Почвоведение, 2019, № 11, стр. 1346-1355

ВВЕДЕНИЕ

Большой интерес при исследовании свойств таких высокодисперсных и сложно организованных систем, как почва, представляет поверхность их твердой фазы. Твердая фаза почв является наиболее стабильной, медленно изменяющейся частью, “каркасной” – по терминологии Таргульяна [16], а ее поверхность – это арена активных процессов взаимодействия всех фаз почвы. Одним из важнейших свойств поверхности твердой фазы почв, напрямую связанным с ее дисперсностью, является сорбционная способность по отношению к воде, так как именно жидкая фаза почвы представляет наиболее активный агент почвы. Сложность исследования поверхности раздела между двумя фазами заключается в том, что поверхность твердой фазы почв энергетически чрезвычайно гетерогенна и имеет сложный рельеф, на ней образуются слои молекул воды несоизмеримо малой толщины по сравнению с их площадью. Механизм взаимодействия диполей молекул воды с поверхностью почвенных частиц объясняется силами разной природы [2, 5, 7, 28]. Общей точкой зрения для объяснения неоднородности силового поля твердой фазы почвы является наличие на ее поверхности активных энергетических центров разной природы. Несмотря на островной характер первых слоев влаги, принято допущение о гипотетической однородности заряда поверхности раздела фаз, ведущего к образованию слоя прочносвязанной воды толщиной в одну молекулу. Это позволяет вести расчет удельной поверхности почвы, которая является одновременно геометрической и энергетической характеристикой [3, 18, 21, 23, 31]. Согласно классическим представлениям физики почв, данный мономолекулярный слой заполняет внутреннюю и внешнюю поверхности твердой фазы почв [3, 20].

В качестве основной характеристики сорбционных явлений в почве выступает верхняя ветвь кривой водоудерживания, которую можно рассматривать как равновесную зависимость влажности почвы от относительного давления паров влаги – изотерма сорбции воды.

Большинство кривых изотерм сорбции паров воды почвой имеет сложную сигмовидную форму, и разные ее участки описываются разными уравнениями с соответствующими энергетическими и геометрическими образами. Попытки ее математического описания предпринимались в разные годы многими исследователями [4, 6, 8, 12, 13, 24–26, 30]. Так, в диапазоне от 0 до примерно 0.05р/р_о (где р/р_о – относительная влажность воздуха) соответствует прямолинейной зависимости Генри, лимитирующим фактором является малое количество водяного пара при большом обилии свободных сорбционных центров. Последующий участок кривой примерно до 0.35–0.4р/р_о – диапазон образования первого слоя адсорбированной влаги, форма этой части кривой выпукла относительно оси р/р_о. Он описывается уравнением БЭТ, получившим широкое распространение как наиболее простое и обеспечивающее возможность сравнительного анализа. Так как диаметр молекулы воды равен 2.9 нм начальный участок кривых изотерм десорбции воды почвой можно считать соответствующим наноуровню исследования почв.

Последующая, часто относительно пологая область, обусловлена формированием поверхности раздела жидкая фаза–газ, описывается уравнением Фаррэра и представляет собой модификацию уравнения БЭТ [21]. Этот участок кривой, согласно представлениям Роде [11], соответствует началу капиллярной конденсации влаги на фоне преобладания процесса сорбции. При значениях относительной влажности воздуха >0.4 увеличение влажности почв начинает происходить, в том числе, за счет образования водных манжет между частицами почв. Пространственное расположение почвенных частиц относительно друг друга, их микроагрегированность или разообщенность, вероятно, будут влиять на их способность образовывать общие водные манжеты. Кроме того, множество исследований показали, что толщина слоев полимолекулярной адсорбции воды может составлять десятки и сотни диаметров молекулы воды в зависимости от гранулометрического состава и состава обменных катионов [11]. Это дает основания считать область р/р_о, близкую к 0.4, как начальную границу, соответствующую микроуровню исследования почв. Современный метод сканирующей электронной микроскопии, обладающий высокой разрешающей способностью и глубиной резкости, позволяет получать изображения сил с сильно выраженным рельефом поверхностей, на которых происходит сорбция и капиллярная конденсация влаги. Капиллярная конденсация имеет заметное количественное значение при высокой относительной влажности воздуха, поэтому изотерма сорбции резко устремляется вверх.

