ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 2, с. 197-202
УДК 631.43
ФИЗИКА ПОЧВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИАЛ ФИЛЬТРАЦИИ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ В ПОЧВАХ*
© 2004 г. Г. Н. Федотов1, Ю. Д. Третьяков2, А. И. Поздняков3
Московский государственный университет леса, Мытищи-5, Московская обл.,
E-mail: fedotov@mgul.ac.ru 2Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899, Москва, Воробьевы горы 3Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 30.10.2002 г.
Обнаружено и изучено новое явление, получившее название "потенциал фильтрации коллоидного раствора" (ПФКР), которое возникает в почвах и других трехфазных дисперсных средах в начальный период при фильтрации воды или водных растворов. ПФКР отличается от хорошо известного потенциала течения разнонаправленностью градиента потенциалов и неравновесным состоянием. Изучено поведение ПФКР в некоторых почвах и тепличных грунтах в зависимости от ряда факторов. Предлагается гипотетическая модель формирования ПФКР.
ВВЕДЕНИЕ
Проявление естественного электричества в почвах весьма разнообразно [2, 3, 5, 6, 8, 9]. Это диффузионно-адсорбционные, фильтрационные, электрохимические и другие поля. Исходя из распространенности и продолжительности действия, по-видимому, можно считать, что основной составляющей естественных электрических полей (ЕЭП) в почвах являются стационарные электрические поля, возникающие вследствие перераспределения ионов под действием почвообразовательных процессов [2, 3, 6]. Эти поля обусловлены диффузией и адсорбцией ионов, которые в свою очередь в значительной мере зависят от содержания воды в почве [8, 9].
В диапазоне высокой влажности ЕЭП обычно стационарны [6]. Однако, как обнаружено нами, в процессе быстрой подачи воды (дожди, поливы) в почву с влажностью 0.5-0.9 НВ происходит резкое изменение величин естественных электрических потенциалов, имеющих природу, отличную от известной фильтрационной или диффузионно-адсорбционной.
Направленность электрического поля установившихся фильтрационных потоков, наблюдаемых в реальных природных условиях в почвах (за исключением красноземов), всегда одна и та же -по направлению движения воды смещается положительный заряд [1]. Однако при движении воды через почву в неустановившемся режиме нами обнаружена другая картина - по направлению движения жидкости происходило смещение не положительного, а отрицательного заряда.
*
Статья подготовлена при поддержке РФФИ (проект < 0304-48216).
Целью работы было изучение этого явления и выявления его природы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для исследования влияния впитывания и фильтрации воды, а также водных растворов на генерирование электрических полей в почвах нами были проведены эксперименты в реальных полевых условиях и на специальной стендовой установке в лаборатории.
В реальных условиях изучались возникающие в различных почвах электрические поля в процессе полива дистиллированной водой. Разность потенциалов (РП) измеряли между слоями, находящимися на глубине 5 и 30 см от поверхности почвы, помещая на эти глубины неполяризующи-еся электроды. Дистиллированная вода подавалась на малые заливаемые площадки, соответствующие площадкам при определении водопроницаемости [1]. Испытания проводили на супесчаных дерново-подзолистых и низинных торфяных хорошо окультуренных почвах Яхромской поймы и ее окрестностей в Дмитровском р-не Московской обл. Агрофизические и агрохимические характеристики этих почв мало отличаются от типичных для этого региона.
Для проведения исследований в лаборатории использовали почвы естественной влажности, отбирая пробы буром с глубины 5-15 см, нарушая почвенную структуру.
Наиболее удобным объектом для изучения обнаруженного эффекта в лабораторных условиях оказался органоминеральный тепличный субстрат. Он содержит большое число коллоидных частиц и в этом отношении мало отличается напри-
1-й полив
А
2-й полив
15 Ь 10
га
я о ч
л
к я к о н о к л
¡3 о к
ш а Рч
30 20 10 0 10 20
15 10
5 0
-5
Б
1-й полив 2-й полив 3-й полив
..........................
7 10 13 16 19 22 25 28 31 мин
В
1-й полив 2-й полив 3-й полив
-г
9 11 1315 17 19 2123 мин
Рис. 1. Кривые изменения электрических потенциалов при впитывании и фильтрации дистиллированной воды. А - в низинных торфяных хорошо окультуренных почвах Яхромской поймы Дмитровского р-на Московской обл.; Б - пахотного горизонта дерново-подзолистых среднесуглинистых хорошо окультуренных почв; В - элювиального горизонта.
мер от торфяной почвы, не являясь собственно почвой с генетической точки зрения. Обладая большой пористостью, он обеспечивает высокую скорость движения воды. Свойства используемых в работе почв, определенные нами по стандартным методикам [4, 7], представлены в таблице.
Определение ПФКР проводили следующим образом. Навеску почвы в 650 г насыпали в гофрированную пластиковую трубу диаметром 56 мм, высотой 40 см и уплотняли вибратором, создавая слой почвы толщиной 35 см. Разность потенциалов измеряли на расстоянии 5 и 30 см от верхней поверхности в трубке. Поливы проводили дистиллированной водой, водопроводной водой и различными растворами.
При измерениях естественных электрических полей, возникающих в почвах, использовали стандартные хлорсеребряные электроды, соеди-
ненные с почвой через солевые агаровые мостики. В качестве измерителей использовали муль-тиметры с внутренним сопротивлением 10 Мом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Первые эксперименты, проведенные на окультуренных дерново-подзолистых, торфяных почвах и на тепличном грунте в реальных условиях, показали, что при поливе почвы дистиллированной водой с изменяющимся напором от 10 до 0 см наблюдается разделение зарядов и создаются довольно высокие разности потенциалов (рис. 1).
Видно, что верхняя часть почвенного профиля, откуда поступает раствор, заряжена положительно и имеет более высокий потенциал, достигающий 20-30 мВ. Нижняя часть почвенной толщи, соответственно, заряжается отрицательно (рис. 1). Другими словами, при движении влаги из верхнего слоя почвы в нижний, в нее привносятся или формируются отрицательные заряды.
При повторных подачах тех же доз воды (10 литров) и также переменном давлении (от 10 см до 0 см) различия в потенциалах верхней и нижней частей снижаются (рис. 1). Такая же закономерность наблюдается и при изучении озолен-ных торфяных почв - пирогенных субстратов. В этом случае величины потенциалов находятся в диапазоне 2.8-4.7 мВ.
Почвенный слой при подаче воды промачивается не сразу по всей глубине. Поэтому верхний электрод оказывается в промоченном слое, а нижний в почве с естественной влажностью.
Ранее нами на большом материале было показано, что при статическом состоянии влаги более влажные участки почв всегда имеют значительно меньшие величины естественных электрических потенциалов [6]. Отсюда ясно, что за формирование отрицательного заряда в участках ответственно не "статическое" распределение влаги, а именно ее движение.
Потенциал течения (фильтрационный потенциал), как известно, представляет собой "захват" движущейся жидкостью катионов диффузного слоя малоподвижных, фиксированных коллоидных частиц и разделение зарядов в пространстве по этому механизму.
В связи с преимущественно отрицательным зарядом частиц почвы, этот механизм может способствовать только появлению положительного заряда в нижних слоях изучаемых систем и не может объяснить полученные данные.
Таким образом, полученные результаты трудно объяснить известными механизмами формирования ЕЭП. Возможно существует иной, неизвестный пока механизм возникновения РП при движении водных растворов через почву.
Некоторые свойства изученных почв
Свойства почв Тепличный субстрат Дерново-подзолистая почва Торфяная почва
Влажность, % 79.7 23.5 140
Плотность, г/см3 0.42 1.20 0.27
Общая удельная поверхность по Кутилеку, м2/г 97.6 13.4 346
Плотность твер-дой фазы, г/см3 1.96 2.02 1.46
Пористость, % 78 41 81
рН водной вытяжки 6.9 6.3 6.6
солевой вытяжки 6.5 6.3 6.5
Содержание нитратов, мг/кг 116 211 371
Содержание фосфора на Р205, мг/100 г 25.1 27.2 17.4
Содержание аммония, мг/кг 41 27 41
Потери при прокаливании, % 28.3 3.6 54.6
Содержание К, мг/100 г 164 127 75
№ 74 50 143
Са 1200 160 1750
Mg 31 127 316
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г 82.3 14.7 103.6
Гидролитическая кислотность, мг-экв/100 г 1.8 <1 2.2
Емкость катионного обмена, мг-экв/100 г 84.1 15.7 105.8
Насыщенность основаниями, % 98.0 94.0 98.0
Содержание солей, мг-экв/100 г 0.9 2.4 3.5
В связи со сложностью и длительностью проведения испытаний в реальных условиях, основная часть экспериментов была выполнена нами в лаборатории на стендовой установке.
Очевидно, что реальные почвенные структуры отличаются от насыпных почвенных структур, изучаемых на стенде. Однако коллоидно-химический состав почвы должен быть неизменен, и, следовательно, характер взаимодействия стендовых образцов с жидкостью при движении через них растворов должен качественно совпадать с результатами полевых испытаний.
В предварительных опытах было установлено, что величина скачка РП прямо пропорциональна количеству используемой при проливе воды. При выбранном объеме жидкости в 200 мл ошибка в определении РП не превышала 10%.
Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях на стендовых установках с тепличными грунтами, показали, что при поливе почвы дистиллированной и водопроводной водой в этих лабораторных условиях на малых, конечных образцах также создаются довольно большие разности потенциалов, в ряде случаев даже большие, чем в реальных почвенных условиях (рис. 2).
На рис. 2 представлены результаты экспериментов, выполненных при поливе образцов в условиях стенда различными водными растворами.
На основании полученных данных можно отметить следующие особенности поведения возникающих потенциалов:
РП, мВ
20
10
1
•з
2 . \ vj^""'*......
4 1
5 * ■ 100 ■ □ -——° 200 t, сек
К 7
-10
Рис. 2. Влияние состава и концентрации растворов на генерируемую разность электрических потенциалов при проливах: 1 - дистиллированной водой; 2 - водопроводной водой; 3 - раствором гепарина в водопроводной воде; растворы K
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.