Энергетическая характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов

Хан, Константин Юрьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Энергетическая характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Энергетическая характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов"

На правах рукописи

005050419

Хан Константин Юрьевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 06.U1.03 - агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Пущиио 2012

1 4 МАР 2013

005050419

Работа выполнена в лаборатории функциональной экологии Учреждения Российской академии наук Институт фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино, Московская обл.

доктор биологических наук, профессор Поздняков Анатолий Иванович

доклор биологических наук, профессор зав. кафедрой земледелия и опытного дела Российского государственного аграрного университета-МСХА им. К.А. Тимирязева

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела агроэкологической оценки и мониторинга почв Почвенного института им. В.В. Докучаева

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник кафедры физики и мелиорации почв факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии

Защита состоится « 12 »марта 2013 г. в 15 часов 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.002.13 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, строен. 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова. Автореферат разослан «12 » февраля 2013 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, строен. 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет Почвоведения, Ученый совет (или по факсу (8499)939-24-67).

Ученый секретарь

диссертационного совета _Галина Михайловна Зенова

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Мазиров Михаил Арнольдович

Сапожников Петр Михайлович

Зубкова Татьяна Александровна Ведущее учреждение:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Одной из фундаментальных проблем почвоведения является выяснение механизмов образования, устойчивости и функционирования почвенных агрегатов, представляющих определенный иерархический структурный уровень организации вещества почвы. Считают, что закономерности формирования почвенных агрегатов обусловлены биохимическими процессами гумификации и физико-химическими поверхностными явлениями, протекающими на границе раздела твердой, жидкой и газообразной фаз почвы.

Несмотря на многочисленные работы (В.В. Докучаев, П.А. Костычев, В.Р. Вильяме, К.К. Гедройц, В.Р. Волобуев, Н.А. Качинский, Д.Г. Виленский, Н.И. Саввинов, А.Д. Воронин, П.В. Вершинин, И.Н. Антипова-Каратаев, С.А. Захаров, С.С. Никифоров, Duchaufour, Kubiena, Baver, Greenland, Hattori, Oades и др.), посвященные изучению структуры почв, энергетика взаимодействия частиц в водоустойчивых агрегатах, определяющая закономерности их строения и функционирования, остаётся до сих пор практически не исследованной.

Отсутствие экспериментальных данных, характеризующих физико-химическую природу водоустойчивости агрегатов, обусловлено тем, что это важное свойство почв до настоящего времени оценивается в основном по содержанию и характеру распределения фракции водоустойчивых агрегатов в почвах. Эти характеристики, хотя и важны, но явно недостаточны для решения вопросов, связанных с выяснением физико-химических механизмов образования водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. В последнее время водоустойчивость связывают с гидрофобными зонами, которые образуются в агрегатах при взаимодействии минеральных частиц почвы с гумусовыми веществами (Шеин, 2005; Милановский, 2009).

Структурным связям, определяющим сцепление частиц в контактах, принадлежит решающая роль в образовании и функционировании почвенных агрегатов. Закономерности изменения практически всех структурных и механических свойств почв обусловлены структурными связями - устойчивыми силами притяжения различной природы, локализованными в контактах и характеризующимися определенной прочностью. Однако, природа структурных связей, формирующихся в агрегатах почв и определяющих прочность водоустойчивых агрегатов, до сих пор остается практически не исследованной.

Поэтому, весьма актуальным является проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выяснение физико-химических

механизмов образования, разрушения и функционирования водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв.

Цель работы

Разработать теоретические, методические и экспериментальные основы энергетической концепции водоустойчивости агрегатной структуры почв. Основные задачи исследования

• Разработать методику экспериментального исследования и оценки энергетических параметров, характеризующих водоустойчивость почвенных агрегатов.

• Исследовать закономерности разрушения водоустойчивой структуры агрегатов под действием механических напряжений.

• Исследовать закономерности разрушения агрегатов почв лесостепной и степной зоны в зависимости от содержания в них влаги.

• Исследовать механизмы разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв.

• Экспериментально определить энергию связи и силу сцепления частиц в контактах, а также количество контактов, распределенных на единице площади разрушения водоустойчивых агрегатов почв.

• Исследовать физико-химические механизмы образования структурных связей в водоустойчивых агрегатах и выяснить их роль в трансформации органического вещества в почвах лесостепной и степной зоны.

Научная новизна

1. Впервые исследована физико-химическая природа водоустойчивости агрегатов, которая обусловлена избыточной свободной энергией, формирующейся на границе раздела твердых, жидких и газообразных фаз почвы. Результирующее уменьшение поверхностной энергии, обусловленное взаимодействием частиц, соответствует энергии связи частиц в контактах. Разработан кинетический метод определения энергии связи частиц, позволяющий количественно оценивать по её значениям силу сцепления частиц в индивидуальных водоустойчивых контактах.

2. Впервые исследован активационный механизм разрушения структуры водоустойчивых агрегатов, находящихся под действием механических напряжений. Установлено, что процесс разрушения водоустойчивых агрегатов определяется величиной энергетического барьера разрушения, обусловленного действием механических напряжений.

3. Впервые экспериментально определены макроскопическая прочность водоустойчивой структуры агрегатов (Рс), энергия связи частиц (ис») и сила сцепления (р{) частиц в контактах, а также количество контактов (х) в агрегатах автоморфных почв лесостепной и степной зоны, которые являются фундаментальными физико-химическими характеристиками, определяющими механизмы формирования водоустойчивости агрегатов и закономерности её функционирования в почвах разного генезиса и гранулометрического состава.

Практическая значимость

Предложен новый методологический и методический подход к исследованию водоустойчивости агрегатов, основанный на изучении энергетики контактных взаимодействий в почвах. Результаты исследований могут быть использованы для классификации водоустойчивых агрегатов, базирующейся на характеристике их структурных связей - энергии связи частиц (и«) в контактах, прочности индивидуальных контактов (р|) и количества контактов (х), распределенных на единице площади контактного сечения, которые однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов (Рс). Функциональная связь, установленная между содержанием гумуса в почвах и энергетическими показателями, характеризующими водоустойчивость агрегатов можно использовать при решении прогнозных задач, связанных с сохранением, деградацией и восстановлением агрегатной структуры почв, обусловленных хозяйственной деятельностью человека. Основные результаты и положения работы поддержаны РФФИ (1996, 2005 и 2008).

Основные защищаемые положения

1. Водоустойчивое ядро - агрегированный комплекс, состоящий из микроагрегатов и элементарных почвенных частиц, в котором частицы соединены фазовыми цементационными контактами, формирующимися при дегидратации и коагуляции органоминеральных коллоидов. Высокодисперсные органо-глинистые частицы, локализованные на внешней поверхности водоустойчивых ядер, формируют пространственный каркас, который связывает и армирует водоустойчивые ядра в агрегатах почв. Под действием напряжений, превышающих допустимые величины, каркас разрушается, и агрегат распадается на водоустойчивые ядра. Энергетика контактного взаимодействия органических, минеральных и органоминеральных частиц в агрегатах почв определяет механизмы их водоустойчивости, закономерности строения и функционирования.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение фундаментальных уравнений физико-химической механики для оценки энергии связи частиц (исв) и силы сцепления частиц (pi) в индивидуальных контактах, а также количества контактов (х), распределенных на единице площади разрушения водоустойчивых агрегатов. Установлено, что энергетические характеристики однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов почв - Рс=р\-%.

3. Дано теоретическое объяснение механизму разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. Установлено, что процесс разрушения водоустойчивого агрегата под действием механических напряжений развивается во времени. Он состоит из двух стадий: в первой - происходит активация структурных связей, во второй разрушение активированных структурных связей. Длительная прочность водоустойчивых агрегатов - их долговечность определяется величиной акгивационного барьера разрушения. На основании теоретического анализа процесса разрушения водоустойчивых агрегатов и обобщения результатов экспериментальных исследований создана энергетическая концепция разрушения структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв.

4. Впервые выявлена количественная связь между энергетическими параметрами, обусловливающими прочность структуры водоустойчивых агрегатов автоморфных почв, и содержанием в них гумуса. В исследованных агрегатах при увеличении содержания гумуса закономерно возрастает энергия связи частиц, сила сцепления частиц и количество контактов, определяющие механизмы водоустойчивости и функционирования агрегатов в почвах лесостепной и степной зоны.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на VIII, IX, X Всероссийской школе «Экология и почвы» (Пущино, 1999-2001), Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007), II Национальной конференции «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения (Пущино, 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Леса, лесной сектор и экология Республики Татарстан» (Казань, 2007), X Международной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии» (Астрахань, 2008), V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), II Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2009), IV Всероссийской конференции «Отражение био-, reo-, антропосферных

взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010), Российско-Корейской научной конференции (Иркутская обл., п. Листвянка, 2010), Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летнему юбилею Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН» (Пущино, 2010), Всероссийской научной конференции «Биосфера - Почвы - Человечество: устойчивость и развитие» (Москва, 2011).

Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1983-2012) исследований автора. Ему принадлежит определение целей и задач исследования. Он принимал личное участие на всех этапах исследования, - от постановки целей и задач исследования, получения основного объёма экспериментальных данных до интерпретации и обобщения полученных результатов, подготовки и публикации научных работ. Автор многократно выступал с научными докладами на научных конференциях и школах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, 19 в изданиях, соответствующих списку ВАК, 28 статей и докладов в научных журналах, сборниках и материалах конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, изложена на 300 страницах компьютерного текста, включает список из 301 наименований, в том числе 95 на иностранных языках, 70 рисунков, 42 таблицы и приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своим учителям: А.Д. Воронину, А.Ф. Вадюниной, [Л.О. Карпачевскому], Е.А. Дмитриеву и И.И. Судницыну благодаря которым сформировалось научное мировоззрение автора. Автор выражает особую благодарность научному сотруднику лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН Б.К. Сону, принимавшему участие во всех экспериментальных исследованиях автора, а также зав. лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН, профессору A.C. Керженцеву за оказанное внимание к данной работе. Отдельная, особая благодарность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв за приятную, теплую обстановку и доброжелательность.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность профессору Е.В. Шеину и профессору А.И. Позднякову за постоянное внимание к работе, поддержку, дискуссии, критические замечания и ценные советы, которые оказали плодотворное влияние на научное содержание рассматриваемой диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. Механизмы образования почвенных агрегатов

На всех этапах развития почвоведения изучению, факторов, влияющих на почвообразовательный процесс и, в особенности на структуру почвы уделялось пристальное внимание В.В. Докучаевым, П.А. Костычевым, В.Р. Вильямсом, К.К. Гедройцем, H.A. Качинским, Н.И. Саввиновым, А.Д. Ворониным, А.Г. Дояренко, П.В. Вершининым, Бэвером, Мюккенхаузеном, Брюэром и др.

Изучению физических, химических, физико-химических и структурно-механических свойств почв и почвенных агрегатов посвящено большое количество работ (Филатов, 1936; Охотин, 1937; Тюлин, 1946; Ангипов-Каратаев и др., 1948; Вершинин, 1958; Александрова и др., 1958; Келерман, 1959; Качинский, 1965; Горькова, 1966; Хан, 1969; Горбунов, 1967, 1974; Гольдштейн, 1973; Травникова и Титова, 1978; Абрукова, 1980; Шаймухаметов, 1974; Шаймухаметов и др., 1984; Титова, 1976; Воронин, 1971; 1984, 1986; Титова и др., 1989; Травникова, Титова и Шаймухаметов, 1992, 1995; Медведев, 1994; Зубкова, Карпачевский; 2001; Куваева и Фрид, 2001; Ванюшина и Травникова, 2003; Шеин, 2005; Хайдапова, 2007; Милановский, 2009; Martin, Haider, 1986; Schnitzer, 1991; Rashid, 1972; Theng, 1974 и др.). Однако, несмотря на это, механизмы образования, механизмы устойчивости и механизмы функционирования почвенных агрегатов до настоящего времени изучены слабо. Так, практически не исследованы физико-химические механизмы контактных взаимодействий частиц в агрегатах почв, которые определяют закономерности их образования и функционирования.

Агрегатный уровень - это один из самых специфических уровней структурной организации почв, позволяющий отделять почву от почвообразующей породы, отличать одну почву от другой. Особые функции и свойства агрегатов, их формы и размеры изучены и выявлены у самых разных почв, но сам механизм образования агрегатов разной формы и размеров, в том числе в почвах близких по генезису, остается до сих пор не выясненным (Розановым, 1975, 1982; Ворониным, 1984, 1986; Зубкова, Карпачевский, 2001).

В первой главе рассмотрены существующие в настоящее время теории структурообразования в почвах. Одной из наиболее ранних теорий, получивших в свое время широкое признание, является коагуляционная теория К.К. Гедройца (1926, 1955). Впоследствии она получила дальнейшее развитие в работах И.Н. Антипова-Каратаева с сотрудниками (1948). К.К.Гедройц (1955), Э.Рассел (1959), H.A. Качинский (1965) рассматривавшие процесс агрегирования элементарных почвенных частиц вплоть до образования макроагрегатов, с позиций теории коагуляции, не учли корректно условия

образования почв, которые в большинстве случаев не соответствуют тем условиям, при которых происходит коагуляция в суспензиях (Воронин, 1984). Тем не менее, теоретические представления К.К. Гедройца (1955), несмотря на ряд дискуссионных положений, в целом внесли существенный вклад в понимании процессов образования природных коагуляционных структур и закономерностей формирования органо-глинистых дисперсий в почвах и глинистых грунтах (Шеин, 2005).

Существенный вклад в теорию структурообразования внес В.Р. Вильяме (1939), который обосновал доминантную роль в процессах структурообразования биологического фактора и в первую очередь значение «свежего» органического вещества в формировании зернистой структуры, которое образуется в анаэробных условиях. Он предполагал, что анаэробные процессы протекают внутри почвенных агрегатов, а на их поверхности -аэробные процессы. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в работах И.С. Кауричева и Л.Ф. Татариной (1972), К.И. Рудакова (1951), A.J1. Степанова (1977), A.JI. Степанова и H.A. Манучаровой (2006), а также и в некоторых зарубежных исследованиях (Hattori, 1973; Klein, Thayer, 1966;Greenwood, 1968; Sexstony et al., 1985 1973).

Обобщенная схема, предложенная Харрисом, Честером и Алленом (Harris, Chester, Allen, 1965), в самом общем виде рассматривает возможные связи, образующиеся между минеральными компонентами и гумусовыми веществами почв. Показано, что такие связи могут образовываться через катионные мостики, а также между положительно заряженными ребрами и отрицательно заряженными гранями глинистых доменов, гидроксилами гумусовых кислот и кислородами силикатных слоев, преимущественно расположенных на внешних поверхностях доменов. В образовании связей могут принять участие и силы Ван-дер-Ваальса, связывающие ребра домена с гумусовыми кислотами. Изложенное свидетельствует о том, что в почвах, а, следовательно, и в почвенных агрегатах образуются самые разнообразные структурные связи. Все компоненты, входящие в состав почвенных агрегатов, удерживаются в них структурными связями -устойчивыми силами притяжения, которые локализованы в контактах и придают агрегатам механическую прочность и водоустойчивость. Однако общие представления о структурных связях, образующихся между различными компонентами почв, к настоящему времени уже недостаточны для того, чтобы выяснить механизмы образования почвенных агрегатов и особенности их строения.

