Опыт отечественных и зарубежных исследователей по промывке натриевых солончаков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт отечественных и зарубежных исследователей по промывке натриевых солончаков

Солонцовые явления при промывке натриевых солончаков

Первые классические лабораторные исследования промывки натриевых солончаков, на основе которых создана вся современная теория солонцового процесса, были осуществлены К. К. Гедройцем в 1912--1913 гг.

Эти исследования в основном заключались в следующем: образец бескарбонатного чернозема многократно обрабатывали хлористым или сернокислым натрием (искусственно приготовляли натриевый солончак), а затем его промывали водой по методу последовательных водных вытяжек. Оказалось, что при этом ионы хлора (или SO-4) выщелачивались по обычной падающей кривой, но одновременно наблюдалась совершенно оригинальная кривая поведения щелочности (ионов НСО3- и СО3- соды): в первых промывных водах соды не было совсем, в последующих промывках она появлялась, максимум ее оказывался в момент, когда ион хлора (или SO-4) был полностью вымыт, и, наконец, при дальнейших промывках щелочность медленно падала вплоть до нуля. Этот ход кривой виден из приведенных ниже цифр К. К. Гедройца.

К. К. Гедройц впервые дал правильное истолкование отмеченных явлений, заключающееся в следующем: при обработке почвы натриевой солью ион натрия поглощается, а анион связывается с вытесняемым катионом кальция; при первых промывках, когда концентрация растворенной соли (в данном случае СаСl2 + NaCl) высокая, поглощенный натрий не диссоциирует и потому соды в растворе нет; по мере уменьшения в растворе концентрации соли, поглощенный натрии диссоциирует и дает щелочность по схеме: (Почва) Na > NaOH > NaHCO3 > Na2CO3. В дальнейшем, по мере вытеснения натрия ионом водорода и разрушения поглощающего комплекса, количество соды постепенно падает до нуля. В этом и состоит сущность явлений солонцового процесса, развивающегося при промывке натриевого солончака.

Из этого эксперимента следует, что если бы этот способ мелиорации натриевого солончака (именно промывку водой) применить в практике, то получились бы следующие результаты: 1) в момент отмывки солей почва приобретает наиболее ярко выраженные свойства солонца, т. е. оказывается непригодной к использованию; 2) дальнейшей промывкой поглощенный натрий вытеснить можно, но для этого, как указано выше, нужны колоссальные количества воды, и в результате получится почва с разрушенным поглощающим комплексом (так называемая солодь), крайне низкая по своей сельскохозяйственной ценности.

Проведены опыты, аналогичные описанному (но по несколько расширенной программе), с естественными карбонатными солончаками Голодной степи и с карбонатными (15--20% СаСО3) сероземами, искусственно засоленными хлористым и сернокислым натрием.

В качестве основных выводов из этих данных нужно отметить следующее: 1) солонцовые свойства почвы проявляются лишь после отмывки главной массы воднорастворимых солей; 2) эти свойства проявляются в резком повышении дисперсности почвы, ее щелочности и в разрушении поглощающего комплекса (появление SiO2); кривые дисперсности и щелочности идут практически параллельно друг другу; 3) проявление солонцовых свойств тем резче, чем сильнее исходное засоление почвы и, следовательно, чем больше в почве поглощенного натрия; 4) солонцовые свойства, выраженные в максимуме при 2--3-й промывке, полностью исчезают при 5--6-й промывке; это определяется мелиорирующим действием извести почвы. В практике такая мелиорация потребует очень больших объёмов воды; 5) сопоставляя нисходящий ход кривой выщелачивания воднорастворимых солей и восходящий ход кривых солонцовых свойств, казалось бы, можно уже при первых промывках подобрать такой момент, когда концентрация соли достаточно понизилась, а солонцовые свойства еще не проявились резко, и в это время мелиорацию закончить. В практике иногда пытаются осуществить этот прием, так как он дает большую экономию воды и труда, но рекомендовать его как общий прием нельзя.