Наряду с попытками описания отдельных частей изотерм сорбции воды, предложены регрессионные модели, описывающие всю кривую или большую ее часть. Параметры многих уравнений, в той или иной мере, являются физически обоснованными и отражающими геометрические и энергетические характеристики поверхности твердой фазы почв [9, 12, 21]. Например, математическая модель Харитоновой с соавт. [21] включает понятие областей изотерм: 1) взаимодействия твердая фаза почв–газ и 2) взаимодействия адсорбированная пленка–газ, причем граница между этими двумя областями размытая и представляет, по мнению авторов, некую переходную зону. Уравнение имеет следующий вид:

Коэффициенты регрессионного уравнения: А – граница переходной зоны, численно близкая величине максимальной гигроскопической влажности, так как связана с количеством сорбционных центров, В – точка, соответствующая образованию адсорбированной пленки и представляющая собой середину граничного слоя, С – правая граница переходной зоны и численно равна удвоенной влажности монослоя по Фарреру, D – остаточная влажность, представляющая собой количество иммобилизованной воды при р/р_о < 0.05, связанная с наиболее активными сорбционными центрами поверхности и, по сути, не участвующая в физической сорбции [17, 21].

Несовпадение изотерм сорбции и десорбции влаги обязано явлению гистерезиса. Не углубляясь в причины гистерезиса [11, 21], предпочтительность десорбционной ветви при исследовании гидросорбционных и микроструктурных характеристик поверхностей раздела, на наш взгляд, обусловлена несколькими причинами. Во-первых, методической схожестью с природными условиями – преобладанием по времени процессов иссушения почвы над процессами ее увлажнения. Во-вторых, методически более быстрым достижением равновесия при определении изотерм десорбции. При увлажнении поступление влаги на внутреннюю поверхность будет лимитировано количеством влаги, преодолевшим внешнюю поверхность. Иссушение ведет к более последовательному освобождению поверхности твердой фазы от слоев воды. В-третьих, десорбция больше соответствует образам теории полимолекулярной адсорбции, так как уменьшает вероятность образования водных смычек в узких горлышках полостей и формирования защемленного воздуха. Безусловно, следует помнить о геометрической условности этих представлений.

Сорбционные свойства почв, связанные с геометрическими и энергетическими параметрами поверхности [29], могут быть осложнены различными пленками, поверхностными структурами, которые способны появляться, исчезать, трансформироваться в процессе функционирования почв. Например, в научной литературе представлен ряд работ, включающих экспериментальные данные об изменении удельной поверхности почв при удалении органического вещества [12, 27, 30].

Почвы, как высокодисперсные системы, представлены большим разнообразием субстратов по гранулометрическому, минералогическому и химическому составам, степени агрегированности и пористости. В настоящее время в связи с активным конструированием городских почв из различных субстратов, формируются новые, не встречающиеся в природе сочетания почвенных горизонтов. Быстрая трансформация их свойств отмечается во многих работах, и в преобладающем большинстве касается химических свойств. Подобные объекты интересны с позиций физики почв, так как возможны быстрые изменения гидросорбционных свойств поверхности твердой фазы почв, обусловленные изменением ее энергетических и геометрических характеристик.