К настоящему времени исследованы физические и химические свойства водоустойчивых агрегатов различных типов почв, выявлена роль органического вещества в образовании водопрочной структуры (Антипов-Каратаев и др., 1948; Келерман, 1958;

Кузнецова, 1994, 1998; Данилова, 1994). При изучении механизмов формирования водоустойчивости почвенных агрегатов заслуживает внимания гипотеза, предложенная Е.В. Шейном и Е.Ю. Милановским (2003), основная идея, которой заключается в том, что амфифильные гумусовые вещества осуществляют связь между отдельными минеральными частицами, формируя почвенные агрегаты и обусловливая их водоустойчивость.

Структура агрегатов очень чувствительна к изменению условий почвообразования. Между устойчивостью и строением почвенных агрегатов существует структурно-функциональная связь. К настоящему времени строение высокодисперсных органоглинистых частиц, микроагрегатов, водоустойчивых ядер и макроагрегатов изучено слабо, а структурные связи, формирующиеся между частицами почв под действием молекулярных, капиллярных, дипольных, электростатических, структурных и магнитных сил, практически не исследованы. Вопрос о том, какие силы и в каком сочетании являются определяющими при формировании агрегатов, различающихся уровнями структурной организации, до настоящего времени остается не выясненным. Именно поэтому до сих пор остаются не понятыми принципы и законы организации структурных элементов в почвенных агрегатах.

Для выяснения физико-химических механизмов образования, устойчивости и функционирования почвенных агрегатов необходимо, во-первых, обобщить результаты экспериментальных и теоретических исследований, посвященных структурообразованию в почвах; во-вторых, создать концепцию образования и разрушения почвенных агрегатов, основанной на физико-химической теории прочности дисперсных структур; в третьих, разработать методы экспериментального определения энергетических, кинетических и динамических параметров, характеризующих прочность структурных связей в почвенных агрегатах, формирующихся в процессе «развития», «эволюции» и «метаморфоза» почвы (Захаров, 1927; Роде, 1947).

Глава 2. Методы и объекты исследования

Высокодисперсные частицы почв, взаимодействуя друг с другом, формируют в агрегатах сплошную пространственную сетку, каркас, который связывает между собой микроагрегаты и неагрегированные частицы почв. Агрегаты, которые не размокают и не распадаются при смачивании в воде, являются водоустойчивыми, они способны сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Если удалить воздух из сухих агрегатов путем вакуумирования или медленного капиллярного увлажнения, а затем их смочить в воде, то водоустойчивая структура агрегатов сохраняется. Поэтому образцы

агрегатов, полученные путём медленного капиллярного увлажнения, были использованы при исследовании прочности водоустойчивой структуры агрегатов.

Воздушно сухие агрегаты при смачивании в воде интенсивно разрушаются под действием воздуха, содержащегося в порах агрегата, и расклинивающегося давления тонких пленок воды, локализованных в контактах. При мокром фракционировании воздушно-сухих агрегатов мы получаем ценные результаты, характеризующие содержание и распределение по размерам фракций водоустойчивых агрегатов в почвах. Однако, этих данных не достаточно для количественной оценки прочности структуры водоустойчивых агрегатов Рс, которая определяется силой сцепления частиц р 1 и количеством контактов %, отнесенных к единице площади разрушения.

Ниже излагается методика экспериментальной оценки динамических, энергетических и кинетических параметров, определяющих прочность структуры водоустойчивых агрегатов Рс.

2.1. Определение макроскопической прочности водоустойчивой структуры агрегатов

Основное фундаментальное уравнение физико-химической механики устанавливает зависимость между прочностью дисперсной структуры Рс, средним значением силы сцепления р\ частиц в индивидуальных контактах и числом связей / (контактов), распределенных на единичной площади разрушения (Ребиндер, 1979; Щукин и др., 1982; Дерягин и др., 1987; Осипов, Соколов, Румянцева, 1989; Уап 01рЬеп, 1977 и др.). Оно имеет следующий вид:

Рс=Р1-Х- (1)

Определив величины Рс (Н/см2) и х (контактов/см2) можно рассчитать среднюю прочность индивидуального контакта р\ (Н/контакт) и тем самым оценить величину структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв - основного физико-химического параметра, определяющего их макроскопическую прочность.

Для экспериментальной оценки Рс применяются различные методы (метод Вейлера-Ребиндера, пластометр Ребиндера, метод Цытовича, методы разрыва, метод одноосного растяжения образцов и метод сдвига). Однако эти методы нельзя использовать для корректной оценки макроскопической прочности Рс водоустойчивой структуры агрегатов. Обусловлено это как конструктивными особенностями приборов и установок, так и спецификой определения макроскопической прочности водоустойчивой структуры почвенных агрегатов (их малые размеры, форма, проведение измерений во влагонасыщенном состоянии и т.д.).

Для определения макроскопической прочности Рс водоустойчивой структуры агрегатов нами разработан динамический метод разрушения капиллярно увлажненных агрегатов почв каплями, падающими на их поверхность с определенной скоростью Vr (Хан и др., 1990, 1991, 2007). Теоретическую основу метода составляют представления о предельно допустимом напряжении Рд, а также представления об энергетическом барьере активации структурных связей С/а и энергетическом барьере разрушения структурных связей £/р в агрегатах. Под действием напряжений структурные связи в агрегатах почв «устают», они активируются, а затем разрушаются. Этот процесс определяется соотношением энергетических барьеров активации U, и энергетических барьеров разрушения Up водоустойчивых структурных связей. Эти энергетические уровни, определяющие усталость и последующее разрушение структурных связей, создавались каплями, падающими на капиллярно увлажненные агрегаты с определенной скоростью (V, =0 - 6,0 м/с), в течение заданного времени t с интенсивностью I = 2,50 мм/мин.

Макроскопическая прочность структуры водоустойчивых агрегатов Рс определялась исходя из условия: Ря = Рс. Допустимое напряжение в рассматриваемом случае - это предельное максимальное напряжение не разрушающее водоустойчивые агрегаты. При Р > Ря - происходит интенсивное разрушение агрегатов.

Напряжение (Р, Па) , возникающее при неупругом взаимодействии капиллярно увлажненных агрегатов с каплями, падающими со скоростью равной V,, определялось по следующей формуле:

F F * ,

Р=- = —Ц-=б , , = ——y pV = 1,43pVt; (2)

где F - сила удара капель (Н); р = 1000 кг/м3 - плотность воды; V, - скорость капли (м/с), м/с; а = di/dK - коэффициент, учитывающий торможение капель при неупругом столкновении их с капиллярно увлажненными агрегатами почв; р - коэффициент, учитывающий изменение контактной площади S = (Р4)2 при неупругом ударе капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв (рис. 1).

Рассматриваемая формула (2) получена нами на основании анализа и обобщения как собственных данных (Сухановский, Хан, 1983; Хан и др., 1990, 1991; 2007), так и результатов экспериментальных и теоретических работ, выполненных другими исследователями (Сластихин, 1964, 1971; Гаджев, 1968; Листопад, Чижиков, 1970; Мирцхулава, 1970; Швебс, 1974; Гегузин, 1977; Московкин, Гахов, 1979; Macklin, Mamaxas, 1976; Chdiri, Payne, 1977; Cheng Lung, 1977).

Рис. 1. Закономерности, характеризующие особенности неупругого столкновения капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв

При неупругом взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами изменения коэффициентов аир (рис.1) тесно связаны между собой - с увеличением коэффициента а закономерно уменьшается коэффициент р, а произведение их остаётся величиной постоянной (каф2) = 1,430: для ровной поверхности к = 1; для смоченной поверхности агрегатов, к = 1,36). Отметим, что в формулу (1) для определения напряжений Р не входят ни диаметр капель ни площадь контактных взаимодействий, так как их значение количественно оценено через коэффициенты аир. Формула (2), в отличие от раннее разработанных теоретических зависимостей, количественно учитывает растекание капли на изменение пути торможения капли (<1т = аёк) и площади контактного взаимодействия Э = (Рёк)2 , что позволило с погрешностью, не превышающей 1-2%,

определять по формуле (2) напряжение, возникающее при неупругом взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв (рис.1).

Для определения допустимого напряжения Рл, характеризующего прочность структуры водоустойчивых агрегатов, разрушению каплями подвергались 6-8 предварительно подготовленных для этой цели капиллярно увлажненных образцов. Опыт проводился на специальной установке (Хан и др., 1990, 1991, 2007) в течение 20 минут, скорость падения капли изменялась от 0 до 6 м/с. После завершения опытов в каждом образце определялся средневзвешенный диаметр водоустойчивых частиц (с^), на основании результатов мокрого фракционирования образцов.

О Н-1-1-1-1

0 12 3 4

Ук, м/с

О -1-1-1-1

0 12 3 4

Ук, м/с

а) зависимость п от разрушающей скорости капель Ук = 4,0 мм)

б) зависимость п от разрушающей скорости капель Ук = 6,0 мм)

Рис.2. Определение допускаемой скорости падения капель (У,щ) для капиллярно увлажненных агрегатов гор. Апах (0-15 см) темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы

(Ростовская обл.)

Контролем служили капиллярно увлажненные образцы агрегатов, которые не подвергались разрушению каплями (с!о - средневзвешенный диаметр не разрушенных

14 У

капиллярно увлажненных агрегатов). Показатель п = — , характеризующий

Н;

количество фрагментов-осколков, которые образуются при разрушении водоустойчивых агрегатов, зависит от скорости капель. Если экспериментальные данные разрушения каплями капиллярно увлажненных агрегатов представить в координатах У = п и X = Ук , то они образуют две пересекающиеся прямые (рис. 2). Точке пересечения этих прямых соответствует величина допускаемой скорости (Укд). Определив, таким образом, Увд по формуле (2) определяли допустимое напряжение Рл, которое числено равно величине Рс, т.е. прочности водоустойчивой структуры агрегатов (рис. 2).

2.3.Кинетический метод исследования прочности структуры водоустойчивых агрегатов

Совместное действие механических напряжений и снижение свободной поверхностной энергии приводит к уменьшению прочности структуры водоустойчивых агрегатов, определяющих их длительную прочность. С.Н. Журковым (1953, 1955, 1957, 1958,) на основании экспериментальных исследований получена универсальная зависимость (3), описывающая кинетику разрушения твердых тел - их усталостную прочность(Ц:

1 = 10е кТ , (з)

где 1 - время от момента приложения на твердое тело напряжений (Р) до его разрушения (длительная прочность тела, их долговечность), мин; ио, 4о и у - константы, определяющие прочностные свойства вещества, Т - абсолютная температура; к - постоянная Больцмана. Зависимость

(3) характеризует усталостную прочность самых разнообразных твердых веществ - металлов, сплавов, пластмасс стёкол, глинистых пород (Щукин, 1985; Ющенко, Щукин, 1981; Поваренных, 1963; Королёв и др., 1988).

Рис.3. Зависимость «долговечности» водоустойчивых агрегатов 1 от напряжения Р, вызванного действием капель 0 - время с момента приложения нагрузки до разрушения капиллярно увлажненных агрегатов гор. Апах чернозёма карбонатного глинистого (а) и супесчаного (б), Республика Молдова)

Нами экспериментально установлено, что время I с момента приложения нагрузки до разрушения капиллярно увлажненных агрегатов закономерно изменяется в зависимости от величины напряжения Р. I - кинетический параметр, характеризующий «долговечность» или усталостную прочность водоустойчивых агрегатов. На рис. 3 в качестве примера представлены данные, характеризующие изменение длительной прочности капиллярно

увлажненных агрегатов чернозёма карбонатного глинистого (а) и супесчаного (б) в зависимости от напряжения Р, возникающего при взаимодействием капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв.

Е.Д. Щукин (1985) дал теоретическое обоснование универсальному соотношению (1) С.Н. Журкова на основании энергетической концепции разрушения твердых тел:

и0 = уР+кТ1п(1Л0), (4)

где уР - работа, совершаемая механическими напряжениями по разрыву связи между частицами в контактах; у - активационный объем; кИп^Ло) - энергия сообщаемая системе тепловыми флуктуациями; 1о - период колебания структурной связи, обусловленный механическими напряжениями и тепловыми флуктуациями; и0 - энергия необходимая для разрушения единичной структурной связи.

Р, кПа

Рис.4. Изменение активационного барьера Е в зависимости от механического напряжения Р. Почва - чернозем карбонатный глинистый; А - область активации структурных связей; Б - область разрушения активированных структурных связей. Остальные обозначения в тексте.

Если учесть, что кинетика разрушения твердых тел определяется величиной активационного барьера Е = и0 - уР (Журков и Санфирова, 1958), то его можно оценить по соотношению (5):

Е = кТ1п(1/10) = и0-уР. (5)

Зависимость (5) позволяет определять величину активационного барьера разрушения Е по значениям I, при условии, что процесс разрушения водоустойчивых агрегатов осуществляется при постоянной температуре Т, так как в этом случае значение активационного барьера разрушения Е однозначно определяется величиной напряжения Р.

На рис.4 экспериментальные данные, характеризующие длительную прочность водоустойчивых агрегатов (I) представлены в координатах У = кТ1п(1Ло) и X = Р. В указанных координатах экспериментальные данные, характеризующие изменение барьера активации (Е) в водоустойчивых агрегатах гор. Апах чернозема обыкновенного глинистого (Республика Молдова) в зависимости от напряжений (Р), вызывающих усталость и последующее разрушение водоустойчивых структурных связей, ложатся на прямую, которая при Р = 0 отсекает на оси ординат отрезок Ь = Ць Величина начального энергетического барьера активации и<>- равна энергии связи частиц (ис») в контактах, т.е. и0 = 11с - 1,40*10 " Дж (Журков, Санфирова, 1955; Журков, 1957; БЬегЬу, Ргепке1, Ыаёеаи, 1954).

Определив значение энергии связи частиц ис» можно надежно оценить величину силы сцепления частиц р\ индивидуальных контактов используя следующие фундаментальные зависимости (Дерягин, 1935,1956, 1957, 1973, 1987; Щукин, 1958,1965, 1975, 1981, 1982, 1985, 1988):

исв = - А>/12Ао = шк0и(1ю) =р\-Ио, (6) рх = 11сь//го. (7)

Для твердых дисперсий водной среды Ь0 = 210"8 м.

Результаты по определению силы сцепления частиц р\ в индивидуальных контактах изложены четвертой главе настоящей работы.

2.4. Объекты исследования

Исследования были проведены на серых лесных (Московская обл.), черноземных (Ростовская обл., Курская обл., Республика Молдова) и каштановых почвах (Ростовская обл.).

