ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ВЛАГОЕМКОСТИ

АННОТАЦИЯ

В данном материале сообщается результаты исследования сорбционных характеристик образцов почв районов Южного Приаралья, также определение влагоемкости исследуемых образцов почв. Исследования сорбционных характеристик почв изучены эксикаторным методом. По полученным данным из расчетов по модели БЭТ можно увидеть, что емкость монослоя обоих образцов равна 0,426 и 0,377 моль/кг, удельная поверхность составляет 27,7, и 24,5 м²/г, соответственно, для образца 1 и для образца 2. Результаты определение влагоемкости показывают, что взятые с глубины слоя 30-60 см влажность почвы для образца 1 составляет 36 % и для образца 2 - 40 %. Для определения минералогического состава образцов проведены рентгенодифракционные анализы с помощью прибора Rigaku's MiniFlex 600 x-ray diffractometer, также проведены инфракрасно спектроскопические (ИК-Фурье, FT-IR) анализов образцов. По результатам анализов установлены, что анализируемые образцы почв содержат кварц, полевые шпаты, глинистые минералы.

ABSTRACT

This study presents advanced characterization of the sorption properties and water retention capacity of soil samples collected from the Southern Aral Sea region. The sorption behavior of the soils was investigated using the desiccator method, and quantitative analysis was performed based on the Brunauer–Emmett–Teller (BET) model. The calculated monolayer capacities for samples 1 and 2 were 0.426 and 0.377 mol/kg, respectively, while the corresponding specific surface areas were 27.7 and 24.5 m²/g. Water-holding capacity measurements, conducted at a depth of 30–60 cm, indicated moisture contents of 36% for sample 1 and 40% for sample 2. To elucidate the mineralogical composition of the soil samples, X-ray diffraction (XRD) analysis was carried out using a Rigaku MiniFlex 600 diffractometer. Additionally, Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy was employed to identify functional groups associated with key mineral phases. The combined analytical results confirmed the presence of quartz, feldspars, and clay minerals, indicating a complex mineralogical matrix that contributes to the observed sorption behavior.

Ключевые слова: почва, влагоемкость, изотерма адсорбции, сорбционные свойства, удельная поверхность почв, рентгенограмма, инфракрасные спектры.

Keywords: soil, water-holding capacity, adsorption isotherm, sorption properties, specific surface area of soils, X-ray diffractogram, infrared spectra.

Введение. В условиях глобального потепления, роста населения и дефицита пресной воды проблема рационального использования почвенных ресурсов приобретает особую актуальность. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), к 2050 году для обеспечения продовольственной безопасности мировому сельскому хозяйству потребуется увеличить производство на почти 70% [1]. При этом значительная часть потенциально пригодных земель расположена в зонах с дефицитом влаги и высокими показателями засоления.

Особо остро эта проблема стоит в Каракалпакстане, где свыше 70% сельскохозяйственных угодий характеризуются засушливыми условиями, слабой структурой почвы и высоким уровнем вторичного засоления [2]. Снижение уровня воды в Амударье и усыхание Аральского моря привели к ухудшению водного баланса региона и резкому падению продуктивности пахотных земель. Согласно оценкам Министерства сельского хозяйства Узбекистана, ежегодные потери урожая на орошаемых землях Каракалпакстана из-за деградации почв составляют до 30% [3]. В работе [4] сообщается, что во многих регионах одним из факторов развития процесса деградации почв является масштабное засоление почв в связи возросшей интенсивностью антропогенного воздействия на экосистемы. Масштабное засоление почв приводит к физической деградации земель и дальнейшему выводу их из оборота сельскохозяйственного производства.

Понимание специфики почв Каракалпакстана позволит разработать целенаправленные стратегии для борьбы с засолением и улучшения структуры почвы с использованием инновационных технологий и материалов [5].

На этом фоне особое значение приобретают исследования, направленные на улучшение влагоудерживающей способности и сорбционных характеристик почв. Эти свойства определяют способность почвы удерживать воду, необходимую для роста сельскохозяйственных культур, особенно в период вегетации. В засушливых зонах, где осадки малы и нерегулярны, а орошение осуществляется с ограничениями, оптимизация водного режима почвы становится критическим фактором в обеспечении устойчивого сельского хозяйства.

Сорбционные характеристики, включая влагоемкость, гигроскопичность и общую пористость, во многом определяются текстурой, структурой и минералогическим составом почвы. Современные подходы к исследованию этих параметров включают методы сорбции водяных паров, применение теории БЭТ, а также влияние органических добавок и поверхностно-активных веществ на структуру порового пространства [6, 7]. Эти методы позволяют количественно оценивать эффективность мелиорантов и разрабатывать стратегии повышения продуктивности почв в условиях дефицита воды.

Исходя из этого, изучение сорбционных характеристик почв и определение их влагоемкости является не только актуальной научной задачей, но и важнейшим звеном в решении проблемы устойчивого земледелия в условиях климатических вызовов, особенно для регионов, подобных Каракалпакстану.

Так учеными из Польши были проведены физико-химические исследования образцов почвы, взятой с глубины 0-20 см и показано, что анализ изотерм адсорбции влаги является наиболее эффективным и простым методом оценки адсорбционных свойств почвы [8]. В работе [9] исследованы влияние ряда органических веществ, которые существенно влияют на конкретную площадь поверхности и способность обмена катионами благодаря большой площади поверхности и многочисленным поверхностным функциональным группам, содержащим участки адсорбции для молекул водяного пара и ионов.

В исследовании [10] отмечено, одним из факторов, определяющих географическое распространение растений и продуктивность фитоценозов, является почвенная влага. Наименьшая полевая влагоемкость почвы (НВ) - количество воды, фактически удерживаемое почвой в природных условиях в состоянии равновесия, когда устранено испарение и дополнительный приток воды. По показателям НВ определяются запасы влаги в ней, рассчитываются нормы полива сельскохозяйственных культур. Отмечено также, что изменение НВ приводит к снижению содержания в почве аммонийного и нитратного азота. В работе авторов [11] указано, что НВ изменяется в различных почвах в довольно широких пределах: от 5 до 10% от массы у легких почв до 55% у некоторых тяжелых почв.

Целью данной работы является исследования сорбционных характеристик образцов почв районов Южного Приаралья, определение влагоемкости исследуемых образцов почв и их минералогического состава.

Материалы и методы исследования. Для исследования образцы проб засоленных почв отобраны из двух регионов с глубин 0-30, 30-50 и 50-70 см в стерильные контейнеры. Минералогический состав исследуемых образцов анализировался методом рентгенодифракции с использованием прибора Rigaku's MiniFlex 600 x-ray diffractometer с углом 2θ2\theta2θ (в градусах) и интенсивностью (cps). Для интерпретации использовалась база данных международного центра дифракционных данных (ICDD) и стандарты американского общества испытаний и материалов (ASTM) [12].

 Изотермы сорбции паров воды снимались эксикаторным методом при комнатной температуре. Расчеты определены по классической модели Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ). Анализ ИК-спектра образцов проведён методом отражения с полной внутренней рефлексией IQ-Fure spektrometr Spectrum Two (Perkin Elmer) в диапазоне 4000-400 см^-¹, который позволяет определять функциональные группы по положению и форме полос поглощения.

Влагоемкость почвы определены эксикаторным методом в лабораторных условиях. Для этого засыпали взвешенную воздушно-сухую почву в бюкс медленно добавляя воду до полной насыщенности, далее они были высушены при 105°C до постоянной массы. Рассчитаны по следующей формуле: W=m_влаж−m_сух/m_сух×100%.

Результаты и обсуждение. Результаты адсорбции паров воды исследуемыми образцами иллюстрированы на рисунке 1. По изотерме можно судить, что кривые образца 1, которые сначала резко повышаются от р/р_о=0,18 до р/р_о=0,46 относительного давления и далее интенсивно увеличиваются в области насыщения р/р_о=0,86-1,0, а в случае образца 2 кривые отображают схожую картину, но уже с наименьшими значениями сорбата.

Рисунок 1. Изотерма адсорбции паров воды образцами

По полученным данным сорбционных свойств пор рассчитанные по модели БЭТ определены, что емкость монослоя обоих образцов равна 0,426 и 0,377 моль/кг, удельная поверхность образца 1 немного выше и составляет 27,7, и 24,5 м²/г для образца 2. Общий объем пор обоих образцов почти одинаковы и соответственно, равны 0,033 и 0,032 см²/г.

Результаты определение влагоемкости показывают, что взятые с глубины слоя 30-60 см влажность почвы равнялись 36 % и 40 %, соответственно, для образца 1 и 2.

На рисунках 2 и 3 представлены ИК-спектры почвенных образцов, анализ которых для образцов 1 и 2 выявил наличие характерных полос поглощения, соответствующих функциональным группам, присущим карбонатам и гидроксидам. В полосах в области 3620-3700 см^-¹ наблюдаются слабые колебания, указывающие на наличие внутрикристаллических –OH-групп, типичных для глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит), широкая интенсивная полоса в районе 3400 см^-¹ обусловлена валентными колебаниями гидроксильных групп и адсорбированной воды, а также возможным присутствием гумусовых веществ. Полоса 1640 см^-¹ соответствует деформационным колебаниям H–O–H связей воды. В области 1420-1460 см^-¹ и 875 см^-¹ регистрируются колебания, характерные для карбонат-ионов, свидетельствующие о присутствии кальцита или других карбонатных минералов, широкая интенсивная полоса в районе 1000-1030 см^-¹ соответствует Si–O–Si и Al–O–Si колебаниям, типичным для силикатной матрицы (глинистых минералов), а низкочастотные полосы в области 470-520 см^-¹ связаны с деформационными колебаниями Al–O и Si–O.

