Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2022, T. 504, № 1, стр. 240-244

В настоящее время для объяснения происходящих в почвах процессов широко используют физическую модель структурной организации почв [1]. Из нее следует, что почва состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз.

Позднее появилась коллоидно-химическая модель [2], которая придает большое значение наличию на границе твердой и жидкой фаз органоминерального гелевого слоя, обеспечивающего существование не только ионообменных, но и других свойств почв. В частности, было показано, что при взаимодействии с почвами вода со временем теряет подвижность, входя в почвенные гели [3].

При этом экспериментальные методы, позволяющие оценить количество воды, входящей в почвенные гели, отсутствуют. В результате представление о почвенных гелях и их набухании носит умозрительный характер, что мешает рассмотрению почв с позиции наличия и функционирования в них гелей.

В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) существует классический подход: “Если вы не можете измерить изменения в системе, то присоедините к системе внешнюю среду, отклик которой коррелирует с этими изменениями” [4]. В качестве внешней среды в данном случае удобно использовать воду, проводя изучение вязкости почвенных паст.

Для этой цели в почвоведении часто используют ротационную вискозиметрию [5]. Как правило, ее применяют для изучения изменений в пастах, возникающих под влиянием механического воздействия, т.е. ротационный вискозиметр меняет состояние почвенных гелей. При этом для изучения состояния гелей в почвах необходим метод, позволяющий оценивать состояние гелей в почвенных пастах без их значимого изменения в процессе измерения.

Таким методом является вибрационная вискозиметрия. Метод позволяет определять вязкость паст за короткое время, оказывая минимальное механическое воздействие на пасту и мало изменяя почвенные гели.

В связи с тем, что вода в пастах либо входит в состав почвенных гелей, либо является свободной¹¹ для получения информации о количестве свободной воды в пастах, которое должно характеризовать состояние гелей в почвах, удобно использовать уравнение Эйнштейна²² [6].

Целью работы была оценка состояния почвенных гелей при их взаимодействии с водой для образцов с разной пробоподготовкой (предысторией).

Из цели вытекали следующие задачи по изучению влияния различных параметров пробоподготовки на состояние почвенных гелей:

1) влажности почвенных образцов, из которых готовили почвенные пасты;

2) времени, прошедшего после добавления воды при приготовлении почвенных образцов, из которых в дальнейшем готовили почвенные пасты; 

3) пробоподготовки почвенных образцов (исходных, автоклавированных, высушенных до воздушно-сухого и абсолютно-сухого состояний и вновь увлажненных), из которых затем готовили почвенные пасты.

В  работе  использовали  образцы  исходной агродерново-глубокоподзолистой легкосуглинистой почвы³³ (Albic Retisols (Loamic, Aric, Cutanic, Ochric)), отобранные из пахотного горизонта в окрестностях поймы р. Яхрома, и образцы этой почвы, которые были предварительно высушены до воздушно сухого и абсолютно сухого состояний (ВС и АС), опять увлажнены и выдержаны в герметично закрытой емкости при температуре 26–28°С не менее 2 нед (ВУ и АСУ). Образцы почвы, прошедших термообработку, готовили, прогревая в автоклаве исходную почву при избыточном давлении 4.5 атм (148°С). Полученные образцы с разной пробоподготовкой увлажняли до требуемой влажности и выдерживали необходимое время. Пасты готовили, добавляя воду к почвам и перемешивая пасты в течение нескольких минут вручную.

Для определения вязкости паст использовали вибрационный вискозиметр SV-10 фирмы AND (Япония). Принцип работы прибора основан на поддержании амплитуды вынужденных колебаний чувствительного элемента (камертона), помещенного в вязкую среду, за счет изменения силы тока. Время измерения – 15 с. Амплитуда колебаний камертона 2 мм.

Было изучено влияние пробоподготовки образцов почв на вязкость полученных из них паст. Из полученных данных (рис. 1) хорошо видно, что:

Рис. 1.

Зависимость вязкости паст от содержания в них воды, приготовленных из почвенных образцов с разной пробоподготовкой, имеющих влажность 19%.

• среди паст, приготовленных из образцов Исходной, Высушенной увлажненной и Абсолютно сухой почв, во всем интервале содержания в них воды они располагаются по вязкости последовательно – вязкость почв из Исходной почвы всегда выше, а из Абсолютно сухой почвы всегда ниже;

• кривая изменения вязкости пасты, приготовленной из Автоклавированной почвы, имеет более сложный характер и пересекает кривые для образцов паст из Исходной и Высушенной увлажненной почв.

При изучении влияния влажности образцов почв до приготовления паст на вязкость паст хорошо видно (рис. 2), что увеличение влажности во всех случаях (за исключением Абсолютно сухой почвы) приводит к росту их вязкостей. Для паст, приготовленных из Абсолютно сухой почвы разных влажностей, вязкость значимо не изменяется.

Рис. 2.

Зависимость вязкости пасты от исходной влажности образцов дерново-подзолистой почвы, имеющих разную пробоподготовку. Содержание воды в пастах пасты 37%. Почвы: 1 – исходная, 2 – автоклавированная, 3 – ВУ, 4 – АСУ.

Исследование влияния времени, прошедшего после доведения почвенных образцов до необходимой влажности, показало, что вязкость приготовленных из них паст от времени их взаимодействия с водой возрастает, выходя на постоянные значения через 3–7 сут (рис. 3–4). Причем почвенные образцы, уже содержащие относительно большие количества воды (Исходная и Высушенная увлажненная), приходят к равновесию быстрее (3 сут) по сравнению с Воздушно-сухой почвой (7 сут).

Рис. 3.

Динамика изменения вязкости пасты в зависимости от времени, прошедшего после увлажнения образцов Исходной (1) и ВУ (2) дерново-подзолистой почвы. Влажность почв до увлажнения 19%. Влажность почв после увлажнения 25%. Содержание воды в пастах 37%.

Рис. 4.

Динамика изменения вязкости пасты в зависимости от времени, прошедшего после увлажнения ВС (1) и АС (2) образцов дерново-подзолистой почвы. Влажность почвы 19%. Содержание воды в пастах 37%.

Для трактовки полученных результатов имеет смысл привлечь уравнение Эйнштейна для вязкости суспензий [6]:

Ƞ₀ – вязкость растворителя;

φ – объемная доля твердой фазы;

2.5 – коэффициент для сферических твердых частиц.

В количественной форме оно применимо только для неконцентрированных суспензий, но физический смысл его сохраняется и для концентрированных суспензий.

Из физического смысла этой формулы следует, что при одном и том же количестве воды повышение вязкости суспензии происходит за счет увеличения в ней объемной доли твердой фазы.

Массовая доля твердой фазы для паст с одинаковым содержанием воды, но приготовленных из почвенных образцов с разной пробоподготовкой (рис. 1), не отличается, но различия в вязкости суспензий свидетельствуют, что объемные доли твердой фазы в них разные.

Данное противоречие легко объясняется с позиций коллоидно-химической модели почв. Происходят два дополняющих друг друга процесса:

1) набухание гелей, за счет включения воды в их состав, приводящее к увеличению объемной доли твердой фазы почвы и, как следствие, повышению вязкости паст;

2) уменьшение количества свободной воды за счет ее поглощения почвенными гелями, также приводящее к повышению вязкости паст.

Таким образом, при одном и том же содержании воды в почвенной пасте ее вязкость будет зависеть от степени набухания гелей и соответственно количества поглощенной ими свободной воды. При этом объем твердой фазы почвы в пастах остается тем же, что и до их приготовления, поэтому показатель вязкости будет зависеть от степени расширения гелей, которую почва имела до измерения.

При трактовке полученных данных с этих позиций следует, что, во-первых, в почвенных образцах с разной пробоподготовкой при одинаковой влажности почвенные гели имеют разную степень набухания (рис. 1). Сильнее всего набухают почвенные гели Исходного образца, а меньше всего набухают почвенные гели образцов почвы, прошедшие термообработку при 105°С. Во-вторых, при увеличении влажности почвенных образцов степень набухания почвенных гелей возрастает (рис. 2). В-третьих, при возрастании времени взаимодействия почвенных образцов с водой увеличивается степень набухания почвенных гелей (рис. 3–4).

Используемая нами методика позволяет на основе измерения вязкости паст на вибрационном вискозиметре изучать характер набухания почвенных гелей. При этом применяемую трактовку процесса набухания почвенных частиц с позиций физической модели почв, основанную на набухании почвенных минералов и осмотических процессах [1], нельзя назвать безупречной. Для объяснения полученных данных с этих позиций необходимо предположить, что при высушивании и автоклавировании почв в почвенных частицах возникают кристаллизационные контакты, которые снижают их способность к набуханию.

Для высушиваемых почвенных образцов подобное объяснение можно принять, но представить возникновение кристаллизационных контактов во влажных образцах почв, которые подвергали автоклавированию, достаточно сложно.

Использование коллоидно-химической модели почв снимает противоречия. За счет перехода некоторых частиц в гелях к фиксации в ближнем минимуме агрегации возникают дополнительные гидрофобные связи [7], в результате чего должна снижаться способность гелей к набуханию. При этом для снижения способности гелей и соответственно почв к набуханию не требуется возникновения кристаллизационных контактов.

С этих же позиций перестройкой гелевой матрицы непротиворечиво объясняется замедленность процессов набухания до 3–7 дней. При увеличении содержания воды в почвах гели постепенно увеличивают свой объем за счет поглощения воды. Однако следует учитывать, что процесс вхождения воды в гели требует времени, поэтому даже после добавления воды в почву необходимо время для ее вхождения в гели (набухания гелей). Таким образом, пока почва после добавления воды не пришла к равновесию (гели не расширились и не вобрали в себя воду), свойства паст, приготовленных из почв равновесных и находящихся на пути к равновесию, будут отличаться.