Изменение количества подвижных ионов в почве под влиянием электрического тока

Нашими исследованиями установлено, что в почвенном растворе под влиянием электрического тока происходит значительное перемещение катионов в катодную зону и изменение их количественного состава./Исследования других авторов показали, но при увеличении влажности или понижении концентрации растворимых веществ происходит дальнейшее растворение и гидролиз минералов. Пропуская электрический ток через почву, мы непрерывно удаляем диссоциированные ионы перешедших в раствор веществ и этим снижаем их концентрацию в почвенном растворе. Понижение концентрации способствует большей растворимости минеральной части почвы, потому в почвенном растворе (водные вытяжки) оказывается повышенное содержание растворимых веществ по сравнению с почвой, не обработанной электрическим током. Количество катионов в почвенном растворе при действии на почву электрического тока может возрасти (в процессе непрерывного растворения труднорастворимых веществ почвы) под влиянием увеличения скорости химических реакций при повышении температуры почвы, а также при повышении величины рН почвенного раствора и увеличении диссоциации и гидролиза коллоидных комплексов при повышении влажности почвы в катодной зоне.
Целью проведенных опытов являлось изучение влияния силы электрического тока, действующего в одном направлении и при переменном направление на перемещение ионов. Исследования проводились в двух вариантах: определение общего количества катионов в почве при обработке ее электрическим током и то же током силой 75ма. Кроме того, во втором варианте исследовался состав ионов (катионов и анионов) в почве по зонам электрического поля.
В первом варианте почва (южный чернозем) обрабатывалась электрическим током в цилиндрах диаметром 3,7 см, при расстоянии между электродамиП7Йк!1 Электродами были графитовые пластинки. В исходной почве (контроль) общее количество катионов составляло 0,471% или 23,5 мг-экв. Почва перед опытом увлажнялась до 26,5%. Цилиндры при легком постукивании набивались увлажненной и просеянной почвой (сито с диаметром отверстий 3 мм). Пробы брали в зонах анода и катода (на расстоянии 2 см от электродов) и в середине между электродами на расстоянии 8 см от электродов. Количество катионов определяли методом электродиализа с последующим титрованием катодного диализата. Результаты анализов, выраженные в процентах на абсолютно сухую почву и в миллиграмм-эквивалентах (по расчету на катион Са), приведены в табл. 1.
Во втором варианте исследования проводили в сосудах диаметром(9 и длиной 17 см. Электродами служили графитовые пластинки. Общее количество "катионов в исходной почве (контроль) равнялось 0,603% или 30,1 мг-экв. Увлажнялась почва до 25, 3%. Сосуды наполняли почвой, просеянной через сито, с ячейками диаметром 3 мм при легком постукивании. Пробы брали так же, как и в перзом варианте. Пробу для анализа делили пополам, в каждой из половинок определили общее содержание катионов. Результаты анализов, рассчитанные таким образом, как для первого варианта, приводятся в табл. 1.
Как отмечалось выше, увеличение силы тока повышает количество перемещающихся ионов к электродам (6), вследствие чего происходит нарушение равновесия между насыщенным слоем, прилегающим к растворяющемуся кристаллу, и почвенным раствором. Это вызывает растворение новых порций минеральных веществ в почве. Следовательно, при большей силе электрического тока должно увеличиваться общее количество ионов в почвенном растворе. Это подтверждают наши данные. С увеличением силы электрического тока до 75ма общее количество катионов в почве (во всех зонах) повысилось в анодной зоне на 0,290% (14,5 мг-экв), в середине на 0,373% (18,6 мг-экв) и в катодной зоне на 0,270% (с 13,5 мг-экв). Отметим, что в отличие от электролиза в анодной зоне происходит увеличение (а не уменьшение) общего количества катионов относительно контроля.
Нитраты являются легко растворимыми соединениями, и они почти полностью диссоциируют на ионы в слабых растворах. Абсолютная скорость их аниона довольно велика (для КОз—0,000642 см/сек); она мало отличается от абсолютной скорости таких ионов, как калий (абс. скорость — 0,000667 см/сек) и хлор (абс. скорость — 0,000679 см/сек). Поэтому перемещение по зонам электрического поля у нитрат-иона должно проявляться в большей степени, чем фосфат-иона. С целью выяснения динамики наиболее ценных для растений питательных веществ, нами было произведено количественное определение фосфорной кислоты и нитратов по зонам электрического поля. Оно производилось в водной вытяжке, полученной из проб почвы, через которые был пропущен ток для определения количества катионов в почве. Пробы для анализов брали в анодной зоне, в середине и в катодной зоне. Водно-растворимую фосфорную кислоту определяли колориметрически по методу Дениже, в модификации Левицкого (1, 4). Нитраты определяли колориметрически по методу Грандваль-Ляжу (1). Результаты для Р2О5, РО4 и N03, выраженные в милиграммах на 1 кг абсолютно сухой почвы, приводятся в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что в почве, обработанной электрическим током, повышено содержание фосфорной кислоты и нитратов. Их в два раза больше, чем в паровом поле.
Вследствие электролиза анионы фосфорной кислоты и нитратов перемещаются к аноду, а в анодной зоне их больше, чем в середине и на катоде. Кроме того, перемещение нитратов в анодную зону происходит интенсивнее, чем анионов фосфорной кислоты. Количество фосфорной кислоты в почве, обработанной электрическим током, в анодной зоне составляет 120% от содержания ее в катодной зоне, а количество нитратов в анодной зоне составляет 231% от содержания их в катодной зоне, т. е. нитратов перемещается в анодную зону почти в два раза больше, чем воднорастворимой фосфорной кислоты. Наше предположение об увеличении воднорастворимой фосфорной кислоты в почве после пропускания электрического тока в опытах подтвердилось. Увеличение количества нитратов в почве и их усиленное перемещение к аноду объясняется высокой степенью диссоциации этих соединений.
Рассмотрим, как происходит перемещение ионов в почве при обработке ее электрическим током переменного направления. По Маттсону, при перемене направления электрического тока количество малоподвижных соединений почвы (гидраты полуторных окислов и кремневая кислота) в свежих порциях катодного диализата (диализат в процессе опыта сменялся) может увеличиваться, а щелочные и щелочноземельные основания удаляются почти полностью при первой смене диализата (до перемены направления электрического тока). На основании этого Маттсон приходит к выводу, что «перемена направления тока сопровождается значительным увеличением в осадке кремнекислоты и полуторных окислов». Но он не исследовал те изменения, которые происходят в почве при смене электродов, когда анод сменяется катодом. Мы предполагаем, что в этом случае количество легкорастворимых соединений в анодно-катодной зоне, по сравнению с почвой, обработанной током без перемены его направления, должно уменьшаться, а количество продуктов разрушения труднорастворимых соединений — увеличиваться (катионы кальция, магния и анионы РО4). До перемены направления электрического тока на аноде будет происходить понижение отрицательного заряда ацидоидов, а следовательно, освобождение поглощенных катионов. Кроме того, в кислой среде анодной зоны будет идти замещение катионов на водородный ион. В результате этих процессов количество катионов в растворе в первые 1{> мин увеличится, а после перемены полюсов эти катионы (как положительно заряженные) останутся около нового катода в анодно-катодной зоне. До перемены направления электрического тока на аноде с понижением рН будет также происходить более интенсивное растворение фосфатов, но так как они диссоциируют, то после перемены направления электрического тока, переведенные в раствор фосфаты останутся в анодно-катодной зоне и увеличат содержание водно-растворимой фосфорной кислоты. Рассмотренные процессы вызовут увеличение количества ионов в анодно-катодной зоне, по сравнению с почвой, обработанной электрическим током без перемены направления.
В целях изучения динамики основных элементов, входящих в состав почвенного раствора и улучшающих физико-химические свойства почвы (кальций, магний), а также являющихся питательными для растений (фосфор и азот), в третьем опыте с переменой направления электрического тока нами исследовалось перемещение общего количества катионов с учетом распределения по зонам электрического поля в почве щелочноземельных катионов и анионов N03 и РО4. Для опытов был взят южный чернозем, содержащий 0,603%, или 30,1 мг-экв катионов. Почву увлажняли до 25,3% от полной влагоемкости и просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм. Затем ею наполняли сосуды диаметром 9 и длиной 17 см; электродами служили графитовые пластинки. Опыты проводили в двукратной повторности. В течение первых 15 мин в верхней зоне сосуда был анод, а в последующие 15 мин в этой зоне был катод. Из анодно-катодной зоны почвы, обработанной электрическим током (верх сосуда) на расстоянии 2 см от электрода, брали пробы: одну для определения общего количества катионов в почве, вторую для определения воднорастворимой фосфорной кислоты и третью для определения количества нитратов. Из этих проб было взято по две навески, которые подвергались параллельным анализам. Общее количество катионов определяли по методу электро-диализа, кальций, и магний — объемным методом, фосфорную кислоту — калориметрически по методу Дениже* в модификации Левицкого, нитраты — колориметрически по “методу Грандваль-Ляжу; для определения Са, М&, Р2О5 и N03 готовили водные вытяжки с отношением почвы к водр, как 1 : 5. Полученные по общему количеству катионов данные выражены в процентах на абсолютно сухую почву при пересчете на катион- кальция и в миллиграмм-эквивалентах. Магний рассчитан в процентах на абсолютно сухую почву и в миллиграмм-эквивалентах. Фосфорная кислота в виде РО4, а нитраты в виде КОз в миллиграммах на 1 кг абсолютно сухой почвы. Почва обрабатывалась при постоянной силе электрического тока. Результаты опытов приводятся в табл X и 5
Из табл. 4 и 5 видно, что в почве, обработанной при перемене направления электрического тока, количество водно-растворимых соединений увеличивается по сравнению с содержанием их в исходной почве. Кроме того, оно значительно выше, чем в почве, обработанной электрическим током без перемены его направления.
По Маттсону, «мы не можем сделать почву ненасыщенной путем электродиализа или каким-либо другим способом, не нарушая строения коллоидального комплекса» (5). При более продолжительном действии электрического тока на почву в одном направлении происходит переход большого количества ионов в раствор и их перемещение в соответствующие зоны электродов (катионов к катоду, анионов к аноду). При менее продолжительном действии электрического тока на почву в больших количествах перемещаются сильно диссоциирующие ионы, а слабо диссоциирующие ионы вследствие малой их подвижности остаются в значительной степени на месте их образования. При перемене полюсов в нашем опыте электрический ток в одном направлении действует непродолжительное время (15 мин). При этих условиях легко подвижные анионы будут уходить в значительных количествах из анодно-катодной зоны. Из табл. 5 видно, что анион ЫОз в анодно-катодной зоне остается в меньшем количестве, чем содержится его в анодной зоне и в середине, куда он переместился при однократном пропускании электрического тока (прибавки в анодно-катодной зоне относительно анодной зоны и середины отрицательные). Положительная прибавка относительно катодной зоны указывает на то, что К03 из катодной зоны удален в больших количествах, чем из анод-но катодной зоны, так как в последней электрический ток, уносящий анион ЫО'з, действовал менее продолжительное время.
Положение явпяется иным в отношении менее подвижных ионов (Са, М, РО).
В анэдно-катодной зоне наблюдаются их положительные прибавки относительно других зон (табл. 5). Это указывает на то, что при более длительном действии электрического тока в одном направлении (30 мин) эти ионы перемещаются несколько дальше и накапливаются в меньшей степени, чем при перемене направления электрического тока.
В опыте с переменным направлением электрического тока количество водно-растворимых веществ увеличивается относительно содержания их в исходной почве. Ионов Са, М&, Р04 в анодно катодной зоне значительно больше, чем в почве, обработанной электрическим током без перемены его направления.
Выводы
1. Электрический ток при малом увлажнении почвы вызывает растворение труднорастворимых веществ; при этом увеличивается общее количество диссоциированных ионов в почве.
2. Под влиянием электрического тока происходит перемещение ионов в зоны, расположенные у электродов. В анодной зоне (в отличие от электролиза электролитов) наблюдается увеличение общего количества катионов относительно контроля. В катод* ную зону почвы катионы перемещаются в большем количестве, чем в анодную. В средней зоне (при обработке током силой 75ма) катионы концентрируются больше, чем в других зонах.
3. Недиссоциированные катионы перемещаются к аноду с отрицательно заряженными коллоидами и в форме сложных анионов. Малоподвижные катионы (кальций, магний) перемещаются в катодную зону в небольших количествах.
4. Нитрат-ионы (К03) при малом увлажнении почвы перемещаются к аноду в больших количествах, чем фосфат-ионы.
5. Перемена направления электрического тока вызывает увеличение количества водно-растворимых веществ относительно содержания их в исходной почве.
6. Факторами, влияющими на изменение химических свойств почвы при обработке ее электрическим током, являются) дегидратация коллоидных комплексов и ионов, вызываемая повышением температуры почвы в электрическом поле и увеличивающая скорость перемещения последних, б) интенсивная диффузия продуктов растворения из насыщенного слоя, окружающего растворяющийся кристалл, в) реакция почвенного раствора, изменяющаяся под влиянием электрического тока, г) гидролиз почвенных коллоидов и солей.
7.            Электрический ток является энергичным фактором воздействия на динамику ионов в почвенном растворе и поглощающем комплексе. Это имеет весьма важное значение при возделывании растений в условиях закрытого грунта.