ГЛАВА 3. Водоустойчивые агрегаты почв: структурные связи и особенности их строения

Структура почвенных агрегатов характеризуется морфометрическими признаками (размер, форма, характер поверхности структурных элементов и их количественное соотношение), геометрическими показателями (пространственная композиция структуры) и энергетическими параметрами (энергия связи частиц в контактах, прочность индивидуальных контактов и количество контактов, отнесенная к площади агрегата). В

настоящее время морфометрические и геометрические характеристики агрегатов изучены основательно и всесторонне, тогда как их энергетические параметры остаются пока практически не исследованными.

Устойчивые силы притяжения (структурные связи) между взаимодействующими частицами, локализованные в контактах, определяют прочность агрегатной структуры почв (Осипов, Соколов, Еремеев, 2001). Структурные элементы взаимодействуют между собой не по всей межфазной поверхности, а только в местах их наибольшего сближения -контактах. Количество и характер контактов являются важнейшими структурными характеристиками агрегатов. Они подразделяются на следующие типы: коагуляционные, переходные (точечные), фазовые (кристаллизационные и цементационные). В образовании почвенных агрегатов принимают участие все три типа контактов.

Наряду с указанными контактами в почвах образуются специфические цементационно-фазовые контакты. Они связывают между собой органоминеральные фракции микроагрегатов, неагрегированные пылеватые и песчаные частицы почв и формируют из них водоустойчивые ядра, являющиеся основной функциональной единицей агрегатной структуры почв.

Исследование процессов разрушения агрегатов позволило определить диаметр водоустойчивых ядер, выяснить закономерности их упаковки в агрегатах и выяснить роль структурных связей в формировании водоустойчивых агрегатов почв.

3.1. Структурные связи в агрегатах почв

Вода и воздух являются важнейшими компонентами почв. Они играют огромную роль в формировании и функционировании структуры агрегатов. При уменьшении влажности от нижнего предела пластичности (\Viin) до максимальной гигроскопичности (АУмг) наблюдается быстрый рост прочности агрегатов. Обусловлено это появлением в агрегатах воздуха и формированием в них капиллярных менисков, стягивающих почвенные частицы и повышающих их структурную связанность. Дальнейшее уменьшение влажности приводит к исчезновению капиллярных менисков (табл.1) При влажностях меньших, чем максимальная гигроскопическая влажность действие капиллярных сил прекращается. Дальнейшее увеличение прочности структуры агрегатов связано с действием молекулярных и ионно-электростагических сил притяжения (табл.1).

При гидратации почвенных агрегатов происходит снижение их поверхностной энергии и увеличение расстояния между частицами почв за счет расклинивающего действия гидратных пленок, а при дегидратации, наоборот, - увеличение поверхностной межфазной энергии и уменьшение расстояния между частицами почв, обусловливающих

формирование в агрегатах структурных связей, характеризующихся достаточно высокой

прочностью (табл.1).

Таблица 1. Влияние энергетического состояния воды на закономерности формирования структурных связей в агрегатах почв

Категории почвенной влаги (Воронин, 1984)

ЧЬс Ч'ас-Ч'с, - Ч'мксв Ч'мксв - Ч'гр Ч*> Ч'гр

Прочносвязанная пленочно-адсорбционная вода Пленочно-стыковая вода Пленочно-капиллярная вода Капиллярная вода Гравитационная

Содержание осмотически связанной воды

минимальное \ среднее \ максимальное Максимальное

Тип и прочность контактов (Ребиндер,1966; Соколов, Осипов, 1977; Щукин, 1985) Агрегаты

конденсационные коагуляционно-конденсационные р\ = 1(Г7-10'9Н ближние коагуляционные р\~ ю-9 - Ю^Н дальние коагуляциионные, /71 = 10-1О-1(Г9Н разрушаются (неводоустойчивые) не разрушаются (водоустойчивые)

Структурные связи Силы отталкивания

*ионно-электро- статические и молекулярные силы *ионно-электро-статические, молекулярные, капиллярные молекулярные, капиллярные молекулярные ионно-электростатические

больше сил притяжения меньше сил притяжения

Примечание: отрицательно заряженные базисные поверхности глинистых частиц связываются с катионами, находящимися в зазоре между ними. "Электростатическое взаимодействие диффузных слоев ионов, окружающих частицы почвы, формируют при их перекрытии силы отталкивания.

Обозначения: Ч^с - потенциал воды при первом слое смачивающей пленки; Ус, - капиллярно-сорбционный потенциал при максимуме пленочной влаги (первый критический потенциал); Ч'мкс» - потенциал максимальной капиллярно-сорбционной влагоемкости; "Ргр = 14,7 Дж/кг - потенциал воды, при котором поверхность пленки плоская, а толщина её составляет 10 мкм (это расстояние на которое простирается действие поверхностных сил) (Воронин, 1985)

Разрушаемость - это способность почвенных агрегатов распадаться в воде на водоустойчивые фрагменты. Если удалить воздух из сухих агрегатов, то при смачивании они не разрушаются (табл. 2, 3). Если воздушно-сухие агрегаты подвергнуть медленному капиллярному увлажнению, а после насыщения их влагой погрузить в воду, то агрегаты, также не разрушаются.

Таблица 2. Разрушаемость агрегатов почв (Вершинин, 1958)

Варианты Без откачки Предварительное капиллярное насыщение С откачкой

воздуха воздуха

Воздушно-сухие агрегаты обыкновенного суглинистого чернозема

1с1ь мм 0,93 2,04 2,06

Воздушно-сухие агрегаты дерново-подзолистой суглинистой почвы

мм 0,64 1,70 1,69

'«5 - средневзвешенный диаметр фракций водоустойчивых агрегатов.

Данный экспериментальный факт имеет принципиальное значение при исследовании прочности структуры водоустойчивых агрегатов, так как в капиллярно увлажненных агрегатах (или в образцах агрегатов из которых удален воздух) водоустойчивые структурные связи не разрушаются (табл. 3). Однако эти связи можно разрушить, если приложить к агрегатам разрушающие механические усилия. Величина предельно допустимого напряжения (Рд) при превышении которой, происходит разрушение водоустойчивых структурных связей, является количественным показателем, характеризующим макроскопическую структурную прочность (Рс) водоустойчивых агрегатов.

Табл. 3. Разрушаемость воздушно-сухих агрегатов в воде

Водоустойчивость агрегатов обусловлена специфическими неразрушающими в воде структурными связями, а водоустойчивое ядро (ВУЯ), формирующееся в почвах, является основной структурной единицей агрегатов, обусловливающей особенности их строения и функционирования.

3.2. Количественная оценка разрушаемости агрегатов в воде Исследования проводились на монофракциях воздушно-сухих агрегатов. В опытах влажность агрегатов изменялась в широком диапазоне (табл. 4). После установления равновесной влажности агрегаты подвергались мокрому фракционированию (Саввинов, 1958).

Исследования показали, что разрушаемость агрегатов черноземов карбонатных и обыкновенных, характеризуемая величиной средневзвешенного диаметра фракций водоустойчивых частиц («#), закономерно уменьшается с увеличением содержания влаги (1^) в агрегатах (табл. 4, 5). При этом воздушно-сухие агрегаты разрушаются и распадаются до водоустойчивых ядер. В диапазоне от максимальной адсорбционной влагоёмкости (\Vmmb) до максимальной капиллярной сорбционной влагоёмкости (\Vmkc«) агрегаты распадаются на водоустойчивые осколки, фрагменты со средним диаметром

равным содержащие определенное количество водоустойчивых ядер </». Анализ экспериментальных данных показал, что связь между влажностью агрегатов (IV) и количеством водоустойчивых ядер, образующихся в результате их распада, близка к функциональной, коэффициент корреляции г > 0,95.

Таблица 4. Изменение диаметра водоустойчивых структурных частиц (о5) в зависимости от влажности ((У). (Диаметр сходных воздушно-сухих агрегатов Рк = 4,0 мм)

Горизонт, см Показатели РИ

1,0 1,5 2,0 2,3 2,7 4,5 6,2

Че рнозем карбонатный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)

Апах (0-25) сЦ, мм 3,17 3,38 2,92 2,28 2,44 0,63 0,42

Щ, % 50,3 39,3 29,0 27,7 24,0 8,4 3,9

А (2541) (¡¡, мм 2,92 3,30 3,03 2,79 2,55 0,73 0,55

Щ, % 50,0 33,0 26,0 23,0 20,4 7,6 4,2

В1 (41-71) ф, мм 3,48 3,56 3,12 3,04 2,27 0,76 0,70

Ц'], % 50,0 36,6 29,0 27,7 23,6 8,9 4,2

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)

Апах (0-24) с1], мм 3,33 3,66 3,50 2,85 2,97 1,00 0,96

IV, % 50,3 35,0 28,0 27,0 24,0 8,9 4,2

А(24-52) 4, мм 3,26 3,30 3,07 2,75 2,62 0,96 0,83

IV, % 50,0 38,7 31,0 29,8 22,0 8,9 4,2

В1 (52-76) о5, мм 3,50 3,57 3,28 3,22 2,35 0,88 0,77

IV, % 50,0 36,1 30,0 28,8 24,6 9,4 4,2

Таблица 5. Параметры уравнений, характеризующие распад агрегатов

Переменные х = 1¥(%) и У = л (Доверительный уровень 95 %)

Горизонт, см Уравнение а Ъ г ^факт. 1-станд.

Че рнозем карбонатный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)

Апах (0-25) У - а*ехр(Ь*!У) 0,472566 0,227259 0,990 0,980 6,99 2,31

А1 (25-41) У = а*ехр(Ъ*№) 0,374715 0,250615 0,991 0,983 7,21 2,31

В1 (41-71) У = а*ехр(Ь*№) 0,328879 0,195134 0,994 0,988 7,64 2,31

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)

Апах (0-24) У = а*ехр(Ь*1Г) 0,376193 0,167924 0,983 0,966 5,81 2,37

А1 (24-52) У = а*ехр(Ь*Ю 0,529615 0,152042 0,974 0,949 5,73 2,31

В1 (52-76) У = а*ехр(Ь*Ю 0,372195 0,178654 0,995 0,991 8,05 2,31

Разрушаемость агрегатов была исследована в черноземах обыкновенных и южных, каштановых, светло-каштановых почвах и серых лесных почвах. Тесная связь между количеством водоустойчивых ядер (п) в агрегатах и исходной влажностью (\¥), агрегатов определяющую их разрушаемость, в воде была выявлена во всех исследованных почвах.

Экспериментально установлено, что кривая, характеризующая разрушение агрегатов при смачивании их в воде, описывается экспоненциальной зависимостью. Следовательно, интенсивность распада ¿п!<Ьн агрегатов на водоустойчивые ядра,

обусловленного изменением влажности, пропорциональна количеству водоустойчивых ядер п(м>), которые содержатся в агрегатах почв при влажности равной н>, то есть:

(9)

Решением дифференциального уравнения (9) являются, выражения следующего вида: Щ = «0-еХр[Й'(и-'Г1Умав)], при И'ма, И'мксв ;

^ = и0=1, upnwi = wU!l,, где п, - количество водоустойчивых ядер, на которые распадаются в воде агрегаты при изменении их влажности в диапазоне от максимальной адсорбционной влагоёмкосги (и'ма11) до максимальной капиллярной сорбционной влагоёмкосги (№„„,). Так как п, = (а/г/о)3, то

= , (Ю)

где с!о - размер «водоустойчивого ядра»; о5 - размер водоустойчивых фрагментов, на которые распадается агрегат с влажностью равной и^. Уравнение (10) позволяет определить размер водоустойчивых фрагментов (4), на которые распадаются в воде агрегаты с влажностью равной .

Установленная закономерность отражает особенности строения водоустойчивых агрегатов. Экспоненциальный характер разрушаемости агрегатов в воде характеризует количество водоустойчивых ядер, которые вовлекаются в процесс формирования почвенных агрегатов. Водоустойчивое ядро с/о является важнейшей структурной единицей, определяющей размер и форму, механическую прочность и водоустойчивость, плотность сложения и порозность агрегатов, которые в процессе функционирования почвы распадаются и вновь формируются из водоустойчивых ядер.

Одной из главных задач настоящего исследования является энергетическая характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов, включающая определение их макроскопической прочности Рс, обусловленной микроскопическими силами сцепления в контактах и количеством контактов, приходящихся на единицу площади сечения водоустойчивого агрегата.

3.3. Закономерности разрушения водоустойчивых агрегатов под действием механических напряжений

При взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв

создаются напряжения, которые вызывают их разрушение. Все опыты по разрушению водоустойчивых агрегатов проводились с каплями одинакового размера (5,0 мм).

100 ■

60-

3 40 •

-э- 70 ■

1 п. 0-

С -20 ■

-40 ■

-60 ■

□ Рид1

□ Ряд2 ■ 1'ядЗ

,ип . ЯП—..

0,125 0,375 0,75 1,5 2,5

Размер фракций, мм

Распределение по фракциям разрушенных каплями (Ук = 3,4 м/с) водоустойчивых агрегатов (с1,<у = 4,0 мм) гор. Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы

100-

80 •

60-

>я

3 40-

?0-

* о-

и -20-

-40 ■

-60-1

□ Р«1 ■ Р«3

т^—г

0,125 0,375 0,75 1,5 2,5 4 |б

Размер фракций, мм

Распределение по фракциям разрушенных каплями (Ук = 4,0 м/с) водоустойчивых агрегатов = 6,0 мм) гор. Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы_

Рис. 5. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 - исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 - распределение по фракциям водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; рядЗ - распределение по фракциям разрушенных водоустойчивых частиц.

ОР1Д] □Р«Д2 ■ РадЗ 1 1 л, Л 1 ЗП | |

0,125 0,375 0,75 1,5 2.5 | 4 1

Распределение по фракциям разрушенных каплями (V* = 3,4 м/с) водоустойчивых агрегатов (сЦ = 4,0 мм) гор. Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы

3 10

•е- 5

а -5

-10

•15

0,125 0,375 0,75 1,5 2,5 |4

ЕЭРяд! ОРяд2 ■РялЗ

Распределение по фракциям разрушенных каплями (Ук = 4,0 водоустойчивых агрегатов (с1„. = гор. Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы_

м/с) 6,0 мм)

Рис. 6. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 - исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 - распределение по фракциям водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; рядЗ - распределение по фракциям разрушенных водоустойчивых частиц.

Продолжительность опытов была постоянной и составляла 20 мин, интенсивность потока капель - 2,50 мм/мин, а скорость падения капель изменялась от 0 до 5 м/с Напряжения, возникающие при неупругом взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами, рассчитывали по формуле (глава 2).

На рис. 5, 6, 7 представлены данные характеризующие разрушение капиллярно увлажненных агрегатов почв разного гранулометрического состава, состоящих как из монофракций, так и смеси фракций агрегатов. При напряжениях в 1,5 - 2,0 раза превышающих допустимые напряжения происходит интенсивное разрушение водоустойчивых агрегатов. Фрагменты-осколки разрушенных водоустойчивых агрегатов обнаружены во всех фракциях.