Цель работы – изучение гидросорбционных и микроструктурных характеристик почв разного генезиса и их трансформации в составе конструктоземов разного строения в процессе функционирования на территории МГУ им. М.В. Ломоносова. Задачи работы: получить и провести анализ изотермы десорбции воды почвенных субстратов, использованных при закладке конструктоземов, и почвенных монолитов, отобранных через 4 года после начала функционирования почв; исследовать микроструктуру почв методом сканирующей электронной микроскопии при разных увеличениях; определить значимость влияния микроструктурных трансформаций на гидросорбционные свойства исследуемых субстратов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования явились следующие варианты почвенных субстратов: гор. А пах урбанозема территории МГУ, представляющий собой средний суглинок, песок карьерный с преобладающей фракцией мелкого песка, торф низинный обогащенный пакетированный “Селигер-Агро” и смесь вышеуказанных субстратов. Все субстраты имели типичные значения физических и химических свойств в соответствии с их генезисом [15]. В июле 2012 г. на территории МГУ им. М.В. Ломоносова были заложены три варианта почвенных конструкций в 6–14-кратной повторности. Площадь каждой площадки 50 × 50 см, мощность сконструированной толщи – 30 см, из которых нижние 12 см являются общими и представляют единый для всех конструкций слой гор. А пах. Различия вариантов были обусловлены строением верхних 18 см: вариант 1 (контроль) – полностью гор. А пах (0–18 см); вариант 2 – слои гор. А пах (0–6 см), торфа (6–12 см), песка (12–18 см); вариант 3 – смесь указанных субстратов (0–18 см) в том же массовом соотношении, что и в слоистой конструкции. Особенность укладки почв в конструкции заключалась в том, что каждый субстрат (горизонт) тщательно гомогенизировали путем перемешивания для создания максимальной однородности каждого слоя. Таким образом, созданные конструктоземов имели отчетливые различия по степени дифференцированности верхней части профиля на фоне полной идентичности условий на верхней и нижних границах созданных почвенных профилей. Подробное описание почвенных конструкций, их закладки и функционирование изложено Сусленковой с соавт. [15].

В работе использовали классические и современные методы исследования [17]. Плотность твердой фазы определяли пикнометрическим методом, плотность почвы – буровым методом в трехкратной повторности, содержание общего углерода – на экспресс-анализаторе АН-7529М. Изотерм сорбции исследовали методом десорбции паров воды над насыщенными растворами солей в трехкратной повторности для каждого образца. Для анализа изотерм десорбции влаги использовали математическую модель Харитоновой с соавт. [21]. Расчет полной удельной поверхности осуществляли по БЭТ.

Микроструктуру почв исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на приборах JSM-6380LA [15, 22, 28] Общефакультетской лаборатории электронной микроскопии биологического факультета и JEOL JSM-6060A факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова на тонких срезах монолитов (2–3 мм) при увеличениях от 30 до 9000 по условной сетке с 15 областями для каждого образца. Подробное описание разработанной методики пробоподготовки образцов ненарушенного строения и алгоритм проведения съемки изложены ранее [15]. Для анализа микроструктуры выбраны наиболее типичные фотографии поверхности твердой фазы исследуемых почв. Определение элементного состава поверхности при увеличении 100 проведено на энергодисперсионном рентгеновском анализаторе JEOL ЕХ-2300 BU.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно проведенным исследованиям [1, 15], в процессе функционирования конструктоземов произошли некоторые изменения физических и химических свойств почвенных горизонтов: уплотнение почвы в контрольном варианте, весьма незначительное изменение плотности в вариантах 2 и 3, снижение пористости в гор. А пах всех вариантов, уменьшение содержания органического углерода, особенно в торфяном слое. Изменение гранулометрического состава исследуемых площадок было зафиксировано уже ко второму году их функционирования [1]. К 2016 г. наблюдалось увеличение содержания тонких фракций в гор. А пах всех исследованных вариантов, независимо от его месторасположения. В контроле это привело к переходу верхнего слоя из легкого суглинка в средний, а в слоистой конструкции наблюдался переход песчаного горизонта из категории рыхлого песка в песок связанный по классификации Качинского. Необходимо отметить, что изменения очень небольшие, и переход в другую градацию во многом связан с тем, что начальное содержание физической глины в почвенных субстратах соответствовало значениям, очень близким к классификационным границам гранулометрического состава по Качинскому.