В момент неполной мелиорации возможно и полезно начать подготовительную культуру соле- и солонцовоустойчивых растений (трав, зерновых), но для основных культур севооборота здесь всегда имеет место двойная угроза: во-первых, при сезонной динамике воднорастворимых солей возможно временное повышение, концентраций, опасное для культуры; во-вторых, при понижении концентрации соли возможна губительная вспышка высокой щелочности почвы.

По-видимому, впервые повышение щелочности при увеличений влажности было отмечено в лабораторных опытах Бризеля (Аризона, США).

Нами неоднократно наблюдалась в Голодной степи на промытых солончаках, неожиданная и внезапная гибель культур (хлопчатника, люцерны) непосредственно после полива. Вероятнее всего, что эти солончаки были натриевыми, недостаточно промытыми и на них после полива появлялась щелочность, губившая растительность.

На мелиоративной станции Федченко (Фергана) в 1940 г. отмечено следующее изменение щелочности после полива (табл. 1, В. А. Ковда).

На основании приведенных данных следует считать, что промывка натриевого солончака должна продолжаться до тех пор, пока количество поглощенного натрия в почве станет неопасным для культур.

солончак промывка натрий сернокислый

Таблица 1 Изменение щелочности после полива

Для выяснения мелиорирующей роли гипса в тех же опытах были внесены различные дозы его с таким расчетом, что максимальная из них -- 3,15% -- создавала в данной концентрации хлористого натрия вполне насыщенный раствор, а минимальная -- 0,77% -- давала 1/4 насыщения.

Оказывается, что уже наименьшая доза существенно влияет как на щелочность, так и на дисперсность. При этом влияние проявляется не столько в снижении максимума, сколько в уменьшении шага кривой, т. е. в уменьшении числа вытяжек, необходимых для выщелачивания натрия. Последующие увеличенные дозы гипса уменьшают одновременно как шаг кривой, так и ее максимум. Однако существенное понижение последнего наблюдается только при максимальной дозе.

Обращает на себя внимание то весьма практически важное обстоятельство, что даже максимальная доза гипса в данных условиях еще не предотвращает полностью внедрения натрия в поглощающий комплекс. Растворимость гипса, следовательно, мала для того, чтобы получить в растворе необходимое соотношение ионов натрия и кальция. Следовательно, практически в почве должен быть некоторый запас нерастворенного гипса, который, перейдя в раствор в последующих промывках, вытеснит окончательно натрий.

В следующей серии опытов хлористый натрий был заменен эквивалентным количеством сернокислого натрия (Na2SO4), все же остальное было аналогичным.

Эти кривые позволяют констатировать следующее: в тех пробах, где гипс отсутствует, действие на поглощающий комплекс сернокислого натрия оказывается совершенно одинаковым с действием хлористого натрия, т. е. количество натрия, внедряющегося в поглощающий комплекс, оказывается в обоих случаях одинаковым.

Однако другие стороны действия Na2SO4 оказываются существенно иными, чем при хлористом натрии.

Во-первых, здесь везде в первых вытяжках оказывается большое количество соды, чего совершенно не было при хлористом натрии. Причина этого отличия заключается в образовании соды по реакции Гильгардта:

Na2SO4 + СаСО3 = Na2CO3 + СaSO4

Эта сода вымывается из почвы так же, как любая воднорастворимая соль, и потому ее почти нет во второй вытяжке. Сода, но Гедройцу, дальше дает обычную выпуклую кривую.

