Установление закономерности изменения диффузии солей в почвах имеет большое научное и практическое значение, так как позволяет производить количественные расчеты миграции элементов в почвах и процессах засоления или рассоления, происходящих в естественных условиях или искусственно созданной обстановке. Несмотря на это процессы диффузии в почвах исследованы слабо. Имеющиеся работы по диффузии солей в большинстве случаев относятся к удобрительным солям (Muntz et Gaudechen [11], Шошин [9], Sohaszabuddhe u Gokhall [12] Гилис [2] и др.).
Попытка применить законы гидродиффузии к передвижению солей в почвах была сделана впервые А.Ф.Лебедевым [6] и В.А.Черновым [8].
Закон гидродиффузии Фика не всегда соответствует диффузии солей в почве. Анионы, которые могут участвовать в процессе диффузии солей в почве, бывают непоглощенными (NО3 и С1), поглощенными (РО4) или же занимают промежуточное положение (SО4). Поэтому и закономерности передвижения этих анионов в почве будут различными-непоглощаемые анионы, диффундируя на неограниченные расстояния от места внесения соли, могут быть подчинены закону Фика, поглощаемые, пройдя некоторый интервал от места внесения, поглощаются почвой и не подчиняются указанному закону.
Хлористый натрий, который мы применяли в опытах, не поглощается почвой и поэтому результаты диффузионного процесса должны быть подчинены гидродиффузионному закону Фика. Опыты проводили для выявления значения процесса диффузии солей в миграции и накоплении их в почвах с делювиальной формой засоления.
Опыты были поставлены в дюралюминиевых трубках диаметром 5 см и высотой 11,5 см. Трубки имели 9 прорезей шириной 1,5 мм. Первая прорезь была сделана в 2 см от открывающегося дна трубки, а все последующие-в 1 см одна от другой. Прорези делали для того, чтобы каждый слой почвы через определенное время можно было вынимать отдельно и определять в нем влажность и интересующий нас ион.
Для герметичности и предохранения внутренних стенок от действия солевого раствора трубку покрывали с обеих сторон чистым парафином, а на дно вносили навеску соли NaС1 в сухом виде. Соль предварительно растирали в фарфоровой ступке до равномерного измельчения. Пространство трубки над солью загружали почвой, доведенной до интересующей нас величины влажности. Набитую почвой трубку сверху закрывали и вторично покрывали слоем парафина, чтобы избежать испарения влаги из трубки (рис. 1). После этого трубки взвешивали и ставили в биологический термостат при постоянной температуре 26°С. До помещения в термостат и в конце опыта, перед вскрытием, трубки были взвешены. Вес их оказался одинаковым, что свидетельствует о хорошей изоляции почвы от внешней среды и тем самым отсутствии испарения из нее.
Через 15, 30 и 60 суток в каждом слое трубки определяли влажность и изучаемый ион.
Вариантов увлажнения было шесть. При каждой степени влажности было по шесть параллельных трубок.
Эта формула является уравнением прямой линии в отношении переменных величин 1gc и х2. Если экспериментальные данные на координатной системе 1gc и х2 удовлетворительно укладываются на пряной, то можно считать, что закономерности гидродиффузии могут быть приняты и к течению процесса в наших опытах.
Опыты по диффузии солей нами проведены при разных вариантах увлажнения. Независимо от степени увлажнения почв процессы диффузии солей во всех случаях подчинялись закономерностям передвижения солей в растворах и, следовательно, закону гидродиффузии Фика, что наглядно видно на рис. 2.
При этом степень увлажнения (см. рисунки и табл. 2) ощутимое значение приобретает в ускорении процесса диффузии солей.
