Соль

Воздействие технической соли и антигололедных реагентов на растительный грунт и состав почвы.

Процессы переноса ионов натрия и хлора в почвенных водах.

Технический соли: хлориды натрия, магния и кальция, а так же смеси антигололедных реагентов, поступающие с талыми и сточными водами, усложняют гидрологический режим как поверхностных, так и грунтовых вод придорожной зоны, создавая дополнительную ионную нагрузку на почвенные структуры. Хлориды инициирует сложные физико-химические процессы в сопредельных с полотном автомобильной дороги экосистемах, до настоящего времени до конца не изученные.

В действующих нормативных документах приводится балльная оценка (от 1 до 3) загрязнения природной среды противогололедными средствами. Такая оценка малоинформативна, не подразделяет почву и воду и не включает живые организмы:

• 3 балла - загрязнение фрикционными материалами, твердыми МgСl₂ - хлористым магнием и СаСl₂ - хлористым кальцием, пескосолевыми смесями фрикционных и химических антигололедных реагентов;
• 2 балла - загрязнение твердым NаСl, 25%-ой солевой смесью NаСl, 32% рассолом СаСl₂, природными соляными смесями, пластовыми водами и т.п.;
• 1 балл - загрязнение раствором NаСl (хлористым кальцием) в концентрации выше 25%, СаСl₂ - 38% и выше и другими обогащенными смесями технических солей. Однако не все количество хлорида натрия, распределяемого по поверхности покрытия, попадает непосредственно в почву и растительный грунт.

Английскими исследователями, выполнявшими заказ компании British motorways, получены данные о химическом составе пяти образцов спреев, собранных с поверхности дорожного полотна после суровой зимы в различных районах страны. Оказалось, что эти спреи содержат составляющие таких антигололедных реагентов, как натриевые хлориды в значительных количествах (Nа - ррm от 500 до 25000). Проведенные затем модельные опыты со спреями известных концентраций хлористого натрия (табл. 2-1), нанесенными на почву придорожной полосы, выявили дозу хлорида натрия на единицу поверхности почвы, эквивалентную количеству противогололедной соли, нанесенной на единицу длины дорожного полотна.

Как было показано шведскими исследователями на семи разных автомобильных дорогах в разных районах страны, получавших одинаковое количество антигололедных смесей, содержание ионов С1- и Nа+ в почвенных вытяжках из проб почвы с глубины от 70 до 100 см, зависит от элементов профиля дороги, типа грунта в основании дороги и в придорожной зоне, наличия кюветов и транспортных развязок и от расстояния от края полотна.

В этой же работе говорится о динамике содержания данных ионов в почвенных водах в течение года: содержание хлора и натрия несколько повышается весной и поздней осенью, но максимум накопления ионов хлора па два месяца позже, чем ионов натрия. Содержание хлора изменяется во времени более плавно.

В зимний период происходит так называемое криогенное концентрирование ионов в почве. На примере образцов растительного грунта(фильтрат почвы и шлир льда с глубины 66-95 см) Средне-Русской возвышенности были продемонстрированы детали этого процесса [Остроумов, 1998]. Показано, что происходит накопление порового почвенного раствора, мигрирующего в талой зоне к фронту промерзания, где происходит концентрация ионов. Этот процесс идет параллельно образованию шлира льда. Минерализация почвенного фильтрата сильно отличается от таковой шлира льда (158 мг/л и 81,6 мг/л соответственно). Внутри возникающих новообразований из льда и почвенного раствора распределение ионов кальция, натрия и магния (Са, Nа, Мg) различно.

Процессы переноса технической соли в почве изучаются и моделируются специалистами естественных наук (почвоведами, математиками, биологами - Арманд, 1974; Бердикулов, 1985: Майрамукова, 1971 и др.) и технических отраслей знания (Ананян, 1984; Асланов, 1970: Клыков, 1989; Меза, 1984 и др). Эти работы, как правило, носят узкоспециальный характер и поэтому не рассматриваются в данном обзоре.

Процессы попадания остатков применяемых антигололедных реагентов и прочих химических средств борьбы с гололедом зависят от размера почвенных пор; фракции почв, состава растительного грунта, содержащие ионообменные капилляры с диаметрами пор 300 - 30 и 30 - 3 мкм резко различаются по катионному составу; крупные поры с утолщенными адсорбирующими поверхностями являются носителями катиона Nа+, тогда как поры меньшего размера и более тонкие - носители Са2+ и Мg2+. Концентрирование Сl- на поверхности нор не зависит от их размеров.

В модельных опытах и при исследовании физико-химических свойств почв показано [Зайцева и др., 1997], что одновалентный катион Nа+ вытесняет из почвенного поглощающего комплекса в раствор двухвалентные катионы Са2+ и Мg2+. В работе В.А.Казанцева [1992] показано, что за зимний период рН почвенного раствора в верхних горизонтах профиля (0 -10 см) смещается в щелочную сторону, а в глубинных (40 см) - в кислую, что соответствует сезонному "подтягиванию" солей к верхним горизонтам (рис. 2-2).

Скорость перемещения технической соли в почве во многом определяется влажностью грунта (распределение влажности по горизонтам почвы). При этом скорость переноса наибольшая при повышенной влажности в глубинных слоях почвы, а наименьшая - на поверхности.

Влажность почвы - чрезвычайно важный параметр в нашей проблеме, так как степень гидратации иона и его влияния на структуру воды определяет его поведение в почвенных капиллярах. Более гигроскопические соли движутся в почве, оказывает влияние на состав растительного рунта, опережая менее гигроскопические и продвигаясь в зоны более низкой влажности. При этом у любой соли есть свой "порог ползучести". Крупные ионы с низкой плотностью заряда разрушают структуры воды; получающийся раствор в пористой среде, какой является почва, более подвижен, чем чистая вода. К таким ионам относится С1-. В этом смысле соль СаС12 исключительна по способности проходить все ступени фазовых переходов и достигать горизонтов, недоступных для других солей, в частности, натриевых рассолов [Арманд,1974].

Почвоведы рассматривают перенос технической соли, как их перемещение под действием градиента электрического потенциала. Этот градиент возникает в силу того, что поверхность почвенных капилляров, по которым передвигается раствор, заражена отрицательно и притягивает катионы, отталкивая анионы. В результате на стенках пор почвы образуется скопление положительных зарядов. Находящийся в самих порах раствор соли защищен этим от действия отрицательно заряженных анионов. Чем выше засоление хлоридами и сульфатами, тем ниже отрицательный заряд почвы и наоборот [Пакшина, 1994]. Автор выявила специфику концентрирования ионов С1- в вертикальных разрезах почв. Оказалось, что ионы хлора способны перемещаться по градиенту концентрации (со скоростью не более 1 см за 13 суток), а положение максимума на кривой связано с величиной влажности почвы (т.е.. с объемом поступивших талых или других вод). В данном процессе имеет значение и температура почвы, так как ионы концентрируются в зоне сниженной температуры в силу термического переноса влаги и термической диффузии пара. Иными словами, при наличии градиента температур поток почвенной влаги перемещается из слоев с более высокой в слои с более низкой температурой, в результате чего в последних влажность повышается. Термозависимый поток влаги движется в направлении, определяемом конкретной ситуацией (погодой, засолением, типом почвы и др.). Навстречу этому потоку, тормозя его перемещение, движется осмотический поток влаги, направленный в сторону более низкой концентрации соли. В результате наложения этих двух потоков формируется концентрационная волна - максимум солей в слое с минимальной влажностью и минимум солей в наиболее увлажненном слое почвы [Карпачевский и др., 1997].

В солепереносе должна учитываться не только концентрация ионов, но и их активность, так как активность Са2+ и Na+ в почве сравнима в интервале времени 20 - 30 часов, а концентрация -лишь через 80 часов. Именно активность ионов определяет процессы ионообменной сорбции в почвах, хотя многие исследователи исходят из их концентрации [Меза, 1984].

Другие авторы [Ванюшина и др., 1998] предлагают характеризовать физическое состояние ионов и меру их участия в обменных процессах (в почвенных растворах) коэффициентом активности поглощения (f Na, Ca)

Таким образом, поведение ионов хлора в почве определяется природой физико-химических явлений на границе раздела фаз "почва-раствор" [Пакшина, 1994].

Ионы хлора и сульфата (Сl-, SO4₂-) концентрируются также на границе раздела почвенных фаз "раствор-воздух", испаряясь с водой.

Итак, общая закономерность поведения солей в почве состоит в том, что миграционная подвижность ионов, определяемая их валентностью, уменьшается с увеличением электростатического взаимодействия ионов с заряженной поверхностью почвенных пор, т.е. засоленность почвы хлоридами зависит от катионного состава соли, типа почвы и гидрологического режима в конкретной ситуации.

Миграционная способность NаСl не зависит от сезона, так как его растворимость мало зависит от температуры. Хлориды кальция и магния по сравнению с натриевыми лучше растворимы и быстрее поглощаются как растительным грунтом, так и растениями из почвы [Ковда, 1985].