Второе отличие кривых сернокислого натрия заключается в эффекте доз гипса. Кривые и щелочности и дисперсности показывают, что здесь минимальная доза гипса -- 0,77% -- оказывается гораздо более эффективной, чем при хлористом натрии. По-видимому, причина этого заключается, во-первых, в том, что фактическая концентрация гипса здесь повышается за счет реакции Гильгардта, а, во-вторых, гипс менее растворим в растворе сернокислого натрия, чем хлористого, в силу чего он не сразу выщелачивается из почвы и потому энергично действует в последующих вытяжках. С этой точки зрения в практике мелиорации натриевых солончаков, по-видимому, целесообразно различать группу хлоридных солончаков и группу сульфатных, как требующую меньших доз гипса. Для почв Закавказья (Муганская степь, мелиоративная станция Джафархан) ясная картина развития солонцового процесса наблюдалась в опытах ВНИИГиМ при промывке монолитов.

Таблица 2 Изменение щелочности в различных порциях фильтратов

Наблюдения на Джафархане за опытными промывками почв в поле показали, что здесь также наблюдается повышение щелочности после некоторых норм промывок. При последующих посевах хлопчатника наблюдалась резкая задержка его роста в первый период развития, затем хлопчатник выправился и далее развитие его шло даже бурно.

Для борьбы с такими слабыми степенями солонцеватости почвы здесь был применен способ «перегара». Он состоит в том, что после промывки поле глубоко пашут и оставляют в таком виде для полного просушивания («перегара»). При высоких температурах Закавказья на «перегаре» осуществляется частичная необратимая коагуляция коллоидов и солонцовые свойства проявляются менее резко.

Как видно из таблицы:

на естественной почве, сильно засоленной и щелочной, растения не взошли;

наивысший урожай (100%) получился на почве, обработанной гипсом и промытой;

на почве, промытой от воднорастворимых солей только водой, урожай получен в размере 6% от максимального (по гипсу); количество поглощенного натрия составило здесь 63% от общей емкости;

промывка водой, насыщенной углекислотой, понизила процент поглощенного натрия до 28 и соответственно повысила урожай до 40%;

все другие обработки (СаСО3, СаСl2, NaHSO4) дали урожай в пределах 50--87% от максимального. Из этого следует, что любая из этих солей может быть эффективна, но в каждом частном случае необходимо подобрать оптимальную дозу ее.

Интересные данные получены А. Т. Морозовым для солончаковых почв опытного поля на р. Или (Казахстан). Здесь была выделена площадь в 0,72 га, разбитая на 18 делянок, на которых был посеян рис. В течение сезона, с 26 июня по 30 сентября, проводилось наблюдение за развитием риса и скоростью впитывания на каждой делянке в условиях постоянного и одинакового по высоте слоя затопления водой.

Полученные данные представлены в виде диаграммы (рис. 64). Из этой диаграммы следует, что в первую пятидневку (26--30/VI) скорость впитывания, которая перешла затем в фильтрацию, на всех делянках практически была одинакова. Дальше намечается уже ясная дифференциация делянок: на делянках первых номеров отмечается величина фильтрации порядка 1,4--4,2 л/сек, тогда как на других делянках она не спускается ниже 11,1--13,9 л/сек.

Эта дифференциация все более ярко проявляется в течение сезона. Так, на 1-й и 2-й делянках уже с половины третьей пятидневки установилась величина фильтрации 0--1,4 л/сек, т. е. фильтрация практически почти прекратилась, тогда как на делянке 18-й величина фильтрации до конца сезона не спустилась ниже 5,8--8,3 л/сек. Все другие делянки расположились почти правильным рядом между этими крайними величинами, как это ясно видно на диаграмме.

Наблюдения за развитием риса показали, что на делянках 15--18 оно шло более или менее нормально и растения достигали высоты 60--75 см, тогда как на первых делянках, где фильтрация прекратилась, большая часть посева погибла, а высота уцелевших растений не превышала 30--35 см.

Результаты этого опыта следует понимать таким образом. Опытный участок был выбран возможно однородным по механическому составу и видимой степени засоления. Засоление было высоким, но оказалось разным по составу солей: «на первых делянках, очевидно, преобладали натриевые соли, а на последних -- кальциевые. В первые дни затопления фильтрация была одинаковой в силу коагуляции почвы высокой концентрацией соли. Однако, как только избыток солей был вымыт, на первых делянках проявился солонцовый процесс, в силу дисперсации почвы, прекратившей фильтрацию, и в силу щелочной реакции, убившей растения. На последних делянках солонцовый процесс проявился слабо, и растения развивались нормально.

