8.2.1. Регулирование коллоидной структуры почвы

Воздушная и водная эрозия почвы наносит огромный ущерб сельскому хозяйству, разрушая плодоносный слой и изменяя не только структуру, но и состав почвы. Пыльные бури в северном Казахстане нанесли непоправимый ущерб плодородности почвы в результате ветровой эрозии – уноса верхнего плодородного слоя почвы. Эрозионная стойкость почвы определяется энергией взаимодействия частиц между собой, прочностью коллоидной структуры, способной противостоять механическому разрушению при воздействии ветра и дождя.

При воздействии ветра эрозия почвы (отрыв частиц) начинается при некоторой критической скорости потока воздуха. Эта критическая скорость зависит от химической природы частиц, их размера, адгезии частиц друг к другу и прочности коллоидной структуры, возникающей при образовании мостичных связей между частицами из гумуса или других веществ. Для многих почвообразующих веществ критическая скорость составляет от 3 до 10 м/с.

Если воздух наполнен твердыми частицами, то критическая скорость снижается в результате ударов частиц, находящихся в воздухе, о частицы почвы. Чем больше масса частиц в воздухе, тем меньше критическая скорость воздушного потока, при которой происходит отрыв частиц от почвы.

При водной эрозии на первой стадии происходит нарушение прочности структуры при падении капель дождя на почву. Чем крупнее капли, тем сильнее их воздействие, так как их кинетическая энергия зависит от массы капель. На втором этапе водной эрозии происходит унос оторвавшихся частиц водным потоком. Устойчивость почвы к эрозии выражается коэффициентом защиты К_з, который принимают равным единице для песка. Для других грунтов этот коэффициент приведен в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Коэффициент эрозионной защиты почвы

Очевидно, что создание на поверхности почвы защитного покрова, препятствующего непосредственному контакту частиц почвы с воздушным и водным потоками, способствует защите почвы от эрозии. Этот фактор особенно эффективен при многолетних покровах почвы или при посевах зерновых, но не способен защитить почву от эрозии в межсезонный период после уборки урожая пропашных или зерновых культур. Следовательно, защита от эрозии почвы, не несущей на своей поверхности покрова из травы или других растений, может быть основана на повышении прочности коллоидной структуры.

В естественных условиях коллоидная структура серых и суглинистых почв, предотвращающая ветровую и водную эрозию, зависит от содержания гуминовых веществ, которые положительно влияют на структурирование и водопрочность агрегатов частиц почвы. В процессе эксплуатации земли расход гуминовых веществ часто не воспроизводится, в результате чего через определенный промежуток времени почва не может противостоять ветровой и водной эрозии. В этой связи приходится восстанавливать структуру почвы с использованием структурообразующих веществ – водорастворимых полимеров и поверхностно-активных веществ.

Использование закономерностей физико-химической механики позволяет наметить пути улучшения агрохимических свойств почвы, защиты ее от эрозии, закрепления грунтов и подвижных песков. В основе механизма регулирования свойств почвы лежит влияние специальных добавок на процессы межчастичного взаимодействия. В качестве таких добавок используют высокомолекулярные водорастворимые вещества, которые способны при определенных условиях создавать мостичные связи между частицами при адсорбции макромолекул одновременно на поверхности различных частиц. Образование таких связей (флокуляция) существенно упрочняет коллоидную структуру почвы. Превышение концентрации раствора полимера сверх некоторой оптимальной величины приводит к изменению конформации макромолекул – к их сворачиванию и образованию глобул, уже не способных усиливать прочность коллоидной структуры в почве. В качестве структурообразователей используют водорастворимые полиэлектролиты - продукты неполного гидролиза полиакриламида или комплексы полиэлектролитов с поверхностно-активными веществами. Такие комплексы позволяют получить больший эффект закрепления при одновременном снижении расхода структурообразователя (усилителя прочности структуры почвы). Возможно также использование природных модификаторов структурообразования, например, сапрапелей – продуктов биологической жизнедеятельности водных микроорганизмов и водорослей, накапливающихся в озерах.

Снижение уноса воды из почвы при внесении в нее гидрофилизирующих добавок также улучшает устойчивость почвы к эрозии. Например, в качестве такой добавки в торфяные почвы, подверженные эрозии, вносят гидролизованный полиакрилонитрил (ГиПАН). Такая обработка снижает физическое испарение влаги, уменьшает подвижность солей и улучшает тепловой режим почвы.

Большое влияние на свойства почвы оказывает ее влажность. При низкой влажности возможна повышенная эрозия, а при высокой – заболачивание. В этой связи умение регулировать влажность почвы приобретает большое значение не только для сельского хозяйства, но и в глобальном масштабе при решении экологических проблем.

