Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

ции не может объяснить формирования макроагрегатов; 3) катион кальция далеко не всегда способствует улучшению или поддержанию устойчивой структуры, чему также имелись многочисленные подтверждения.Однакоэтагипотезаспоследующимиеедополнениями в виде образования цементационных связей по мере «старения» коллоидов(явленияпептизации,образованиясовместныхводныхпленок, переход органических веществ из растворимых в нерастворимые и др.), безусловно, сыграла свою плодотворную роль как в развитии теории структурообразования, так и в практике. В настоящее время она лежит в основе рассмотрения формирования природных коагуляционныхструктур(ячеистой,скелетнойиламинарной)взависимости от минералогического состава, насыщающего катиона, условийосажденияимногихдругихфакторов.Подчеркнемважный,на наш взгляд, момент для формирования почвенной структуры: большинство материнских пород (суглинистые осадки, илы, озерно-лед- никовые глины и пр.) уже имеют определенную структуруна микроагрегатном уровне, т.е. неоднородное распределение элементарных частиц в пространстве, их организацию в микроагрегаты.

Коагуляционная теория нашла свое продолжение в идеях И.Н. Антипова-Каратаева с сотрудниками (1948), которые предложили следующую схему структурообразования. Первая стадия простое «прилипание» минеральных коллоидов друг к другу. Затем (вторая стадия) склеивание первичных образований минеральными аморфными «клеями» (гидраты полуторных окислов, кремнезем и проч.). Большое значение имеет минералогический состав минеральных компонентов, заряд их поверхности. И, наконец, на третьей стадиипроисходитдополнительноесклеиваниечастицорганическим веществом, причем наиболее прочная связь будет наблюдаться при сорбцииорганическихмолекулнавнутреннихповерхностяхсмектитовых минералов. Эта теория позволила разработать определенные схемыанализапочвенныхагрегатов,выделитьиххарактерныетипы.

Одним из существенных дополнений в теорию структурообразования была теория В.Р.Вильямса (1939), который сделал акцент на роли биологического фактора. Он подчеркивал значение, во-первых, корневыхсистемрастенийкакмакрофактораобразованиязернистой структуры, во-вторых, роль так называемого «свежего» органического вещества, которое образуется в анаэробных (!) условиях и являетсяпродуктомнепосредственноговыделенияанаэробныхбактерий. Причем,попредположениюВильямса,этианаэробныепроцессыпроисходятвнутрипочвенныхагрегатов,анаихповерхностиидутаэробные процессы. Эта гениальная догадка В.Р.Вильямса была впослед-

ствии подтверждена опытами И.С.Кауричева, Л.Ф.Тарариной (1972) и др., которые экспериментально доказали, что при средних и высоких влажностях (более 70% от НВ) окислительно-восстановитель- ный потенциал внутри агрегата ниже на 100–200 мВ по сравнению с поверхностью.Болеетого,почвенныемикробиологитакжеэкспериментально доказали наличие внутри почвенных агрегатов факульта- тивно-анаэробных бактерий (К.И.Рудаков, 1951) и анаэробного микроценоза (А.Л.Степанов, 1997). Все это указывало на то, что формированиеспецифическихустойчивыхпочвенныхагрегатовсвязано с особыми свойствами органического вещества, вырабатываемого специфической микробиотой в условиях недостатка воздуха именновнутрипочвенногоагрегата.

Можносказать, чтотри указанныегипотезы досих порявляются «тремя китами», на которых основана современная теория структурообразования. Впоследствии эти гипотезы были дополнены данными о значении гифов грибов в первичном (сначала механическом, азатемибиохимическом)формированииагрегатов,многочисленнымиданнымиозначениигидрофобизациивформированииустойчивости структуры (прежде всего за счет увеличения длительности увлажнения,снижения«разрывного»действиязащемленноговоздуха), означениианаэробныхпроцессоввобразованииводоустойчивыхагрегатов. Роль почвенного органического вещества основная, это признается всеми исследователями. Однако механизм формирования устойчивой структуры за счет гумусовых веществ так и остается до конца неясным. Как нередко бывает в науке факты есть, а соединяющейиобъясняющейгипотезынет.Попробуемрассмотреть однуизтакихгипотез,восновекоторойлежитэкспериментальнодоказанный факт об очень важном свойстве почвенных органических веществ – свойстве амфифильности.