Рассмотрим изотермы десорбции паров воды исходных субстратов до их помещения в конструктоземы (рис. 1). Они представлены в виде равновесной зависимости медианных значений влажности почвы от относительной влажности насыщенных паров воды. Для образцов 2012 г. данная зависимость построена по шести экспериментальным точкам, а для образцов почв, отобранных в 2016 г., – по пяти экспериментальным и одной расчетной паре значений.

Рис. 1.

Изотермы десорбции: исходные образцы, 2012 г. (А); вариант 1, 2016 г. (Б); вариант 2, 2016 г. (В); вариант 3, 2016 г. (Г).

Все изотермы десорбции соответствуют форме обратимой полимолекулярной адсорбции [18], в которой точка начала прямолинейного участка средней части изотермы обычно используется для определения максимальной адсорбции и расчета полной удельной поверхности.

Закономерной явилась низкая сорбционная способность песка, даже в области капиллярной конденсации его влажность не превысила 1%. Кривая десорбции торфа во всем исследованном диапазоне характеризовала резкий рост его массовой влажности с увеличением относительного давления паров воды, достигая значений более 50% при р/р_о = 0.98. Удивительно близко расположены изотермы гумусового горизонта и смеси, наблюдается их постепенное расхождение в области высоких значений влажности.

После четырех лет функционирования в составе конструктоземов разного строения произошло изменение гидросорбционных свойств твердой фазы исследуемых почвенных горизонтов, отразившихся в форме и месторасположении кривых изотерм десорбции воды. Так, в первом варианте в гумусовом горизонте уменьшилась водоудерживающая способность, особенно в диапазоне формирования монослоя и полимолекулярного слоя. Наблюдается слабая дифференциация горизонта по данному свойству: в большей степени изменения коснулись поверхностного слоя данного варианта. Кривая образца, отобранного на глубине 18–24 см, расположена ближе остальных к изотерме исходного гор. А пах 2012 г., что, видимо, обусловлено меньшим воздействием метеорологических и биологических факторов по сравнению с верхней частью профиля.

На рис. 1, В представлены изотермы десорбции воды почвенных образцов варианта 2. В отличие от варианта 1 расположение гор. А пах на поверхности торфяного слоя привело к заметному росту его сорбирующей способности – кривые изотермы десорбции сместились вверх. Очень сильные изменения к четвертому году функционирования в составе данного слоистого конструктозема обнаружены для торфяного слоя. В нем произошло резкое снижение сорбционных характеристик, несмотря на то, что изотерма торфа по сравнению с другими слоями данной конструкции продолжает оставаться расположенной гораздо выше остальных кривых. Так, влажность 8.72% в исходном торфе была достигнута в сухих условиях при р/р_о = 0.2, а для образцов 2016 г. близкое значение (10.39%) было достигнуто в очень влажном воздухе при р/р_о = 0.86. По-видимому, это обусловлено изменениями энергетических и/или геометрических свойств поверхности твердой фазы. В песчаном слое, подстилающем торф, уменьшилось количество влаги, относящейся к адсорбированной и рыхлосвязанной влаге, резко возросло содержание пленочно-капиллярной.

В варианте 3, верхняя часть которого представлена смесью горизонтов, наблюдается снижение водоудерживания, причем так же, как и в контрольном варианте, происходит дифференциация кривых – степень смещения кривых вниз относительно изотермы 2012 г. уменьшается с глубиной отбора образца.

Отметим, что нижняя часть исследуемой толщи, представленная единым гор. А пах, также снизила сорбционную способность – в наибольшей степени в варианте 3, и совсем незначительное смещение наблюдается в варианте 1 (контроль).

Расчет удельной поверхности по БЭТ, проводимый для участка кривой десорбции воды в диапазоне относительной влажности от 0.05 до 0.35 р/р_о, показал (табл. 1) закономерные различия между исследуемыми субстратами в соответствии с их генезисом. Высокая удельная поверхность характерна для торфа, низкая – для песка, промежуточные значения занимают гор. А пах и смесь. Через 4 года их функционирования в составе конструктоземов произошло резкое уменьшение значений во всех вариантах. Особенно резким оно выглядит в торфяном слое, уменьшившись в 3.5 раза – с 560 до 161 см²/г. Но и в остальных горизонтах изменения очень значимы – в 1.5–3 раза.