605040 -

зо 20 10 о

" -10

0,125 0,375 0,75 1,5 2,5

-20 ■ -30 ■

Р Ряд!

РР»Д2 ■ Р»ДЗ

Размер фракций, мм

60 50

^ 40 30

I 20 | 10 | 0 8 -10 " -20 -30 -40

ОРад! □ Ряд2 ■РядЗ

ДаУкДЦк

0,125 0,375 0,75 1,5 2,5 4

Размер фракций, мм

Распределение по фракциям разрушенных каплями (V* = 5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов ((!„> = 6,0) гор. Апах чернозема карбонатного супесчаного (Республика Молдова)

Распределение по фракциям разрушенных каплями (Ук = 5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов ((!„, = 6,0) гор. Апах чернозема среднесуглинистого (Республика Молдова)

Рис.7. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 - исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 -распределение по фракциям водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; рядЗ - распределение по фракциям разрушенных водоустойчивых частиц.

Эти данные показывают, что под воздействием механических напряжений происходит разрушение водоустойчивого каркаса, образованного путём сцепления друг с другом высокодисперсных органо-глинистых частиц. Этот каркас связывает, армирует водоустойчивые агрегированные частицы в агрегатах почв и определяет их водоустойчивость. При разрушении водоустойчивого каркаса из него высвобождаются агрегированные водоустойчивые частицы разного размера (рис. 5, 6, 7). Данная закономерность, характеризующая распределение разрушенных водоустойчивых частиц

по фракциям, выявлена в агрегатах почв разного генезиса, имеющих глинистый, тяжелосуглинистый, среднесуглинистый и супесчаный гранулометрический состав.

Закономерное уменьшение содержания 5-7 мм капиллярно увлажненных агрегатов в зависимости от разрушающей скорости капель V*

Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов (5-7 мм): ряд1 - фракция 1-2 мм; ряд2 - фракция 1- 0,5 мм; рядЗ - фракция 0,5-0,25 мм_

10 20

Влажность, %

0 1,03 2,02 2,53 3,51 4

Разрушение агрегатов в зависимости от их исходной влажности: ряд1 - агрегаты 7-10 мм; ряд2 - агрегаты 5-7 мм; рядЗ - 3-5 мм

Зависимость средневзвешенного диаметра водоустойчивого ядра (<1о) от скорости капель (Ук)

Рис. 8. Разрушение (я) и аккумуляция водоустойчивых частиц (б, г) при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов гор. Апах (0-15 см) темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы (Ростовская обл.). Закономерности разрушения и распад агрегатов в воде (в), характеризующихся различной исходной влажностью.

Специальная серия экспериментов была посвящена исследованию закономерностей разрушения капиллярно увлажненных агрегатов, вызванного различными скоростями капель. Целью их было выделение из капиллярно увлажненных агрегатов наиболее водоустойчивых агрегированных частиц почв. Для этого 6-8 образцов капиллярно

увлажненных агрегатов в течение 20 мин разрушались различными по величине скоростями капель, которые увеличивались при переходе от одного образца к другому. После опытов каждый образец подвергался мокрому фракционированию, что позволило получить данные, характеризующие распределение водоустойчивых частиц по фракциям в зависимости от скорости капель, а, следовательно, и напряжений, возникающих при неупругом столкновении агрегатов с каплями.

Разрушение капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец) в зависимости от скорости капель (Ук): ряд1 - фракция 7-10 мм; ряд2 - фракция 5-7 мм; рядЗ - фракция 3-5 мм_

Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец): ряд1 -фракция 1-2 мм; ряд2 - фракция 1- 0,5 мм; рядЗ - фракция 0,5-0,25 мм_

10 20 30 40

Влажность, мм

з 1

О 1,03 3,01 4 5,03 5,54 V*, м/с

Разрушение агрегатов в зависимости от их исходной влажности: ряд1 - агрегаты 7-10 мм; ряд2 - агрегаты 5-7 мм; рядЗ -агрегаты 3-5 мм

Зависимость средневзвешенного диаметра водоустойчивых ядер (с1о) от скорости капель (Ук)

Рис.9. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов и распад агрегатов с различной исходной влажностью в воде. Почва - чернозём обыкновенный тяжелосуглинистый гор. Апах (0-15 см) (Ростовская обл.)

Разрушение капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец) в зависимости от скорости капель (Ук): ряд1 - фракция 5-7 мм; ряд2 - фракция 3-5 мм; рядЗ - фракция 2-3 мм; ряд4 - фракция 1-2

V., м/|с

Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец): ряд1 -фракция 1-0,5 мм; ряд2 - фракция 0,5-0,25

2 з

V., м/с

Определение допускаемой неразрушающей агрегаты почв скорости капель (Ущ,)

Зависимость средневзвешенного диаметра водоустойчивого ядра (ёо) в зависимости от скорости капель (Ук),_

Рис. 10. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов, распад агрегатов с различной исходной влажностью в воде, определение допустимой не разрушающей агрегат напряжений: почва - чернозём карбонатный легкоглинистый, гор. Апах (0-15 см) (Ростовская обл.)

При увеличении скорости капель, а, следовательно, и напряжения, возрастает интенсивность разрушения капиллярно увлажненных агрегатов (рис. 8, 9, 10, 11). При этом происходит не только разрушение наиболее крупных водоустойчивых агрегатов, но и аккумуляция более мелких по размеру водоустойчивых частиц во фракциях определенного размера.

Сравнение данных, полученных методом Савинова (рис. 8в, 9в), с результатами разрушения агрегатов каплями (рис.9 а,б,г] рис. 10 а,б,г), показывает, что водоустойчивые агрегированные частицы, высвобождающиеся при разрушении водоустойчивого каркаса каплями, и водоустойчивые агрегаты, выделяющиеся при разрушении в воде воздушно-сухих агрегатов, имеют практически одинаковый средневзвешенный диаметр.

Разрушение капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец) в зависимости от скорости капель (Ук): ряд1 - фракция 5-7 мм; ряд2 - фракция 3-5 мм; рядЗ - 2-3 мм_

Разрушение капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец) в зависимости от скорости капель (Ук): ряд1 - фракция 1-2 мм; ряд2 - фракция 1-0,5мм

Определение допускаемой неразрушающей агрегаты почв скорости капель (Уд)

Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный образец): ряд1 -фракция 0,5-0,25 мм; ряд2 - фракция <0,25 мм _

з -I-1-1-1-г-1-1

0 12 3 4 5 6

V к, м/с

Рис. 11. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно увлажненных агрегатов и определение допустимой не разрушающей агрегат напряжений: почва - чернозём карбонатный супесчаный, гор. Агах (0-15 см) (Республика Молдова)

Эти результаты свидетельствуют о том, что водоустойчивые агрегаты состоят из ассоциированных водоустойчивых частиц (водоустойчивых ядер), связанных водоустойчивым каркасом. В водоустойчивых ядрах микроагрегаты и неагрегированные частицы почв связаны фазовыми цементационными контактами. Эти контакты не разрушаются при скоростях капель 4-6 м/с. Прочность водоустойчивых ядер превышает в 1,5-2,0 и более раз прочность водоустойчивого каркаса, охватывающего весь объем макроагрегата.

В результате экспериментальных исследований были определены также допускаемые не разрушающие водоустойчивые агрегаты скорости капель (рис. 10, в; 11, в) что позволило определить соответствующие им допускаемые напряжения (глава 2), характеризующие прочность водоустойчивой структуры агрегатов. Экспериментально установлено, что водоустойчивость агрегатов определяется прочностью водоустойчивого каркаса, образованного высокодисперсными органо-глинистыми частицами, и прочностью водоустойчивых ядер, армированных каркасом. Под действием напряжений в 1,5 - 2,0 раза превышающих допускаемые неразрушающие агрегат напряжения водоустойчивый каркас разрушается и происходит высвобождение из него водоустойчивых ядер.

Глава 4. Энергетическая характеристика структуры водоустойчивых агрегатов почв

Структура агрегатов - это важнейшее качество почвы. Она является чутким индикатором условий образования и дальнейшего преобразования почвы. Исследование энергетических характеристик структуры агрегатов позволил выяснить природу сил, определяющих образование и разрушение в агрегатах различных типов контактов, и получить информацию о генезисе почв, связанную с энергетикой структурообразования.

Без теоретически обоснованных представлений и экспериментально подтвержденных данных о механизме формирования и разрушения структурных связей в агрегатах почв невозможно с позиций физико-химической теории прочности дисперсных структур количественно оценить энергетические характеристики, определяющие водоустойчивость агрегатной структуры почв. Ниже излагаются теоретические представления о закономерностях разрушения структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв, а также экспериментальные данные, характеризующие энергетику водоустойчивости почвенных агрегатов.

4.1. Механизм разрушения структурных связей в агрегатах почв

В ходе разрушения твердых тел происходит разрыв межатомных (или межмолекулярных) связей и образование новых поверхностей. С момента образования новые ячейки поверхности оказываются доступными физико-химическому влиянию среды, которая определяет интенсивность и направленность процессов образования, деформации и разрушения контактов (Ребиндер, 1979; Щукин, 1985). Рассматриваемые явления протекают в почвах постоянно. Они являются следствием обмена веществ и энергии, происходящего между почвой и другими окружающими её природными образованиями. Многие из этих изменений носят циклический характер. Огромное влияние на процессы образования, деформации и разрушения агрегатов почв оказывают механические напряжения, обусловленные процессами набухания и усадки, промерзания и оттаивания, ростом корней растений и хозяйственной деятельностью человека.

Энергия и0 (рис.4.1) необходимая для разрушения структурных связей (и„) поступает в агрегат той или иной пропорции тремя путями (Щукин, 1985):

Рис. 12. Разрушение структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв Обозначения: и0 - энергия необходимая для разрушения связи между частицами; Р -механические напряжения под действием которых находятся структурные связи, у -активационный объем; Я - расстояние между центрами взаимодействующих частиц, г -радиус частицы; Л = Д - 2г минимальная ширина зазора между поверхностями частиц; I -долговечность, или время с момента приложения нагрузки до разрушения водоустойчивого агрегата; 1о - период колебаний межатомных (или межмолекулярных) связей в контакте; к - универсальная постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

и, = Ру-энергия, сообщаемая работой механических

и2 = кТ1п(1Л0) -энергия, сообщаемая тепловыми флуктуациями

1 = 1о-ехр[(и0-уР)/кТ

1. Эта работа механических (внешних, а также внутренних) напряжений:

Ру = РЬ2Ь(1УЬ)"2, где Р - напряжение; Ь - период решетки (т.е. Ь - путь, Ь2 - площадь приложения силы); (Ь/Ь)"2 - выражение фактора концентрации напряжений, Ъ -характерный линейный параметр, описывающий дефектную структуру тела, у -активационный объем, определяющий путь, который следует преодолеть частицам в контакте, чтобы связи между ними разрушились.

2. Эта энергия, сообщаемая тепловыми флуктуациями: кТ1п(1Ло), где I - время ожидания или пребывания агрегатов под нагрузкой; 1о - период колебаний связи.

3. Адсорбция из окружающей среды снижает свободную поверхностную энергию и облегчает развитие процессов деформации и разрушения агрегатов почв. Энергия (ли), освобождающаяся при возникновении новых связей (физическая адсорбция, хемосорбция, включая химические реакции) снижает энергию разрушения и (Ио = и - ди). Обусловлено это тем, что в присутствии адсорбированных частиц облегчаются элементарные акты перестройки и разрыва межатомных (или межмолекулярных) связей в твердых телах (Лихтман и др., 1962; Иванов, 1967).

Таблица 6. Энергетическая характеристика разрушаемости водоустойчивых _агрегатов почв_

Процесс разрушения водоустойчивого агрегата под нагрузкой развивается во времени. Длительность этого процесса согласно уравнению (3) определяется

температурой Т и величиной активационного барьера разрушения С/р = Со - уР (Со -начальная энергия активации равна по величине энергии связи (йен) частиц):

и„-ГР

1 = /„е кТ • (3)

Величина Ср закономерно уменьшается при повышении температуры (3). При постоянной температуре уменьшение активационного барьера разрушения однозначно определяется величиной нагрузки Р. Процесс активации структурных связей начинаются с того момента, как только агрегат оказывается под действием нагрузки. Водоустойчивые структурные связи (ВСС) в агрегатах, находящихся под нагрузкой Р\ (Ра > Р\ > 0), активируются, но не разрушаются (Си > Ср). Как только величина барьера активации структурных связей под действием нагрузки Р2 (Ртах >Рг> Ра) преодолеет активационный барьер разрушения (Со< Ср) агрегат разрушается (табл.6).

Ра - это предельная величина нагрузки, под действием которой все структурные связи в агрегатах находятся в активированном состоянии (рис. 13). При нагрузках Р2, превышающих величину Ра, активированные структурные связи начинают разрушаться так как преодолевается барьер разрушения активированных водоустойчивых структурных связей (табл. 6).

а) зависимость п от разрушающей скорости капель V, (011у = 4,0 мм)

б) зависимость п от разрушающей скорости капель V* (0к7 = 6,0 мм)

Рис. 13. Определение предельно допустимого напряжения Рл для водоустойчивых агрегатов темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы (Ростовская обл.)

Физический смысл предельно допустимого напряжения заключается в том, что величина Ра является количественной характеристикой макроскопической прочности

водоустойчивых агрегатов Рс (Рд = Рс), разграничивающая область активации от области разрушения активированных водоустойчивых структурных связей. Энергия активации структурных связей С/а предопределяет изменение активационного барьера разрушения С/р(рис. 13, табл. 6).

/*£.= и0 = и„ = 2,550-Ю-" Дж ^ Рд

5- Морская (гжельская) глина ненарушенного сложения (Псковская обл.) б - Озерно-ледниковая глина ненарушенного Сложения (Московская обл.) Обозначения:

Д,п - область активации структурных связей (На = ио-уР,; 0<Р,<Рд) ■ ▲ • - область разрушения структурных связей

(Цр = Цо -уР2; Рд <Р2<Рт,)_

1. - Чернозем типичный тяжелосуглинистый, целина (Курская обл.)

2. - Светло-серая лесная почва (Московская обл.)

3 - Каштановая легкосуглинистая почва, пар (Ростовская обл.)

4 - Суглинок карбонатный ненарушенного сложения (Р.Грузия)

Рис. 14. Изменение активационного барьера Е в зависимости от напряжения Р (Р -создавалось каплями, падающими на поверхность агрегатов с определенной скоростью V,). Обозначения в тексте.

На основании экспериментальных данных, характеризующих изменение длительной прочности I в зависимости от нагрузки Р в агрегатах различных почв были определены: 1) величина энергия связи между взаимодействующими частицами (ис»); 2) значение активационного объёма (у); и 3) константа времени (Ь>). Для сравнения вышеперечисленные параметры были определены также в глинистых грунтах нарушенного и ненарушенного сложения (Мирцхулава, 1967), а так же в озерно-ледниковой и морской (гжельской) глине естественного сложения (Королев и др., 1988) (рис.14 и табл.7). Отметим, что в указанных образцах энергетические параметры, характеризующие длительную прочность глинистых пород, определены автором данной работы.