Необходимо обратить внимание на то, что такая крайняя степень пестроты засоления выявилась на очень малой площади, всего 0,72 га. Это -- типичное явление для резко засоленных площадей, обязывающее относиться к нему с особым вниманием при исследовании.

При промывках на Золотоординской опытной станции (Малыгин) в ряде случаев наблюдалось повышение щелочности, однако хлопчатник от этого не страдал. При промывках же рядом, на Улькун-Салыке люцерна после промывок в ряде случаев погибала.

Опыты промывки солончаков во Фресно (Калифорния)

Чрезвычайно поучительные данные получены проф. Келли в опытах по улучшению солончаков во Фресно, начатых еще в 1913 г. и законченных только после 1933 г. Ниже приводятся основные данные этих опытов.

Долина реки Jan Joagin была орошена, по-видимому, в начало 80-х годов, а уже в 1886 г. проф. Е. Гильгардт указывал, что многие ее части требуют дренирования. В 1909 г. площадь, требующая мелиорации, определялась ориентировочно уже в 200 000 акров*^* 1 акр = 0,4 га..

Собственно, площади Фресно около 1890 г. были лучшими виноградными землями долины. Однако вскоре, вследствие поднятия уровня грунтовых вод и начавшегося засоления, виноградники пришлось заменить люцерной. Последняя давала удовлетворительный урожай всего несколько лет и была заменена ячменем, как наиболее солеустойчивой культурой. Однако и ячмень перестал давать, хозяйственно выгодные урожаи, и в 1913 г. возделывание культур на этих площадях было прекращено совсем. Орошаемая цветущая площадь превратилась в плохой дикий выгон для скота. На этой площади и был заложен осенью 1913 г. дренажный опытный участок площадью 160 акров.

Почвы -- песчаные суглинки с невысоким засолением, от 0,2 до 3%, отдельными пятнами. Соли представлены главным образом NaCl и Na2CO3, так что солончаки относятся к группе так называемых черных (black alkali soil), по американской терминологии. Содержание углекислого кальция (СаСО3) составляло лишь 0,1%.

Грунтовые воды на участке не опускаются ниже 6 футов*^** 1 фут -- 30 см.* за весь год, в течение вегетационного периода они залегают не ниже 4 футов, а в июне -- не ниже 2 футов, достигая временами поверхности почвы. Картина типичная для многих ирригационных недренированных районов.

Дренаж на участке был заложен обычный трубчатый, гончарный с глубиной дрен в среднем 5,75 фута и коллектора -- 7 футов. Расстояние между дренами 300 футов, длина дрен от 315 до 1700 футов. Дренажные воды откачивались насосной установкой.

В течение 1914--1916 гг. поля энергично промывались затоплением и засевались. Результаты получились следующие: грунтовые воды в среднем остались на том же уровне -- 4--5 футов от поверхности, но амплитуда колебаний их стала несколько меньше.

За три года произошло уменьшение суммы солей на 60,3%, NaCl на 78,6% и Na2CO3 на 15,7%.

Посевы ячменя и овса на сено дали в некоторых случаях вполне удовлетворительные результаты, и потому общий эффект дренажа и промывок был в то время оценен как положительный. Поскольку смысл солонцовых явлений не был ясен, постольку дефекты промывок, выражавшиеся в массе голых пятен, но дававших урожая, на которых вода не впитывалась, казались случайными и ожидалось, что они будут устранены в дальнейшем. Однако эти ожидания не оправдались.

Предварительно пришлось изменить и самую систему дренажа, заменив трубчатый дренаж калифорнийским колодцем диаметром 16 дюймов и глубиной 70 футов. Это дало возможность понизить уровень грунтовой воды до 8 футов. Откачиваемая грунтовая вода оказалась богатой кальциевыми солями и потому на все дальнейшие промывки употреблялась именно она, а не обыкновенная пресная оросительная вода.

