2 5,09 2,34

Мономинеральный кварцевый песок (ц) - 0,42 1,38

0,03 0,64 1,30

0,05 0,62 1,31

0,1 6,33 1,37

0,2 29,1

Мономинеральный кварцевый песок (ц) (опыт по биодеструкции) - 3,00 1,49

0,05 2,52 1,45

0,1 2,34 1,55

0,2 4,45 1,32

Мономинеральный кварцевый песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,05% СПГ) 1 ЗГС 3,37 1,55

130°С 3,07 1,49

120"С 2,91 1,50

Мономинеральный кварцевый песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,1% СПГ) 1 37°С 2,78 1,43

(30°С 2,89 1,36

120°С 1,67 1,47

Мономинеральный кварцевый песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,2% СПГ) 137"С 3,23 1,51

130°С 2,88 1,47

Г20"С 3,38 1,43

Полиминёральный Каракумский песок (ц) (опыт по биодеструкции) - 1,26 1,61

0,05 1,22 1,58

0,1 1,36 1,43

0,2 3,14 1,29

Полиминеральный Каракумский песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,05% СПГ) ЦТС 1,15 1,54

по°с 1,07 1,51

Полиминеральный Каракумский песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,1% СПГ) 1ЪТС 1,26 1,63

120"С 1,51 1,53

Полиминеральный Каракумский песок (ц) (опыт по биодеструкции, начальная доза 0,2% СПГ) 137°С 1,48 1,47

120°С 3,21 1,35

к- капилляриметрия, т- тензиометрия, ц- равновесное центрифугирование

Подписано в печать 11.11.2008 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 260. Отпечатано в ООО «БИОС-ЛОГОС» 121614 г. Москва, ул. Крылатская, вл.11-

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Садовникова, Надежда Борисовна

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ:

ГЛАВА1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ (литературный обзор).

1.1. Влияние синтетических биополимеров на структуру и гидрофизические свойства почв.

1.2. Термодинамическая концепция и количественные характеристики физического состояния почв.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Краткая характеристика объектов исследования.

2.2. Основные методы исследования и методические разработки.

ГЛАВАЗ. ИССЛЕДОВАНИЕ НАБУХАНИЯ СПГ В МОДЕЛЬНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ РАЗЛИЧНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ В СВЯЗИ С ИХ ВОДОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ.

3.1. Характеристика модельных пористых сред.

3.2. Влияние добавок СПГ на водоудерживающую способность и показатели физического состояния фракций кварцевого песка.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПГ НА ВОДОУДЕРЖИВАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ И ФИЗИЧЕСКУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ ПОЧВ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА.

4.1. Комплексный анализ ОГХ почвенных объектов с использованием модели ван-Генухтена.

4.2. Исследование влияния СПГ на ОГХ и показатели физического состояния почв легкого гранулометрического состава традиционными методами.

4.3. Исследование и моделирование влияния СПГ и его биодеструкции на ОГХ и показатели физического состояния легких почв на базе метода равновесного центрифугирования.

4.4. Моделирование влияния содержания СПГ на ОГХ почв легкого гранулометрического состава.

5.1. Влияние СПГ на функцию влагопроводности грубодисперсных почв.

5.2. Колоночные эксперименты по оценке движения и непродуктивных потерь влаги в грубодисперсных почвах под воздействием СПГ.

5.3. Оценка непродуктивных потерь почвенной влаги и эффективности СПГ в оптимизации водного режима аридных песчаных почв в полевых условиях.

5.4. Лабораторные исследования движения СПГ в грубодисперсных пористых средах.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава"

Актуальность темы: Оптимизация физического состояния почв с использованием синтетических полимерных материалов традиционно является одной из приоритетных проблем почвенной физики и мелиорации. В настоящее время эта проблема получила новый импульс развития в связи с формированием отдельного почвенно-экологического направления -конструирования почв с заданными технологическими характеристиками для обеспечения устойчивого земледелия, функционирования городских ландшафтов и их .элементов, а также иных объектов с повышенным антропогенным воздействием и техногенной нагрузкой [Шеин, 2005, Смагин, Шоба, Макаров, 2008]. Среди многочисленных почвенных кондиционеров, использующихся на практике, особый интерес представляют гидрофильные сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ), относящиеся к классу влагопоглотителей (суперабсорбентов). Эти вещества обладают очень высокой степенью набухания в воде (до 1000гН20/г сухого полимера) и могут быть эффективными средствами регуляции водоудерживающей способности особенно для широко распространенных почв легкого гранулометрического состава. Однако для создания научно обоснованных технологий кондиционирования легких почв посредством СПГ необходим системный анализ их поведения в активной почвенной среде с выявлением как позитивных (увеличение водоудерживания, снижение непродуктивных потерь влаги на испарение и инфильтрацию), так и негативных (биодеструкция, вымывание полимеров, подавление их набухания со стороны твердой и жидкой фаз) эффектов. Несмотря на обилие исследовательских и рекламных публикаций по применению СПГ, подобный комплексный анализ в науке о почвах до сих пор не проводился. Его осуществление представляется актуальным в научном и прикладном аспектах, поскольку он позволяет получить информацию о динамике физического состояния почв под воздействием синтетических гидрофильных полимеров и разработать рекомендации использования СПГ в технологиях почвенного конструирования.