Константа времени Ь озерно-ледниковой глины естественного сложения на три порядка отличается от константы времени морской гжельской глины естественного сложения с конденсационно-кристаллизационным, коагуляционным и смешанным типом связи (Королев и др., 1988). Величина Ь для глинистых грунтов нарушенного и ненарушенного сложения, установленная нами, оказалась равной константе времени озерно-ледниковой глины. В агрегатах почв и соответствовала константе времени, определенной для морской гжельской глины.

Константа времени Ь для исследованных дисперсных структур является устойчивой характеристикой, и она отражает особенности контактных взаимодействий в дисперсных структурах, обусловленных энергетической природой структурных связей. По величине энергии связи (ис«) глинистые грунты с коагуляционным типом структуры отличается от глинистых грунтов с конденсационно-кристаллизационным, коагуляционным и смешанным типом, а последние - от водоустойчивых агрегатов почв.

Таблица 7. Энергетическая характеристика структуры некоторых глинистых _грунтов и агрегатов почв__

Вид грунта иа (10" Дж) 'о, с (10" м1) Прочность, кПа

Ря ■^тах, Л Рг

Глинистый грунт нарушенной структуры (р = 1,67 г/см3) 0,824- 2,80-Ю-3 7,081- 2,0 п,б 13,0 63,0

Глинистый грунт нарушенной структуры (р = 1,56 г/см3) 1,058- 2,80-10"3 10,901- 1,8 9,7 10,0 52,0

Суглинок карбонатный ненарушенной структуры (р = 1,42 г/см3) 0,754 2,85-Ю"3 4,830 1,9 15,6 12,0 70,0

Озерно-ледниковая глина (р = 1,64 г/см3) (Псковская обл.) 1,030- 2,89-1003 0,759 50,0 135,7 - -

Морская (гжельская) глина (р = 1,66 г/см3) (Московская обл.) 2,550 2,47-10 м 1,010 163, 0 251,0 - -

Каштановая легкосуглинистая почва, пар (Ростовская обл.) 1,170 2,50-Ю-04 4,450 5,9 26,1 - -

Чернозем типичный тяжелосуглинистый (Курская обл.) 1,740 2,50-10"06 4,450 18,5 39,1 - -

Обозначения: 1/0 - начальная энергия активации, при Р = 0 равна энергии связи частиц в контактах; Ртах - максимальная динамическая нагрузка, при которой V, = С/о - уР = 0; капля, создающая такое напряжение, разрушает агрегат при каждом ударе; Р\ - макроскопическая прочность (сцепление) глинистых грунтов, определенная по размыву глинистых грунтов; Рг -сцепление глинистых грунтов, определенное прибором Н.А. Цытовича. Остальные обозначения прежние.

Мгновенная динамическая нагрузка (Ртах), определенная на основании количественной интерпретации (рис. 14), оказалась близка по величине макроскопической прочности глинистых грунтов, определенного методом размыва (Мирцхулава, 1967).

Максимальная динамическая нагрузка Ртах, как следует из нашего анализа, характеризует разрушаемость структурных связей при нулевом значении активационного барьера разрушения (Ер = Щ-уР = 0). При данном уровне динамической нагрузки структурные связи в глинистых породах под действием нагрузки разрушаются сразу (долговечность их практически равна нулю). Подобное наблюдается при разрушении водным потоком глинистых грунтов, когда скорость его превышает значение допускаемой размывающей скорости.

Таким образом, в результате проведенных исследований выяснен кинетический механизм разрушения структурных связей в глинистых грунтах и агрегатах почв, что позволило определить значения энергетических параметров (табл.7), характеризующие их долговечность - длительную прочность. Ниже рассмотрены закономерности изменения макроскопической прочности агрегатов почв лесостепной и степной зоны.

4.2. Характеристика прочности структуры водоустойчивых макроагрегатов

В процессе почвообразования микроагрегаты и неагрегированные частицы соединяются гумусовыми веществами путём образования фазовых конденсационных и цементационных контактов, обусловливающих формирование в агрегатах почв водоустойчивых ядер, которые связанны друг с другом высокодисперсными органо-глинистыми частицами, образующими водоустойчивый каркас в макроагрегатах почв. Под действием механических напряжений, превышающих допустимые, водоустойчивый каркас разрушается, и агрегаты распадаются на агрегированные водоустойчивые частицы.

В табл.8 приведены экспериментальные данные характеризующие прочность водоустойчивой структуры гор. Апах некоторых автоморфных почв. Прочность структуры (Рс) водоустойчивых агрегатов закономерно увеличивается с повышением содержания гумуса, поглощенных оснований и физической глины в почвах (табл. 8).

Для выяснения роли гумуса, поглощенных оснований и физической глины в формировании водоустойчивой структуры, а также для выяснения механизмов её образования в почвах разного генезиса были определены энергия связи (ис») между взаимодействующими частицами почв в контактах и прочность (р{) единичных контактов в водоустойчивых агрегатах почв. Результаты этих исследований рассмотрены в следующем разделе настоящей главы.

Таблица 8. Прочности структуры (Рс) водоустойчивых агрегатов _гор. Апах (0-20 см) некоторых почв___

Почвы Гумус, % Поглощенные основания, мг-экв/100г Содержание фга. глины, % Рс. кПа

Са Mg Na К

Чернозем карбонатный легкоглинистый (Р. Молдова) 4,14 33,0 8,3 0,45 0,63 67,57 11,291

Чернозем карбонатный супесчаный (Р. Молдова) 1,34 6,0 5,81 0,28 0,33 13,94 2,416

Чернозем обыкновенный среднесуглинистый (Р. Молдова) 3,10 15,0 7,47 0,47 0,61 44,13 10,270

Каштановая легкосуглинистая (Ростовская обл.) 2,58 12,0 2,5 0,58 29,21 5,951

Темно-каштановая тяжелосуглинистая (Ростовская обл.) 3,20 27,5 8,16 56,8 9,081

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый (Ростовская обл.) 3,80 23,7 2 0,18 54,47 11,051

Пойменная дерновая среднесуглинистая (Московская, обл.) 1,97 11,6 1,8 0,11 39,79 4,132

Чернозем типичный среднесуглинистый (Р. Молдова) 2,90 23,0 4,15 0,52 - 42,78 8,940

Чернозем карбонатный среднесуглинистый (Р. Молдова) 2,21 16,0 3,32 0,21 ■ 30,23 5,150

4.3. Количественная оценка энергетических параметров структуры водоустойчивых агрегатов

Существуют два основных способа определения прочности индивидуальных контактов р\. Расчетный метод применяется при наличии экспериментальных данных, характеризующих макроскопическую прочность дисперсных структур (Рс) и количество контактов (/), распределенных на единице площади разрушения. Параметр х в основном рассчитывается. Для этого используются зависимости, полученные на основании анализа различных моделей микроструктур, характеризующих особенности строения дисперсных систем и формирования в них контактов. Основными показателями расчетных зависимостей, предназначенных для оценки параметра •/■ являются размер частиц (г) и фактор упаковки (n) (Field, 1963; Бабак, 1974; Щукин, 1985; Соколов, 1991).

Прямые методы прецизионного измерения силы сцепления между твердыми частицами дают представление о величине структурных связей. Основаны они на определении величины силы, которую необходимо приложить для разрушения единичных контактов, образованных путём поджима двух взаимодействующих частиц (Юсупов, 1973; Яминский и др., 1982; Щукин и др., 1985). Измерение силы сцепления частиц в

единичных контактах, образующихся в агрегатах почв, затруднено в силу высокой их полидисперсности и гетерогенности. Кроме того, обусловлено это отсутствием в настоящее время надежных данных, характеризующих контактные взаимодействия в водоустойчивых агрегатах почв.

На основании теоретического анализа процессов разрушения структурных связей в дисперсных системах и обобщения экспериментальных данных, характеризующих процессы разрушения водоустойчивых агрегатов, нами разработан кинетический способ определения энергии связи частиц в водоустойчивых агрегатах (рис. 15).

иты~ [исв/(лгА0)] Р1~ кг ит„1 р 1 ~ исв/Ло

Ь.я Й

р, = (1,41-10" Дж)/(2-Ю10 м) = = 7-10''°Н

а) определение по значениям энергии связи частиц (исв) силы сцепления частиц в единичных контактах

б) зависимость энергии активации Е от напряжения Р, возникающего при взаимодействии капель с водоустойчивыми макроагрегатами почв

Рис. 15. Энергетическая диаграмма, характеризующая разрушение водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв чернозема карбонатного легкоглинистого Апах (Республика Молдова) под действием механических напряжений Р

Он базируется на следующих теоретических представлениях (Щукин, Перцов, Амелина, 1982). При сближении двух поверхностей (а), разделенных тонкой пленкой дисперсионной среды толщиной Но преобладающая доля работы в первичном потенциальном минимуме принадлежит силам притяжения. Поэтому глубина первичного потенциального минимума £/,„„/ по абсолютной величине близка к работе сил притяжения А,:

А , = [/„„„ (11)

Для двух взаимодействующих сферических частиц работа сил притяжения (Аг) при Л = Ло (г - радиус частиц) пропорциональна (Дерягин, Чураев, Муллер, 1985) энергии связи частиц (ис>):

А2= и« = лгИ0ит01фо) = (р\)*Ы- (12) Энергию связи частиц исв можно определить на основании экспериментальных данных, характеризующих изменение энергии активации структурных связей (Е) под действием нагрузки (Р), обусловленного неупругим столкновением капель с водоустойчивыми агрегатами почв (рис. 15, б).

Прочность структуры водоустойчивых агрегатов (Рс) черноземных почв в ряду, исследованных автоморфных почв, оказалась наибольшей (табл. 9). При движении на юг (в область распространения зональных каштановых почв) и на север (в область - серых лесных) наблюдается закономерное уменьшение прочности структуры водоустойчивых агрегатов. Данная закономерность обусловлена характером распределения гумуса в почвах лесостепной и степной зонах (табл. 9).

Таблица 9. Характеристика водоустойчивой структуры агрегатов гор. А автоморфных

Почвы Гумус, % Рс кПа Цсв Р\ X п

•Дерново-подзолистые, гор. А 1,70 2,745 1,050 5,300 0,53 2,03

♦Дерново-слабоподзолистые гор. А 2,90 7,575 1,260 6,200 1,22 1,32

♦Светло-серые лесные гор. А 3,40 9,956 1,320 6,750 1,47 1,20

♦Серые лесные гор. А 4,50 14,205 1,450 7,650 1,86 1,10

♦Темно-серые гор. А 7,80 18,363 1,740 8,600 2,14 1,00

•Черноземы выщелоченные и оподзоленные гор. А 8,10 18,425 1,760 8,700 2,12 1,00

Черноземы типичные гор. А (Курская обл.) 8,40 18,469 1,780 8,700 2,12 1,00

Черноземы обыкновенные гор. А (Республика Молдова) 7,20 18,221 1,700 8,500 2,14 1,00

Черноземы южные гор. А (Ростовская обл.) 4,60 14,755 1,460 7,500 1,97 1,04

Темно-каштановые гор. А (Ростовская обл.) 4,00 12,252 1,400 7,250 1,69 1,12

♦Каштановые гор. А 2,60 6,090 1,210 5,900 1,03 1,43

• Светло-каштановые гор. А 2,10 4,185 1,130 5,400 0,78 1,65

Обозначения: Рс - прочность структуры водоустойчивых агрегатов (кПа); исв - энергия связи частиц в контактах (исв*10"" Дж); р 1 - прочность индивидуальных контактов (/7|*Ю '° Н/конт.); Х - количество контактов (х*Ю9 конт./ см2)

При движении на юг (в область распространения зональных каштановых почв) и на север (в область - серых лесных) наблюдается закономерное уменьшение прочности

структуры водоустойчивых агрегатов. Данная закономерность обусловлена характером распределения гумуса в почвах лесостепной и степной зонах (табл. 9).

Макроскопическая прочность Рс структуры водоустойчивых агрегатов однозначно определяется микроскопическими силами сцепления р\ частиц в контактах и количеством контактов х, отнесенных к единице площади разрушения. С увеличением содержания гумуса в агрегатах почв происходит закономерное увеличение энергии связи ис» между взаимодействующими частицами почв, прочность контактов р\ и количество контактов

Как показывают данные количественного анализа РЭМ-изображений, в зависимости от размера минеральных зерен и величины пористости, число контактов в единице площади сечения (в см2) разрушения в глинистых породах может варьировать от 107 до 108. Макроскопическая прочность структур Яс в подобных глинистых породах, измеренная по методике растяжения образца в виде катушек или четырехточечного изгиба бапочек, изменяется от 10 кПа до 50 кПа (Соколов и др., 1982; Осипов и др., 1989). Эти данные находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, которые получены нами при исследовании прочности водоустойчивой структуры агрегатов почв (табл. 9).

Таблица 10. Характеристика водоустойчивой структуры агрегатов гор. А пах _некоторых автоморфных ___

Почвы Гумус, % Рс кПа и« Р\ X п

Чернозем карбонатный легкоглинистый Апах (Республика Молдова) 4,14 11,291 1,410 7,00 1,61 1,15

Чернозем карбонатный супесчаный Апах (Республика Молдова) 1,34 2,416 0,975 5,00 4,83 2,10

Чернозем обыкновенный среднесуглинистый Апах (Республика Молдова) 3,10 9,966 1,280 6,750 1,48 1,21

Каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.) 2,60 5,910 1,210 5,850 1,02 1,45

Темно-каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.) 3,20 8,937 1,300 6,500 1,37 1,24

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый Апах (Ростовская обл.) 3,80 10,425 1,370 6,850 1,52 1,18

Пойменная дерновая среднесуглинистая Апах (Московская обл.) 2,00 4,132 1,110 5,400 0,76 1,66

Чернозем типичный среднесуглинистый Апах (Республика Молдова) 2,90 8,937 1,260 6,500 1,37 1,24

Чернозем карбонатный среднесуглинистый Апах (Республика Молдова) 2,20 5,162 1,10 5,650 0,91 1,52

Обозначения: Рс - прочность структуры водоустойчивых агрегатов (кПа); исв - энергия связи частице контактах (исв* 10'" Дж);р1 - прочность индивидуальных контактов (р1*1О'10-Н); Х-количество контактов (х*109конт./см2)

В условиях, когда поступление свежего органического вещества в почву ограничено в результате их сельского хозяйственного использования, происходит деградация водоустойчивой структуры почв.