Опыты химического улучшения почв были поставлены со следующими солями: гипсом в количествах от 11 до 15 т на акр, серой в количество 0,454-- 1,362 т на акр, сернокислым железом и квасцами по 9--11 т на акр. После внесения солей делянки обильно промывались и затем на них производился посев культуры.

С одной стороны, гипс уничтожает готовую соду по реакции:

Na2CO3 + CaSO4 = Na2SO4 + CaCO3,

другой -- кальций гипса вытесняет поглощенный натрий и сода больше уже не образуется. На контрольной делянке поглощенный натрий вымывается крайне медленно, и потому понижение количества соды незначительно.

Ион хлора вымывается также неодинаково -- лучше на гипсованных делянках. Это должно быть поставлено в связь с улучшением на них фильтрационных свойств, благодаря замещению натрия на кальций в поглощающем комплексе.

Действие этих солей заключается в том, что при гидролитическом расщеплении они освобождают серную кислоту, которая и является уже активным агентом. Действие обеих солей одинаково. Эффект их по отношению к контролю значителен, но по сравнению с гипсом и серой должен быть признан более слабым. Исследования в Аризоне показывают, что в щелочных почвах гидраты алюминия (и, вероятно, железа) могут оказывать чрезвычайно неблагоприятное влияние на водопроницаемость почв, закупоривая их поры. Возможно, что эффект, полученный во Фресно с солями алюминия и железа, должен быть поставлен в связь с этим явлением.

Все соли произвели заметное уменьшение количества поглощенного натрия почвы, однако вытеснили его далеко не полностью. Таким образом, улучшение почвы еще далеко не доведено до конца. И это тем более, что на разных делянках изменением захвачены или все, или же только верхние слои. Резких отличий в действии различных солей в этих цифрах незаметно; следовательно, чисто химический эффект их более или менее одинаков. Приведенные цифры количества поглощенного натрия очень важны с точки зрения установления допустимых норм солонцеватости. Оказывается, что в практически бескарбонатных почвах и при очень низкой емкости поглощения, порядка 5 м.-экв., культура люцерны становится возможной уже при очень высокой солонцеватости (35--45% поглощенного натрия от емкости). Это, конечно, только частный случай, обобщать его нельзя, и авторы справедливо считают эту стадию мелиорации лишь началом улучшения почвы.

Здесь уместно отметить, что применение гипса для улучшения черных солончаков было предложено Гильгардтом еще в 80-х годах. При этом доза гипса должна была быть рассчитана по количеству соды в почве, для перевода ее в сернокислый натрий. По этому расчету доза гипса в данных условиях не должна была превышать 3 т на акр. Однако опыт показывает, что даже внесение 12 т не дает еще полного эффекта. Это лишний раз подтверждает справедливость современной точки зрения на процесс, требующий гипса не только на нейтрализацию наличной соды, но и на замещение поглощенного натрия.

Эффект от внесения солей железа и алюминия по сравнению с промывкой водой громаден и не ниже, чем от внесения гипса и серы. Тем не менее еще раз отметим, что использование солей железа и алюминия допустимо, по-видимому, лишь с большой осторожностью ввиду возможного вредного действия коллоидных гидратов их на фильтрационные свойства почв.

В заключение сформулируем главнейшие выводы из этих экспериментов.

1) Непродуктивность почв типа Фресно определяется двумя факторами:

а) избытком воднорастворимых солей и, в частности, соды;

б) присутствием натрия в составе поглощающего комплекса почвы.

2) Улучшение таких почв возможно только по пинии воздействия на оба эти фактора.

3) Обычным методом промывки только водой такие почвы улучшить нельзя. Одновременно необходима химизация, для которой лучшим материалом будет сера и гипс.