Цель работы состояла в комплексной количественной оценке поведения в почвенной среде СПГ на примере радиационно-сшитого полиакриламида и его влияния на почвенно-гидрофизические свойства и характеристики. Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие практические задачи:

- в экспериментах с грубодисперсными модельными пористыми средами исследовать изменение их водоудерживающих характеристик и структурной организации под воздействием различных доз и фракций СПГ, а также оценить способность гидрогеля к набуханию в поровом пространстве заданных размеров;

- в экспериментах с насыпными образцами почв легкого гранулометрического состава изучить влияние различных концентраций СПГ и способов его внесения на основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) почв как комплексный показатель их физического состояния и водоудерживающей способности;

- синхронно с определением ОГХ исследовать функции влагопроводности образцов легких почв в зависимости от содержания в них СГГГ, и в отдельных колоночных экспериментах определить влияние доз и способов внесения СПГ на фильтрационные свойства изучаемых объектов;

- в лабораторных и полевых экспериментах определить влияние СПГ на инфильтрационные потери влаги, физическое испарение, эвапотранспирацию, влагу завядания для травянистых растительных культур при различных дозах и способах размещения гидрогеля в грубодисперсных почвах и грунтах;

- в лабораторных экспериментах исследовать биодеструкцию, вымывание и фиксацию гидрогеля в легких почвах и модельных пористых средах для обоснования технологических приемов и периодичности внесения в них СПГ.

Научная новизна:

На базе современных инструментальных методов исследования проведен комплексный анализ совместного поведения СПГ и влаги в грубодисперсных почвенных объектах и на этой основе выявлены оптимальные рабочие дозы и способы внесения гидрогелей при использовании их в технологиях почвенного конструирования. Подтверждена гипотеза об аддитивности матричных потенциалов грубодисперсного субстрата и набухающего полимера в нем и предложено соответствующее эмпирическое уравнение (модель) для описания ОГХ в зависимости от концентрации СПГ. Обоснованы способ внесения СПГ в песчаные почвы в набухшем состоянии и в виде растворов с поливными водами, а также технологический прием почвенного конструирования в виде слоистой закладки органических материалов, способствующий значительному повышению водоудерживающей способности, резкому сокращению непродуктивных инфильтрационных потерь поливной влаги и предотвращению вторичного засоления аридных почв легкого гранулометрического состава. Практическая значимость:

Полученная в работе информация о гидрофизических характеристиках и функциях грубодисперсных пористых сред под воздействием СПГ может быть использована для обёспечения современных моделей движения влаги и технологий почвенного конструирования. Экспериментально обоснованные в работе технологические приемы внесения биополимеров в легкие почвы легли в основу разработки на ф-те почвоведения и в ин-те Экологического почвоведения МГУ слоистых почвенных конструкции для выращивания зеленых газонов и предотвращения вторичного засоления в условиях экстрааридного климата О.А.Э (1995), Бахрейна и Катара (2005). Проведенные в соавторстве методические разработки, в частности метод равновесного центрифугирования для определения ОГХ и функции влагопроводности почв, активно используются в учебно-образовательном процессе на ф-те почвоведения МГУ. Защищаемые положения:

СПГ является высокоэффективным средством искусственной оптимизации физического состояния почв легкого гранулометрического состава и его применение в небольших рабочих дозах (0,1-0,2% от массы вмещающего материала) позволяет повысить водоудерживающую способность песчаных и супесчаных почв до уровня, свойственного оструктуренным суглинкам;

- способность СПГ к набуханию в поровом пространстве почв ограничено действием ряда факторов со стороны твердой и жидкой фаз и уменьшается со временем при биодеструкции полимера, в связи с чем на практике целесообразно первичное внесение СПГ в частично набухшем состоянии и последующие периодические добавки в растворенном виде с поливными водами. слоистый способ размещения органических материалов в грубодисперсных субстратах предпочтительнее чем смешивание, поскольку в этом случае на фоне увеличения водоудерживающей способности резко сокращаются инфильтрационные потери влаги вглубь почвенно-грунтовой толщи и создаются условия защиты коренобитаемого слоя от вторичного засоления.

