Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 508, № 1, стр. 139-143

Благоприятное агрегатное состояние почвы – важнейшее условие обеспечения ею плодородия. Благодаря стабильности состояния почвенных агрегатов она проявляет свойство устойчивости к эрозионным и механическим воздействиям, переуплотнению и другим неблагоприятным природным и антропогенным явлениям.

Декстер [1] отмечал, что для сельского хозяйства почва должна иметь не только хорошую, но и стабильную структуру по отношению к двум основным воздействиям: (а) способности почвы сохранить свою структуру под действием воды; и (б) способности влажной почвы сохранять свою структуру под действием внешних механических напряжений. При этом предположение о двух видах воздействий – воды и механических сил на водоустойчивость агрегатов однозначно доказано не было [2].

В большом количестве работ [2, 3] указано, что агрегатный состав и водоустойчивость агрегатов связаны с органическим веществом почв, его количеством и качеством, но до сих пор не имеется удовлетворительной гипотезы, объясняющей механизмы этой взаимосвязи. При этом попыток использования представлений о надмолекулярной структуре гумусовых веществ (ГВ) [4] для объяснения водоустойчивости почвенных агрегатов нами в литературе обнаружено не было.

Целью работы являлась проверка возможности существования раздельного влияния на водоустойчивость почвенных агрегатов воды и механических воздействий, а также применение для объяснения водоустойчивости почв представлений о надмолекулярной структуре ГВ.

В работе использовали образцы, отобранные из верхних (пахотных) горизонтов дерново-подзолистой почвы (Чашниково, Московская область), серой лесной почвы (Суздаль, Владимирская область) и чернозема типичного (Скопинский район, Рязанская область).

При подготовке образцов почвы высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через сита, отбирая агрегаты диаметром 4.5–5 мм.

В ходе измерения воздушно-сухие агрегаты помещали в кассету, представляющую собой 2 алюминиевых уголка, закрепленных таким образом, чтобы угол был ориентирован по направлению действия силы тяжести (рис. 1 а, 1). В нижней части уголка были размещены фитили из хлопчатобумажной ткани (рис. 1. а, 2). В алюминиевые уголки на фитили укладывали по 14 почвенных агрегатов¹¹ так, чтобы они касались друг друга. Посредством вакуумирования удаляли из агрегатов воздух в течение 15 мин при разрежении 15 кПа. Условия были подобраны в ходе изучения водоустойчивости воздушно-сухих агрегатов в предварительных экспериментах. После этого агрегаты в вакууме через фитили капиллярно увлажняли до значений, близких к насыщению. Время увлажнения меняли, но оптимальное время для дерново-подзолистых почв составляло 15 мин.

Рис. 1.

а – Схема кассеты для определения водоустойчивости почвенных агрегатов. 1 – Алюминиевые уголки, соединенные между собой; 2 – хлопчатобумажные фитили; 3 – почвенные агрегаты. б – Общая схема установки для определения водоустойчивости почвенных агрегатов: 1 – алюминиевые уголки, соединенные между собой; 2 – хлопчатобумажные фитили; 3 – почвенные агрегаты; 4 – емкость с водой; 5 – весы; 6 – площадка с закрепленными на ней лезвиями; 7 – мерный стаканчик с песком; 8 – добавляемый в мерный стаканчик песок; 9 – луч лазера, направленный на мерную шкалу стаканчика.

После увлажнения агрегатов в вакууме кассету извлекали из эксикатора и помещали в расположенную на весах емкость с водой таким образом (рис. 1 б, 4, 5), чтобы фитили агрегатов обеспечивали сохранение насыщения агрегатов водой, достигнутое на этапе вакуумирования. Использовали воду и растворы хлорида калия (0.1 и 1 н). Затем на линейно расположенные агрегаты помещали устройство, представляющее собой два параллельно расположенных лезвия, закрепленные на площадке (рис. 1 б, 6), на которую устанавливали стаканчик с мерной шкалой (рис 1. б, 7). Использование двух лезвий обеспечивало устойчивость устройства при воздействии на агрегаты, а также увеличивало количество агрегатов, которые одновременно рассекали лезвия. Добавляя песок в стаканчик (рис. 1 б, 8), повышали нагрузку на агрегаты, которую фиксировали при помощи весов. Луч лазера (рис. 1 б, 9), закрепленный на другом штативе, направленный на мерную шкалу стаканчика, позволял хорошо контролировать процесс разрушения агрегатов.