Как видно из табл. 2, в промежутке времени в 15 суток процесс диффузии солей хотя и происходит со всех вариантах с охватом всех слоев почв цилиндров, но количественное выражение его различно. Наименьшее оно в цилиндрах, где почва увлажнена до 16,5% от воздушно-сухой почвы. Постепенное увеличение степени увлажнения способствует усилению процесса диффузии солей. При этом процесс диффузии по содержанию С1-иона (с С1) в вариантах с увлажнением почв в 30% от воздушно-сухой почвы оказывается почти в 20 раз большим, чем в варианте с увлажнением в 16,5%. Аналогичное соотношение обнаруживается при 30 и 60 сутках.
Степень увлажнения почв одновременно влияет на изменение коэффициента диффузии солей, который повышается с ростом увлажняемости почв. Так, при 16,5% влаги от воздушно-сухой почвы коэффициент диффузии колеблется в пределах 0,133 (при 15-суточном промежутке времени) до 0,146 (30 суток) и 0,201 см2/сут (60 суток). При 22% влаги коэффициент диффузии С1-иона заметно увеличивался, составляя соответственно по количеству суток 0,179; 0,170 и 0,343 см2/сут. Аналогичное соотношение отмечалось и в остальных вариантах опыта.
В опытах обнаружено также движение воды к месту внесения соли, что ясно видно из данных таблицы. Самое высокое содержание влаги отмечается в нижнем слое цилиндра, где вынесена соль, к верхним слоям цилиндра оно постепенно уменьшается. Подобное явление обнаружено и в опытах Витинга (Weeting [13]), А.А.Шошина [9], В.А.Чернова [8]. Последний, основываясь на теории раствором, передвижение воды к месту внесения соли объясняет различной упругостью паров раствора и растворителя, что на наш взгляд, совершенно правильно.
Известно (Чернов [8]), что упругость пара растворителя над раствором всегда ниже упругости пара над чистым растворителем, понижение упругости пара зависит от концентрации раствора. Следовательно, вода в форме пара должна передвигаться от слоев, непосредственно прилегающих к соли, к слою соли. Пар здесь будет конденсироваться и ускорять растворение соли. При увеличении влажности в месте внесения соли последняя начинает диффунзировать, вследствие чего градиент упругости пара от слоя с солью вверх уменьшается. С передвижением соли во второй слой вода будет конденсироваться и накапливаться в этом слое за счет следующего над ним третьего слоя. Постепенно в движение вовлекаются все слои почвы вплоть до последнего-верхнего. Таким образом, динамика содержания влаги будет управляться градиентом упругости пара в различных слоях почвы.
В.А.Приклонским и Н.А.Окниной [7] отмечено обратное явление в движении воды. После окончания опыта в нижней части трубки, где внесена соль, влажность грунта резко уменьшилась, в верхней же части трубки она оставалась первоначальной. Такие перераспределения влаги в опытных трубках авторы объясняют явлениями осмоса. Нам кажется, что сам факт и объяснение его неправильны. Как показывают данные указанных авторов по определению влажности опытных проб, баланс воды в трубках после опыта не соответствует первоначальному балансу воды. Содержание последней после окончания опыта достаточно сильно уменьшилось, что, видимо, связано с испарением из опытных трубок, которого при обеспечении герметичности (во избежание испарения) не должно быть.
Должен отметить, что уменьшение запаса воды в опытных трубках после окончания опыта обнаруживалось и в опытах Н.А.Комаровой [5] и частично В. А. Чернова [8].
Нами установлено, что коэффициент диффузии колеблется в зависимости от продолжительности опыта. При больших сроках диффузии он увеличивается. Это особенно заметно в опытах с большой влажностью почв, что, по-видимому, связано с физическими свойствами их. Так как опытные почвы предварительно были отмыты от легкорастворимых солей, в частности хлора (декантацией водой), в них разрушались как макро-, так и микроагрегаты, что способствовало увеличению капиллярности почв. Наличие высокой капиллярности и большое увлажнение почв при продолжительности процессов диффузии способствовало достаточно быстрому выравниванию концентрации солей в почвах опытных трубок. Вероятно, этому способствовала и малая высота наших цилиндров.
