Почвоведение, 2020, № 7, стр. 828-839

ВВЕДЕНИЕ

Слитые и слитизированные почвы имеют широкое распространение, причем оценка их доли в составе мировых почвенных ресурсов неуклонно нарастает. Если во второй половине прошлого века по оценке ФАО слитые почвы занимали порядка 2.5 млн км², то по современным данным площадь слитоземов достигает 3.4 млн км² [20, 21, 34]. С одной стороны такие различия в оценках можно связать с развитием мирового почвенного картографирования, эволюцией представлений о слитых почвах и критериях их диагностики, однако, по-видимому, нельзя исключать и реальную экспансию этих почв в связи с глобальными климатическими изменениями и антропогенным воздействием. Так все больше генетико-географических исследований выявляют слитогенез вне тропиков и субтропиков в регионах умеренного климата, вплоть до резко-континентальных условий [12, 16, 24, 27, 28]. При этом в основу выделения слитых почв, помимо обязательного требования к тяжелому гранулометрическому составу, контрастному водному и температурному режимам, положены преимущественно описательные морфологические критерии на уровне почвенного профиля (вертиковый горизонт со сликенсайдами и клиновидной структурой) и/или ландшафта (образование микроландшафта гильгай, череды более масштабных чашеподобных и диапироподобных морфоструктур) [23, 25, 28]. Под слитогенезом в таких исследованиях по существу понимается возникновение и чередование сдвиговых деформаций фрагментированной под действием внутренних напряжений почвенной массы, то есть некий абстрактный механизм обязательной педотурбации (гаплоидизации) [23, 26]. Хотя в университетской монографии [13] гипотеза об обязательных интенсивных педотурбациях как главном факторе слитогенеза ставится под сомнение. Но, главное, при всей позитивности для почвенного картографирования, такой описательный, морфологический подход явно недостаточен для понимания реальных физических процессов и механизмов, лежащих в основе слитогенеза и более масштабного понятия слитизации, связанного с физической деградацией почв. Несмотря на интересные физически-обоснованные гипотезы о роли термодинамики (и, добавим, устойчивости) тонких пленок влаги на уровне почвенных частиц и агрегатов [23] и синергетических процессов на уровне ландшафта [11, 28], реальные процессные модели слитогенеза и слитизации в отечественном почвоведении крайне редки [2, 3]. Это в свою очередь сдерживает развитие технологических направлений по нормированию допустимых нагрузок на слитые почвы и по их мелиорации (почвенно-ландшафтному конструированию). Хотя зарубежные примеры моделирования и освоения природных 3D почвенных конструкций наводят на нестандартные технологические решения проблемы слитизации, например, искусственное пескование трещин вертисолей в сухое время года для получения стабильных 3D структур с локальным укоренением растительности в глинистых блоках [18, 19, 22]. Резюмируя вводную часть работы, подчеркнем, что инвентаризационные генетико-географические исследования слитых почв, базирующиеся преимущественно на качественных концептуальных представлениях о слитогенезе и слитизации, существенно опередили развитие количественных физически-обоснованных моделей и механизмов этих явлений, равно как и их количественных критериев. В этой связи целью данной публикации явилось физическое исследование процесса слитизации, под которым подразумевается природная или антропогенная дезагрегация дисперсных частиц набухающих тяжелых почв с формированием устойчивого раздельно-частичного вязко-пластичного влажного состояния и фрагментацией почвенной массы на плотные глыбистые структуры и трещины в сухом состоянии в условиях периодического чередования иссушения и увлажнения. Результатом слитизации является в первую очередь неблагоприятное физическое состояние тонкодисперсных почв, для количественной оценки которого предложен ряд критериев и методических разработок на примере слитого предкавказского чернозема. Работа развивает структурно-функциональный подход [2, 3, 31] к исследованию физических свойств и процессов в почвах с переменным поровым пространством в виде процессной модели слитизации на основе физического механизма устойчивости водных пленок и ионно-электростатического расклинивающего давления по Дерягину применительно к связнодисперсным почвенным физическим системам.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом экспериментальных исследований явились образцы слитого глинистого предкавказского чернозема (Luvic Chernozem (Epiloamic, Katoclayic, Aric, Novic, Bathyvertic)) из почвенного разреза на территории лесхоза “Белореченский” в окрестностях г. Белореченск Краснодарского края. Разрез был заложен на плантации грецких орехов, созданной в 90-х годах прошлого века на равнинном участке поперек насыпного вала. Почвенный профиль представлен системой генетических горизонтов: А_нас (0–35 см) – А1 (35–58 см) – АВ (58–90 см) – В1 (90–123 см) – В2 (123–193 см) – ВС (193–230 см) – С > 230 см с диагностическими признаками слитогенеза (высокой плотностью, трещиноватостью, слитостью сложения, наличием призмовидно-глыбистой структуры, сликенсайдов, отсутствием пенетрации корнями), начиная с переходного горизонта АВ с максимальным проявлением в горизонте В1 и нижележащей почвенной толще. Профиль характеризовался высокой дисперсностью, варьирующей от тяжелого суглинка (А_нас, А1) до глины (остальная толща). Подробная характеристика данного типа почв приведена в работе [7].