Апробация работы, гранты и публикации:

Основные положения и результаты исследования были доложены и представлены в виде постерных сообщений на на II Всесоюзном совещании «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства» в Звенигороде (1991), съезде РОП в Санкт-Петербурге

1996), конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» в МГУ (2003), двух конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» в Яльчике (2005 и 2006 гг.), научно-методическом симпозиуме по российско-арабскому проекту «Arid Grow» в Бахрейне (2007) и на ряде других научных форумов отечественного и международного уровней. Работа прошла апробацию на кафедре физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ.

Исследования неоднократно поддерживались грантами РФФИ (проекты 99-04-48509, 02-04-48087, 05-04-48456), а в настоящее время - Федеральной Программой фундаментальных исследований ОБН РАН «Биологические ресурсы России» (проект «Экологическая оценка и технологии оптимизации биоресурсыого потенциала почв легкого гранулометрического состава»).

По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая коллективную монографию и 7 научных статей в рецензируемых журналах и сборниках:

1. Тюгай З.Н., Садовникова Н.Б. О возможности повышения водоудерживающей способности песчаных почв с помощью сильнонабухающих полимерных гидрогелей // Тез. докл II Вс. совещ. «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства». Звенигород, 1991. С.27.

2. Садовникова Н.Б. Влияние СПГ на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава // Сб. Тез. докл. конференции молодых ученых ф-та почвоведения МГУ «Современные проблемы почвоведения и экологии». М-Красновидово, 1994. С.92.

3. Смагин А.В. Садовникова Н.Б. Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на водоудерживающую способность легких почв // Почвоведение, 1994, №11.С.50-55.

4. Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Смирнов Г.В. Использование центрифугирования для определения потенциала влаги в почвах легкого гранулометрического состава //Сб. Тез. докл. II Съезда почвоведов России. Санкт-Петербург, 1996, кн.1, с. 110-111.

5. Смагин А.В., Садовникова И.Б., Мизури Маауиа Бен-Али. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования // Почвоведение, 1998, №11. С.1362-1370.

6. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М. МГУ. 1999, 48с.

7. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В., и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М. МГУ. 2001, 120с.

8. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. Влияние органического вещества на ОГХ почв // Сб. Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации М.: МГУ, 2003 С. 115-118.

9. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В., Кирюшова А.Б., Машика А.В., Еремина A.M. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв //Почвоведение, 2004, №3. С. 1-10.

11. Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Использование сильнонабухающих полимерных гидрогелей в почвенном конструировании // Сб. Тез. XII Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2005. Иошкар-Ола-Уфа-Казань-Москва. 2005. С.185.

12. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Глаголев М.В., Кириченко А.В. Новые инсгрухментальные методы и портативные электронные средства контроля экологического состояния почв и сопредельных сред // Экологический. Вестник Сев. Кавказа, 2006 т.2 №1. С.5-16

13. Smagin A.V., Sadovnikova N.B. Soil constructions and technologies for stable effective farming under arid conditions // Abstr. of 18-th Wjrld Congress of Soil Science, 2006 -Philadelphia, Pennsylvania, USA v.3, p. 75.

14. Smagin A.V., Sadovnikova N.B. Application of Organogenic Materials in Soil-Landscape construction Proc. of the Second Int. Symposium on Technology of Sustainable Irrigation Farming «Arid Grow» in 2007. The Kingdom of Bahrain, Manama: ISPC UNEPCOM 2007, P. 5-15.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, приложения и списка литературы содержащего 122 источника. Работа изложена на 170 страницах формата А4, содержит 44 рисунка и 8 таблиц.

Благодарности:

Автор с глубокой благодарностью вспоминает своего первого научного руководителя, профессора А.Д. Воронина, безвременно ушедшего из жизни и вложившего много творческих сил в становление и развитие данной работы. Неоценимую помощь в подготовке работы и доведении ее до завершения оказали второй руководитель - доцент А.С. Манучаров и с.н.с З.Н. Тюгай. Особую признательность автор выражает своему мужу и единомышленнику - профессору А.В. Смагину за неизменную помощь в получении экспериментального материала диссертации, его математической обработке и подготовке публикаций в рамках совместных исследований по грантам РФФИ и проекту «Биоресурсы России» под его руководством. Сердечную благодарность хочется выразить друзьям и коллегам по кафедре физики и мелиорации почв А.В. Кириченко, Н.И. Петровой, Е.М. Шевченко, А.Б. Умаровой, А.В. Дембовецкому за профессиональную и товарищескую поддержку, а также руководству кафедры и ее старшему составу в лице профессоров Е.В. Шеина, И.И. Судницина, Ф.Р. Зайдельмана, JI.0 Карпачевского, А.С. Никифоровой, доцента Л.Ф. Смирновой за неизменную доброжелательность, ценные советы и критические замечания, высказанные в процессе подготовки и предварительной экспертизы диссертации.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Садовникова, Надежда Борисовна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. На идеальных физических объектах - почвах легкого гранулометрического состава с использованием современных инструментальных методов исследовано влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на водоудерживающую способность, влагопроводность и структурную организацию порового пространства почв. СПГ являются высокоэффективными синтетическими кондиционерами нового поколения, перспективными для использования в современных технологиях почвенного конструирования.

2. Концентрации 0,1-0,2% СПГ достоверно повышают водоудерживающую способность грубодисперсных субстратов, доводя ее до уровня природных супесей и суглинков. При этом закономерно возрастают (до 23 раз и более) величины влагоемкостей (ПВ, KB, НВ, ММВ), диапазона доступной влаги, количества тонких макропор и мезопор.

3. ОГХ композиций легких почв с гидрогелем удовлетворяют правилу аддитивности термодинамических потенциалов почвенной влаги, что позволяет осуществлять прогноз воздействия той или иной дозы СПГ (0,05-0,2%) на ОГХ посредством простой модели на основе функции Ван-Генухтена для каркасного потенциала минерального субстрата и фундаментального уравнения молекулярной составляющей потенциала набухания СПГ.

4. Дозы СПГ 0,1-0,2% закономерно снижают коэффициент фильтрации и гидравлическую проводимость песчаных почв в состоянии, близком к насыщению и, вместе с тем, увеличивают влагопроводность в ненасыщенном состоянии для капиллярной и пленочной влаги. Эффективен слоистый способ размещения геля и органоминеральных смесей на его основе в грубодисперсных почвах, позволяющий на 1-2 порядка снизить фильтрацию и непродуктивные потери влаги.

5. Помимо сокращения инфильтрационных потерь, в слоистых органоминеральных почвенных конструкциях с грубодисперсными экранами удается прекратить капиллярное рассасывание влаги вглубь почвы и обратный подъем легкорастворимых солей к ее поверхности, что создает наряду с аккумуляцией влаги надежную защиту от вторичного засоления.

6. Набухание слабо-сшитых СПГ в жестком поровом пространстве грубодисперсных почв ограничено, поэтому на практике целесообразно вносить СПГ не в сухом, а в частично набухшем состоянии, что одновременно с приростом влагоемкости позволяет достичь более равномерного распределения кондиционера в почве.

7. Эффект оптимизации водоудерживающей способности и физического состояния почв от СПГ снижается по мере их биодеструкции как достаточно податливых к разложению (периоды полураспада 0,5-3 года) органических веществ. В аридных условиях при повышенных температурах почвы (30-40°С) за летний сезон может минерализоваться до 40% СПГ.

8. Вместе с тем потери СПГ как гидрофильного вещества при промывках почвы не превышают первых процентов, благодаря высокой вязкости растворов СПГ и кольматации пор набухшими частицами. Обоснован технологичный способ внесения СПГ и периодического пополнения его потерь при микробном разложении посредством добавок в поливные воды с концентрацией порядка 0,25г/л.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Садовникова, Надежда Борисовна, Москва

1. Абросимова Л.Н. Влияние искусственной структуры на водно-физические условия в почве и урожай растений // Бюлл. н/техн. инф. по агрон. физике, 1960, №7. С. 21-27.

2. Аксенов А.В. Физико-механические свойства почв и энергетическое состояние почвенной влаги. Автореф. дисс. канд. биол. наук. М. 2003. 24с.

3. Алексеев Р.П. Пути повышения эффективности полиакриламида на многонатриевом солонце // Научн. тр. Омского с/х ин-та, 1974, вып. 125. С. 38-51.

4. Антропогенная эволюция черноземов. Воронеж. 2000. 412 с.

5. Амирасланов К.З., Алиев Ч.А., Ковдышева Л.В. Опыт применения некоторых полимерных препаратов в борьбе с ветровой эрозией почв на Апшероне // Вестн. с./х науки, 1973, №6. С. 31-35.