7.3. Значение амфифильных свойств почвенного

органического вещества

Амфифильность это свойство природных органических веществ проявлять как гидрофобные (отталкивать воду), так и гидрофильные (притягивать, соединяться с молекулами воды) качества. Большинство биологических макромолекул являются амфифильными веществами. Амфифильность обусловлена наличием в их составекакгидрофильных(полярных)групп,такигидрофобных(неполярных) зон. Соотношение гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле обусловливает ее растворимость, пространственную организациюиразнообразиефункциональных свойств.Посколькумине-

ральныекомпонентыпочвыгидрофильны,тозаформированиеболее гидрофобных поверхностей в почве ответственно органическое вещество.Отстепенигидрофобностиповерхностиорганоминеральных частиц будет зависеть их способность к взаимодействию друг с другом за счет гидрофобного связывания и образование водопрочных агрегатов. Ведь гидрофобная поверхность в микропоре способствует замедлению движения воды и снижает опасность возникновения высоких расклинивающих давлений в агрегате. Мы уже знаем, что водоустойчивость агрегатов обусловлена силами, которые препятствуютвозникновениювысокихрасклинивающихдавлений,предотвращают быстрое вхождение воды в поры и образование защемленного воздуха. В отсутствие амфифильных гумусовых веществ минеральные частицы, имея на поверхности обменные катионы, будут отталкиваться друг от друга за счет того, что между частицами образуется зона повышенногоосмотического давления – здесьвыше концентрация катионов. Так формируется разрушающее действие воды, проникающей между этими частицами (рис. III.4, а). За счет этогоразрушающего,расклинивающегодавлениячастицылегко«отходят»друг от друга, структура оказывается неустойчивой как к водному воздействию, так и к механическому. При наличии же в межчастичном пространстве амфифильных молекул гумусовых веществ полярные группы этих молекул взаимодействуют с поверхностью минеральной матрицы, а гидрофобные друг с другом за счет сил гидрофобногосвязывания(рис.III.4,б).Формируютсяновыеэнергетические связи, удерживающие частицы друг с другом, обусловливающие водоустойчивость этого агрегатного комплекса.

Рис. III.4. Схема распадающегося в воде под действием расклинивающего давления агрегата (а) и водоустойчивого за счет формирования сил гидрофобного взаимодействия между частицами (б)

Рис. III.5. Схема образования органо-минерального первичного агрегата с участием амфифильных (гидрофобных и гидрофильных) молекул почвенного органического вещества

Таким образом, на уровне почвенного агрегата (педа) способность суглинистых почв сохранять водоустойчивую структуру обусловлена прежде всего гумусовыми веществами с амфифильными свойствами. Вследствие этих взаимодействий и образуется водоустойчивыйпочвенный агрегат,состоящийизглинистых частиц,соединенных между собой силами гидрофобного связывания благодаря амфифильным гумусовым веществам (рис. III.5). Тогда формированиеструктурообразующихсвязейиводоустойчивостьбудут объясняться следующими механизмами: амфифильное почвенное органическое вещество своими гидрофильными частями будет прочно прикрепляться к гидрофильной же поверхностиминералов. Агидрофобныечастиорганическоймолекулызаймутпротивоположное положение, будут направлены в межчастичное пространство. Гумусовые вещества с преимущественно гидрофобными компонентами формируются внутри первичных агрегатов, в близких к анаэробным условиях. Становится понятным, что «свежий гумус», по В.Р.Вильямсу, это не что иное, как органическое вещество с преимущественно гидрофобными свойствами, образовавшееся, как и указывалВильямс,ванаэробных(илиблизкихканаэробным)условиях.

Следовательно, свойствоамфифильности почвеннойорганики обусловливает формирование почвенной структуры и ее главного свойства устойчивости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Микроагрегаты наиболее устойчивые структурные комплексы размерами <0.25мм, состоящие из ЭПЧ и обладающие порозностью. Разделение микроагрегатов на фракции аналогично фракциям гранулометрического состава. Чем выше микроагрегированность, тем устойчивее почва к разнообразным нагрузкам, лучше образует агрегатную структуру. Микроагрегированностьхарактеризуютпо:коэффициентудисперс-

ности (Кд, %) по Н.А.Качинскому (чем выше его значение, тем хужемикроструктурированапочва)истепениагрегированности по Бэйверу (чем больше его величина, тем лучше микроагрегирована почва).

2.Структура почвы это форма и размер структурных отдельностей в виде макроагрегатов (педов) размерами >0.25 мм, на которые распадается почва. Структура почвы характеризуются формой и степенью оформленности структурных отдельно-

стей.

3.Агрегатный состав почвы определяется количеством агрегатов различных размеров, водоустойчивых («мокрое» просеивание) и сухих («сухое» просеивание). Агрегатный состав почвы является определяющим фактором для создания благоприятных условий (прежде всего воздушных, водных и тепловых) для роста и развития растений.

4.Фундаментальныефизическиесвойства,такиекакгранулометрический состав, плотность почвы, микро- и макроструктура, оказывают влияние на урожай растений в виде создания оптимальных диапазонов содержания воды, воздуха, тепла. Учитывая динамичность этих характеристик, задача создания по- чвенно-физических основ почвенного плодородия состоит в поддержании оптимальных водного, воздушного и теплового режимов для произрастания растений.