В лабораторных условиях в отобранных образцах были определены¹¹ гранулометрический состав пирофосфатным методом [15], плотность твердой фазы (ρ_s) пикнометрическим методом [4], изотермы десорбции паров воды гигроскопическим методом [15] с автоматизированным контролем температуры и влажности воздуха датчиками DS1923 [14], валовый состав минеральной части сплавлением с фтористоводородной кислотой, гумус (по Тюрину) и СО₂ карбонатов (ацидометрически) согласно классическому руководству [1]. По изотермам десорбции паров воды рассчитывалась эффективная удельная поверхность (S_БЭТ), согласно модели БЭТ [15], а также количество прочносвязанной влаги (W_a) по ординате точки перегиба изотермы [31].

Для определения базовой характеристики – зависимости текстурной (агрегатной) пористости от влажности был применен усовершенствованный метод насыщения агрегатов неполярной жидкостью. Модификация предложенного в [5] “керосинового” метода заключалась в использовании в качестве неполярной жидкости толуола (плотность ρ_tol = 868.5 кг/м³), в увлажнении агрегатов горячим паром, а не жидкой влагой, и в ином способе определения массы. Согласно [2], агрегаты в интервале от 2 до 5 мм характеризуются инвариантностью текстурной пористости, которая практически не зависит от их размеров. Поэтому для исследования использовались полученные после просеивания агрегаты, фракции 3–5 мм. Воздушно-сухие агрегаты поштучно взвешивались на торсионных весах (m₀), помещались пинцетом в ячейки (лунки) лабораторного штатива и капиллярно пропитывались толуолом. Жидкость аккуратно вносилась пипеткой в лунку с агрегатом. Все операции с толуолом производились в вытяжном шкафу и с использованием респиратора для защиты дыхательных путей от летучих токсичных паров этой жидкости. После капиллярной пропитки (выхода толуола со дна на поверхность агрегата) в лунку добавлялось основное количество этой неполярной жидкости до полного погружения в нее агрегата, и штатив помещался на 15–30 мин в вакуумный эксикатор для удаления возможного защемленного воздуха и полного насыщения агрегатов. После вакуумирования предварительно обкатанные на фильтровальной бумаге до появления матового оттенка агрегаты повторно взвешивались (m_sat). Параллельно в отдельной навеске агрегатов определялась гигроскопическая влажность (W_h) в воздушно-сухом состоянии стандартным методом высушивания при 105°С [4]. Предельная текстурная пористость в виде соответствующего удельного объема (D_lim) определялась по формуле:

Разность (m_sat – m₀) дает массу толуола, заполнившего все поровое пространство агрегата. При делении этой массы на плотность толуола, находим объем неполярной жидкости равный объему пор агрегата. Для получения искомой характеристики удельного объема, нормированного массой твердой фазы почвы, эта величина делится на отношение m₀/(1 + W_h) (массу почвы, высушенной при 105°C). К измеренному объему необходимо добавить удельный объем пор, занятых гигроскопической влагой (W_h/ρ_l), где ρ_l – плотность воды.

Поскольку при набухании (усадке) пористость агрегатов меняется, для изучения зависимости этой характеристики от влажности агрегаты с известной массой в воздушно-сухом состоянии (m₀) увлажнялись горячим паром для формирования того или иного содержания влаги. Капиллярное насыщение жидкой водой (полярной жидкостью) лиофильных агрегатов, использующееся в исходной методике [5], на наш взгляд, не исключает защемления воздуха и возможных изменений объема под действием внутреннего пневматического давления, вплоть до разрывов агрегата, тогда как постепенная конденсация пересыщенного (горячего) пара позволяет избежать этих неблагоприятных эффектов. Технически подобное насыщение осуществляется очень легко и быстро, в отличие от подпитки на керамических пластинах. Для этого агрегаты надо лишь на время поместить в струю горячего пара и подержать некоторое время, в зависимости от которого можно получить различные величины влажности. Сразу же после операции увлажнения, агрегаты поштучно взвешиваются на торсионных весах (m_w), после чего их помещают в лунки штатива для насыщения толуолом (m_tol) и определения оставшегося не занятым водой порового пространства по вышеизложенной методике.