6. Афлятдинов Ф.А. Опыт применения нэрозина для закрепления и заращивания барханных песков на трассе газопровода Бухара-Урал." Волгоград: ВНИАЛМИ, 1970. 30с.

7. Безуглова О.С. Удобрения и стимуляторы роста. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. 320 с.

8. Березин П.Н. Структурно-функциональные и гидрофизические свойства набухающих почв // Современные физические и химические методы исследования почв. М.МГУ, 1987. С.20-46.

9. Березин П. Н., Воронин А. Д., Шеин Е. В. Основные параметры и методы количественной оценки почвенной структуры // Почвоведение. 1985. № 10. С. 16-24.

10. Бондарев А.Г. Теоретические основы и практика оптимизации физических условий и плодородия почв // Почвоведение, 1994, №11. С.35-42.

11. Вершинин П.В., Константинова В.П. Физико-химические основы искусственной структуры почв. М.: Сельхозгиз, 1935. 180с.

12. Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. M-JL: 1958., 186с.

13. Возможности современных и будущих фундаментальных исследований в почвоведении М.: ГЕОС. 2000, 135 с.

14. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: МГУ, 198. 217с.

15. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: МГУ, 1984. 204 с.

16. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: МГУ, 1986. 244с.

17. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв. // Почвоведение, 1990, №5. С. 7-19 .

18. Габай B.C. Полиакриламид и закрепление подвижных песков // Вестн. с./х науки, 1965, №7. С. 10-16.

19. Гедройц К.К. Избранные сочинения, М.: Сельхозгиз, 1955.

20. Глобус A.M. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 428с.

21. Гуссак В.Б. Влияние гуминовых и полимерных препаратов на физические свойства почвы. // Сб. «Гуминовые и полимерные препараты в сельском хозяйстве» Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1961. С.52-76.

22. Дилкова Р. Продолжителност на ефекта от изкуствено острутуряване на излужена чернозем-смолница // Почвознание и агрохимия 1975, вып. 10, №4. С. 13-23.

23. Дубровский С.А., Афанасьева М.В., Лагутина М.А., Казанский К.С. Измерение набухания слабосшитых гидрогелей // ВМС, 1990, т.32. С. 165-170.

24. Дюшофур Ф. Основы почвоведения М. Прогресс. 1970. 592с.

25. Ефимов В.Н. Торфяные почвы М.: РОССЕЛЬХОЗИЗДАТ. 1980. 120с.

26. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв М.: МГУ,1987. 304с.

27. Зайдельман Ф.Р., Шваров А.П., Батраков А.С. Изменение физических свойств осушенных торфяных почв после внгесения песка разными способами //Почвоведение, 2005, №2. С. 218-231.

28. Захаров Н.Г. Новый способ закрепления подвижных песков М.: Сельхозгиз, 1954. 144с.

29. Иванов А.П. О механизме фиксации подвижной песчаной поверхности нефтепродуктами // Проблемы освоения пустынь, 1967. №2. 42с.

30. Инструкция «Критерии опасных гидрометеорологических явлений и порядок подачи штормового сообщения» РД 52.04.563-2002.

31. Иоффе А.Я. К теории силового поля при центробежном моделировании //Журн. теорет. физики. 1934 T.IV. Вып.8

32. Казанский К.С., Ракова Г.В., Ениколопов Н.С. Сильнонабухающие полимерные гидрогели как влагоудерживающие почвенные добавки // сб. «Природные ресурсы пустынь и их освоение» Ашхабад: Изд-во «Ылым», 1986. С.147-148.

33. Качинский Н.А. Проблема использования ВМС для оструктуривания почв // Вестн. Моск. Ун-та, 1962. Сер. VI, №4. С. 3-23.

34. Качинский Н.А., Мосолова А.И., Таймуразова Л.Х. Использование полимеров для оструктуривания почв // Почвоведение, 1967. №12. С. 98106.

35. Кин Б.А. Физические свойства почвы. Л-М.: ГТТИ, 1933. 264с.

36. Кирюшин В.И., Ганжара Н.Ф., Кауричев И.С., Орлов Д.С., Титлянова А.А., Фокин А.Д. Концепция оптимизации режима органического вещества в почвах и агроландшафтах. М.: МСХА. 1993. 98с.

37. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М.: Наука. 1985. 263с.

38. Кузнецова И.В. Роль органического вещества в образовании водопрочной структуры дерново-подзолистых почв. // Почвоведение, 1994, №11. С.31-41.

39. Куценко Е.В. Применение поликомплексов для закрепления подвижных песков и борьбы с дефляцией легких почв // Вестн. МГУ, сер. 17, почвоведение, 1981, №2. С.58-61.

