ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 502.654/654:631.6
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ КРИОГЕЛЯ*
© 2014 г. Л. К. Алтунина1, М. С. Фуфаева1, Д. А. Филатов1, Л. И. Сваровская1, Е. А. Рождественский1, Т. Ган-Эрдэнэ2
Институт химии нефти СО РАН, 634021, Томск, пр-т Академический, 4 e-mail: filatov@ipc.tsc.ru 2Институт химии и химической технологии МАН, 13330, Монголия, Улаанбаатар, Баянзурх-51, ул. Энхтайвана, IVздание — МАН e-mail: t_ganerdene@yahoo.com Поступила в редакцию 04.06.2012 г.
В лабораторных условиях образцы гор. А1, А1А2 серой лесной легкосуглинистой почвы с содержанием органического вещества 3.1% смешивали с 5%-ным раствором поливинилового спирта (ПВС) в соотношении 7 : 1. Образцы замораживали в морозильной камере при температуре —20°С и после цикла замораживания—оттаивания исследовали испарение влаги с их поверхности, коэффициент теплопроводности, модуль упругости и другие свойства. Экспериментально установлено, что коэффициент теплопроводности криоструктурированной почвы на 25% меньше по сравнению с обычной почвой. Показано, что криоструктурированная почва дольше удерживает влагу, интенсивность испарения воды с ее поверхности значительно ниже по сравнению с контрольной почвой. Криогель не оказывает негативного влияния на каталазную активность почвы и, изменяя физические свойства почвы, положительно влияет на численность аборигенной почвенной микрофлоры и рост посаженых в почве растений.
Ключевые слова: эрозия почв, поливиниловый спирт, многолетние травы, катионы, анионы.
Б01: 10.7868/80032180Х1401002Х
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы постоянно возрастает интерес к криогелям на основе ПВС. Метод криотроп-ного гелеобразования открывает перспективы для совершенствования уже существующих и создания еще неизвестных материалов для различного практического использования [16]. Уникальное сочетание ряда свойств, в первую очередь, высокой пористости и сообщающегося характера макропор, а также относительная простота технологии получения позволяют рассматривать криогели как новый тип полимерных систем, интересных в научном и прикладном аспектах. В последнее время эти гели все шире используют в качестве материалов биомедицинского, биотехнологического назначения и в пищевой промышленности [17].
В частности, с применением методов крио-структурирования возможно бороться с опустыниванием и эрозией почв.
* Работа проведена при финансовой поддержке интеграционного проекта № 14, выполняемого СО РАН совместно с Академией наук Монголии и Министерством образования, культуры и науки Монголии.
Опустынивание — это процесс необратимого изменения почвы и растительности, снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га, практически на всех континентах [4, 5]. Согласно определению Конвенции ООН, опустынивание является следствием деградации почв. Подвергшиеся деградации районы можно обнаружить в большинстве стран, и яркими примерами в этом отношении являются Африка, Китай, Монголия, Россия, Пакистан, Непал и др. [23]. Каждый год опустынивание и засуха приводят к потерям сельскохозяйственной продукции ориентировочно на сумму в 42 млрд долларов США [11, 19, 22].
Общая площадь почв России, подверженных процессам опустынивания или потенциально опасных в этом отношении, составляет по различным оценкам, от 50 до 100 млн га. Это районы Поволжья, Сибири, Забайкалья, Калмыкии, Астраханской, Челябинской обл. и др. [14]. В Монголии под угрозой опустынивания находится более 80% территории. Возрастающее опустынивание
563
4*
территорий представляет собой глобальную проблему, имеющую не только экологическую, но и ярко выраженную социально-экономическую направленность.
Закрепление подвижных грунтов проводят механическими, химическими и биологическими способами. Одним из механических способов борьбы с движением песчаных масс и стабилизации кочующих дюн является покрытие почвы "соломенными циновками". В некоторых районах широкое использование в целях борьбы с передвижением песчаных масс находят такие материалы, как глина, галька и др. [12].
При химической защите используют полимеры и битумные смеси, то есть вещества, которые образуют на поверхности пленку "склеенных" частичек грунта или песчинок [6, 7].
Биологический способ закрепления почв заключается в посадке древесных пород растений или трав на подвижных песках. Лучшим средством закрепления почвы являются многолетние травы. Густой травяной покров надежно удерживает почву, скрепляя ее корнями, словно арматурой. Но применение только биологических приемов не решает проблемы противоэрозионный защиты, так как без каких-либо технических средств трудно создать противоэрозионный эффект и благоприятные по влажности и температуре стартовые условия для прорастания и укоренения на защищаемом субстрате дернообразующих трав. Посеянные семена уносятся ветром, смываются атмосферными осадками, а минеральные удобрения и стимуляторы роста вымываются из формируемого почвенного слоя. К тому же, например, песчаные грунты быстро высыхают и теряют влагу, необходимую для растений.
