CC BY
4АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ БЕНТОНИТОВОЙ СУСПЕНЗИИ НА ПОЧВЕННУЮ
СТРУКТУРУ КАРАКАЛПАКСТАНА Танатаров О.1, Даулетбаева Р.К.2, Шамуратова М.Р.3, Абдикамалова А.Б.4
1Танатаров Откирбай - базовый докторант, 2Даулетбаева Раушан Куанышбаевна - базовый докторант, 3Шамуратова Махинбану Раметуллаевна - PhD, докторант, 4Абдикамалова Азиза Бахтияровна - DSc, главный научный сотрудник, Институт общей и неорганической химии Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье исследуется влияние 5%, 7% и 10% суспензий ББ на прочностные характеристики почвы Х1. Результаты показали, что увеличение объема суспензии до 8 мл приводит к значительному улучшению уплотнения и формированию корки на поверхности почвы. Наибольшая эффективность была достигнута при 8 мл, независимо от концентрации суспензии. При 10% суспензии наблюдалась наименьшая глубина проникновения конуса, указывающая на высокую начальную эффективность уплотнения. Выбор оптимального объема и концентрации суспензии является ключевым для достижения максимальной прочности и устойчивости почвы к эрозии.
Ключевые слова: суспензия, прочностные характеристики почвы, уплотнение почвы, формирование корки, глубина проникновения конуса, бентонит, почва.
В условиях усугубляющихся проблем деградации земель и изменения климата, актуальность таких исследований несомненна, поскольку они направлены на поиск эффективных способов улучшения плодородия почвы, её водных и воздушных характеристик, что важно для устойчивого земледелия и сохранения экологического баланса в регионе [1-3].
Изучение влияния минеральных структурных модификаторов, таких как бентонит, глауконит и другие, представляет собой новаторский подход к восстановлению и улучшению структурных свойств почвы. Эти минералы обладают уникальными свойствами, которые могут способствовать образованию водопрочных агрегатов, улучшению водоудерживающей способности и механической устойчивости почвы, что крайне важно для регионов с аридными условиями, таких как Каракалпакстан [4-6].
В контексте данных исследований, особое внимание будет уделено оценке потенциала данных модификаторов для улучшения устойчивости почв к водной и ветровой эрозии, а также их влиянию на реологические свойства почвенных суспензий [7-10].
Таким образом, данная работа охватывает актуальную задачу поиска и апробации новых материалов и методик для стабилизации и улучшения состояния почв в Каракалпакстане, учитывая его уникальные природные и климатические условия.
В качестве структурообразующей добавки был использован Бештюбенский бентонит (ББ). Для исследования была взята образец почвы из Халхабадского района (Х1) Республики Каракалпакстан. Для проведения испытаний по установлению пластической прочности использовался металлический цилиндр с внутренним диаметром 50 мм и высотой 15 мм, который заполнялся до краёв однородно высушенной почвой с размером частиц около 1 мм. Данную уплотнённую почву затем пропитывали растворами, содержащими указанные структурообразователи, в дозировке от 100 до 200 мл на килограмм почвы. Для оценки закрепляющего эффекта и динамики проникновения аддитивов в почву применялись измерения изменений в пластической прочности с использованием консистометра Гепплера.
Изучая влияние 5% суспензии ББ на прочностные характеристики почвы Х1, были зафиксированы изменения в глубине проникновения конуса, что отражает динамику уплотнения и формирования корки почвы под воздействием указанного структурообразователя (табл. 1).
С увеличением продолжительности пропитки наблюдается значительное снижение глубины погружения конуса для всех исследованных объемов суспензии, что указывает на процесс уплотнения и укрепления верхнего слоя почвы. В частности, наибольшее снижение глубины погружения конуса и, соответственно, наибольшая толщина корки наблюдаются при использовании 8 мл суспензии.
Таблица 1. Изменения глубины погружения конуса при пропитке 5% суспензией ББ.