40. Лагутина М.А, Дубровский С.А. Казанский К.С. Набухание полиэлектролитных гидрогелей в условиях пространственных ограничений //ВМС, 1995. Т.37. С. 528-532.

41. Лагутина М.А. Давление набухания слабосшитых полимерных гидрогелей. Автореф. дисс. канд. физ-мат. наук. М. 1996. 22с.

42. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.: Изд-во АН СССР, 1936. 316с.

43. Манучаров А.С., Абрукова В.В, Черноморченко Н.И. Методы и основы реологии в почвоведении. М.: МГУ, 1990. 98с.

44. Маслеикова Г.Л. О механизме искусственного структурообразования // Почвоведение, 1961, №11. С. 31-36.

45. Мироненко Е.В., Салимгареева О.А., Понизовский А.А., Чудинова С.М. Влияние гидрофобных жидкостей на водоудерживание и энергетическое состояние воды в почвах // Почвоведение, 2000, №4. С. 463-470.

46. Михайлина В.И. Меры борьбы с ветровой эрозией в США // Растениеводство, 1973, №6. С.31-38.

47. Мищенко А.А., Бреус И.П., Неклюдов С.А., Бреус В.А. Сорбционное взаимодействие экзогенных углеводородов с компонентами почвенно-растительных систем // Доклады РАСХН, 2003, №6. С. 16-19.

48. Мосолова А.И., Уткаева В.Ф. Длительность действия полимерных препаратов при закреплении почвогрунтов применительно к засыпкам дренажных траншей// Вестн. МГУ, сер. 17, почвоведение, 1977, №2. С.31-35.

49. Мосолова А.И. Влияние полимеров на структуру дерново-подзолистых почв и урожай сельскохозяйстивенных культур // Почвоведение, 1970, №9. С.54-64.

50. Мосолова А.И. Опыт искусственного оструктуривания почвы с помощью полимеров // Вестн. Моск. Ун-та, 1964. Сер. VI. №2. С. 15-24.

51. Нурыев Б.Н., Мирошник JI.C., Дубровский С.А., Казанский К.С. Факторы, определяющие влагоемкость Каракумского песка под влиянием гидрогелей. Ашхабад:Изд-во «Ылым», 1986. 62с.

52. Онищенко В.Г. Влияние органического вещества на влагопроводность почв // Тез. докл. II Съезда РОП, Санкт-Петербург, 1996, кн. 1.С.99.

53. Паганяс К.С. Искусственная структура, функциональные свойства и урожай хлопчатника. Ташкент: ФАН. Уз.ССР, 1972. 365с.

54. Пакшина С.М., Есафова Е.Н., Сапожников П.М., Матрошилов Ю.А. Влияние гидрофобных прослоек на испарение воды и перенос солей в южном черноземе // Вестн. МГУ, сер. 17, почвоведение, 1981, №2. С.46-50.

55. Петров В.И., Рогачев В.П. Опыт и перспективы применения сильнонабухающих полимерных гидрогелей (СПГ) в аридной зоне // Тез. докл II Вс. совещ. «Биологически активные полимеры и полимерные реагенты для растениеводства». Звенигород, 1991. С.34.

56. Растворова О.Г., Романов О.В., Макарова H.JI. Изменение физических свойств почв при их экспериментальной дегумификации // Тез Вс. съезда почвоведов. Новосибирск. 1989. кн.1 с. 112.

57. Ревут И.Б., Ионавикус А.А., Масленкова Г.Л., О некоторых направлениях примепнения полимеров в земледелии // Сб. тр. агрон. физики. 1969, №19. С. 95-103

58. Ревут И.Б., Масленкова Г.Л., Романов И.А. Химические способы воздействия на испарение и эрозию почвы. Л.:Гидрометеоиздат, 1973. 150с.

59. Романов И.А. Применение полиакриламида для улучшения физических свойств почвы // Бюлл. НТИ по агроном, физике, 1960, вып. 8-9. С. 7478.

60. Садовникова Н.Б. Влияние СПГ на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава // Сб. Тез. докл. конференции молодых ученых ф-та почвоведения МГУ «Современные проблемы почвоведения и экологии». М-Красновидово, 1994. С.92.

61. Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Смирнов Г.В. Использование центрифугирования для определения потенциала влаги в почвах легкого гранулометрического состава //Сб. Тез. докл. II Съезда почвоведов России. Санкт-Петербург, 1996, кн.1, с. 110-111

62. Садовникова Н.Б., Смагин А.В., Использование сильнонабухающих полимерных гидрогелей в почвенном конструировании // Сб. Тез. XII Всеросс. конф. «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2005. Иошкар-Ола-Уфа-Казань-Москва. 2005. С.185.