Отклонение коэффициента диффузии солей отмечалось и в опытах А.А.Шошина [9] и Н.А.Комаровой [5], с чем не соглашается В.А.Чернов [8], хотя в его опытах также обнаруживалось некоторое отклонение коэффициента диффузии солей. Аналогичное отклонение наблюдалось и в опытах В.А.Приклонского и Н.А.Окниной [7].
Таким образом, скорость диффузии С1-иона в почвах с делювиальной формой засоления достаточно высокая и зависит от степени увлажняемости и физического состояния почв. Следовательно, в формировании солевых профилей почв с делювиальной формой засоления большое значение приобретает миграция солей путем диффузии.
Для возникновения процесса диффузии солей в почвах с делювиальной формой засоления в условиях Азербайджана имеются необходимые условия. Как было установлено из данных водно-солевой динамики почв с делювиальной формой засоления (Абдуев (1), средняя часть почвенного профиля почти всё время года оказывается более засоленной и иссушенной, тогда как верхний слой почв периодически (особенно в осенне-зимний и частично весенний периоды) находится в высокоувлажненном состоянии и имеет незначительное засоление Можно полагать, что в данном случае создается благоприятное условие для возникновения диффузии солей и, следовательно, формирование солевых профилей в значительной степени обязано этим процессам.
Подтверждением указанного предположения могут служить результаты опытов А.Ф.Лебедева [6] по диффузии солей. Опыты эти были серийные и проводились в разных вариантах. Заключались они в соприкосновении двух почвенных слоев разной степени увлажнения. В одних случаях соль насыпалась под сухим слоем почвы, в других-под влажным. В обоих случаях обнаруживалось возникновение диффузии солей. А.Ф.Лебедев пришел к выводу, что при соприкосновении двух слоев почвы, из которых один имеет гигроскопическую влажность и содержит соль, и другой-пленочную или гравитационную влажность и не содержит соли или содержит ее меньше первого слоя, вода движется в направлении к слою с гигроскопической влажностью, а соль-к слою с пленочной или гравитационной влажностью.
Таким образом, водно-солевой режим почв с делювиальной формой засоления в Азербайджане вполне благоприятен для возникновения здесь процесса диффузии солей и, следовательно, некоторого накопления легкорастворимых солей в верхней части почвы. При этом весьма большое значение имеет скорость диффузии, так как в прямой зависимости от нее находится интенсивность накопления солей.
Опытами многих ученых выявлено, что скорость диффузии неодинакова как для разных солей, так и почв.
А.А.Шошин [9] в лабораторных опытах установил передвижение селитры за 3 месяца на 20 см, сернокислых солей на 12,5 см и суперфосфата на 7,5 см. При этом более быстрое передвижение аниона С1 наблюдалось из соли СаС12, чем из ВаС12 и особенно NаС1. В опытах С.И.Долгова [3] хлор, внесенный внизу сосуда в виде NаС1, за 30-40 суток поднялся на высоту 10 см через сечение около 20 см в количестве около 2,5 мэкв. Д.В.Иванов [4] на основании специального опыта по скорости диффузии пришел к заключению, что для проникновения иона хлора через столб почвы высотой 37,5 см необходимо не менее трех месяцев.
Наши опыты по С1-иону показали относительно высокую скорость диффузии солей. Как видно из данных табл. 2, С1-ион при влажности 16,5% в почве в течение 15 суток диффундирует на высоту 10 см, с содержанием С1 на этой высоте 0,023% от абсолютно сухой почвы. При влажности почвы 21% содержание С1 увеличивается более чем в 2 раза, при влажности 27,5% на указанной высоте обнаруживается 0,125% С1-иона. Увеличение содержания влаги в опытной почве еще на 3% способствует достаточно высокому увеличению диффундируемого количества С1-иона-до 0,451%.
Таким образом, процесс диффузии в миграции и накоплении солей в почвах с делювиальной формой засоления в Азербайджане является весьма активным фактором.