Для расчета удельного объема влаги (влажности) агрегата (W) необходимо количество имеющейся в нем воды разделить на массу почвы, высушенной при 105°C (m₀/(1 + W_h)) и на плотность воды (ρ_l). Но количество воды это разность массы влажного агрегата и почвы, высушенной при 105°C. Поэтому выражение для расчета приобретает вид:

Упрощая (2), после несложных алгебраических преобразований получаем окончательную формулу:

Расчет удельного порового пространства агрегата, занятого воздухом (D_g), очевидно, по аналогии с (1) производится по формуле:

Здесь разница (m_tol– m_w) дает массу толуола, заполнившего оставшееся поровое пространство агрегата, не занятого водой. Гигроскопическую воду в эту характеристику, естественно, не включаем.

Искомая величина удельного объема всего текстурного порового пространства, как сумма объемов пор, занятых водой и воздухом рассчитывается как:

При подстановке измеряемых параметров масс в формулу (5) в граммах, а плотностей толуола и воды в кг/м³, получаем размерность удельных объемов в системе СИ: [D] = 10^–5 м³/кг.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Общая характеристика слитого выщелоченного чернозема. Обратимся к анализу полученных результатов. В табл. 1 и 2 приводятся данные гранулометрии и элементный (валовой) состав исследуемого слитого чернозема. Тяжелый гранулометрический состав по всему профилю, выявленный при морфологическом описании разреза, полностью подтвердился аналитически. Содержание физической глины (частиц менее 0.01 мм) варьировало от 59% в верхнем насыпном горизонте, до 67–74% в основной двухметровой толще разреза, что по классификации Качинского [4] соответствовало тяжелому суглинку для слоя А_нас и легкой глине для всех остальных горизонтов. Также обращает внимание доминирование по всему профилю илистой фракции среди других компонентов механического состава. Наименьшее количество ила наблюдалось в насыпном слое (36%), а далее его содержание было стабильно высоким и составляло порядка 50% от всех элементарных частиц почвы. Тяжелый гранулометрический состав, как уже отмечалось во Введении, является обязательным условием слитогенеза. В целом исследуемая почвенная толща, за исключением верхнего насыпного горизонта, весьма однородна по дисперсности (физическая глина от 67 до 74%), что свидетельствует о ее генетической целостности (одночленности материнской породы).

Изученные макроэлементы по данным валового анализа можно распределить по четырем группам по массовой доле: 1 – кремний и алюминий, в количестве более 10%, 2 – железо, калий и магний в количестве 1–3%, 3 – натрий кальций и сера – 0.1–1% и 4 – фосфор в количестве менее 0.1%. Расчет коэффициентов дифференциации почвенного профиля (отношение содержания элемента в почвенном горизонте к содержанию в почвообразующей породе) показал, что почвенный профиль практически отмыт от кальция и магния. Вместе с тем во всей почвенной толще вплоть до переходного к породе горизонта ВС отмечается стабильное превышение магния над кальцием, что также характерно для слитых почв. Биогенные элементы (S, P) накапливаются в поверхностных горизонтах в пределах первого метра, где их содержание в 1.5–2 (3) раза больше, чем в породе. Содержание остальных элементов относительно стабильное и мало меняется с глубиной.

Слитой предкавказский чернозем характеризуется невысоким содержанием органического вещества (гумуса). Его распределение по профилю носит явно выраженный ступенчатый характер с максимальным содержанием в верхнем слое 0–50 см (4.5%), средней концентрацией (2.2–2.7%) в мощной толще от 50 до 200 см и резким спадом до 0.3–0.4% в материнской породе (рис. 1). Карбонатный профиль, напротив, характеризуется стабильно низким содержанием СаСО₃ 1.3–1.7% в основной почвенной толще и резким повышением до 6.5–7.5% в переходном горизонте ВС и материнской породе.