20 п

15 -

10 -

5 -

—I-г-

4 6

Сгум , %

-1

Изменение фактора упаковки п в зависимости _от содержания гумуса в почвах__

(Б)

ПШ1

0<Сгум< 1,7

1,7<Сгум<7,0

7,0 < Сгум < 8,4

Рис. 16. Диаграмма, характеризующая прочность структуры водоустойчивых агрегатов Рс автоморфных почв лесостепной и степной зоны

А - зависимость макроскопической прочности (Рс) структуры водоустойчивых агрегатов от содержания гумуса в почвах (Сгум); Б - закономерности изменения параметра и, характеризующего особенности строения органо-глинистой оболочки (каркаса) в зависимости от содержания гумуса в почвах; ряд1 - экспериментальные данные; ряд2 - данные рассчитанные по зависимости [Рс = 1/(0,05383 + 1,465202*ехр(-Сгум)]

Проявляется она в закономерном снижении прочности структуры водоустойчивых агрегатов и обусловлено уменьшением энергии связи частиц исв, силы сцепления частиц

Р1 и количества контактов %, распределенных на единичной площади разрушения водоустойчивых агрегатов (табл.10).

Водоустойчивость агрегатов определяется прочностью водоустойчивого каркаса, образованного путём сцепления друг с другом высокодисперсных органо-глинистых частиц, и прочностью агрегированных водоустойчивых частиц, связанных и армированных каркасом в агрегатах почв. Экспериментально установлено, что прочность водоустойчивых ядер - агрегированных водоустойчивых частиц в 1,5-2,0 и более, раз превышает прочность водоустойчивого каркаса (глава 3). Поэтому под действием возрастающих механических напряжений в первую очередь разрушается водоустойчивый каркас, его разрушение вызывает распад агрегата на водоустойчивые ядра. Этот каркас имеет характерное строение и зависит оно от содержания гумуса, размера и свойств высокодисперсных органоминеральных частиц почв.

■ Зависимость, представленная на диаграмме (рис. 16, А), является основной прочностной характеристикой водоустойчивых агрегатов автоморфных почв лесостепной и степенной зоны. Из диаграммы следует, что величина Рс достигает предельного значения, когда содержание гумуса в почвах превышает критическое значение - Сгум > 7,0 %. При уменьшении содержания гумуса в почвах наблюдается закономерное уменьшение прочности водоустойчивой структуры агрегатов.

Оценка размера частиц и плотности их упаковки в органо-глинистой связнодисперсной системе, формирующей водоустойчивый каркас в агрегатах, необходима для оценки термодинамических условий, определяющих устойчивость (или потерю устойчивости) высокодисперсных органо-глинистых частиц к коагуляции.

Для определения размера частиц и фактора упаковки органо-глинистой дисперсной структуры была использована модель, характеризующая хаотическую пористую упаковку, которая аппроксимируется совокупностью расположенных по трем направлениям цепочек, состоящих из равновеликих сферических частиц. Основными параметрами данной модели являются размер частиц V = 2г п безразмерный фактор упаковки п, который равен числу частиц, размещающихся от одного узла до другого. Выбор этой модели для количественного описания строения органо-глинистой оболочки, обусловлен тем, что рассматриваемая модель позволяет описать обширный класс относительно «рыхлых» структур с открытой пористостью, включая глинистые породы (Пинес, 1952; Щукин, 1965, 1978; Бабакидр., 1973; Соколов, Осипов, 1973).

Оценка параметров Б и п проведена на основании экспериментально определённых значений параметра х (рис. 15, табл. 9, 10) по зависимости:

Х,=(1/0)2прип=1; (13)

Х2 = (1/п)2*(1/П)2приЗ<п<1. Асимптотический участок на графике (рис. 16) характерен для черноземных целинных почв. Органо-глинистая оболочка, формирующаяся на внешней поверхности водоустойчивых ядер черноземных почв содержит наибольшее количество контактов (отнесенных к см2), и обусловлено оно максимальной упаковкой частиц в органо-глинистом каркасе (фактор упаковки и = 1). Расчеты показали, что для агрегатов всех исследованных почв Б = 2,1610"5 см. Эти данные свидетельствуют о том, что водоустойчивый каркас, который связывает друг с другом водоустойчивые агрегированные частицы в агрегатах почв, образуется путём сцепления органо-глинистых частиц, составляющих коллоидную фракцию.

4.4. Механизм образования водоустойчивых агрегатов в почвах

Полученные результаты позволили сформулировать концепцию образования водоустойчивых агрегатов в некоторых автоморфных почвах, распространенных в Европейской части России.

Почва является полидисперсным, гетерогенным, биокосным природным образованием, которая унаследовала от материнской породы структурные элементы, подвергающиеся постоянному преобразованию под действием климата и живых организмов. В процессе почвообразования образуются новые структурные элементы характерные для почв - это органоминеральные и органические элементарные почвенные частицы, которые формируют органоминеральные фракции микроагрегатов. Микроагрегаты в свою очередь образуют структурное образование, водоустойчивые агрегаты, являющиеся ассоциацией микроагрегатов и неагрегированных крупно-пылеватых и песчаных частиц, связанных конденсационно-фазовыми контактами (см. глава 3). Водоустойчивые ядра связаны, армированы в агрегатах почв водоустойчивым каркасом, который образован путём сцепления друг с другом высокодисперсных органоминеральных частиц.

В водоустойчивых ядрах, представляющих собой агрегированные частицы почв, создаются наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности микробного сообщества. Внутри водоустойчивых ядер протекают в основном процессы анаэробной трансформации органического вещества почв, обусловливающие образование в них преимущественно гидрофобных фракций гумусовых веществ. На поверхности водоустойчивых ядер развиваются процессы аэробной деструкции органического вещества. Они приводят к образованию в основном гидрофильных компонентов

гумусовых веществ (Вильяме, 1936; Сердобольский, Синягина, 1953; Кауричев, Тарарина, 1972; Милановский, Шеин, Степнов, 1993; Шеин, Милановский, 2002; Шеин, Милановский, 2003; Верховцева и др., 2004; Полянская, Милановский, Звягинцев, 2004; Шеин, 2005; Васильева, Милановский, Степнов, Поздняков, 2005; Степанов, Манучарова, 2006; Милановский, 2009).

Распад агрегатов на водоустойчивые структурные фрагменты, содержащие различное количество водоустойчивых ядер, обусловлено функционированием почвы, в процессе которого происходит фрагментарное обновление разрушенных водоустойчивых ядер. Процесс этот динамичный и он обусловлен «свежим» органическим веществом, поступающим в агрегаты почв и подвергающимся процессам минерализации и гумификации. Агрегаты в почвах выполняют выдающуюся роль. Закономерности их строения и особенности функционирования определяют формирование в почвах деструктивной ветви цикла органического углерода, определяющей процессы гумификации в почвах и формирование в них гуминовых веществ.

Важная роль в образовании почвенных агрегатов принадлежит процессам гидратации и дегидратации высокодисперсных глинистых частиц (тонко-пылеватая и илистая фракции). В интервале от гигроскопической влажности (Wr) до максимальной гигроскопической (Wmi-) макронабухание отсутствует. В диапазоне от \Умг до влажности близкой к пределу пластичности (Wim) набухание постепенно возрастает, а при влажностях больших, чем Wm вплоть до влажности набухания (Wh) оно быстро растет. Набухание глинистых частиц приводит к увеличению толщины гидратных пленок на контактах и микроструктурной перестройке глинистых частиц в почвах (Злочевская, Королев, 1985, 1988; Осипов, Бабак, 1988; Воронин, 1984, 1986).

Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу, а в щелочной среде - по кислотному. В результате боковые сколы глинистых частиц в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной - отрицательно (Осипов, Сергеев, 1972; Тарасевич, Овчаренко, 1975; Кульчицкий, Усьяров, 1981; Воронин, 1984; Соколов, 2000; Осипов, Соколов, Еремеев, 2001; Schofield, Samson, 1953; Norrish, 1954; Jordine, Bodman, Gold, 1962).

На стадии полного набухания почв происходит раскрытие микроагрегатов глинистых частиц (Осипов, Бабак, 1988), и создаются наиболее благоприятные условия

для электростатического взаимодействия гумусовых кислот с боковыми сколами глинистых частиц.

Анализ данных (Александрова, Юрлова, Лобицкая, 1966), характеризующих распределение гумусовых веществ в гранулометрических фракциях выщелоченных черноземах и красноземах показал, что во фракциях 0,1-0,2 мкм, площадь поверхности занятая адсорбированными гумусовыми веществами не превышает 10-15 % общей суммарной площади поверхности частиц. Исследованиями Ю.И. Тарасевича и Ф.Д. Овчаренко (1975), а также Кульчицкого и Усьярова (1981) установлено, что на долю боковых граней кристаллов глинистых минералов приходится около 10 - 15 % суммарной площади поверхности глинистых частиц. Следовательно, боковые сколы высокодисперсных глинистых минералов, приобретающие в кислых, нейтральных и слабощелочных средах положительные заряды, могут взаимодействовать с отрицательно заряженными карбоксильными группами гумусовых кислот.

Водоустойчивое ядро - ассоциация фракций микроагрегатов (3)

Органоглинистая оболочка обрузующаяся на поверхности ВУЯ

Взаимодействие гуминовых кислот (1) с

боковыми сколами глинистых _минералов (2)_

Фрагмент агрегата, образованный из водоустойчивых ядер (4)

У7— 7

Рис. 17. Механизм образования водоустойчивых агрегатов в почвах: 1- гумусовые кислоты; 2 - глинистые частицы; 3 - фракции микроагрегатов; 4 - водоустойчивые ядра, связанные органо-глинистыми частицами (каркасом)

Нашими исследованиями установлено, что водоустойчивый каркас в агрегатах почв, связывающий между собой водоустойчивые ядра, образуется путём сцепления друг

с другом почвенных частиц, составляющих коллоидную фракцию. Следовательно, в почвах возможны следующие механизмы образования высокодисперсных органоминерапьных фракций в почвах (рис. 17).

Отрицательно заряженные карбоксильные группы гумусовых кислот (1) взаимодействуют с положительно заряженными боковыми сколами тонкодисперсных глинистых частиц (2). При этом неполярные фрагменты гумусовых кислот, обращенные в сторону почвенного раствора, гидрофобизируют поверхность боковых сколов глинистых частиц. Последние взаимодействуют между собой и образуют водоустойчивую дисперсную структуру -органо-глинистую оболочку, которая формируется на внешней поверхности водоустойчивых ядер и связывает их в агрегатах почв (рис. 17).

Оценка устойчивости органо-глинистых частиц к агрегированию, проводилась на основании критерия (Щукин, Амелина, Яминский 1981):

£/(Ао) < г/с = (р*кТ/(0,52го-Ао), (14)

где р а 10 - 20; Ъ ~ 2 - 3; к = 1,38*10"23 Дж/К; Т = 300К.

Использование соотношения (14) возможно в том случае, если энергию, характеризующую межмолекулярное притяжение в первичном минимуме Ц(Ио), можно оценить по соотношению:

ЩИ о) = исв/ягАо.

Табл. 11. Энергетические критерии, характеризующие условия образования водоустойчивой органо-глинистой дисперсной структуры - каркаса в макроагрегатах почв

Почвы Гумус, % Р„, кПа Б = 0,2 мкм

11с. »10 " Дж г/(йо) мДж/м2

Светло-серые лесные гор. А 3,4 9,956 1,35 4,3

Серые лесные гор. А 4,5 14,205 1,53 4,9

Темно-серые гор. А 7,8 18,363 1,72 5,5

Черноземы выщелоченные и оподзоленные гор. А 8,1 18,425 1,74 5,5

Черноземы типичные гор. А (Курская обл.) 8,4 18,469 1,74 5,5

Черноземы южные гор. А (Ростовская обл.) 4,6 14,755 1,50 4,8

Темно-каштановые гор. А (Ростовская обл.) 4,0 12,252 1,45 4,6

Каштановые гор. А (Ростовская обл.) 2,6 6,090 1,18 3,8

Светло-каштановые гор. А (Ростовская обл.) 2,1 4,185 1,08 3,4

При 1/(Ио) > Ос = 0,67 мДж/м-1 органо-глинистые частицы неустойчива к коагуляции

В наших исследованиях величина ис> определялась на основании экспериментальных данных, характеризующих длительную прочность структуры водоустойчивых агрегатов

(рис. 15), поэтому соотношение (14) можно корректно использовать для оценки термодинамических условий, характеризующих устойчивость органо-глинистых частиц в водной среде к коагуляции.

Величина С/с характеризует ту критическую глубину первичного минимума, при которой коагуляция термодинамически невыгодна. В дисперсной системе при С/(Ло)<С/с устанавливается равновесие между процессами пептизации и коагуляции. Критическое значение энергии межмолекулярного притяжения С/с при И = ко для частиц с г = 0,1 мкм, оказалось равным 0,7 мДж/м2. Оно значительно меньше величины С/(Ао), определенной в исследованных почвах (табл. 11). Поэтому органо-глинистая система, состоящая из частиц с размером равным Э = 2г = 0,2 мкм, неустойчива, она самопроизвольно коагулируют и образуют сплошную дисперсную структуру, водоустойчивый каркас, связывающий водоустойчивые ядра в агрегатах почв (рис. 17).

Таким образом, водоустойчивость агрегатов почв определяется прочностью водоустойчивого каркаса, образованного путём сцепления друг с другом высокодисперсных органо-глинистых частиц, и прочностью водоустойчивых ядер, в которых микроагрегаты и неагрегированные частицы почв связанны фазовыми цементационными контактами, образующимися при коагуляции и дегидратации органоминеральных коллоидов. Прочность водоустойчивых ядер в 1,5 - 2,0 и более раз превышает прочность каркаса. Под действием механических напряжений, превышающих допустимые, каркас в агрегатах разрушается, и происходит распад их на водоустойчивые ядра.

Глава 5. Структурно-функциональная связь между водоустойчивостью агрегатов и содержанием гумуса в почвах

Качество и характер распределения агрегатов в профиле почвы создают оптимальные условия для реализации не только продукционной, но и деструктивной ветви цикла органического углерода, особенно в тех случаях, когда значительная часть биомассы поступает в почву в виде подземных растительных остатков. Высокая агрегированность в таких почвах обеспечивает полную деструкцию (до образования СО2 и НгО) той части органического вещества, которая при данном сочетании факторов почвообразования оказывается избыточной, так как почвенная биота и в первую очередь микроорганизмы не способны полностью минерализовать и трансформировать органические вещества поступающие в почву (Звягинцев, 1987; Герасимова, 1995; Степанов, Манучарова, 2006).

Основным параметром, характеризующим структурное состояние почв, является водоустойчивость агрегатов. Она определяется прочностью структуры водоустойчивых ядер, армированных пространственной сеткой высокодисперсных органо-глинистых частиц. Макроскопическая прочность водоустойчивой структуры агрегатов практически однозначно определяется общим содержанием гумма в почвах (рис. 16). Между энергией связи частиц (исв) и общим содержанием гумуса (Сгум) (рис. 18, а), а также силой сцепления частиц и содержанием гумуса (рис. 18, б) выявлена тесная связь, близкая к функциональной. Содержание гумуса в верхних горизонтах автоморфных почв, его групповой состав и свойства гуминовых веществ тесно связаны между собой, сочетания их характеризуют типы почв, а продолжительность периода биологической активности отражает кинетику гумусообразования и уровень интенсивности биохимических процессов. (Гришина, 1986; Орлов и др., 1996; Орлов, Бирюкова, 2005). Рассмотренные соотношения, свидетельствуют о том, что в формировании водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв главная роль принадлежит биохимическим процессам.

