CC BY
3ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОЧВЫ КАРАКАЛПАКСТАНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ БЕНТОНИТОВОЙ СУСПЕНЗИИ Танатаров О.Р.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 нарастающих проблем деградации земель и изменения климата, значимость таких исследований становится очевидной. Они нацелены на поиск эффективных методов улучшения плодородия почвы, её водных и воздушных характеристик, что важно для устойчивого земледелия и поддержания экологического баланса в регионе [1, 2].
Изучение влияния минеральных структурных модификаторов, таких как бентонит, глауконит и другие, представляет собой инновационный подход к восстановлению и улучшению структурных свойств почвы. Эти минералы обладают уникальными свойствами, которые способствуют формированию водопрочных агрегатов, улучшению водоудерживающей способности и механической устойчивости почвы, что особенно важно для регионов с аридными условиями, таких как Каракалпакстан [3, 4].
В рамках данных исследований особое внимание уделяется оценке потенциала этих модификаторов для повышения устойчивости почв к водной и ветровой эрозии, а также их влиянию на реологические свойства почвенных суспензий [5, 6].
Таким образом, данная работа решает 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 использовали Бештюбенский бентонит (ББ). Исследования проводились на образце почвы из Халхабадского района (Х1) Республики Каракалпакстан. Для испытаний пластической прочности использовался металлический цилиндр с внутренним диаметром 50 мм и высотой 15 мм, который заполнялся однородно высушенной почвой с размером частиц около 1 мм. Уплотненную почву затем пропитывали растворами с указанными структурообразователями в дозировке от 100 до 200 мл на килограмм почвы. Для оценки закрепляющего эффекта и динамики проникновения аддитивов измеряли изменения 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).
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
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.
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 [6].
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 [7].
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, Тз, 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.
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.
Таблица 3. Изменения глубины погружения конуса при пропитке 10 % суспензией ББ.
Объем, мл Погружение конуса, мм Толщина корки (мм)
Т1 Тз Т5 Т10 Т20 Т30 Тб0 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
14,35
8,30
9,0
8,0
7,6
6,8
3,83
2,45
0,13
17
4
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.
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. Сорокина М.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. Hayat R. Water absorption by synthetic polymer (Aquasorb) and its effect on soil properties and tomato yield // Int. Journal Agri. Biol. 2004. Vol. 6. № 6. P. 998-1002.
5. Begum Nasir Ahmad N.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. 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.
7. 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.