С целью стандартизации получаемых данных рассчитывали предельное сопротивление разрушения агрегатов. Экспериментально определяемую нагрузку в граммах выражали в миллиньютонах (мН). Для получения удельной характеристики нагрузку делили на общее количество агрегатов в повторности – 28 штук.

Эксперименты проводили в шестикратной повторности с последующей статистической обработкой результатов с использованием программного обеспечения OriginPro, в котором рассчитывали доверительный интервал, который не превышал 10% при 95%-ном уровне значимости.

Электронно-микроскопическое исследования проводили при помощи растрового электронного микроскопа JEOL-6060A лаборатории экологического почвоведения (фирмы “JEOL”, Япония) с вольфрамовым катодом при ускоряющем напряжении 2–5 кВ. Суспензии разбавляли в 10 раз, 5 мкл наносили на атомно-гладкую поверхность слюды и высушивали. На образцы перед исследованием напыляли золото, используя установку JFC-1600 (фирмы “JEOL”, Япония).

Для проверки возможности существования раздельного влияния на водоустойчивость почвенных агрегатов воды и механических воздействий мы решили использовать метод “лезвий”, меняя время контакта агрегатов с водой перед определением водоустойчивости²². Было изучено влияние времени взаимодействия агрегатов почв различных типов с водой на величину их водоустойчивости. Результаты представлены на графике (рис. 1).

Рис. 2.

Изменение водоустойчивости почвенных агрегатов при увеличении времени контакта агрегатов с водой перед определением водоустойчивости. 1 – дерново-подзолистая почва; 2 – серая лесная почва; 3 – чернозем.

Из полученных данных хорошо видно, что при увеличении времени контакта агрегатов всех изученных почв с водой их водоустойчивость экспоненциально снижается, что подтверждает предположение Декстера [1]. Следовательно, вода без механического воздействия оказывает влияние (снижает) водоустойчивость почвенной структуры.

Объяснять подобное снижение водоустойчивости принято влиянием расклинивающего давления [5–7]. Механизм разрушения внутриагрегатных связей обусловлен расклинивающими свойствами водной пленки, заключенной между частицами почвы. Согласно физико-химической теории эффективных напряжений в грунтах, устойчивость и неустойчивость дисперсных систем, к которым относятся и почвы, определяется соотношением сил притяжения и отталкивания между частицами [7]. Силы притяжения обусловлены межмолекулярным взаимодействием (силами Ван-дер-Ваальса), сорбцией, гидрофобными взаимодействиями. Так, гидрофобные компоненты гумусовых веществ, обращенные в межпластинное пространство частиц глинистых минералов, способствуют соединению частиц и уменьшению расклинивающего давления почвенной влаги, разрушающего почвенные агрегаты в отсутствие гидрофобной поверхности [8, 9].

Источником силы отталкивания является электростатическое взаимодействие диффузных частей двойных электрических слоев соседних частиц. Увеличение концентрации ионов в зазоре между частицами при перекрытии ионных атмосфер создает локальное осмотическое давление, под влиянием которого жидкая фаза стремится войти в прослойку между ними и раздвинуть их. Так возникает электростатическая компонента расклинивающего давления [7].

Данные теоретические обоснования потери водоустойчивости почвенных агрегатов при их контакте с водой, перенесенные с грунтов на почвы, нуждались в экспериментальной проверке. Для этого на черноземе, серой лесной и дерново-подзолистой почвах было проведено определение водоустойчивости в 0.1 и 1 н растворах хлорида калия.