Изменение сорбционных характеристик исследованных почв не вполне согласуется с изменением их гранулометрического состава: на фоне роста содержания илистых компонентов происходит смещение изотерм десорбции воды вниз в контроле и варианте 3, особенно в поверхностных горизонтах, в песчаном слое варианта 2. Подобный результат был получен в наших предыдущих исследованиях [19] на почвах больших лизиметров МГУ, не выявивших отчетливой взаимосвязи между изменением содержания илистой фракции и изменениями удельной поверхности почв. Тогда была высказана гипотеза значимости пленок различного генезиса, состава, мощности, размеров, которые могут заполнять внутренние поверхности, закрывать узкие горлышки различных полостей, покрывать внешние поверхности, тем самым, изменяя сорбционные характеристики почвы и значения удельных поверхностей твердой фазы почв. Отметим также методическую особенность определения гранулометрического состава. Она заключается в диспергации почвенной массы для разрушения микроагрегатов, что сводится к удалению клеящих веществ, значительная часть которых может состоять из подвижных гумусовых веществ, соединений железа и алюминия [10] и геометрически представлять собой пленки. При определении изотерм сорбции и удельной поверхности почв целостность микроагрегатов не нарушается, а значит, воздействие пленок на сорбционные свойства почв в полной мере сохраняются. Можно высказать предположение, что в большей степени сравнительному анализу характеристик дисперсности почв будут отвечать удельная поверхность и микроагрегатный состав. Однако это требует дополнительных экспериментальных подтверждений.

Важная точка на изотерме десорбции воды, на которую, согласно Воронину [3], оказывает большое влияние структура твердой части почвы, – это влажность адсорбционной пленки (W_a). Она соответствует тому количеству воды, когда заканчивается формирование поверхности раздела вода–воздух и начинается капиллярная конденсация влаги. Воронин [3] считал ее одновременно и энергетической константой, как энергетической границы адсорбционного слоя с резко измененными свойствами воды. В табл. 1 представлены величины W_a, показавшие закономерно высокие значения для торфа и низкие – для песка. Несмотря на очень близкое расположение изотерм гор. А пах и смеси, влажность адсорбционной пленки смеси выше, что хорошо согласуется с представлениями [3] о вкладе межчастичных взаимодействий в данную величину. Вероятно, в данном субстрате, обогащенном торфом, увеличилось разнообразие представленных в нем частиц и их взаимодействий. Через 4 года функционирования гор. А пах в составе вариантов 1 и 2 произошло некоторое увеличение значений W_a на фоне снижения полной удельной поверхности. В торфяном слое и в смеси уменьшение величины W_a согласуется с уменьшением удельной поверхности, но изменения не столь значимы. Интересно отметить, что для пахотного горизонта к 2016 г. наименьшее снижение удельной поверхности и наибольшее увеличение W_a обнаружено для слоя, расположенного на поверхности торфа. Это согласуется с изменением содержания органического углерода, увеличившегося с 2.24 до 3.55% [15].

