Исследование промывки засоленных почв с использованием полимерной композиции «Биосолвент»

Введение

Засоление почвы является одним из серьёзных признаков деградации земель. По данным Международного института окружающей среды и развития (International Institute for Environment and Developmennt) и Института мировых ресурсов (World Resources Institute), около 10% поверхности континентов покрыто засоленными почвами [2].

Проблема засоления земель имеется во многих странах мира. Урожайность растений, особенно технических культур, резко снижается в засоленных почвах, а это требует соответствующих мелиоративных воздействий на почву [6].

Наиболее распространенным способом рассоления почвы является промывка ее на фоне дренажной сети. В связи с ограниченностью водных ресурсов Узбекистана, повышение эффективности промывок земель и поиск высокотехнологичных, наукоемких, ресурсосберегающих технологий рассоления почв, обеспечивающих сохранение плодородия почвы и увеличение урожайности сельхоз культур, являются актуальными.

В решении вопроса повышения эффективности промывок могут оказать помощь химические препараты, обладающие поверхностно-активными свойствами и способностью химического связывания труднорастворимых и токсичных для растения катионов (кальция, магния, натрия и др.) и анионов (хлора, сульфата, карбоната и других).

Для решения вышеизложенных проблем улучшения использования и рассоления засоленных земель, нами разработан отечественный препарат «Биосолвент» - полимерная композиция на основе ионогенного полимера и поверхностно-активного вещества, для промывки засоленных почв [1].

Цель исследования – определение влияния препарата «Биосолвент» на эффективность рассоления засоленных почв.

Полимерная композиция состоит из ионогенного полимера, обладающая поверхностно-активными свойствами, в состав которой входят полианионные олигомеры (ПАО), анионные ПАВ (аПАВ) и их эфиры с третичными аминами (ЭТА).

В состав композиции входит аПАВ - анионное поверхностно-активное вещество, обладает синергистическим эффектом и дает неожиданные результаты при использовании. Поверхностно-активное вещество обладает способностью снижать поверхностное натяжение водных растворов, оно помогает диспергировать соль и в комбинации с водой улучшает усвоение растениями микроэлементов и питательных веществ, что приводит к быстрому укоренению корней и повышению урожайности растений, что является большим преимуществом.

Опыты проведены на почвенных насыпных колонках, т.е. путем физического моделирования процесса промывки.

Всего проведено 2 опыта на 16 колонках с насыпными почвами (Опыт 1 и Опыт 2), различающихся объемами подаваемой воды на промывку (норма промывки) и степенью засоления почвы (Опыт 1- среднезасоленные, Опыт 2 - сильнозасоленные почвы)

Методика проведения опытов

Лабораторные опыты с использованием препарата «Биосолвент» были проведены на колонках, заполненных засоленной почвой. Для заполнения колонок почва была высушена, растёрта, просеяна через сито 2 мм и тщательно перемешана. Колонки установлены на ёмкости для сбора фильтратов. Дно колонки закрыто специальной сеткой, на которую слоем 10 см уложен фильтр (на больших колонках – двухслойный фильтр из гравия).

Опыт-1: - промывка засоленной почвы нормой 1000 м³/га; - диаметр насыпных почвенных колонок 15 см; толщина слоя почвы – 15 см. Повторность опыта трёхкратная.

Варианты опыта 1:

-К₁ – промывка почвы дистиллированной водой (Контроль);

-Р-1- промывка дистиллированной водой с добавлением «Биосолвента» в концентрации 2 % (10 мл препарата на 500 мл воды);

-Р-2 - промывка дистиллированной водой с добавлением «Биосолвента» в концентрации 10 % (50 мл на 500 мл воды).

Опыт-2: - промывка нормой 500 м³/га; - диаметр насыпных почвенных колонок 25 см, толщина слоя почвы - 25 см. Повторность опыта двукратная

Варианты опыта 2:

-К₂ - промывка почвы дистиллированной водой (Контроль);

-Вариант Р2₁ - промывка дистиллированной водой с добавлением «Биосолвента» в концентрации 0,5% (2,5 мл препарата на 500 мл дистиллированной воды);

-Вариант Р2₂ - промывка дистиллированной водой с добавлением «Биосолвента» в концентрации 1 % (5 мл препарата на 500 мл воды);

-Вариант Р2₃ - промывка дистиллированной водой с добавлением «Биосолвента» в концентрации 2 % (10 мл препарата на 500 мл воды).

В процессе опытов проводили определение объёмов и исследование химического состава фильтратов, наблюдали за влажностью почвы. Выполнены химические, агрохимические анализы почвы до и после промывки.

Все анализы выполнены по общепринятой методике [3].