Рис. 18. Связь между энергетическими характеристиками водоустойчивой структуры агрегатов и содержанием гумуса в почвах

Нам удалось количественно оценить влияние гумуса на формирование водоустойчивых агрегатов. Впервые на количественном уровне установлена взаимосвязь двух фундаментальных процессов почвообразования - гумусообразования и структурообразования в некоторых автоморфных почвах лесостепной и степной зоны (рис. 18, 19). Анализ показывает, что в формировании контактов, которые являются носителями прочности в водоустойчивых агрегатах, активное участие принимает определенная часть гумусовых веществ (рис. 18).

Между общим содержанием гумуса в почвах и прочностью структуры водоустойчивых макроагрегатов выявлена практически функциональная связь (табл. 12).

Таблица 12. Параметры уравнения, описывающего изменение Рс в зависимости от содержания гумуса (Сгум)

Переменные X = Сгум (%) и У = Рс (кПа) (Доверительный уровень 95 %)

Уравнение а Ь г г2 1-факт. Ьстанд.

У = 1/(а + Ь*ехр(-Х)) 0,0550 1,4081 0,990 0,981 14,58 2,04

А)изменение содержания гумуса и прочности водоустойчивых агрегатов некоторых автоморфных почвах: Ряд1 — прочность макроагрегатов; Ряд2 - содержание гумуса

Б) изменение прочности индивидуальных контактов , количество контактов и плотности сложения в водоустойчивых макроагрегатах некоторых автоморфных почв:

Ряд1 - число контактов X в 1см2 площади сечения органо-глинистой оболочки; Ряд2 — средняя прочность контактов р, между частицами органо-глинистой оболочки;

РядЗ - параметр п характеризует строение органо-глинистой оболочки, связывающей водоустойчивые ядра в макроагрегатах почв

Рис. 19. Связь между гумусом и энергетическими характеристика структуры водоустойчивых агрегатов гор. А некоторых автоморфных почв лесостепной и степной зоны Европейской

территории России Почвы:

1- светло-серые лесные гор. А; 2 - серые лесные гор. А; 3 - темно-серые гор. А; 4 - черноземы выщелоченные и оподзоленные гор. А; 5 - черноземы типичные гор. А (Курская обл.); 6 -черноземы обыкновенные гор. А; 7 - черноземы южные гор. А (Ростовская обл.); 8 - темно-каштановые гор. А (Ростовская обл.); 9 - каштановые гор. А; 10 - светло-каштановые гор. А.

Максимальное значения прочности водоустойчивых макроагрегатов Рс приходятся на почвы черноземного типа, для которых характерно наиболее высокое содержание гумуса. Постепенному снижению содержания гумуса к северу и к югу соответствует закономерное уменьшение прочности водоустойчивой структуры макроагрегатов (рис. 19). Количество контактов, отнесенных к единице площади разрушения % и прочность

индивидуальных контактов р\ закономерно возрастают с увеличением содержания гумуса в почвах. Также возрастает плотность сложения каркаса, об этом свидетельствует уменьшение фактора упаковки п (рис. 19, Б), который зависит от размера частиц и характеризует пористость связнодисперсных систем (Щукин, и др., 1982).

Механизм этого явления заключается в следующем. Сокращение количества свежего органического вещества, поступающего в почву, приводит к ухудшению гумусного состояния почв, что отрицательно отражается на водоустойчивости агрегатов. Анализ показывает, что нарушение естественного баланса органического вещества приводит к постепенному разрушению водоустойчивого каркаса, образованного из органо-глинистой оболочки. И вызвано оно уменьшением энергии связи между органо-глинистыми частицами, приводящей к снижению прочности индивидуальных контактов. Это в свою очередь вызывает изменения в строении органо-глинистой оболочки - она становится менее компактной (уменьшается фактор упаковки п) и менее прочной. В итоге прочность структуры водоустойчивых агрегатов закономерно уменьшается (рис. 20).

а) изменение содержания гумуса в почвах и прочности водоустойчивой структуры макроагрегатов в некоторых автоморфных ЕТР: ряд1 - прочность макроагрегатов; ряд2 - содержание гумуса

б) изменение параметров рь / и п в

некоторых автоморфных почвах:

Ряд 1 - число контактов (X) на 1 см2 площади

сечения органоглинистой оболочки;

Ряд2 -сила сцепления между органо-

глинистыми частицами каркаса;

РядЪ - параметр п характеризующий

строение органо-глинистой оболочки,

связывающей ядра водоустойчивых частиц в

макроагрегатах почв

Рис. 20. Связь между содержанием гумуса и энергетическими характеристиками структуры водоустойчивых агрегатов гор. Апах в некоторых почвах. Почвы:

1- чернозем карбонатный легкоглинистый (Республика Молдова); 2 - чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый Апах (Ростовская обл.); 3 - темно-каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.); 4 - чернозем обыкновенный среднесуглинистый (Республика Молдова); 5 -чернозем типичный среднесуглинистый (Республика Молдова); 6 - каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.); 7 - чернозем карбонатный среднесуглинистый (Республика Молдова); 8 -пойменная дерновая среднесуглинистая Апах (Московская обл.); 9 - чернозем супесчаный Апах (Республика Молдова); 10 - дерново-подзолистые, гор. А

На основании проведенных исследований установлена структурно-функциональная связь между показателями, характеризующими агрегатное и гумусное состояние почв.

ВЫВОДЫ

1. На основании теоретического анализа механизма усталостной прочности водоустойчивых агрегатов, обобщения собственных и литературных экспериментальных данных, характеризующих закономерности разрыва водоустойчивых структурных связей, создана энергетическая концепция разрушения водоустойчивых агрегатов почв.

2. Разработана методика экспериментального исследования и оценки энергии связи (и«) частиц в контактах, определяющей их прочность (рО. и количества контактов (х), распределенных в единице площади разрушения, которые являются фундаментальными физико-химическими параметрами, характеризующими прочность структуры (Рс) водоустойчивых агрегатов почв.

3. Исследованы механизмы разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. Выявлены две стадии в процессах их разрушения: в первой - происходит активация водоустойчивых структурных связей, во второй - разрушение активированных структурных связей. Экспериментально определена величина энергетического барьера разрушения (Е), которая определяется энергией связи частиц (ш») и величиной механических напряжений (Р), возникающих при неупругом взаимодействии капель с водоустойчивыми агрегатами. Впервые установлена физико-химическая природа усталостной прочности - «долговечности водоустойчивых агрегатов».

4. Микроагрегаты и элементарные почвенные частицы в водоустойчивых ядрах соединены фазовыми цементационными контактами, формирующимися при дегидратации и коагуляции органоминеральных коллоидов. Высокодисперсные органо-глинистые частицы, локализованные на внешней поверхности водоустойчивых ядер, взаимодействуют между собой и формируют каркас, который связывает и армирует водоустойчивые ядра в агрегатах почв.

5. На основании исследования процессов разрушения агрегатов выявлен экспоненциальный характер распада их на водоустойчивые ядра. Водоустойчивость агрегатов зависит от прочности органо-глинистого каркаса и прочности водоустойчивой структуры ядер. Установлено, что прочность ядер в 1,5-2,0 и более, раз превышает прочность каркаса. Водоустойчивые структурные связи в агрегатах почв определяют закономерности их строения и функционирования, обусловленных процессами почвообразования.

6. В исследованном генетическом ряду - «серые лесные - черноземные - каштановые почвы» - агрегаты черноземных почв имеют наибольшие значения Рс. К северу и к югу от черноземных почв значения Рс и, соответственно, прочность структуры водоустойчивых агрегатов закономерно снижается с уменьшением содержания гумуса в почвах. Определены энергетические критерии, характеризующие условия образования водоустойчивого органо-глинистого каркаса в агрегатах исследованных почв.

Список публикаций по теме диссертации

1. Хан К.Ю., Кириченко A.B. Электросопротивление почв солонцового комплекса в полевых условиях. Вестник МГУ, сер. биол. и почвовед. 1976, N 5.с.87-94.

2. Поздняков А.И., Хан К.Ю. Использование методов постоянных электрических полей в почвенных исследованиях. Почвоведение, 1979, N7.C.57-65.

3. Поздняков А.И., Хан К.Ю. Методика электрического зондирования и профилирования постоянным током при исследовании почв. Вестник МГУ, сер. Почвоведение, 1979, N1, с.46-54.

4. Сухановский Ю.П., Хан К.Ю. Эрозионная характеристика дождя. Почвоведение, 1983. N9. с. 123-125.

5. Григорьев В.Я., Кузнецов М.С., Хан К.Ю., Алешин П.М. Оценка противоэрозионной стойкости почв при поливе дождеванием. Почвоведение, 1989. N 7. с. 99-105.

6. Хан К.Ю., Кузнецов М.С., Волокитин М.П., Сон Б.К., Самойлов Р.Т. Определение устойчивости агрегатов к разрушающему действию капель. Почвоведение. 1991. N6. с.123-127.

7. Галиулин Р.В., Щербаков P.A., Хан К.Ю., Корсунская Л.П., Пачепский Я.А. Оценка возможности математического моделирования миграции 2,4 -Д в почве в микрополевых условиях при двух режимах водоподачи// Агрохимия. 1993. N 5. с.66-76.

8. Козлов М.Я., Шеин Е.В., Хан К.Ю. Автоматизированное рабочее место почвоведа-физика//Почвоведение. 1994. N6.с.67-70.

9. Волокитин М.П., Хан К.Ю., Сон Б.К., Золотарева Б.Н. Оценка деградации некоторых агрофизических свойств почв// Почвоведение. 1997, N 1. с.57-63.

10. Сухановский Ю.П., Оллеш Г., Хан К.Ю., Майснер Р., Роде М., Волокитин М.П., Сон Б.К. Применимость универсального уравнения потерь почвы от эрозии (USLE) для условий Европейской территории России. Почвоведение, 2003, N 6, с. 733 -739.

11. Sukhanovskii Yu. Р., Ollesch G., Khan K. Yu„ Meissner R., Rode M., Volokitin M. P., Son В. К. Applicability of the Universal Soil Loss Equation for European Russia. Eurasian Soil Science. 36(6), 2003, pp.658 - 663.

12. Хан К.Ю., А.И. Поздняков, Б.К. Сон. Строение и устойчивость почвенных агрегатов //Почвоведение, 2007, N 4, с.450-456.

13. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Метод определения агрегатного сцепления почв// Почвоведение, 2007, № 7. С.838-845.

14. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Характеристика структурно-функциональной устойчивости агрегатов почв. Вестник Оренбургского государственного университета, 2007, №75, с.381-383.

15. K.Yu. Khan, A.I. Pozdnyakov and B.K. Son. The method of cohesion determination in soil aggregates // Eurasian Soil Science, 2007,40(7), pp.754-760.

16. Khan K.Yu., Pozdnyakov A.I., Son B.K. Fabric of soil and characterization of their structural functional stability. Eurasian Soil Science, 2008,41(13), pp.1417-1423.

17. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Устойчивость агрегатной структуры почв и ее экологическое значение. Вестник Оренбургского государственного университета, спецвыпуск, октябрь, 2009, с.204-206.

18. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы межчастичного взаимодействия в формировании водоустойчивых агрегатов. Вестник Оренбургского государственного университета, спецвыпуск, октябрь, 2009, с.207-209.

19. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. О закономерностях изменения механической прочности, водоустойчивости в профиле некоторых почв. Вестник Оренбургского государственного университета, спецвыпуск, октябрь, 2009, с.388-389.

20. Шульга С.А., Хан К.Ю., Евсеев Н.И., Гайворон А.И. К вопросу о методике определения водопроницаемости эродированных почв. Научно-технический бюллетень по проблеме «Защита почв от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1979. С. 37-41.

21. Хан К.Ю., Гайворон А.И., Малиновский В.И. К вопросу электрического исследования мерзлых эродированных типичных чернозёмов. Научно-технический бюллетень по проблеме «Защита почв от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1979. С. 41-47.

22. Хан К.Ю., Шульга С.А., Гайворон А.И. О методике определения дождевой инфильтрации. Научно-технический бюллетень по проблеме «Защита почв от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1980. С. 50-52.

23. Хан К.Ю., Игошин Н.И., Гайворон А.И. О противозрозионной стойкости некоторых типов почв юга ETC. Сб. статей: «Теоретические и практические вопросы почвозащитного земледелия». ВНИЗиЗПЭ. Курск, 1981. С.3-7.

24. Кузнецов М.С., Хан К.Ю., Волокитин М.П., Самойлов Р.Т., Сон Б.К. Способ определения устойчивости почвенных агрегатов к дождевой эрозии.// Автор, свидетельство N1605204 Al. 25.04.88.

25. Хан К.Ю., Волокитин М.П., Гаврильченко В.З., Сон Б.К., Жиромский C.B. Способ определенияводопрочности почвенных агрегатов. //Автор, свидетельство N 1749830А1. 18.07.90.

26. Хан К.Ю., Волокитин М.П., Сон Б.К., Самойлов Р.Т., Понтелимонова С.Н. Механизм разрушения почвенных агрегатов каплями дождя// Почвозащитная технология полива и повышение надежности противопаводковой защиты. Пущино. ОНТИ.1990. с.106-112.

27. Khan K.Yu, Kuznetsov M.S., Volokitin M.P., Son B.K., Samyilov R.T. Determining the Resistance of Soil Aggregates to Breakup by Drop Action. Soviet Soil Science. 1991. vol.23.No 10.

28. Хан К.Ю., Волокитин М.П., Гаврильченко B.3., Сон Б.К., Жиромский C.B. Способ определения водоустойчивости почвенных агрегатов// Автор, свидетельство N1749830. 22.03.92.

29. Хан К. Ю., Волокитин М. П., Сон Б.К. Оценка потенциальной опасности эрозии почв при поливе дождеванием. Эрозия почв и методы борьбы с ней. Тез. Докл. междунар. научно-практ. Конф. Кишинев. 1995.

30. Хан К. Ю., Волокитин М. П., Сон Б.К. Качественная оценка смыва почв при поливе дождеванием. Тез. докл. II съезда почвоведов и агрохимиков Узбекистана. Ташкент, 1995.

31. Хан К.Ю., Волокитин М.П., Сон Б.К. Способ определения водопрочности почвенных агрегатов. Тезисы II съезда общества почвоведов. Санкт-Петербург. 1996. кн. 1 с.125.

32. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К.Закономерности формирования агрегатной структуры в серых лесных почвах и ее экологическое значение. Сб. статей Всероссийской научно-практической конференции. Казань, 2007. С. 365-374.

33. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Энергетическая характеристика структурной организации педов. Труды Всероссийской конференции. Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации. МГУ. 2005, с.154-155

34. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Формирование и деградация структурного состояния серой лесной почвы. Материалы международной научной конференции. Санкт-Петербург. 2007, с.544-546.

35. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Агрегатное сцепление некоторых автоморфных почв лесостепной и степной зон Европейской части России // Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования. Материалы международной научно-практической конференции. Астрахань, 2007, ч. 1, с.127-129.

36. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Агрегатная структура почв: теоретические и экспериментальные аспекты исследования// Организация почвенных систем. Методология и история почвоведения. Труды II национальной конференции с международным участием «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения. - Пущино, 2007, т.1, с. 122125.

37. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Природа водоустойчивости почвенных агрегатов и характеристика их прочностных свойств// Организация почвенных систем. Методология и

история почвоведения. Труды II национальной конференции с международным участием «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения. -Пущино, 2007, т.1, с. 125130.

38. Поздняков А.И., Хан К.Ю. Электрические поля и почвообразование// Организация почвенных систем. Методология и история почвоведения. Труды И национальной конференции с международным участием «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения. - Пущино, 2007, т.2, с. 437-440.

39. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Закономерности формирования агрегатной структуры в серых лесных почвах и ее экологическое значение. В кн.: Леса, лесной сектор и экология республики Татарстан. Материалы Всероссийской научной конференции «Современные проблемы лесного сектора России»,- Казань, 2007, в.1, с.365-373.

40. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Строение агрегатов некоторых черноземных почв и характеристика их структурной функциональной устойчивости// Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии. Материалы X международной конференции. -Астрахань: Издательский дом Астраханский университет, 2008, с.212-214.

41. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К., Поздняков JI.A. Строение почвенных агрегатов и особенности трансформации в них органического вещества. Материалы Российско-Корейского семинара «Современная наука и высокие технологии». - Пущино: ИБФМ РАН, 2008, с. 14-15.

42. Хан К. Ю., Поздняков А. И., Сон Б. К. Характеристика агрегатного уровня организации почв. В кн.: Экология биосистем: Проблемы изучения, индикации и прогнозирования. -Астрахань: Издательский дом Астраханский университет, 2009, с.98-99.

43. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы распределения и аккумуляции гумусовых веществ в почвенных агрегатах// Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». -Пущино, 2009, с.166-168.

44. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Структурно-функциональная модель строения почвенных агрегатов//Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». - Пущино, 2009, с. 168-171.

45. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К., Золотарева Б.Н. Изменение агрегатной структуры серой лесной почвы в результате их сельскохозяйственного использования. Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». - Пущино, 2009, с.295-297.

46. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы образования и функционирования агрегатной структуры в почвах. Сб. Материалов IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Отражение био-, reo-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове». -Томск:ТМЛ-Пресс, 2010, т. 1. с.289-291.

47. Хан К.Ю., Поздняков А.И., С он Б.К. Механизмы формирование пылеватой фракции микроагрегатов. Материалы всероссийской научной конференции «Биосферные функции почвенного покрова». Пущино: SYNCHROBOOK, 2010, с. 325-326.

48. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Агрегатная структура почв: энергетическая концепция, механизмы образования и характеристика функциональной устойчивости. Российско-Корейская научная конференция. Иркутская область, п. Листвянка. 2010, с. 1618.

49. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы образования почвенных агрегатов и характеристика их мультиустойчивости. Материалы Всероссийской научной конференции «Биосфера и Почвы: Устойчивость и Развитие». М.: Фонд «Инфосфера»-НИА-Природа. 2011, с.413-420.

Подписано в печать:

12.12.2012

Заказ № 8106 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора биологических наук, Хан, Константин Юрьевич, Пущино

ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ

БИОЛОГИИ РАН

На правах рукописи

05201350550

Хан Константин Юрьевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 06.01.03 - АГРОФИЗИКА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора биологических наук

Научный консультант доктор биологических наук, профессор Поздняков Анатолий Иванович

ПУЩИНО - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ - 4

ГЛАВА I. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ - 11

1.1. Современные представления о структуре почвы - 11

1.2. Агрегатный структурный уровень организации вещества почвы - 22

1.3. Агрономическая и морфолого-генетическая характеристика структуры почвы - 28

1.4. Водоустойчивость агрегатов и их роль в функционировании почв - 45

1.5. Процессы гидратации почвенных частиц - 68

1.6. Агрегация глинистых частиц в водной среде - 75

1.7. Процессы образования микроагрегатов в почвах - 90

1.8. Роль гумусовых веществ в формировании микроагрегатов почв - 101

1.9. Энергетика структурообразования в глинистых породах и почвах - 108

1.10. Природа молекулярных и электрических сил

в межфазных слоях - 118

1.11. Природа сил молекулярного притяжения между твердыми телами - 123

1.12. Поверхностная энергия и межмолекулярные взаимодействия

в твердых телах - 135

1.13. Природа расклинивающего давления - 140

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ - 146

2.1. Оценка микроструктурности и микроагрегированности почв - 150

2.2. Методика определения параметров разрушаемости почвенных агрегатов - 152

2.3. Определение прочности глинистых грунтов и почв - 154

2.4. Прямые методы измерения прочности индивидуальных контактов - 156

2.5. Методика определения допустимой неразрушающей агрегат скорости капель - 167

2.6. Кинетический метод исследования прочности структуры водоустойчивых агрегатов - 169

ГЛАВА 3. ВОДОУСТОЙЧИВЫЕ АГРЕГАТЫ: СТРУКТУРНЫЕ СВЯЗИ И ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ - 175

3.1. Структурные связи в агрегатах почв - 176

3.2. Водоустойчивость агрегатов почв лесной, лесостепной и степной зоны - 179

3.3. Количественная оценка разрушаемости агрегатов в воде - 196

3.4. Закономерности разрушения водоустойчивых агрегатов под

действием механических напряжений - 205 ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ АГРЕГАТОВ ПОЧВ - 214 4.1.Образование дисперсных систем в почвах и характеристика их устойчивости - 214

4.2. Молекулярные взаимодействия в дисперсных системах - 227

4.3. Механизм разрушения структурных связей в агрегатах почв - 231

4.4. Характеристика прочности структуры водоустойчивых макроагрегатов - 238

4.5. Количественная оценка энергетических параметров структуры водоустойчивых агрегатов - 239

4.6. Механизм образования водоустойчивых агрегатов в почвах - 246

4.7. Роль органоминеральных веществ в формировании агрегатной структуры почв - 251

ГЛАВА 5. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬЮ И СОДЕРЖАНИЕМ ГУМУС В ПОЧВАХ - 268

5.1. О закономерностях изменения агрегатной структуры в серых лесных почвах - 268

5.2. О закономерностях формирования водоустойчивых ядер в черноземных почвах - 274

5.3. Влияние различных видов и доз удобрений на формирование водоустойчивых ядер в серых лесных почвах - 281

5.4. Структурно-функциональная связь между водоустойчивостью агрегатов и содержанием гумуса в почвах - 286

Выводы - 290 Литература - 292

ВВЕДЕНИЕ

Отсутствие экспериментальных данных, характеризующих физико-химическую природу водоустойчивости агрегатов, обусловлено тем, что это важное свойство почв до настоящего времени оценивается в основном по содержанию и характеру распределения фракции водоустойчивых агрегатов в почвах. Эти характеристики, хотя и важны, но явно недостаточны для решения вопросов, связанных с выяснением физико-химических механизмов образования водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. Отметим, что в последнее время водоустойчивость связывают с гидрофобными зонами, которые образуются в агрегатах при взаимодействии минеральных частиц почвы с гумусовыми веществами.

Структурные связи - это устойчивые силы притяжения, формирующиеся при взаимодействии частиц в контактах и определяющие прочность почвенных агрегатов. Структурным связям принадлежит решающая роль в образовании и функционировании почвенных агрегатов. Однако, природа структурных связей, формирующихся в агрегатах почв и определяющих прочность водоустойчивых агрегатов, до сих пор остаётся практически не исследованной. В результате активного взаимодействия материнской породы с живыми организмами, образуются гумусовые вещества, которые играют решающую роль в формировании почвенных агрегатов. Они имеют самые разные формы и размеры, механическую прочность и водоустойчивость, а самое главное - агрегаты обладают специфическим строением, которое способствует созданию в них благоприятных условий для жизнедеятельности различных микроорганизмов, осуществляющих как аэробную, так и анаэробную микробиологическую трансформацию органических веществ, обусловливающую образование в агрегатах почв гумусовых веществ.

В настоящее время отсутствуют теоретические представления о закономерностях строения и функционирования почвенных агрегатов, основанные на исследовании структурных связей, определяющих прочность различных контактов. Процессы образования, пространственной локализации и дифференциации различных типов

контактов, протекающие в определенном объеме почвы, формируют почвенные агрегаты - природные структурные образования, выполняющие уникальную роль по микробиологической трансформации органического вещества, поступающих в почвенную систему. Отсутствие экспериментальных и теоретических исследований, посвященных изучению структурных связей, формирующихся в почвах, создают серьёзные препятствия для создания физико-химической теории прочности агрегатной структуры почв.

Физико-химическая механика рассматривает структурообразование в дисперсных системах как результат поверхностных физико-химических процессов, протекающих на границе раздела дисперсной фазы (твёрдые компоненты почв) и дисперсионной среды (почвенного раствора) и обусловливающих образование энергетических связей между взаимодействующими частицами почв, которые формируют в почвенных агрегатах пространственную структуру. Формирование глинистых пород обусловлено процессами, преобразующими глинистые дисперсии в связнодисперсные системы (глинистые породы). При смене стадий сидиментагенеза и диагенеза катагенезом происходит трансформация контактов. Коагуляционные контактов преобразуются в переходные, а последние в фазовые кристаллизационные. Энергетика этого процесса достаточно хорошо исследована в работах Осипова, Соколова, Румянцевой, Еремеева, что позволило им установить важные генетические закономерности в формировании глинистых пород.

Структура материнской породы под действием факторов почвообразования, особенно под воздействием растительности, существенным образом преобразуется. В результате формируется агрегатная структура почв. В процессе зарождения, эволюции и метаморфоза почвы формируются различные типов контактов, определяющих прочность агрегатной структуры почв. Реальными носителями прочности дисперсных структур являются различные типы контактов. В настоящее время экспериментальная оценка энергии связи частиц и силы сцепления частиц в контактах, а также количества контактов, характеризующих прочность структуры почвенных агрегатов, практически отсутствует. Исключением являются исследования Л.О. Карпачевского и Т.А. Зубковой (2000). Ими экспериментально определена макроскопическая прочность воздушно-сухих агрегатов, определяемая прочностью индивидуальных контактов и количеством контактов, отнесенных к единице площади контактного сечения агрегата. Однако физико-химическая природа водоустойчивости этими авторами не исследовалась.

Прочность агрегатов зависит от содержания влаги в почвах. В воздушно сухом состоянии агрегаты почв ведут себя как упруго-хрупкие тела. При увеличении содержания влаги в почвах прочность агрегатов закономерно уменьшается. Но даже в состоянии влагонасыщения, если данный уровень, достигается путём медленного капиллярного

увлажнения, агрегаты сохраняют свои формы и размеры, способны сопротивляться разрушению. Эта уникальная способность почвенных агрегатов обусловлена водоустойчивыми структурными связями, которые определяют практически все их структурно-механические свойства агрегатов - усадку и набухание, пластичность и текучесть, способность сопротивляться действию механических напряжений. Водоустойчивые агрегаты являются важнейшей структурной функциональной единицей почвы.

Основной задачей настоящей работы является экспериментальная оценка энергии связи частиц (исВ) и силы сцепления частиц (р\) в контактах, а так же количества контактов (х), распределенных на единице площади контактного сечения агрегатов, которые однозначно определяют макроскопическую прочность (Рс) структуры почвенных агрегатов. Закономерности изменения этих энергетических параметров исследованы в серых лесных, чернозёмных и каштановых почвах. На основании их анализа и обобщения впервые исследованы механизмы образования и разрушения структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв. Структура водоустойчивых агрегатов, - это результат самоорганизации вещества почвы, которая обусловлена процессами, формирующими в агрегатах деструктивную ветвь цикла органического углерода, которая определяет образование гумусовых веществ в почвах.

Диссертационная работа направлена на выяснение механизмов образования водоустойчивых структурных связей в агрегатах, закономерности их строения и функционирования путём исследования энергетики взаимодействия высокодисперсных органических, минеральных и органоминеральных частиц, которые обусловливаю формирование в агрегатах коагуляционных, переходных (точечных) и фазовых (конденсационных и цементационных) контактов. Проведенные нами исследования является актуальными, приоритетными и фундаментальными, так как они направлены на создание физико-химической теории прочности структуры почвенных агрегатов.

Цель работы

Разработать теоретические, методические и экспериментальные основы энергетической концепции водоустойчивости агрегатной структуры почв.

Основные задачи исследования

• Исследовать закономерности разрушения в воде агрегатов почв лесостепной и степной зоны в зависимости от содержания в них влаги.

• Исследовать механизмы разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв.

• Определить энергию связи и силу сцепления частиц в контактах, а также количество контактов, распределенных на единице площади разрушения водоустойчивых агрегатов почв.

Научная новизна

3. Впервые экспериментально определены макроскопическая прочность водоустойчивой структуры агрегатов (Рс), энергия связи частиц (исв) и сила сцепления (рх) частиц в контактах, а также количество контактов (х) в агрегатах автоморфных почв лесостепной и степной зоны, которые являются фундаментальными физико-химическими характеристиками, определяющими механизмы формирования водоустойчивости агрегатов и закономерности её функционирования в почвах разного генезиса и гранулометрического состава.

Практическая значимость

Предложен новый методологический и методический подход к исследованию водоустойчивости агрегатов, основанный на изучении энергетики контактных

взаимодействий в почвах. Результаты исследований могут быть использованы для классификации водоустойчивых агрегатов, базирующейся на характеристике их структурных связей - энергии связи частиц (исв) в контактах, прочности индивидуальных контактов {р\) и количества контактов (х), распределенных на единице площади контактного сечения, которые однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов (Рс). Функциональная связь, установленная между содержанием гумуса в почвах и энергетическими показателями, характеризующими водоустойчивость агрегатов можно использовать при решении прогнозных задач, связанных с сохранением, деградацией и восстановлением агрегатной структуры почв, обусловленных хозяйственной деятельностью человека. Основные результаты и положения работы поддержаны РФФИ (1996, 2005 и 2008).

Основные защищаемые положения

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение фундаментальных уравнений физико-химической механики для оценки энергии связи частиц (исв) и силы сцепления частиц (р\) в индивидуальных контактах, а также количества контактов (х), распределенных на единице площади разрушения водоустойчивых агрегатов. Установлено, что энергетические характеристики однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов почв - Рс=р\%

водоустойчивых агрегатов - их долговечность определяется величиной активационного барьера разрушения. На основании теоретического анализа процесса разрушения водоустойчивых агрегатов и обобщения результатов экспериментальных исследований создана энергетическая концепция разрушения структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором

Информация о работе

Хан, Константин Юрьевич
доктора биологических наук
Пущино, 2012
ВАК 06.01.03

Диссертация

Энергетическая характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы