Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 308-312

ВВЕДЕНИЕ

Для почв хорошо известны гистерезисные явления. Так, взаимоотношение между содержанием воды и матричным потенциалом различается в зависимости от того, иссушается почва или увлажняется. Эта зависимость известна как гистерезис основной гидрофизической характеристики (ОГХ). Имеются данные о существовании гистерезиса для набухания и усадки почв [1], а также для температуропроводности [2].

В последние несколько десятилетий считалось, что эффект гистерезиса кривой насыщения капиллярного давления обусловлен такими факторами, как контактный угол смачивания и эффект бутылочного горлышка (“жаменовских цепочек”) [3], а кривая водоудерживания почвами воды отражает распределения пор по размерам [4].

Аргументом в пользу гистерезиса, обусловленного контактным углом смачивания, может быть явление выпуклости передней части и сжатия задней части капли воды, когда она скользит по склону, что обусловлено поверхностным натяжением жидкости [3]. Эффект бутылочного горлышка состоит в том, что в естественной поровой среде, особенно структурированных почв, определенный процент порового пространства не дренируется, поскольку поры либо не связаны, либо связаны с атмосферой через меньшие поры. С порами неправильной формы дренаж определяется по наименьшему отверстию или горловине, в то время как поступление воды зависит от размеров основного порового тела. Маленькие поры заполняются в первую очередь и пустеют в последнюю, в то время как большие опустошаются первыми, а заполняются последними. Однако большие поры, которые соединены с атмосферой через более мелкие поры, не опустеют, пока последние не осушатся [5].

Изучение влияния на гистерезис органического вещества (ОВ) почв показывает положительную линейную зависимость между содержанием ОВ и гистерезисом воды [5]. Авторы считают, что ОВ почв, по-видимому, увеличивает разницу в распределении пор по размерам микроагрегатов и, следовательно, изменяет гистерезисное удержание воды. Увеличение происходит из-за того, что заполненные ОВ поры могут уменьшить связность и увеличить извилистость путей потока воды между порами. Вода, удерживаемая в небольших порах, заполненных ОВ почв, вероятно, менее подвижна и, следовательно, препятствует дренажу более крупных пор, которые соединены через небольшие заполненные ОВ горловины пор. При этом современные представления о структурной организация гумусовых веществ почв [6–8] в этих рассмотрениях не используются.

Существуют и другие объяснения гистерезиса, такие как капиллярная конденсация, расширение и сжатие материалов [3], но твердо установленные представления о механизме данного эффекта в настоящее время отсутствуют. При этом надо учитывать, что само существование явления свидетельствует о зависимости системы не только от своего текущего состояния, но и от ее предыстории [3].

По нашему мнению, трудности при решении задачи о механизме гистерезиса связаны с использованием для объяснения явления устаревшей трехфазной модели почв [1].

Исходя из литературных данных по наноструктурной организации почв [9–11], можно принять, что гистерезис ОГХ должен определяться стабильной (неколлоидные частицы) или лабильной (гели) частями твердой фазы почв. Выбрать часть почвенной системы, которая определяет гистерезис ОГХ, достаточно сложно, но нахождение такого компонента будет важным шагом вперед в понимании механизма гистерезиса.

Для ответа на вопрос о механизме гистерезисных явлений в почве было необходимо провести изучение тех свойств почв, которые определяет не структура стабильной твердой фазы почв, а почвенные гели.

На наш взгляд, к таким свойствам можно отнести начальную вязкость почвенных паст [12]. Обусловлено это тем, что изменение вязкости паст определяется, в первую очередь, толщиной пленок свободной воды [13], окружающей частицы в пасте и возможностью встраивания этой воды в гели, окружающие почвенные частицы¹¹. То есть это свойство связано с изменением гелей в почвах.

Целью работы являлось выяснение природы гистерезиса почвенных свойств путем установления его связи со стабильной или лабильной (гелями) частями твердой фазы почв на основе изучения вязкости почвенных паст.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовали образцы дерново-подзолистой почвы (Московская область), серой лесной почвы (Тульская область), чернозема выщелоченного (Орловская область).

При приготовлении образцов для кривой увлажнения в качестве начальной точки использовали почву с влажностью 0.5 от наименьшей влагоемкости. Необходимой влажности достигали, добавляя навеску воды к этой почве. Образцы выдерживали в герметично закрытых контейнерах в течение недели, после чего определяли их вязкость.

В качестве отправной точки для кривой иссушения использовали почву с влажностью, равной наименьшей влагоемкости. Для обеспечения медленного удаления воды из образца, его выдерживали в емкости, на которой сверху была закреплена хлопчатобумажная ткань. По мере высушивания образца определяли его вязкость.

Почвенную пасту готовили, добавляя к навеске необходимое количество²² воды и перемешивая в течение 3–5 мин. Для проведения механической обработки в течение 1 минуты использовали мешалку MLW MR 25 (Германия), меняя число оборотов.