Определение показателей засоленности и анализ содержания растворимых ионов в почве выполнены в водной вытяжке 1:5. Кроме того, для определения засоленности почв проведены измерения электрической проводимости почвенных суспензий при соотношении объёмов почва: вода 1:1 (ЕС 1:1). Измерения проводили в dS/m (децисименс на метр) элекрокондуктометром, имеющим электрод с температурным компенсатором [4;5].

Результаты исследований

В таблицах 1, 2 приводятся результаты анализов почв и растворов в исходном состоянии по двум опытам. Данные средние из трех параллельных измерений (повторностей).

Характеристика и химический состав почвы, используемой в опытах 1 и 2

Таблица 2.

Характеристика и химический состав растворов, используемых в опытах 1 и 2

Почва опытов в исходном состоянии опыта 1 при оценке по ЕС относится к средней степени засоления, в опыте 2 - к сильной степени засоления, а по содержанию общего количества солей (плотный остаток) - засоление почти одинаковое. Отличия состоят в более высоком содержании кальция в опыте 1 и более высоком содержании хлора и магния в опыте 2 (табл.1).

Препарат «Биосолвент» в разведённом состоянии до 2 % содержит 1,56 г/л солей, а до 10 % - 2,68 г/л солей.

Растворы, применяемые в опытах, имели кислую pH среду: рН «Биосолвента» в разведённом состоянии до 2 % составлял 2,3, а 10 % раствор имел pH 1,9.

Содержание хлор - иона было незначительным во всех растворах 0,04-0,06 г/л, а магний – отсутствует. При анализах было установлено наличие органического вещества.

В таблице 3 приведены данные влияния препарата «Биосолвент» на вымывание солей из почвы (по содержанию солей в фильтратах).

Химический состав фильтратов в вариантах опыта 1

Таблица 4.

Сравнение воздействия препаратов на различие содержания ионов в фильтратах

Влияние препарата «Биосолвент» на вымыв солей (на основе данных по фильтратам) показано в таблицах 3 - 5 и на рисунке 1.

Под влиянием промывки засоленной почвы дистиллированной водой с добавлением препарата «Биосолвент» в Опыте 1 установлено следующее:

1. Испытанный препарат «Биосолвент» в разведённом состоянии до 2 % содержит 1,56 г/л солей, а до 10 % -2,68 г/л солей.
2. Растворы, применяемые в опытах, имели кислую среду. pH «Биосолвента» в разведённом состоянии до 2 % составлял 2,3, а 10 % раствор имел pH 1,9.
3. Содержание хлор - иона было незначительным во всех растворах 0,04-0,06 г/л, а магний – отсутствовал вообще.

4.В фильтратах, образовавшихся в результате промывок, общее содержание солей следующее:

- на контрольном варианте - 5,763 г/л;

-на варианте промывки с использованием 2 % «Биосолвента» - 7,740 г/л;

-на варианте промывки почвы 10 % раствором «Биосолвента» общая концентрация фильтрата составила 23,431 г/л.

1. В вариантах с применением «Биосолвента» содержание ионов кальция, магния, натрия и калия в фильтратах выше, чем на контрольном варианте, хотя в самих препаратах их количество невелико (таблица 2).
2. Во всех фильтратах показатель pH был близок к нейтральному (pH=7,1 7,2), и лишь в варианте 10 % концентрации раствора «Биосолвент» фильтрат имел pH=6,2. Этот фильтрат также имеет наивысшее значение электропроводности ЕС=10,5 dS/m (таблица 5).

Данные гипотетического состава солей в фильтратах (табл.4, рисунок 1) подтверждают предположение, что «кислые» препараты в основном содействовали вымыву солей CaSO₄ и MgSO₄. При этом концентрация CaSO₄ в фильтратах возрастает: от1,3 г/л - на контрольном варианте, до 21,5 г/л - на варианте с 10 % раствором «Биосолвента». Концентрация MgSO₄ в фильтрате также увеличивается с 3,41 г/л на контроле, до 8,51 г/л - на варианте с 10 % раствором «Биосолвент» (таблица 4).

На рисунке 1 показано, что в фильтратах присутствовали токсичные соли, содержание которых ранжируется в таком порядке:

MgSO₄>NaCl> MgCl₂, а из труднорастворимых (нетоксичных) солей в фильтратах преобладала соль CaSO₄.

Рисунок 1. Сравнение содержания гипотетических солей в фильтратах вариантов и контроля (промывка с применением «Биосолвента» в концентрациях 2 %Р-1 и 10 %Р-2)

Таким образом, по химическому составу, электро­проводности и содержанию солей в полученных при промывке фильтратов видно рассоляющее воздействие «Биосолвента» на почвы.