5.Наилучшие водно-воздушные условия для произрастания растений,обусловленныеоптимальнойпочвеннойструктурой:содержание воздуха (в объемных процентах) >10%, содержание влаги 55 95% от полной влагоемкости или 90 70% от наименьшей влагоемкости.

6.Процесс агрегатообразования из ЭПЧ начинается с того, что минеральныеглинистыечастицыиорганическиепочвенныеколлоидыпривзаимнойкоагуляциислипаются,формируяпервичные микроагрегаты. Причем устойчивость этих микроагрегатовбудетзависетьоткатиона,которыйнаходитсявпочве.Ионы

кальция, магния, железа, алюминия будут вызывать наиболее быстро формирующуюся иустойчивую коагуляционную связь (теории К.К.Гедройца и И.Н.Антипова-Каратаева).

7.Дальнейшееобразованиеистинноймакроагрегатнойпочвенной структуры происходит под влиянием корневой системы растений, которая механически разделяет минеральную массу, и под влияниеммикробиоты,формирующейспецифическиеорганические вещества в анаэробных условиях, складывающиеся внутри первичных агрегатов (теория В.Р.Вильямса).

8.Физическаяспецификапочвенногоструктурообразующеговещества состоит в свойстве его амфифильности: одновременномпроявлениигидрофобныхигидрофильныхсвойств.Гидрофильные участки органических молекул соединяются с гидрофильнойповерхностьюминеральныхчастиц,агидрофобные между собой, образуя структурообразующие «мостикисвязи»междуминеральнымичастицами.Приэтомповерхность минеральных частиц оказывается гидрофобизированной. Водоустойчивостьагрегатовобусловленаналичиемгидрофобных связей и гидрофобизацией поверхности частиц, предотвращающей агрегаторазрущающее действие защемленного воздуха приувлажнении.

Литература

Вильямс В.Р.Почвоведение.Общееземледелиесосновамипочвоведения. М.:Сельхозгиз,1936.647с.

Качинский Н.А.Физикапочвы.Ч.1.М.:Высшаяшкола.1965

Кук Д.У.Регулированиеплодородияпочвы.М.:Колос,1970.

М е д в е д е в В. В. Оптимизация агрофизических свойств черноземов. М.:Агропромиздат.1988.

Физико-химическая механика природных дисперсных систем/ Под ред. Е.Д.Щукина, Н.В.Перцова, В.И.Осипова Р.И.Злочевской. М.: Изд-во Моск.ун-та, 1985. 266 с.

M a t h i e u C., P I e i t aiI n F. Analyse physique des soils. Methodes choisies. Technique&Documentation, 1998. 275 p.

Methods of Soil Analysis.Part 1. Physical and Mineralogical Methods. SSSA, Medison, Wisconsin, USA, 1986. 1188 p.

В этом случае теплота адсорбции равна теплоте конденсации. Поэтому нет и существенных, весьма заметных структурных изменений в этих слоях почвенной влаги, хотя адсорбционные силы оказывают влияние и на эти слои. Весьма заманчиво было бы определить влажность при формировании монослоя воды (Wm) на поверхности. Ведь если бы удалось измерить эту влажность, тогда, зная площадь проекции одной молекулы воды (S0 , для почв в среднем составляет 10.5 Е2), можно было бы рассчитать и удельную поверхность (Sпол):

Sпол NMaS0 Wm ,

где Na число Авогадро, M молекулярная масса воды. Поскольку Na , M, S0 величины постоянные, вышеприведенное уравнение пре-

образуется в Sпол = 36.16 Wm , где Wm выражено в %, а Sпол в м2/г. Попытаемся представить физическую модель возникновения

слояводынавнутреннейивнешнейповерхностяхпочвенныхчастиц. Здесь и в дальнейшем подстрочным символом m будем обозначать формирование мономолекулярной пленки,i для обозначения внутренней, е внешнейповерхности частиц.