Для определения вязкости паст использовали вибрационный вискозиметр SV-10 фирмы “AND” (Япония). Принцип метода основан на том, что при приготовлении суспензии (пасты) из почв их вязкость определялась свойствами почв, из которых их готовили. Время измерения – 15 сек.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе работы необходимо было выбрать условия, при которых следовало проводить сравнение вязкостей почвенных паст, приготовленных из почвенных образцов с разной влажностью и предысторией. Основными параметрами, от которых зависела вязкость почвенных паст, были, во-первых, высушивание почвенных образцов перед приготовлением паст и, во-вторых, величина механических воздействий при приготовлении (перемешивании) паст.

Было установлено, что высушивание образцов до воздушно-сухого (ВС) состояния коренным образом изменяет их свойства, делая их практически неспособными к возврату по свойствам к состоянию исходной влажности и использовать для приготовления почвенных паст воздушно-сухие образцы почв не имело смысла. Необходимо было изучать гистерезис в интервале влажностей почвенных образцов, когда с ними не происходит кардинальных изменений.

При изучении влияния механических воздействий на вязкость почвенных паст для всех изученных почв были получены характерные S-образные кривые (рис. 1). При малых механических воздействиях на пасты величина вязкости имела примерно постоянные небольшие значения. При росте числа оборотов вязкость начинала расти, постепенно выходя на “плато”. Механизм для наблюдаемой зависимости был вполне очевиден. При малых величинах механических воздействий количество частиц в пасте находилось на постоянном уровне. Затем при росте механических воздействий частицы в пасте начинали распадаться, их число росло, что приводило к росту вязкости пасты. После того как частицы разделялись, рост механического воздействия переставал оказывать влияние на количество частиц в пасте, и их вязкость выходила на постоянный уровень.

Рис. 1.

Влияние механических воздействий на пасты, приготовленные из почв различных типов, на вязкость этих паст.

Из полученных данных следовало, что изучение почвенных паст, приготовленных из почвенных образцов с разной влажностью и предысторией, следовало проводить на почвенных образцах, которые не подвергались высушиванию до ВС-состояния, при минимальных механических воздействиях на них, чтобы оставаться на начальном постоянном участке кривой “вязкость паст–мехвоздействие”.

После изучения образцов дерново-подзолистой, серой лесной почв и чернозема стало отчетливо видно, что для всех изученных типов почв наблюдается хорошо выраженный гистерезис (рис. 2–4).

Рис. 2.

Влияние влажности образцов дерново-подзолистой почвы, получаемых увлажнением и иссушением, на вязкость приготовленных из них почвенных паст с содержанием воды 37%.

Рис. 3.

Влияние влажности образцов серой лесной почвы, получаемых увлажнением и иссушением, на вязкость приготовленных из них почвенных паст с содержанием воды 42%.

Рис. 4.

Влияние влажности образцов чернозема, получаемых увлажнением и иссушением, на вязкость приготовленных из них почвенных паст с содержанием воды 57%.

При этом наблюдаемый гистерезис невозможно было объяснить “жаменовскими цепочками”, так как в пастах “жаменовские цепочки” не могут существовать и определять свойства паст. Капиллярная конденсация, также как расширение и сжатие материалов не в состоянии объяснить наличие гистерезиса для вязкости почвенных паст.

Можно предложить два механизма, которые оба связаны с влиянием на вязкость паст изменения почвенных гелей.

Первый механизм основан на изменении смачивания поверхностей почвенных частиц, покрытых почвенными гелями (изменении гидрофобно-гидрофильных свойств почвенных гелей). Поверхность иссушаемых гелей должна быть более гидрофильна³³ и, следовательно, должна сильнее взаимодействовать с водой (обеспечивать большую вязкость). Поверхность увлажняемых гелей должна быть более гидрофобна [14] и из-за эффекта проскальзывания [15] ее взаимодействие с водой должно быть меньше, а вязкость паст, как следствие, ниже.

Второй механизм может быть основан на том, что иссушаемые почвенные гели в сравнении с увлажняемыми гелями при одинаковой влажности должны включать в свой состав большее количество воды, так как процессы их расширения с поглощением воды или сжатия с ее выделением требуют времени [9]. Как следствие, при одинаковом содержании влаги в почвенных пастах толщина пленок свободной воды между частицами должна быть в иссушаемых гелях (образцах почв) ниже, а вязкость паст выше.

Анализ показывает, что оба эффекта, обеспечивающие механизм процесса гистерезиса, действуют в одном направлении и соответствуют полученным экспериментальным данным.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что гистерезисные явления в почвах обусловлены почвенными гелями и их изменениями при иссушении и увлажнении почв. При этом логично предположить, что гистерезис всех почвенных свойствах определяется единым механизмом.