Наиболее перспективным направлением представляется комбинация химического и биологического способов. Для предотвращения деградации почвы используются технологии ее криострукту-рирования при помощи водных растворов поливинилового спирта. Водные растворы поливинилового спирта после цикла замораживания—размораживания переходят из вязко-текучего состояния в упругие полимерные тела, способные к большим обратимым деформациям [15]. Криогели на основе ПВС образуются в условиях кристаллизации растворителя (для воды при температуре ниже 0°С). Они обладают высокой пористостью и в то же время хорошей механической прочностью, а также стабильностью в любых биотехнологических средах, устойчивы вплоть до температур 70-80°С. Механические и теплофизические свойства криогелей ПВС зависят от состава и концентрации компонентов исходного раствора, а также от режимов и способов криогенной обработки исходных растворов. Вследствие экологической безвредно-
сти и нетоксичности, криогели нашли широкое применение [17].
В Институте химии нефти разработан метод получения полимерной матрицы криогеля на основе ПВС с высокой адгезией к песку, глине и почве [1, 2]. Частички почвы могут быть связаны в наполненные криоструктураты, практически не подверженные ветровой эрозии. Преимуществом разрабатываемого метода является комплексный подход к решению проблемы опустынивания почв, основанный на применении криогелей, в комплексе с многолетними травами и древесными породами растений. Полимерная матрица криогеля в почве, с одной стороны, достаточно прочна, чтобы выдержать воздействие эрозионных процессов, с другой — достаточно эластична, чтобы не препятствовать росту растений. Семена прорастают сквозь криогелевый слой и образуют устойчивый зеленый покров (подана заявка на патент № 2012 110658). Было показано, что интенсивность фотосинтеза и эффективность использования воды у растений, выращенных в криоструктурированной почве, была в 2—2.5 раза выше по сравнению с обычной почвой [3]. Это говорит о том, что растения, выращенные с применением криогеля, обладали более высокой адаптивностью по сравнению с контролем. Поэтому было интересным исследовать, как изменяются свойства почвы с применением метода ее крио-структурирования.
Цель работы — изучить изменения физико-химических свойств почвы под влиянием криогеля.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В лабораторных исследованиях использовали образец поливинилового спирта со средней молекулярной массой ММ = 75000 и характеристической вязкостью его водных растворов [п] = 0.56 дл/г в концентрации 5% мас.
Для получения водного раствора ПВС в концентрации 5% мас. брали 50 г сухого порошка полимера и способом капиллярной фильтрации пропитывали его 950 мл воды. Затем при перемешивании нагревали на водяной бане при температуре 70—90°С до полного растворения полимера. Полученный раствор ПВС охлаждали, взвешивали и доливали испарившийся растворитель. Полученный раствор ПВС хранили при комнатной температуре в закрытой емкости. Перед использованием полимерного раствора после длительного хранения для дезагрегации образовавшихся агломератов микрогелей его снова подогревали до температуры примерно 50° С и перемешивали.
Вязкость водных растворов ПВС измеряли на ротационном вискозиметре при температуре 30° С в интервале скоростей сдвига (у) от 3 до 1312 с-1.
Для формирования криогелей в металлические ячейки с внутренним диаметром 10 мм и высотой 28 мм заливали по 10 мл водного раствора ПВС (5% мас.) и замораживали при Т = -20°С в течение 20 ч. Затем твердые замороженные образцы размораживали в течение четырех часов при комнатной температуре (Т = 20° С) со скоростью 0.15°С/мин. Цикл замораживания—оттаивания повторяли 2, 3...И раз.
Для получения системы криогель-почвенные частицы брали водный раствор ПВС (5% мас.) и смешивали с почвой в соотношении 1 : 7. После цикла замораживания-размораживания получали криоструктурированную почву.
Модуль упругости криогеля и криоструктури-рованной почвы определяли на лабораторной установке, в основе которой лежит модель Максвелла [18]. Задавали деформацию (у) сформированным эластичным образцам криогелей и измеряли напряжение (т), возникающее в материале, затем по формуле Гука рассчитывали модуль упругости криогелей:
О = т/у,
где О — модуль упругости, т — напряжение, у — относительная деформация.
Коэффициент теплопроводности криогеля и криоструктурированной почвы определяли с помощью установки, состоящей из двух стальных коаксиальных цилиндров, в зазоре между которыми находилась исследуемая среда. Значение коэффициента теплопроводности рассчитывали по формуле:
к = 01п(Дбол/Дмал)/2яХ?(ТтерМ — Т),
где Ябол — внутренний радиус большого цилиндра; Ямал — наружный радиус малого цилиндра; 0 — количество тепла передаваемое от нагретой воды термостата к воде внутреннего цилиндра; Ь — высота малого цилиндра; Т — текущая температура воды во внутреннем цилиндре в некоторый
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.