Estimation of the structural conditionby physicomechanics methods.pdf Вопросами структурообразования занимались такие классики россий-ского почвоведения, как В.В. Докучаев, П.А. Костычев, В.Р. Вильямс,К.К. Гедройц, И.В. Тюрин и многие другие ученые. Почвенная структураописывается в работах И.Н. Антипова-Каратаева, А.Д. Воронина, Я.А. Па-чепского, М.Х. Пигулевского, Ю.Г. Гельцера и др. [1]. И все же до сих порисследование природы и свойств почвенного агрегата - одна из труднейшихпроблем научного почвоведения. Работ, посвященных изучению сопротивле-ния почвы сдвигу, относительно немного, при этом нет единой системы ха-рактеристики прочности агрегата, что очень усложняет сравнение данных,полученных разными авторами. Кроме того, подавляющая часть эксперимен-тов проведена для растертой почвы, хотя в природе недеформированный аг-регат может вести себя совсем по-другому.Механическая прочность агрегата характеризует сопротивление почвен-ных отдельностей внешней нагрузке. Учитывая, что все протекающие в почвепроцессы в той или иной степени связаны с поверхностными явлениями на гра-нице раздела фаз, механическая прочность зависит от числа контактов междуэлементарными почвенными частицами и силы каждого контакта в отдельности,т.е. прочность - функция поверхности почвы и её поверхностной энергии. Удоб-ным показателем поверхностной энергии, объединяющим влияние удельной по-верхности, содержание гумуса, ила, обменных катионов и многих других пара-метров, т.е. описывающим свойства поверхности, является величина теплотысмачивания, которая характеризует молекулярно-ионный уровень структурнойорганизации почв. В настоящее время теплота смачивания не так часто исполь-зуется в физических экспериментах, однако этот показатель представляет собойнаиболее генерализованную характеристику поверхности, так как она количест-венно характеризует энергию взаимодействия воды с твердой фазой почвы. Так,при взаимодействии воды с поверхностью почвы, при наличии третьей (газовой)фазы, наблюдается явление смачивания. Степень смачивания зависит от соот-ношения работ адгезии и когезии, которое проявляется в наклоне поверхностижидкости к поверхности твердого тела. При взаимодействии жидкой воды ствердой поверхностью раздела выделяется теплота, которую называют теплотойсмачивания, она зависит от природы взаимодействующих фаз. Чем больше теплавыделяется при смачивании, тем интенсивнее энергетическое взаимодействиежидкости с поверхностью.Материалы и методики исследованияВ качестве объектов исследования были выбраны:1. Дерново-подзолистая почва, отобранная на территории УО ПЭЦ«Чашниково», расположенной в 45 км на северо-запад от Москвы. Даннаяпочва - вариант среднесуглинистой почвы с иллювиально-эллювиальнойдифференциацией профиля, сформированная на двучленной породе - по-кровных суглинках, подстилаемых более тяжелой по гранулометрическомусоставу московской мореной. В результате распашки на месте гумусовогогоризонта формируется специфический пахотный горизонт, а ниже залегаетуплотненная плужная подошва.2. Серые лесные почвы были отобраны на территории Владимирскогонаучно-исследовательского института сельского хозяйства (г. Суздаль). Поч-вы Владимирского Ополья характеризуются высокой комплексностью поч-венного покрова, обусловленной палеокриогенным микрорельефом. Так, дляцелей исследования были выбраны две почвенные разности: серая леснаяостаточно-карбонатная и серая лесная со вторым гумусовым горизонтом,имеющим пониженную плотность пахотного и подпахотного горизонта засчет высокого содержания гумуса.3. Образцы типичного чернозема отбирались на территории Централь-но-черноземного заповедника (Курская область). Целинные черноземы запо-ведника служат эталоном, в сравнении с которым определяется степень де-градации окружающих пахотных земель, и представляют большой научныйинтерес в качестве экспериментальной модели. Для сравнения были взятыобразцы чернозема целинного, пашни и «вечного» пара.4. Из слитого чернозема был отобран образец горизонта А (0-20 см)вблизи г. Майкоп (Республика Адыгея). Глиноморфная тяжелосуглинистаяпочва во влажном состоянии сильно набухает, после чего при иссушении об-разует широкие и глубокие трещины.Механическая прочность агрегатов почвы определялась методом кони-ческого пластометра Ребиндера [2]. Для предотвращения одновременногоиспарения воды с поверхности почвенные агрегаты 3-5 мм капиллярно на-сыщались на керамической плитке до состояния максимальной капиллярнойвлагоемкости в закрытой емкости. Температура воды была на несколько гра-дусов ниже температуры окружающей среды и агрегатов для выравниванияразницы температур вода/почва, а не расширения пузырьков воздуха за счетвыделяющейся теплоты смачивания. Медленное насыщение на керамическойплитке (в течение суток) было необходимо для постепенного вытесненияпочвенного воздуха из капилляров без разрушения агрегатов. Дальнейшеевысушивание агрегатов проводилось в закрытой емкости, и через определен-ные промежутки времени измерялась механическая прочность 10 агрегатов иих влажность. Прочность определялась нагрузкой, необходимой для разру-шения агрегата, и выражалась в кг/см2.Определение теплоты смачивания проводилось в изотермическом ком-плектном калориметре смешения [3]. Была проведена апробация прибора иразработана методика, отвечающая требованиям достоверности результатов.