Анализ почвы после промывки показал, что общее содержание солей (плотный остаток), электропроводность насыщенного почвенного экстракта (ЕСе) и по всем ионам на вариантах с применением «Биолсолвента» выше, чем на контроле. По магнию, на варианте (P-1) «Биосолвент» в концентрации 2 % оказался более эффективен, а по натрию «Биосолвент» в концентрации 10 % показал чуть больший вымыв иона натрия, чем на контроле (таблица 5).

Изменение pH, ЕС и химического состава почвы после 1 полива/промывки нормой 500 м³/га (Опыт 2)

Под влиянием промывки нормой 500 м³/га ЕСе в контрольном варианте снизилась до 3,75 dS/m (на 62 %), это наибольшее снижение ЕС из всех вариантов опыта, а в остальных вариантах ЕС после полива составляла около 4 dS/m, то есть почва стала слабозасолённой. Изменение содержания отдельных ионов в почве под влиянием промывки нормой 500 м³/га в целом соответствует известным закономер­ностям вымыва солей при промывке. Применение препарата с концентрацией более 1% повышает щёлочность почвы. В опыте отмечено увеличение HCO₃ в варианте Р_1% на 17 % и 33 % на варианте Р_2%. Наилучший результат по снижению исходного содержания получен для хлор-иона. По вариантам опыта, его снижение от исходного составило 75- 83 % (закономерность вымыва хлора в зависимости от концентрации «Биосолвента» не доказана, так как отклонения в вариантах составляют ± 4 %).

Содержание SO₄^2- во всех вариантах после первого полива уменьшилось, на варианте Р_0,5% на 23 %, а в остальных вариантах изменения не столь существенны.

Содержание кальция после промывки увели­чилось на всех вариантах опыта. Максимальное увеличение этого иона замечено в варианте Р_2% (150%), а наименьшее (94 %) - на контроле и в варианте Р_0,5%. То есть «Биосолвент» активизирует обменные реакции между твердой фазой и почвенным раствором.

Магний (Mg) хорошо вымылся из почвы при промывке нормой 500 м³/га: максимально (-80 %) в вариантах Р_1% и Р_2%, -73 % - на контроле, -71,7 и -67,5 на варианте Р_0,5%, на вариантах с “Биосолвентом”, при концентрации его в 1 и 2 %, вымыв Mg превысил таковое на контроле, более чем на 8 %. То есть, для данного препарата общий эффект рассоления почвы по магнию высокий, как при концентрации 0,5 %, так и 2 %,

Натрий (Na). Исходное содержание 0,07 % от массы, после промывки нормой 500 м³/га лучше всего он вымылся на варианте Контроль. При применении «Биосолвента» лучший результат был получен при концентрации его 0,05 % (61 %), при 1 % концентрации - вымыто 57,1 % натрия, а при 2 % концентрации -51,4%. То есть, чем выше концен­трация «Биосолвента», тем меньше вымыв натрия.

Калий (К). Исходное содержание 0,008% от массы, после промывки нормой 500 м³/га только на варианте при концентрации «Биосолвента» 0,05 % произошло уменьшение его концентрации на 19 %. В остальных вариантах его изменения несущественны (± 6%),

Таким образом, предварительный вывод состоит в том, что возможно «Биосолвент» способен уменьшать процессы реставрации засоленности почвы. При концентрации «Биосолвента» 2 % прирост натрия был наименьшим – 0,04 %. Так, если на контрольном варианте опыта 2, реставрация содержания магния в опыте 2 составила почти 50 %, то на вариантах с полимером, до 30 % и менее.

Заключение

В результате лабораторных опытов по моделированию промывки сильнозасоленных почв на колонках с испытанием препарата «Биосолвент» в концентрации от 0,5 до 10 % (при норме промывки от 500 до 1000 м³/га) установлено следующее:

1. По данным фильтратов, промывка почвы в насыпных колонках показала, что препарат «Биосолвент» выносит из сильнозасолённой почвы значительно большее количество солей,чем дистиллированная вода и тем большее, чем выше его концентрация. Более высокое содержание иона в фильтрате свидетельство более эффективной промывки почвы от солей.
2. Повышение концентрации «Биосолвента» при промывке способствует большему вымыву двухвалентных катионов Са и Mg и увеличению щёлочности почвы (и фильтратов).
3. По данным сравнения анализов водной вытяжки из почвы до и после промывки, эффект увеличения вымыва солей отмечен только по магнию (в два раза), при использовании 2 % раствора «Биосолвент».
4. Определена оптимальная (достаточная) концентрация «Биосолвента», воздействующая на вымыв токсичных солей магния, которая составляет 2 %. При более высоких концентрациях «Биосолвент» увеличивает щелочность почвы после промывки и вымывает большое количество кальция. Оба эти явления нежелательны.
5. Судя по эффектам вымыва токсичного магния, данный полимерный препарат наиболее целесообразно применять в условиях магниевого засоления.