Существуют два направления в регулировании фильтрационных свойств грунтов, содержащих глинистые минералы. Первый из них – увеличение фильтруемости воды через грунт для снижения засоляемости почвы при поливном земледелии. Второй – снижение фильтруемости воды с целью уменьшения потерь воды из каналов и прудов и предотвращения загрязнения сточными водами водоносных пластов, из которых идет снабжение пресной водой. Эта же проблема стоит при консервации нефтедобывающих скважин, фильтрация воды через которые может оводнять нефтеносные горизонты.

Снижение фильтруемости происходит в результате высокой способности частиц глинистых минералов к набуханию при контакте с водой и к снижению в результате этого пористого пространства в грунтах. В качестве механизма управления процессом фильтрования воды через глинистые грунты можно использовать изменение гидрофильности частиц.

Очевидно, что повышение гидрофильности частиц приведет к росту набухания и к снижению фильтруемости и, наоборот, снижение гидрофильности и, как следствие этого, уменьшение набухания частиц способствует фильтрованию воды через грунт.

Для рационального использования удобрений и предотвращения засоления почв необходимо создать условия исключения фильтрации солевых растворов в подстилающие породы, их накопления и последующего возврата при подъеме подпочвенных вод во время весенних и осенних паводков.

Однако набухание глинистых грунтов и суглинков в воде нарушает их фильтрующую способность, снижает вымываемость солей и ухудшает использование минеральных удобрений, что также приводит к засолению почвы. Регулированием коллоидной структуры почвы с помощью водорастворимых полимеров, например, полиакриламида или его омыленных производных, можно увеличить фильтрационную способность почвы на порядок и более. Это способствует ускорению в 2-4 раза вымывания солей из почвы, улучшает ее структуру.

Укрепление переувлажненной почвы проводят методами, основанными на удалении или связывании избыточной воды. К таким методам можно отнести методы электоросмоса и термообработки (сушки) для удаления избыточной воды; закрепления грунта органическими или неорганическими вяжущими, смолами и др. веществами. Эти методы эффективны только при некоторой оптимальной влажности. Для закрепления сильно переувлажненных грунтов можно использовать водорастворимые полимеры, например, поливиниловый спирт и его производные, способные формировать упрочненную коллоидную структуру при адсорбции на частицах и их флокуляции. Добавки только ПВС увеличивают прочность грунта в несколько раз, а химическая «сшивка» макромолекул при использовании низкотемпературного отвердителя, например буры, повышает прочность коллоидной структуры грунта более чем на два порядка.

Превышение оптимального количества полимера (примерно 1,5% массы грунта) вызывает снижение прочности структуры грунта в связи с нарушением мостичных связей между частицами и преимущественной адсорбцией на поверхности отдельных частиц, что часто наблюдается и для процесса флокуляции.

Для целей водоснабжения, водопонижения (например, при осушении шахт) и ирригации ежегодно бурится большое число скважин. Значительная их часть бурится в водоносные горизонты, представляемые песками. Такие грунты затрудняют эксплуатацию скважин в связи с выносом песка, механическим износом оборудования, частичным или полным закупориванием скважин, приводящим к прекращению доступа воды в скважины. Кроме того, возможно нарушение морфологии водоносного слоя.

В связи с этим для укрепления слабоструктурированных песчаных пород в прифильтровой зоне проводят обработку с помощью синтетических смол с последующим вытеснением избытка смол углеводородными жидкостями, которые ухудшают водоотдачу эксплуатируемого горизонта. Поэтому в скважины закачивают растворы поверхностно-активных веществ, преимущественно неионогенного типа, которые эмульгируют и солюбилизируют избыток углеводородных жидкостей, а затем удаляют их из прифильтровой зоны, повышая гидрофильность поверхности частиц и улучшая водоотдачу в несколько раз.

При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом проводят бурение скважин глубиной 5-10 м, расстояние между скважинами около 5 м. В результате фильтрации воды из грунта в скважину выносятся мелкие частицы, а подчас происходит и нарушение целостности скважин.

Для закрепления грунта на поверхности скважин в бурильный раствор добавляют водорастворимые полимеры и поверхностно-активные вещества. Водорастворимые полимеры повышают прочность коллоидной структуры на поверхности стенок скважин в результате флокулирующего действия макромолекул, а ПАВ улучшают смачивание, оказывают диспергирующее действие при бурении и снижают расходы на бурение скважин в результате адсорбционного понижения прочности.

В зависимости от природы полимера, рН среды и ее солевого состава возможен различный механизм связывания полимера частицами. В благоприятных условиях – при малой засоленности - будут протекать процессы адсорбции и флокуляции, а в солевых растворах с достаточно высокой концентрацией солей происходит высаливание полимерных веществ из растворов, выделение новой фазы, которая будет формироваться преимущественно на поверхности глинистых частиц, что способствует уплотнению грунта (образованию корки) и снижению фильтрации. Этот эффект наиболее значителен при использовании полимеров с жесткой структурой макромолекул.