Для обоснования вклада микроструктурных характеристик почв в гидросорбционные свойства почв рассмотрим поверхности тонких срезов почвенных монолитов образцов 2012 и 2016 гг. Они были получены при больших увеличениях методом сканирующей электронной микроскопии при увеличениях от 30 до 15000. На рис. 2 представлены изображения, полученные при увеличении в 9000 раз, то есть представляющие масштаб в 1000 раз превышающий размер молекул воды. Гор. А пах в 2012 г. имел сомкнутое, плотно упакованное строение поверхности с визуально выделяемыми микроагрегатами и элементарными почвенными частицами. В образце, отобранном в 2016 г. из гор. А пах, расположенного на слое торфа (вариант 2), отчетливо выделяются микроагрегаты и межагрегатное поровое пространство. Обнаруживаются и отдельные фрагменты торфа, вероятно, попавшие в данный слой в результате механического воздействия почвенной зообиоты. Весьма интересную поверхность имел исходный торф (рис. 2, Б). Только при увеличении от 1000 раз отчетливо выделяется ровный, опалесцирующий при электронной микроскопии, слой (пленка), создающий впечатление некой воскоподобной массы. Он покрывал поверхность твердой фазы торфа, сильно сглаживая рельеф, а его свечение при микроскопировании свидетельствует об органической природе. Такая картина наблюдалась для всех полей зрения. К 2016 г. он практически полностью исчез, сохранившись фрагментарно лишь в самых рельефных полостях. Поверхность торфа к 2016 г. значительно обнажилась и представляла собой сильноразложившиеся растительные останки, не позволяющие диагностировать их видовой состав. По-видимому, высокая сорбционная способность исходного торфа обусловлена вхождением в его состав органических пленок, покрывавших поверхность частиц. В пользу их органической природы и значительной толщины говорят и результаты элементного состава торфа по четырем точкам при проведении съемки методом электронной микроскопии [22]. Они показали, что средняя концентрация углерода на поверхности твердой фазы торфа снизилось с 69.8 до 35% (на 34.8%), а по результатам валового анализа с 42.7 до 17.5% (на 25.2%). Это согласуется с классической работой Солопова [14] о влиянии дисперсности на структуру и физико-механические свойства торфа. Им было обнаружено, что низинный торф, независимо от степени разложения и дисперсности, обладает раздельно частичной структурой, его поверхность покрыта не “водяными пленками, а коллоидными пленками гуминовых веществ, обеспечивающих связность полидисперсных торфяных систем” [14, с. 66]. Таким образом, несмотря на значительное сглаживание и упрощение строения поверхности торфяного субстрата, органические пленки, вероятно, обладали высокой сорбирующей способностью. Их исчезновение к 2016 г. привело к сильному смещению изотерм сорбции в область низких значений влажности и уменьшило удельную поверхность торфа, несмотря на визуально наблюдаемый рост шероховатости его поверхности.

Рис. 2.

Изображение поверхности частиц при увеличении ×9000: исходный гор. А пах 2012 г. (А); гор. А пах 2016 г., вариант 2 (Б); исходный торф, 2012 г. (В); торф 2016 г., вариант 2 (Г); исходный песок, 2012 г. (Д); песок 2016 г., вариант 2 (Е); исходная смесь 2012 г. (Ж); смесь 0–6 см 2016 г., вариант 3 (З).

Интересно проявил себя слой песка в слоистой конструкции, он приобрел мельчайшие фрагменты вышерасположенного слоя торфа. Результаты элементного состава поверхности песка показали, что в 2016 г. выявляются высокие концентрации углерода (5.69–7.36%), хотя по данным валового анализа его количество составило всего 0.93%. Это может быть обусловлено появлением органических пленок на поверхности песчаных зерен и вхождением в его состав частиц торфа, что и привело к небольшому смещению изотерм десорбции песка.

Начальная микроструктура смеси отличалась визуально выделяемыми фрагментами слагающих ее субстратов и их отчетливо плотным расположением друг относительно друга. Это согласуется с высокой величиной влажности адсорбционной пленки W_a, включающей и влагу, формирующуюся при межчастичном взаимодействии. Через 4 года функционирования в составе варианта 3 конструктозема наблюдается относительное снижение шероховатости рельефа поверхности, и, как следствие, уменьшение величины W_a, в свою очередь, уменьшение органических пленок, вероятно, повлияло на снижение удельной поверхности.

Понимая условность геометрических образов слоев влаги, как указывал Воронин [3], современные методы визуализации микростроения почв позволяют вести анализ изменений рельефа поверхности почв по сравнению с ее сорбирующей способностью. При расчете величин удельной поверхности принято условно считать, что она соответствует влажности монослоя, формирующегося на поверхности твердой фазы почв. Она отражает дисперсность твердой фазы почв и ее энергетику ее поверхности. Проведенные исследования микростроения и сорбционной способности поверхности твердой фазы различных субстратов показали, что формирование органических пленок ведет к увеличению вклада энергетической составляющей в процесс сорбции. Одним из возможных путей увеличения количества сорбированной влаги может быть набухание органических пленок и, соответственно, рост связанной влаги. Например, для торфа удельная поверхность уменьшилась в 3.5 раза, величина W_a в 1.9 раз, а для смеси в 3.1 и 1.4 раза соответственно.

Для сравнительного анализа кривых десорбции была использована аппроксимационная модель Харитоновой с соавт. [21] с разбиением изотерм на две области взаимодействия твердой фазы почв с водяным паром и адсорбированной пленочной влаги с водяным паром. Расчеты параметров модели для данных образцов показали, что характер трансформации параметра В близок изменению W_a (табл. 1), но имеет свои особенности, связанные с его абсолютными значениями. В начальный период для исходных образов он превышал влажность адсорбции в 2 раза, а затем разница между ними увеличилась в несколько раз. По-видимому, отличие между этими двумя величинами обусловлено геометрией поверхности твердой фазы. И если влажность адсорбции – это в большей степени энергетическая константа, видимо, свидетельствующая об ослаблении связи вода–твердая фаза почвы, то параметр В, вероятно, включает большее количество воды за счет кривизны и неоднородности поверхности почвы.

Параметр А оказался очень близок значениям максимальной гигроскопичности, особенно для исходных субстратов 2012 г., а для образцов 2016 г. имеет меньшие величины. Можно предположить, что данная разница обусловлена тем, что резкое увеличение влажности в области капиллярной конденсации, в том числе связано с особенностями строения порового пространства, а не только свойствами поверхности почвы и количеством сорбционных центров. И, если вначале в 2012 г. почва конструктоземов представляла собой насыпную хаотично организованную в пространстве почву, то к 2016 г. наблюдалась большая дифференцированность порового пространства, формирование крупных пор и полостей [15], что снижает образование межчастичной стыковой влаги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обнаружена взаимосвязь геометрии поверхности твердой фазы почв, ее структурных характеристик с функциональной способностью почв сорбировать на своей поверхности влагу. Нахождение в составе конструктоземов разного строения почвенных субстратов ведет к трансформации свойств поверхности твердой фазы, заключающейся в изменении форм и смещении кривых сорбции, фиксируемое через 4 года после начала функционирования конструктоземов. Гумусовый гор. А пах дифференцируется по гидросорбционным характеристикам в соответствии с глубиной его расположения в профиле исследуемых почв: максимальные изменения произошли в поверхностных слоях, особенно в варианте 2, где он подстилается слоем торфа.

Особенно резкое снижение сорбции характерно для торфа, в смеси также наблюдается смещение изотерм сорбции в сторону меньших значений влажности.

Большой вклад в сорбционные характеристики почв оказывают органические пленки, способные сглаживать рельеф поверхности твердой фазы почв. Метод электронной микроскопии позволил выявить их в торфяном субстрате. После 4-летнего функционирования торфа в составе слоистой конструкции на глубине 6–12 см наблюдается обнажение его поверхности, рост шероховатости. Однако резкое снижение параметров аппроксимации по Харитоновой с соавт., уменьшение величин влажности адсорбции и максимальной гигроскопичности на фоне усложнения рельефа поверхности торфа свидетельствует о высокой степени гидрофильности этих пленок.

В песчаном слое в отличие от торфяного, наоборот, наблюдается формирование тонких пленок органической природы, диагностируемое повышенными значениями концентрации углерода на поверхности твердой фазы на фоне низких массовых значениях по результатам валового анализа. Это привело к некоторому смещению изотерм десорбции паров воды песка, росту значений параметров аппроксимации его кривых и увеличению максимальной гигроскопичности.