Из растертой, просеянной через сито 1 мм и предварительно высушенной доабсолютно сухого состояния в сушильном шкафу почвы бралась навеска израсчета 20 г почвы на 150 мл воды. При смешении навески с водой фиксиро-валось изменение температуры суспензии. Измерение проводилось в трех-кратной повторности. Способ расчета, применяемый при использовании ка-лориметрического метода, позволяет характеризовать теплоту смачиваниявеличиной Q (кал/г или Дж/г).Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) была определена вобласти от 0 до 4 pF методом центрифугирования [4-5], верхняя часть кри-вой - методом десорбции паров воды над различными солями. На основеОГХ были рассчитаны основные гидрофизические константы. Удельная по-верхность была определена десорбцией паров воды над солями по методуБЭТ. Гранулометрический состав почв определялся пипет-методом с обра-боткой пирофосфатом Na [6]. Содержание органического веществасовых веществ, их размерами и формой. Поскольку ароматические кольцаобладают гидрофобными свойствами, а боковые радикалы гидрофильны, взависимости от их соотношения изменяются гидрофильные свойства органи-ческого вещества. Поэтому гумус может как упрочнять структуру, так и сни-жать ее прочность.Рис. 1. Механическая прочность воздушно-сухих агрегатов в различных типах почвЕсли у органических веществ когезионная прочность меньше адгезион-ной, что, вероятно, характерно для гумусовых кислот почвы, то при маломсодержании органического вещества (1-3%), покрывающего тонким слоемминеральные частицы, усиливается прочность почвенных агрегатов, так какразрыв связей в этом случае должен происходить по прочным адгезионнымконтактам. При повышенном содержании гумуса (5-10%), когда прослойкаскрепляющего вещества утолщается, эффект проклейки снижается, так какразрыв будет происходить по когезионным, в данном случае более слабымсвязям. Вероятно, этот механизм склеивания может иметь место в верхнихгоризонтах серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом. Так, наи-более обогащенный гумусом горизонт Аh имеет самую низкую прочность(рис. 2). Значения Рm для воздушно-сухих агрегатов горизонта Аh не превы-шают 0,79 кг/см2. Аналогичная картина наблюдается и для ряда чернозема.Механическая прочность почвенных агрегатов, кг/см2Черноземтипичный(«вечный» пар)Целинный чернозем, имеющий максимальное количество гумуса (8,5%), ме-нее прочен чернозема пашни, который содержит 5,1% гумуса.Рис. 2. Изменение механической прочности агрегатов, удельной поверхностии содержания гумуса в различных типах почвТакже прочность увеличивается вниз по профилю в иллювиальных и де-градированных почвах и уменьшается в ненарушенном и слабонарушенномчерноземах. В первом случае это вызвано вымыванием илистых частиц и гу-муса в нижележащие горизонты, во втором - наличием большого количествагумуса и высокой удельной поверхностью в верхних горизонтах.Таким образом, механическая прочность агрегатов - функция поверхно-сти почвы, что объединяет влияние удельной поверхности, содержания гуму-са, ила, обменных катионов и многих других показателей. Показателем по-верхностной энергии, величина которого объединяет все перечисленные фак-торы, является теплота смачивания, которая характеризует молекулярно-ионный уровень структурной организации почв. Этот показатель представля-ет собой наиболее точную характеристику поверхности, так как она выражаетэнергию взаимодействия воды с почвой [8]. Для отражения сродства поверх-ности к воде, обусловленного силами межмолекулярного взаимодействия,А.Ф. Вадюнина качество поверхности описывала величиной гидрофильности[6]. В данном случае гидрофильность рассчитывалась как отношение теплотысмачивания к удельной поверхности. Очевидно, что чем больше тепла выде-ляется при смачивании, тем интенсивнее энергетическое взаимодействиежидкости с поверхностью. С этих позиций применение теплоты смачиваниядля характеристики механической прочности агрегатов обоснованно.Проведенные исследования показали, что, исключая высушиванием опре-деляющую роль количества и качества почвенной влаги, на величину тепло-ты смачивания оказывают влияние дисперсность почвы, ее удельная поверх-ность и содержание гумуса. Наибольший эффект выделения теплоты смачи-вания достигаетсяв 2 раза (9 и 18 Дж/г). В то же время удельная теплота смачивания, характе-ризующая единицу поверхности, схожа для обоих горизонтов и равна0,25 Дж/м2, т.е. существенных различий в качестве поверхности нет. Та жезакономерность прослеживается не только с увеличением содержания ила, нои с ростом общей удельной поверхности. Значения теплоты смачивания висследуемом ряду почв увеличиваются от дерново-подзолистой почвы к чер-ноземам параллельно с увеличением удельной поверхности. Высокий коэф-фициент корреляции (r = 0,9) свидетельствует о тесной зависимости теплотысмачивания и удельной поверхности. Наибольшее значение характерно дляслитой почвы с максимальной удельной поверхностью до 36 Дж/г.Удельная теплота смачивания, характеризующая качество поверхности,изменяется в зависимости от содержания гумуса и оценивается коэффициен-том корреляции 0,6. В горизонтах, обладающих повышенным содержаниеморганического углерода, удельная теплота смачивания закономерно возраста-ет от 0,25 Дж/м2 в дерново-подзолистой почве до 0,35 Дж/м2 в черноземах(таблица).Гранулометрический состав исследованных почвПочва Горизонт Глубина,см>0,25,мм0,25-0,05, мм0,05-0,01, мм0,01-0,005, мм0,005-0,001, мм

Скачать электронную версию публикации