Объем, мл Погружение конуса, мм Толщина корки (мм)
Т1 Тз Т5 Т10 Т20 Тзо Тбо Т120 Сутка
8 15,21 10,61 10,10 7,80 7,31 4,90 4,10 3,01 1,01 20
6 12,01 9,60 8.86 6,46 5,42 5,18 4,01 2,81 0,34 18
4 11,71 8,62 7,30 5,61 4,43 3,45 3,18 1,80 0,17 14
Уменьшение глубины проникновения конуса со временем свидетельствует о постепенном уплотнении и укреплении почвы, что является результатом химических и физических взаимодействий между компонентами суспензии и почвенными частицами. Формирование корки на поверхности почвы не только повышает ее механическую прочность, но и может способствовать улучшению водоудерживающих свойств и снижению эрозионных процессов за счет сокращения скорости проникновения воды в почву.
Изменения в глубине проникновения конуса и толщине образовавшейся корки почвы в зависимости от объема (от 4 до 8 мл) внесенной суспензии ББ могут быть объяснены несколькими ключевыми факторами, связанными с физико-химическими свойствами суспензии и ее взаимодействием с почвенной матрицей. При увеличении объема суспензии происходит более равномерное распределение активных компонентов по всему объему почвы, что способствует более глубокому проникновению и равномерному уплотнению почвенного слоя. Это обеспечивает формирование более мощной и однородной корки на поверхности почвы [11].
Повышенное увлажнение, обусловленное большим объемом суспензии, улучшает контакт между растворенными веществами суспензии и поверхностью почвенных частиц. Это способствует более эффективному взаимодействию, включая адсорбцию и ионный обмен, что влияет на уплотнение и прочностные свойства корки. Увеличение объема суспензии может изменять локальную концентрацию ионов и рН, что, в свою очередь, влияет на скорость и направленность химических реакций в почве, включая образование новых минеральных фаз и коагуляцию коллоидных частиц. Это может привести к ускорению процесса формирования корки и увеличению ее прочностных характеристик [12].
Использование увеличенного количества суспензии оказывает дополнительное воздействие на верхний слой почвы, ведя к его механическому сжатию и образованию более толстого слоя корки. Это подтверждается нарастанием толщины корки, зафиксированной через десять дней после применения, при увеличении объема добавляемой суспензии с 4 до 8 мл.
Таблица 2. Изменения глубины погружения конуса при пропитке 7% суспензией ББ.
Объем, мл Погружение конуса, мм Толщина корки (мм)
Т1 Тз Т5 Т10 Т20 Тзо Тбо Т120 Сутка
8 15,90 11,87 10,24 9,30 6,35 5,10 4,90 4,45 1,85 22
6 10,15 9,77 8,65 6,85 6,90 6,20 4,30 3,55 0.36 18
4 8,75 6,54 5,63 4,54 4,11 3,10 2,81 1,91 0,88 14
Как и в случае с 5% суспензией, с увеличением объема 7% суспензии наблюдается более значительное уменьшение глубины проникновения конуса в начальные моменты времени (Т1, Т3, Т5), что свидетельствует о более интенсивном взаимодействии суспензии с почвой и быстром уплотнении поверхностного слоя. Если сравнить с таковыми значениями погружения конуса при использовании 5% суспензии, то можно наблюдать, что для данной концентрации глубина сравнительно ниже при повышении концентрации при расходе жидкости 4 и 6 мл, и чуть больше при расходе 8 мл. Это свидетельствует о закупоривании каналов почвы частицами бентонита при повышении концентрации в суспензии до 7 %.