Физический механизм и количественная оценка слитизации. Физический механизм формирования слитости в почвах с переменным поровым пространством связан, по-видимому, со спецификой их коллоидно-дисперсного комплекса, сохраняющего устойчивость в широком диапазоне влажности в раздельно-частичном (не агрегированном) состоянии. Этим объясняется повышенная способность слитых почв к набуханию (усадке) в процессах их увлажнения или иссушения. В предшествующих работах [2, 3] был предложен термодинамический подход к количественному описанию динамики порового пространства набухающих почв, однако, на наш взгляд, он не может быть использован без существенных корректировок самой концепции набухания в почвах и базовых уравнений для расчета структурных диаграмм пористости (СДП). Вслед за Злочевской с соавт. [8, 9], Березин [2, 3] использовал “осмотическую” теорию набухания, связывающую это явление с гидратацией противоионов двойного электрического слоя (ДЭС). Не критикуя саму эту теорию, что должно быть предметом отдельной статьи, обратим внимание лишь на уравнения для расчета соответствующего “осмотического” давления (потенциала) у обоих упомянутых авторов:

где P_os – “осмотическое” давление, E_s – “потенциальная энергия взаимодействия твердой фазы с жидкой мицеллярной водой” по [2]. Последняя величина рассчитывается по значению активной концентрации (С_s) ионов ДЭС, оцениваемой по экспериментальным данным о поверхностной проводимости почвенной пасты при известной температуре (Т), согласно закону Вант-Гоффа: E_s = С_sRT, R – универсальная газовая постоянная.

Однако уравнения (6) описывают не расклинивающее давление, которое действительно является одной из главных причин набухания, а скорее осмотический потенциал почвенного раствора, согласно простому закону разбавления (уменьшение влажности увеличивает концентрацию при фиксированном количестве ионов). Сам закон разбавления применительно к почвам во всем диапазоне влажности некорректен, поскольку реальный ход зависимости концентрации растворимых веществ-электролитов от влажности не монотонное увеличение по мере снижения содержания влаги, согласно (6), а кривая с экстремумом [32]. Но главное – другое. “Осмотическое” набухание реализуется в растворах при наличии полупроницаемой мембраны, удерживающей ионы и пропускающей воду. В почве таких мембран нет, поэтому при соединении с чистым растворителем (водой) ионы будут гидратироваться, частично переходить в раствор, но никакого набухания при этом происходить не будет, хотя осмотическая компонента полного термодинамического потенциала влаги может достигать больших значений при практически насыщенной почве (100 Дж/кг и выше или рF ≥ 3). Ошибка видна из анализа диссертационной работы [3], где автор приводит данные по “осмотическому” давлению почвенной влаги, определенному криоскопическим методом, якобы подтверждающие уравнение (6). Но криоскопия дает полный потенциал с действительно высокими значениями рF при почти насыщенной почве, тем выше, чем больше засоление почвенного раствора. А это не причина набухания, ведь засоленные почвы, как известно, наоборот, теряют способность к набуханию из-за подавления ДЭС [17].

Одна из наиболее вероятных причин набухания – ионно-электростатическая составляющая расклинивающего давления. Удерживаемые в ДЭС ионы, наряду с гидратацией самой заряженной поверхности, ориентацией полярных молекул воды в электростатическом поле поверхности и ионов ДЭС, силы отталкивания при перекрытии оболочек ДЭС, все вместе будет способствовать вхождению воды в тонкодисперсную систему и расширению ее объема. И связь зарядов с поверхностью твердой фазы, включая ионы ДЭС, как раз служит той самой полупроницаемой “мембраной”, которая отсутствует для свободных ионов порового раствора. Но такое давление нельзя оценивать криоскопией, особенно в области насыщенности почвы влагой, где доминирует осмотическое давление от гидратации свободных ионов. А главное, уравнения для ионно-электростатической компоненты расклинивающего давления совершенно иные, отличные от (6). Это экспоненциальная зависимость от влажности, а точнее от расстояния до поверхности тонкодисперсной частицы, впервые обоснованная теоретически акад. Дерягиным, и получившая развитие в физике почв в работах [29–31, 33]. Согласно [30, 31], фундаментальная ионно-электростатическая модель расклинивающего давления (P) применительно к почвам выглядит как:

где b, [кг/кг] – физически-обоснованный параметр, определяемый дисперсностью и свойствами ДЭС, а, [Дж/кг] – физически-обоснованный параметр, характеризующий форму и потенциал (заряд) поверхности, S, [м²/кг] – эффективная удельная поверхность границы раздела фаз, λ, [м] – эффективная толщина ДЭС.

Запишем условие механической связи давления и объема (PD = const) для идеальной физической системы с переменным объемом (D) в дифференциальном виде, разделив обе части получаемого уравнения на dW:

здесь d – знак дифференцирования. Подставляя в (9) выражение для расклинивающего давления (7), разделяя переменные и интегрируя в пределах W_a–W, D_lim–D, получаем следующее физически обоснованное выражение для динамики текстурной пористости в зависимости от влажности:

где A = D_limexp(–bW_a) – комплексный параметр, включающий константы интегрирования.

