Use of model representations of convectional diffusion for determination of indicators of phosphate sorption and solubility in chernozem soils

Abstract

The problem of effective use of phosphate fertilizers is largely determined by the dynamics of transformation of the residue of orthophosphoric acid H2PO4¯ into readily available compounds of calcium monophosphate and calcium diphosphate, with their subsequent transition into poorly soluble forms of calcium phosphates. These processes were studied in the static equilibrium systems, whereas the real processes of migration and transformation of phosphorus compounds in the soil profile are always associated with the dynamics of vertical convective motion. The paper proposes the eluate wave method based on the developed methodology with the use of convectional diffusion concepts to perform a quantitative assessment of the main characteristics of complex adsorption and transformation of the residue of orthophosphoric acid H2PO4¯ in the diffusion process in ordinary and southern light/medium loamy chernozems with a certain level of salinity. During the experiment, the process of frontal filtration of easily soluble phosphates was simulated in a column filled with soil under the action of a convection flow of water. At the exit of the column, partial volumes of filtrate normalized according to the fixed time interval of 30 minutes were taken. Because of the different filtration rates determined by the type of soil under study, partial volumes were different and varied from 200 to 300 mL. Quantitative assessment of phosphates in the partial volumes allowed us to establish the Gaussian-type time dependence with a clearly expressed asymmetry of ascending and descending parts of the eluate wave as a consequence of changes in sorption and diffusion characteristics, i.e. mobility of phosphates as they move in the filtration column. Depending on the structure of the mechanical composition and salinity of soils, the diffusion coefficient reflecting the phosphates’ mobility in the soil profile on the concentration gradient varied from 0.15 to 0.57 cm2 /min. With the increase in the absorbed base amount from 23.5 to 34.2 mmol/100 g, the sorption coefficient rose from 3.6 to 6.5, that is, even in the presence of the average level of salinity, the amount of strongly bound phosphates almost doubled. Experimental values of the total volumes of filtrate varied from 7.99 to 15.65 L depending on the type of soil (with the initial introduction into the upper part of the column of the H2PO4¯ amount corresponding to 9.92 g of the composition Са(Н2РО4)2/СаНРО4 in the ratio of 60% and 40%). Our findings were used as a basis for calculation of the rates of application of phosphate fertilizers, taking into account the actual moisture content in the soil, in order to ensure their maximum possible solubility and efficiency of use by agricultural plants Проблема ефективного використання фосфорних добрив значною мірою визначається динамікою перетворення залишку ортофосфорної кислоти H2PO4¯ в легкодоступні сполуки монофосфату і дифосфату кальцію з подальшим переходом їх у важкорозчинні форми фосфатів кальцію. Ці процеси досліджувалися в статичних рівноважних системах, тоді як реальні процеси міграції та перетворення сполук фосфору в ґрунтовому профілі завжди пов’язані з динамікою вертикального конвективного руху. Запропоновано хвильовий метод елюату на основі розробленої методики з використанням концепцій конвекційної дифузії для кількісної оцінки основних характеристик комплексної адсорбції та перетворення залишку ортофосфорної кислоти H2PO4¯ у процесі дифузії в чорноземах звичайних та південних легко-/середньосуглинкових з певним рівнем засолення. Під час експерименту моделювався процес фронтальної фільтрації легкорозчинних фосфатів у колоні, заповненій ґрунтом, під дією конвекційного потоку води. На виході з колонки відбирали часткові об'єми фільтрату, нормалізовані відповідно до фіксованого інтервалу часу 30 хвилин. Через різні швидкості фільтрації, що визначаються типом досліджуваного ґрунту, часткові об’єми були різними і коливалися від 200 до 300 мл. Кількісна оцінка вмісту фосфатів у парціальних об’ємах дозволила встановити гауссівську залежність від часу з чітко вираженою асиметрією висхідної та спадної частин хвилі елюату внаслідок зміни сорбційних та дифузійних характеристик, тобто рухливості фосфатів при їх русі у фільтраційній колоні. Залежно від структури механічного складу та засолення ґрунтів коефіцієнт дифузії, що відображає рухливість фосфатів у ґрунтовому профілі за градієнтом концентрації, коливався від 0,15 до 0,57 см2/хв. Зі збільшенням кількості поглиненої основи від 23,5 до 34,2 ммоль/100 г коефіцієнт сорбції підвищувався від 3,6 до 6,5, тобто навіть за наявності середнього рівня мінералізації кількість міцнозв’язаних фосфатів зростала майже вдвічі. Експериментальні значення загальних об’ємів фільтрату змінювалися від 7,99 до 15,65 л залежно від типу ґрунту (при початковому внесенні у верхню частину колонки кількості H2PO4¯, що відповідає 9,92 г складу Са(Н2РО4)2/СаНРО4 у співвідношенні 60% і 40%). Отримані нами дані були покладені в основу розрахунку норм внесення фосфорних добрив з урахуванням фактичної вологості ґрунту з метою забезпечення їх максимально можливої розчинності та ефективності використання сільськогосподарськими рослинами.