При существовании значимого влияния расклинивающего давления водоустойчивость образцов при таком определении должна была превышать водоустойчивость, измеренную в воде. Однако различий водоустойчивостей мы не обнаружили (табл. 1). Это свидетельствовало о том, что, несмотря на привычность представлений о значимом влиянии расклинивающего давления на водоустойчивость, это не соответствует действительности.

Для объяснения полученных результатов еще раз перечислим факты: расклинивающее давление в почвах существует и оказывает влияние на почвы и многие их свойства, но оно не оказывает влияния на водоустойчивость почвенных агрегатов.

Модельные представления о водоустойчивости базируются на том, что в его основе лежат гидрофобные взаимодействия между гидрофобными участками амфифильных молекул гумусовых веществ [4, 9] с мозаичной поверхностью. Гидрофильные и гидрофобные участки на поверхности частиц ГВ чередуются, но описанное выше увеличение размера ионных атмосфер около гидрофильных участков не влияет на взаимодействие частиц ГВ через гидрофобные участки.

Так как пространственно гидрофильные и гидрофобные участки в молекулах гумусовых веществ не разъединены, то объяснить отсутствие влияния увеличения размера ионных атмосфер на водоустойчивость можно только дальнодействием гидрофобных сил [10]. Расчеты Б.В. Дерягина и Н.В. Чураева [5] показывают, что для частиц размером 100 нм действие расклинивающего давления простирается на 15–20 нм, а в работе О.И. Виноградовой [10] приводятся данные о распространении действия гидрофобных сил до 100 нм.

Это объяснение хорошо разрешает возникшее противоречие между наличием в почвах расклинивающего давления и отсутствием его влияния на водоустойчивость почвенных агрегатов, но оно не отвечает на вопрос о механизме снижения водоустойчивости агрегатов при их контакте с водой. 

Для того чтобы объяснить механизм снижения водоустойчивости, мы решили использовать представления о надмолекулярной организации ГВ. Методом малоуглового рассеяния показано [11–13], что частицы ГВ в растворах образуют фрактальные кластеры (Ф-кластеры) размером 100–200 нм. Этим же методом экспериментально установлена фрактальная организация почв различных типов и при помощи туннельной микроскопии показано, что Ф-кластеры из гумусовых веществ являются структурными элементами, лежащими в основе почвенных гелей [4]. Эти гели связывают почвенные частицы в агрегате между собой. Отмечено [4], что при помещении чистых поверхностей в почву на них начинают переходить Ф-кластеры, которые, по-видимому, обладают достаточной подвижностью. Поэтому снижение водоустойчивости агрегатов при их контакте с водой может происходить, если Ф-кластеры способны при контакте с водой почвенных агрегатов переходить в нее, снижая количество связей внутри агрегатов.

Для проверки этого предположения почвенные агрегаты привели в контакт с водой через хлопчатобумажную ткань и выдерживали в течение 19 ч. Затем воду, которая могла содержать Ф-кластеры, разбавили, нанесли на поверхность слюды, высушили и изучили полученные образцы при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ).

На микрофотографии, представленной в качестве примера (рис. 3), хорошо видны Ф-кластеры, выделившиеся из чернозема. Аналогичные микрофотографии получены для Ф-кластеров, выделившихся из дерново-подзолистой и серой лесной почв.

Рис. 3.

Ф-кластеры, перешедшие в воду при контакте агрегатов чернозема с водой через хлопчатобумажную ткань в течение 19 ч.

Из полученных данных следует, что Ф-кластеры, составляющие почвенные гели, способны переходить в контактирующую с ними воду, а водоустойчивость почвенных агрегатов в определенной степени обусловлена Ф-кластерами, являющимися основой почвенных гелей. Сопоставляя эту информацию со сведениями из литературных источников по лабильному (растворимому в воде) гумусу [14, 15], можно предположить, что лабильный гумус, обеспечивающий водоустойчивость почв, может представлять собой Ф-кластеры.