Статистическая физика свидетельствует о том, что сначала образуются «островки» молекул воды на участках поверхности с самыми высокими энергетическими характеристиками. Как правило, этопроисходитвтонкихпорах,трещинах,навнутреннейповерхности почвенной частицы. Затем формируется тонкий слой воды толщиной в одну молекулу воды на всей внутренней поверхности эта величина соответствует влажности внутреннего монослоя (Wm)i (стадия1нарис.IV.1).Соответственноэтойвлажностиможнорассчитать и внутреннюю удельную поверхность поверхность микротрещин, микровпадин в почвенных частицах Si . Предполагают, что после образования монослоя на внутренней поверхности частиц, по мере повышения влажности воздуха или относительного давления паров водыбудетпроисходитьужеобразованиепленкинавнешнейповерхности.Врезультатеэтоприведеткобразованиюсплошнойпленкипо всей поверхности частиц. Влажность, соответствующая этому состоянию, Wm (стадия 2 на рис. IV.1). Она будет равна сумме влажностей, формирующей внутренний и внешний монослои: Wm= (Wm)i + (Wm)e (рис. IV.1 и IV.2). По этой влажности (Wm), как мы уже знаем, можно рассчитать полную поверхность частиц Sпол. Дальнейшееповышениедавленияпаровводыбудетприводитькформированиювторогомономолекулярногослоя,но,подчеркнем,только на внешней поверхности монослоя воды, ведь внутреннее простран-

ство уже заполнено. Его формирование соответствует влажности внешнего монослоя воды (Wm)e (стадия 3).Если знать этувлажность, то по ее величине можно рассчитать внешнюю (Se) удельную поверхность поверхностьпочвенныхчастицвнаиболееплоскихивыпуклых ее частях, энергетически самых неактивных: Se = 36.16 (Wm)e . Разницамеждуполнойивнешнейповерхностямидаствеличинувнутренней,прямоеопределениекоторой весьмазатруднительно,таккак экспериментально определить величину (Wm)i очень сложно. Поэтомувзадачуопределенияполнойудельнойповерхности исоставляющих ее внутренней и внешней входит прежде всего определение ве-

личин Wm и (Wm)e.

Такова «модель» образования пленок воды в процессе сорбции почвой водяного пара. Этуфизическую модель развивали многие исследователи, но в полной мере завершил и использовал А.Д. Воронин. Хотя он прекрасно понимал всю условность этой модели, указывая на то, что и «монослой [ ] не является сплошным в геометрическом смысле, энергетически, т.е. по типу взаимодействия с твердой поверхностью он проявляется достаточно четко..» (А.Д.Воронин, 1984. C.38). Этот физический образ формирования пленок – сначала мономолекулярных на внутренней поверхности, затем по всей частице, заполнение всех внутренних полостей и в конце концов мономолекулярной пленки только на внешней поверхности частиц, с окончательным образованием фазового раздела «вода газ» должен был позволить определить важные поверхностные свойства частиц внутреннюю, внешнюю и полную удельные поверхности.

Рис. IV.1. Схема формирования различных слоев воды на внутренней (трещина) и внешней поверхности почвенной частицы

Удельная поверхность [м2/г] величина площади поверх-

ности 1 г дисперсных частиц. Удельная поверхность характеризует дисперсность почвы и состояние поверхности почвенных частиц.

Различают полную удельную поверхность (Sпол),

внутреннюю (Si) и внешнюю (Se): Sпол= Si + Se .Внутренняя поверхность это поверхность микротрещин, микрокаверн,

микровпадин в почвенных частицах. Внешняя образуется после заполнения молекулами воды внутренней поверхности частиц. Полная удельная поверхность, внутренняя и внешняя отражают сорбционную способность почвы, форму частиц, состояние их поверхности.

2. Изотерма адсорбции паров воды почвами. Уравнение БЭТ

Длятогочтобыопределитьосновныевеличинывлажности для расчета соответствующих удельных поверхностей (Wm, (Wm)e), ознакомимся с известными уравнениями, описывающими процесс адсорбции. Для этого необходимо прежде всего разобраться в механизмах, которые определяют зависимость между влажностью почвы и относительным давлением паров воды, р/р0 (p – в условиях опыта, p0 – в условиях насыщенной парами воды атмосферы. Последняя величина – константа иравна 17.54ммртутногостолба притемпературе20о).Напомнимтакже,чтоотносительноедавлениепаровводы, как и любого другого газа в смеси, равно относительному его содержанию (закон Рауля). В случае паров воды относительной влажности воздуха, которую легко определить с помощью психрометра. Итак,основнойхарактеристикойдляописанияадсорбциипочвеннымичастицамипаровводыбудетзависимостьмеждупочвеннойвлажностьюиотносительнымдавлениемпаровводыприпостояннойтемпературе изотерма адсорбции.

Визотермических условиях при повышении содержания влаги

ввоздухе вода адсорбируется на поверхности твердых частиц. Кривые сорбции заметно различаются по положению и форме в зависимости от фундаментальных свойств почв (рис. IV.2). Для тяжелых, набухающих почв (на рис. IV.2 вертисоль) эта кривая адсорбции наиболее «крутая»: уже при небольших относительных давлениях

паров (р/р0) почва активно адсорбирует влагу, влажность быстро достигаетзаметныхвеличин.Приоблегчениигранулометрическогосостава, увеличении в составе глинистых минералов иллитов, гидро-