Нормы химизации должны устанавливаться с учетом количества соды в почве и состава поглощенных катионов и проверяться экспериментально.

Улучшение почв типа Фресно невозможно сразу, а требует достаточно длительных периодов времени, измеряющихся годами.

6) Самое улучшение в этих условиях неосуществимо без хороших дренажных устройств.

На 11-м году опыта на неудобренной делянке 5 получен такой же хороший урожай хлопка, как и на удобренных делянках. Этот результат достигнут благодаря систематическим обильным промывкам (к сожалению, объем работ неизвестен) водой, содержащей 0,250 г солей на литр, при отношении

=1:3

Этот эффект, несмотря на длительность времени, через которое он получен, все же следует считать лишь началом коренного улучшения, так как сода удалена, а поглощенный натрий доведен до 6% емкости поглощения только в верхнем слое почвы мощностью 12 дюймов. Внесение гипса и серы обеспечило улучшение почвы на глубину 36 и даже 48 дюймов.

В результате рассмотрения различных мероприятий по промывке натриевых солончаков можно сделать следующие выводы.

1) При промывке натриевых солончаков солонцовый процесс (внедрение иона натрия в поглощающий комплекс) реализуется при даче первой порций промывной воды; однако солонцовые свойства почвы (дисперсность, щелочность) в этот момент не проявляются благодаря коагулирующему действию высокой концентрации воднорастворимых солей.

2) По мере промывания воднорастворимых солей солонцовые свойства (высокая дисперсность, щелочность и разрушение поглощающего комплекса) проявляются все более сильно, максимум их обычно имеет место в момент почти полного выщелачивания воднорастворимых солей. Следовательно, в момент вымывания воднорастворимых солей мелиорация натриевого солончака не закончена, а лишь наступает основная задача по устранению поглощенного натрия и связанных с ним вредных солонцовых свойств.

В некоторых частных случаях в период первоначальных промывок может наступить момент, когда концентрация воднорастворимых солей будет невысока, солонцовые свойства еще недостаточно сильно выявились и может создаться впечатление о законченности мелиорации. В практике на этом этапе иногда, можно уже приступить к культуре соле- и солонцовоустойчивых растений, но заканчивать мелиорацию не рекомендуется, так как в этом случае остается реальная угроза: или временного, но губительного повышения концентрации солей, или, наоборот, при понижении концентрации солей, например, во время полива, столь же опасное проявление солонцовых свойств, в частности вспышки щелочности.

Для предупреждения возникновения солонцового процесса, а также для его устранения лучше всего внести на солончак необходимую дозу гипса. При наличии гипса в нижних горизонтах почвы он может быть добыт на месте. На солончаках карбонатных можно осуществить мелиорацию и без гипса, за счет имеющейся извести, но промывная норма при этом сильно возрастает благодаря малой растворимости СаСО3. В этих случаях внесение серы является целесообразным.

Мелиорирующая доза гипса, как правило, берется в количестве, эквивалентном количеству поглощенного натрия. Это последнее определяется или предварительным опытом, или по эмпирической таблице зависимости количества поглощенного натрия от соотношения катионов в растворе и их концентрации, или же, наконец, по одной из формул обмена катионов.

Промывная норма должна быть достаточной для растворения внесенного гипса, учитывая, что для растворения одной части гипса требуется 400 частей воды, а в полевых условиях, в силу технических причин, по-видимому, около 1000 частей. Поэтому вопрос об отводе промывных вод при промывке натриевых солончаков требует особо тщательного анализа и решения.

6) Для промывки натриевых солончаков с успехом могут применяться минерализованные, богатые кальцием воды: грунтовые, шахтные и др. После окончания вытеснения поглощенного натрия оставшиеся воднорастворимые соли могут быть промыты небольшой нормой чистой оросительной воды.

7) Промытые солончаки лучше всего занимать культурой трав для обогащения органическим веществом и создания структуры, после которых обеспечивается наилучшая продуктивность всех других культур севооборота.

Размещено на Allbest.ru