Рисунок 2. Спектр инфракрасного поглощения образца 1

ИК-спектр образца 2 демонстрирует следующие полосы: 3620 см^-¹ - слабые узкие пики, соответствующие структурным –OH-группам минералов, 3400 см^-¹ -широкая полоса средней интенсивности, обусловленная –OH колебаниями воды и гумусовых остатков, 1640 см^-¹ - деформационные колебания воды (H–O–H), 875 см^-¹ - интенсивные полосы карбонат-ионов, характерные для засоленной почвы с накоплением солей.

Рисунок 3. ИК-спектр образца 2

Данные спектроскопии исследуемых образцов свидетельствуют о песчаном составе с примесями солей и ограниченным содержанием глинистых и органических компонентов.

Результаты рентгенодифракционного анализа показали наличие в исследуемых образцах характерных пиков, соответствующих силикатным минералам, таким как кварц, полевые шпаты, глины и др. и они обобщены в таблице 1.

Таблица 1.

Минералогический состав исследуемых образцов

Заключение. По результатам, анализа изотерм сорбции воды образцами почв установлено, что общий объем пор образца 1 и образца 2 равны 0,033 и 0,032 см²/г, соответственно. Емкость монослоя обоих образцов равна 0,426 и 0,377 моль/кг, удельная поверхность образца 1 немного выше и составляет 27,7 м²/г, а для образца 2 - 24,5 м²/г.

Также установлено, что влагоемкость почв взятые с глубины слоя 30-60 см равны 36 % и 40 %, соответственно, для образца 1 и 2.

Данные зафиксированные ИК-спектроскопического анализов образца 1 свидетельствуют о присутствии функциональных групп карбонатных минералов, гидроксильные группы и др. Широкие интенсивные полосы в районе 1000-1030 см^-¹ соответствуют, типичным для силикатной матрицы - глинистых минералов, а низкочастотные полосы в области 470-520 см^-¹ связаны с деформационными колебаниями Al–O и Si–O. Образец 2 демонстрирует слабые узкие пики, соответствующие структурным –OH-группам минералов,   также интенсивные полосы карбонат-ионов, характерные для засоленной почвы с накоплением солей.

Данные рентгенограммы определили, что образцы содержит больше глинистых минералов таких как каолинит, монтмориллонит, иллит, которые влияют на его водоудерживающую способность.

Список  литературы:

1. FAO. The Future of Food and Agriculture – Trends and Challenges. Rome. 2017.
2. Rakhimov R.I., Berdikulov R.B. Soil Salinization in the Aral Sea Region: Challenges and Solutions. Arid Ecosystems // 2022. Vol. 12(1), P. 15-25.
3. Министерство сельского хозяйства Республики Узбекистан. Отчет об агроэкологических рисках. 2023
4. Averyanov S.F. The Fight Against Salinization of Irrigated Lands // Kolos, Moscow. 1978
5. Abdikamalova A., Tanatarov O., Shamuratova M., Seitnazarova O., Allamuratova A. Study of the physical and chemical characteristics of soils in Karakalpakstan // I International Scientific and Practical Conference «Sustainable development of the environment and agriculture: green and environmental technologies» April 24-26, 2024. Ural State Agricultural University. P. 1-6.
6. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers // Journal Am. Chem. Soc., 1938
7. Яшин В.А., Мациевский М.Д. Физико-химические свойства почв. — М.: Агропромиздат. 1991. – С. 125-126
8. Skic K., Boguta P., Sokołowska Z. Characterization of sorption properties of selected soils from Lublin region by using water vapour adsorption method // EGU General Assembly. (held 17-22 April) Vienna Austria, 2016.
9. Skic K., Boguta P., Sokolowska Z. Analysis of the sorption properties of different soils using water vapour adsorption and potentiometric titration methods // International Agrophysics, Volume 30, Issue 3, pp.369-374. DOI:10.1515/intag-2015-0100  
10. Нестерова Л.Б. Кудрявцев А.Е., Кудрявцева Н.Ф. Влияние агротехнических приёмов обработки почвы на физические свойства почв и мобилизацию подвижных форм азота в условиях Алтайского Приобья // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2009. № 6 (56). С. 13-17.
11. Роде А.А. Избранные труды. Т. 3. Основы учения о почвенной влаге. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии. 2008. – С. 664
12. International centre for diffraction data. Comprehensive Mineral Collection. https://www.icdd.com/pdf-4-minerals/ (дата обращения: 12.05.2025)