Анализирование данных о пропитке почв бентонитовой суспензией выявило, что значительная часть бентонита аккумулируется в верхнем слое почвы в начальной фазе процесса пропитки. Снижение концентрации бентонита в более глубоких слоях можно объяснить формированием коагуляционной мембраны на интерфейсе контакта жидкости и почвенной поверхности, которая под действием давления остаточной жидкости разрывается. Этот механизм способствует углублению проникновения при увеличении объема 7% суспензий. Восстановление мембраны происходит при взаимодействии с новыми слоями проникающей жидкости. Исследование показало, что процесс формирования и разрыва мембраны зафиксирован в течение первого часа, при этом различие в пластической прочности почв, обработанных 6 и 8 мл бентонитовой суспензии, составило 6,2 и 5,1, соответственно, после 30 минут и 4,3 и 4,9 после 60 минут.
Для всех рассмотренных объемов суспензии характерно последовательное уменьшение глубины погружения конуса во времени, достигающее минимума на протяжении нескольких дней, что особенно выражено при увеличении объема суспензии. Это демонстрирует прогрессирующее укрепление и уплотнение почвы благодаря образованию защитной корки, индуцированной комплексным взаимодействием химических и физических процессов, запущенных бентонитовой суспензией. Спустя 10 дней максимальную пластическую прочность проявляют образцы почвы, обработанные наибольшим
объемом суспензии (8 мл), что подчеркивает эффективность применения увеличенных объемов для достижения желаемого укрепления структуры почвы.
Толщина корки увеличивается с ростом объема суспензии, достигая наибольших значений при использовании 8 мл. Это может быть связано с большим количеством активных компонентов суспензии, доступных для взаимодействия с почвой, что способствует формированию более мощной защитной корки.
Наиболее выраженное уменьшение глубины погружения конуса и наибольшая толщина корки при использовании 8 мл суспензии указывают на высокую эффективность данного объема для укрепления почвы. В то же время, более низкие объемы также способствуют улучшению прочностных характеристик почвы, но в меньшей степени.
Научный анализ показывает, что концентрация и объем суспензии ББ оказывают значительное влияние на процессы уплотнения и укрепления почвы. Выбор оптимального объема суспензии для конкретных условий требует учета характеристик почвы, желаемой степени укрепления и доступности ресурсов.
Таблица 3. Изменения глубины погружения конуса при пропитке 10 % суспензией ББ.
Объем, мл Погружение конуса, мм Толщина корки (мм)
Т1 Тз Т5 Т10 Т20 Тзо Тбо Т120 Сутка
8 9,6 9,1 6,6 4,65 5,13 5,75 4,9 4,3 1,3 29
6 9,0 6,9 5,28 4,0 3,8 3,5 3,3 3,0 0,76 19
4 14,35 8,30 9,0 8,0 7,6 6,8 3,83 2,45 0,13 17
10% суспензия показывает различную глубину погружения конуса в зависимости от объема: для 8 мл - 9,6 мм, 6 мл - 9,0 мм, и 4 мл - 14,35 мм. Это указывает на то, что с уменьшением объема суспензии глубина погружения увеличивается, что может быть связано с меньшей начальной концентрацией бентонита в почве и более слабым уплотнением. По сравнению с 5 и 7% суспензиями, 10% суспензия обеспечивает меньшую глубину погружения на начальном этапе, что указывает на более высокую начальную эффективность уплотнения почвы благодаря более высокой концентрации бентонита.
Толщина корки, образованной при использовании 10% суспензии, значительно увеличивается с ростом объема суспензии, достигая максимальных 29 мм для 8 мл. Это подтверждает, что более высокая концентрация бентонита способствует формированию более мощной и устойчивой корки на поверхности почвы.
Исследование влияния 5%, 7% и 10% суспензий ББ на прочностные характеристики почвы Х1 показало, что увеличение объема суспензии способствует значительному улучшению уплотнения и формированию корки на поверхности почвы.
Для 5% суспензии максимальное снижение глубины проникновения конуса и наибольшая толщина корки наблюдаются при использовании 8 мл. Со временем глубина погружения конуса уменьшается, что свидетельствует об укреплении почвы и формировании прочной корки. При использовании 7% суспензии наблюдается более выраженное уменьшение глубины проникновения конуса в начальные моменты времени. 10% суспензия демонстрирует наименьшую глубину проникновения конуса на начальном этапе, что указывает на высокую начальную эффективность уплотнения почвы благодаря более высокой концентрации бентонита. Толщина корки, образованной при использовании 10% суспензии, значительно увеличивается с ростом объема суспензии, достигая максимума при 8 мл. Это подтверждает, что более высокая концентрация бентонита способствует формированию более мощной и устойчивой корки на поверхности почвы.
Таким образом, концентрация и объем суспензии ББ оказывают значительное влияние на процессы уплотнения и укрепления почвы. Наиболее выраженное уменьшение глубины погружения конуса и максимальная толщина корки наблюдаются при использовании 8 мл суспензии, что подчеркивает высокую эффективность данного объема. Для достижения оптимальных результатов необходимо учитывать характеристики почвы, желаемую степень укрепления и доступность ресурсов.
Список литературы
1. Robinson S. Land Degradation in Central Asia: Evidence, Perception and Policy // Springer Earth System Sciences. 2016. РР. 451-490.
2. СорокинаМ.В. Структурно-агрегатный состав и водопрочность почвы в зависимости от интенсивности обработки // Вестник сельского развития и социальной политики. 2018. № (1)17. С. 20-22.
3. Nebytov V.G. Changes in the рroperties of leached chernozem upon its agricultural use and field - protective afforestation // Soil Sci. 2005. №6. Р. 656-664.
4. Jones A., Panagos P., Barcelo S., Bouraoui F., Bosco C., Dewitte O., Gardi C., ErhardM., Hervás J., Hiederer, R., Jeffery S., Lükewille A., Marmo L., Montanarella L., Olazábal C., Petersen J.-E., Penizek V., Strassburger T., Tóth G., Van Den EeckhautM., Van Liedekerke M., Verheijen F., Viestova E. & Yigini Y. The State of Soil in Europe // Luxembourg.: European Environment Agency. 2012. 78 p.
5. Begum Nasir AhmadN.S., Mustafa F.B., Yusoff S. A systematic review of soil erosion control practices on the agricultural land in Asia // International Soil and Water Conservation. 2020. № 8(2).
6. Li M.H., Eddleman K.E. Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineering methods // Landscape and Urban Planning. № 60(4). РР. 225-242.
7. Shrivastava P., Kumar R. Soil salinity: A serious environmental issue and plant growth promoting bacteria as one of the tools for its alleviation // Saudi J Biol Sci. 2015. № 22(2). РР. 123-131.
8. Hasanuzzaman M. Agronomic Crops. Volume 2: Management Practices.
9. Amin A., Nasim W., Mubeen M., Ahmad A. Regional climate assessment of precipitation and temperature in Southern Punjab (Pakistan) using SimCLIM climate model for different temporal scales // Theor Appl Climatol. 2018. PP. 121-131.
10. Кулдашева Ш.А., Эшметов И.Д., Салиханова Д.С., Агзамходжаев А.А. Разработка многофункциональных структурантов на основе водорастворимых ПАВ для закрепления подвижных засоленных песков // Монография. Ташкент. 2018. - 210 с.
11. Ismailov B.M., Tanatarov O.R., Abdikamalova A.B., Kuldasheva Sh.A., Agzamova F.N. The Main Areas of Application of Water- Soluble Polymers of Acrylamide to Solve the Problem of Environmental Protection and Structure Formation in the Soil // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. 2022. Vol. 9. Issue 11. PP. 20154-20157
12. Abdurahimov D.Kh., Ismailov B.M., Tanatarov O.R., Abdikamalova A.B., Kuldasheva Sh.A. The Main Areas of Application of WaterSoluble Polymers of Acrylamide to Solve the Problem of Environmental Protection and Structure Formation in The Soil // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. 2022. Vol. 9. Issue 10. PP. 3619-3622.