63. Сапожников П.М. Связь набухания некоторых типов почв с категориями удельной поверхности и энергетикой почвенной влаги // Почвоведение, 1985, №3. С.40-45.г

64. Сапожников П.М. Физические параметры плодородия почв при антропогенных воздействиях. Автореф. дисс. д-ра с/х. наук. М. 1994. 48с.

65. Сапожников П.М., Уткаева В.Ф., Васенев И.И. Оценка изменения физических свойств черноземов при орошении // Почвоведение, 1992, №11. С.43-54.

66. Смагин А.В. Агрегатный уровень организации песчаных почв сосновых БГЦ // Почвоведение, 1993, №6. С. 16-23.

67. Смагин А.В. Теория и методы оценки физического состояния почв. // Почвоведение №3, 2003. с.328-341.

68. Смагин А.В. Почвенно-гидрологические константы: физический смысл и количественная оценка на базе равновесного центрифугирования // Роль почв в биосфере. Тр. Ин-та экологического почвоведения МГУ. Вып. 6. 2005. С. 37-63.

69. Смагин А.В. Рукотворные почвы аридных регионов // ж. Наука в России, №6, 2006. С. 53-58.

70. Смагин А.В. Экспериментальная оценка энергетических показателей молекулярных взаимодействий в почвах // Коллоидн. журн., 2008, т.70, №4. С.515-519.

71. Смагин А.В. Садовникова Н.Б. Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на водоудерживающую способность легких почв // Почвоведение, 1994, №11.С.50-55.

72. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Мизури Маауиа Бен-Али. Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования//Почвоведение, 1998, №11. С.1362-1370.

73. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М.: МГУ, 1999. 48с.

74. Смагин А.В., Губер А.К., Шеин Е.В., Мунир Гайз. Разработка почвенных конструкций и режимов орошения озеленяемых городских ландшафтов в условиях аридного климата // в сб. «Деградация почв и опустынивание» М.: МГУ, 1999. С. 470-482.

75. Смагин А.В., Садовникова Н.Б, Смагина М.В., Глаголев М.В. и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М.: МГУ, 2001. 120с.

76. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. Влияние органического вещества на ОГХ почв // Сб. Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации М.: МГУ, 2003 С. 115-118

77. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В., Кирюшова А.Б., Машика А.В., Еремина A.M. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв // Почвоведение, 2004, №3 С.1-10.

78. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Глаголев М.В., Кириченко А.В. Новые инструментальные методы и портативные электронные средства контроля экологического состояния почв и сопредельных сред // Экологический. Вестник Сев. Кавказа, 2006 т.2 №1. С.5-16.

79. Смагин А.В., Смагина М.В., Садовникова Н.Б. Методологические аспекты оценки биологической активности лесных грубодисперсных почв в условиях антропогенной нагрузки. // Экологический Вестник Сев. Кавказа, 2007, т.З, №2. С.72-88.

80. Смагин А.В., Шоба С.А., Макаров О.А. Экологическая оценка почвенных ресурсов и технологии их воспроизводства (на примере г.Москвы). М.: Изд-во МГУ, 2008. 360с.

81. Смагин А.В., Хакимова Г.М., Хинеева Д.А., Садовникова Н.Б. Гравитационный фактор формирования наименьшей и капиллярной влагоемкости в почвах и слоистых почвенных конструкциях // Почвоведение, 2008, №11. С.60-69.

82. Сорокина Н.П., Когут Б.М. Динамика содержания гумуса в пахотных черноземах и подходы к ее описанию // Почвоведение, 1992, №2. С. 178184.

83. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М.: МГУ, 1979. 254с.

84. Судницын И.И. Экологическая гидрофизика почв. М.: МГУ, 1995. 80 с.

85. Судницын И.И., Зайцева Р.И. О методах определения зависимости давления почвенной влаги от влажности // Вестн. МГУ, сер. 17, 1993, №2. С. 18-24.

86. Теории и методы физики почв Тула: Гриф и К, 2007, 660с.

87. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1989. 464с.

88. Хан. Д.В. Органо-минеральные соединения и структура почвы. М.: Наука, 1969. 142 с.

89. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432с.

90. Шеин Е.В., Гудима И.И. Методические подходы к эколого-агрофизической оценке орошаемых почв // Почвоведение. 1990. №5 С. 86-94.

91. Шеин Е.В., Дембовецкий А.В., Губер А.К. Педотрансфункции: получение, обоснование, использование // Почвоведение, 1999, №11. С.1323-1331.

92. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов. //Почвоведение, 2003, №1. С.53-61

93. Al-Darby A.M. The Hydraulic Properties of a Sandy Soil Treated with Gel-forming Soil Conditioner// Soil Technology, 1996, v.9 (1-2).P. 15-28.

94. Azzam R. Tailoring Polymeric Gels for Soil Reclamation and Hydroponics // Commun/ in Soil Sci. Plamt Anal. 1985, vol.16, №10. P.l 123-1138.

95. Barcroft A. Superabsorbents improve Plant Survival // World crops, 1984, №1-2. P. 7-10.102. de Boodt M. Increasing production through efficient use of soil water in arid zones //Trans. 13 Congr. Int. Soc. Soil Sci., Hamburg, 1986, v.2. P.30.

96. Bridges E.M., Batjes N.H. Soil gaseous emissions and global climate change //Geography, 1996, V.81(2). P. 155-169.

97. Campbell G.S. Soil Physics with BASIC. Elsevier Sci., 1985. 268 p.

98. E1-Haddy O.A., Tayel M.Y. The potentiality for increasing plant available water in sandy soils using PAM-G2 // Egypt J. Soil Sci., 1983, v.23, №3. P. 243-257.

99. Emerson W.W. Synthetic soil conditioners // J. Agr. Sci. 1956, №1, v.47. P. 117-121.107. van Genuchten M.T. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Sci Soc. Am. J., 1980, v.44. P.892-898.

100. Gupta S.C., Larson W.E. Estimating soil water retention characteristics from particle size distribution, organic matter content, and bulk density // Water Resour. Res., 1979, v.15. P 1633-1635.

101. Holmes R.M., Toth S.J. Physico-chemical behavior of clay-conditioner complexes // Soil Sci., 1957, v.84, №6. P. 479-488.

102. John E.A. Sand dune erosion control at Provincetown, Massaschusets // J. Soil and Water Concerv. 1965, v.20, № 4. P. 189-191

103. Johnson M.S. Effect of Soluble Salts on Water Absorption by Gel-forming Soil Conditioners // J/ Sci. Food Agric., 1984, vol.35. P. 1063-1066.

104. Johnson M.S. The effects of Gel-forming Polyacrylamides on Moisture Storage in Sandy Soils // J. Sci. Food Agric. 1984, vol. 35. P. 1196-1200.

105. Kullman A., Benlcenstein H. Orgqnische Gele zur nachhaltigen Verbessering physikaliscer und physikalisch-chemischer Eigenschaften von Boden und Substraten//Arch. Gartenbau, 1987, vol.35, №6/H. P. 269-272.

106. Knobloch H. Styromull ein Filterstoff// Wasser und Boden, 1966, vol. 12, №18. P.415-418.

107. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media // Water Resour. Res., 1976, v. 12. P. 513-522.

108. Nielsen D.R., Don Kirkham, Phillips R.E. Synthetic soil conditioners in Iowa // Iowa Farm.Sci., 1959. vol. 13, №8. P.8-10.

109. Reda A., Azzam R. Radiation Preparation and Grafting of Ampholyte Acrilonitrile Base Terpolymer on Cellulosic Substrate for Soil Reclamation and Amelioration // 5-th Symp. on Radiation Chemistry, Cair, Egypt. 1982. P. 771-777.

110. Shirazi M.A., Boersma L., Hart J.W. A unifying quantitative analysis of soil texture//Soil Sci. of Am., 1998, V.52. P. 181-190.

111. Smagin A, Shoba S., Kinjaev R., Doljich A., Sukhanov V. Arid Grow-Ideal Soil System. M.- Manama: MSU-press, 2005. 144p.

112. Smagin A.V., Sadovnikova N.B. Soil constructions and technologies for stable effective fanning under arid conditions // Abstr. of 18-th World Congress of Soil Science, 2006 — Philadelphia, Pennsylvania, USA v.3, p. 75.

113. Tayel M.Y., El-Hady O.A. Soper Gel as a Soil Conditioner // Egypt. J. Soil. Sci. Spec.Issue. 1981. P.103-106.

114. Интернет сайты: www.idealsoil.com;www.colore.ru; www.greenhouse.ru; www.dachnilcam.ru; www.tsinao.chat.ru

Информация о работе

Садовникова, Надежда Борисовна
кандидата биологических наук
Москва, 2008
ВАК 06.01.03

Диссертация

Влияние сильнонабухающих полимерных гидрогелей на физическое состояние почв легкого гранулометрического состава - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы