Поиск

Особенности миграционных потоков влаги в почве (часть 2)
22.10.2012

Движущими силами диффузии являются: градиент концентрации, разность химических потенциалов элементов и гидротермический градиент. При отсутствии внешнего силового поля диффузный поток мобильных веществ с равной вероятностью перемещается в любом направлении генетических горизонтов и профиля. Диффузный поток конкретного вещества в почве можно выразить через произведение концентрации, например, химического элемента (моль*л-1), на скорость его направленного перемещения (v1 - м*с-1) через реальную (заданную) площадь сечения потока S (м2) за время t (с). Согласно первому закону Фика, диффузионный поток вещества (dm/dt) прямо пропорционален градиенту его концентрации: I = D * S (-dc/dx), где D - коэффициент диффузии (м2*с-1). Знак «минус» означает, что поток вещества направлен в зону с меньшей его концентрацией (навстречу градиенту концентрации). На основе названных выражений можно определить скорость диффузионного потока. Для органических молекул диффузия будет лимитироваться размером их частиц и вязкостью почвенного раствора. Так, величина D для сахарозы составляет (м2*с-1): 4,6*10в-1, для полистирола - 8,3*10в-12, а для коллоидных частиц - 5*10в-13. Коэффициент диффузии для гидратированных ионов, в частности радиоактивного изотопа Sr, равен порядка 2,3*10в-7 см2 * с-1 или 2,3*10в-11 м2 * с-1. Диффузия веществ в твёрдой фазе и в природном почвенном растворе протекает с разными скоростями. Наиболее активно диффузия протекает в газах. Вероятно, в почвенных горизонтах существуют различные микрозоны с градиентами концентраций тех или иных веществ. Вокруг них будут реализовываться диффузионные потоки, которые могут как компенсировать, так и усиливать общий поток диффузии конкретного элемента. Пока таких данных в почвоведении ещё недостаточно.
Исходя из указанных выше значений D, можно в первом приближении рассчитать диффузию молекул сахарозы (считая, что они не будут минерализованы микрофлорой) за 1 год: 4*10в-10 м2 * с1 х 31536000с = 0,013 м2 = 1,3 см2.
Для ионов 90Sr2+ в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве диффузия за 1 год составит: 2,3*10в-11 м2 * с-1 х 31536000с = 0,0007 м2 = 0,07 см2. По данным Павлоцкой Ф.И. (1974) в дерново-подзолистой почве при влажности 20% среднее смещение диффундирующих ионов 144Ce, 137CS+ и 90Sr2+ за 6 мес, от места внесения (х =√2D*t) соответственно составило: 0,16, 1,2 и 1,2 см, а скорость диффузии оказалась равной v = 0,1-1 см*год-1. «Более высокие значения D 90Sr для почв в природных условиях, особенно в почвах с промывным режимом, a такжe прямая связь D с влажностью, указывают на существенную роль (атмосферных - И.Я.) осадков в миграции радионуклидов с почвенным раствором».
При изучении состава и свойств природных почвенных растворов кроме лизиметров широко используются различные приёмы выделения жидкой фазы в лабораторных условиях с помощью центрифугирования, замещения жидкостями с меньшим поверхностным натяжением (ПАВ-спиртами...), инертными газами. Применяют водные вытяжки. Эти приёмы достаточно полно освещены в методических руководствах. Обратим внимание на экологические аспекты лабораторного моделирования и достоверность опытных данных. Данный вопрос заслуживает внимания прежде всего потому, что ряд параметров затем используется в математических (и компьютерных) моделях, в том числе и для прогноза той или иной экологической ситуации.
Анализ литературных источников и авторские материалы позволяют заключить, на современном этапе достигнута высокая точность анализов, благодаря использованию инструментальных физико-химических методов. Однако это не означает, что получаемые результаты в модельных опытах в полной мере достоверны, поскольку методология их постановки нередко включает использование искусственных химических реагентов (сильных минеральных кислот и щелочей), которых нет в природных системах почва ↔ растение, почва ↔ микроорганизмы, черви, грибы-кислотообразователи. Неадекватность модели (или растворов, используемых в опытах) и есть причина приближённости экспериментальных данных. Например, в статье Spiteller М. проводится сравнение химического состава природных вод из лизиметров (заложенных в буковом, еловом, дубовом и сосновом лесах) и вод, полученных в лаборатории в виде так называемого почвенного равновесного раствора (ПPP). Вот эти результаты (мг/л):

Особенности миграционных потоков влаги в почве (часть 2)

Из представленных данных следует, что метод получения почвенного раствора путём контакта в лаборатории дистиллированной воды с образцами почвы в течение ряда суток приводит к недостоверным сведениям в сравнении с нативными почвенными водами из лизиметров. Эмпирически подобранные экстрагенты (водные растворы легкорастворимых солей, минеральных кислот и щелочей), используемые для десорбции из почвенных образцов ионов различных металлов (Fe3+, Al3+, Sr2+, Cs+, Pb2+, Cd2+, Tl+, Be2+, Zn2+, К+, Ca2+), гумусовых веществ и металлорганических комплексов, позволяют получить известную информацию, но ©на в большей мере оказывается понятной, чем истинной, поскольку данные экстрагенты (за исключением солей) неадекватны объектам исследования.
Поэтому достоверность опытных данных зависит не только от точности химических анализов, но и от правильной методологии модельного опыта, которая должна обязательно учитывать специфику конкретной научной дисциплины, Например, гидрофизические константы (матричный потенциал, градиент всасывающего давления почвенной влаги, осмотический потенциал, гравитационный потенциал) и другие параметры (силы, обусловливающие адгезию и когезию, сосущую силу корня..,), полученные на искусственных носителях (песок, глина, CaCO3...) или с чистой дистиллированной водой (без учёта реальных компонентов почвенного раствора конкретных почв) также оказываются приближёнными - неадекватными изучаемым объектам.