Как показывает рис. 2, функция (10) адекватно аппроксимирует экспериментальные данные D(W) с высокими коэффициентами детерминации (R² = 0.994–0.996) на фоне небольших стандартных ошибок (s = 0.3–0.5%) со статистически достоверными параметрами A, b при уровне значимости р < 0.0001. Параметры аппроксимации и статистики помещены в табл. 3. Впервые факт соответствия экспериментальных данных по динамике текстурной пористости экспоненциальной эмпирической модели вида (10) был установлен Березиным [2] (экспоненциальная усадка агрегатов), однако нам удалось придать этой зависимости фундаментальный характер, исходя из ионно-электростатической модели расклинивающего давления, как главной физической причины, вызывающей набухание и изменение объема агрегатов.

В целях сравнительной характеристики данных на рис. 2 была нанесена линия текстурной усадки агрегатов неслитой почвы такой же дисперсности (одесского чернозема обыкновенного окультуренного, гор. А_пах) с параметрами A = 27.9 × × 10^–5 м³/кг и b = 0.012, по данным из работы [3]. Пунктирная прямая D = W из начала координат, направленная под углом 45°, является асимптотой для кривых текстурной усадки, поскольку набухшая дезагрегированная (раздельно-частичная) тонкодисперсная почва при усадке до определенного предела уменьшает свой объем ровно настолько, насколько теряет влагу (так называемая “линейная” усадка глин и глинистых минералов). Упомянутый предел Березин [2] вслед за рядом грунтоведов ассоциирует с пределом текучести W_т. На наш взгляд, возможно альтернативное объяснение прекращения линейной пропорциональной усадки – вход воздуха (состояние барботирования) в крупные поры почвенной массы, которая из двухфазной системы (тонкодисперсные частицы–вода) превращается в трехфазную (частицы–вода–воздух) с появлением капиллярных сил.

Оставляя за этим состоянием прежнее обозначение (W_т), отметим, что его вовсе не обязательно определять экспериментально, поскольку и сама методика определения предела текучести [4] носит весьма субъективный характер, да и физическая трактовка данного предела, как только что упоминалось, может быть разной. Вместе с тем, очевидно, что имея кривую текстурной усадки, легко аналитически определить данный предел по пересечению с пунктирной линией D = W (рис. 2). Условие пересечения для модели (10) дает трансцендентное уравнение Aexp(bW_т) = W_т, решение которого можно получить либо с использованием специальной функции Ламберта, либо численным методом, с применением алгоритма подбора параметра из стандартного сервиса MS Excel. Значения D_т = W_т помещены в табл. 3. Как видно, они были близки к 30 × 10^–5 м³/кг, что в 1.6–1.8 раз ниже по сравнению с таким же показателем для неслитого обыкновенного чернозема.

Из (8) и (10) находим формулы для расчета по полученным параметрам аппроксимации A, b эффективной ширины ДЭС:

и предельной величины удельного объема текстурной пористости:

Анализируя эти показатели (табл. 3), убеждаемся, что при сходной дисперсности (эффективная удельная поверхность S_БЭТ = 130–160 м²/г) ширина ДЭС для слитой почвы оказывается фактически вдвое, а предельная текстурная пористость D_lim – в 1.7–2.1 раза ниже по сравнению с аналогичными величинами в обыкновенном черноземе. То есть слитизация характеризуется сокращением нелинейного (экспоненциального) диапазона набухания/усадки почвы (D_т–D_lim) и существенным сжатием эффективной ширины ДЭС. В такой системе усиливаются вязкопластичные взаимодействия дисперсных частиц, разделенных слоями пленочной влаги, и фактически исчезает критическое состояние ВРК (разрыва капиллярной связи), поскольку мениски образуют с сольватными слоями устойчивую систему (капиллярные явления 2 рода). Значит, при механической обработке вместо крошимости пласта с образованием зернистых агрегатов, вязкопластичная масса будет налипать на орудия обработки, отрываться большими кусками, которые при высыхании до предела D_lim будут давать жесткие консолидированные, низкопористые конгломераты (глыбы). В естественных циклах набухания/усадки фрагментация консолидированной межчастичными вязкими взаимодействиями массы будет давать сильные деформации всего скелета с образованием трещин и отдельных глыбистых структур большого объема. В геофизике подобный феномен структурной организации дисперсных систем с переменной влажностью и сильными межчастичными взаимодействиями через тонкие прослои воды получил название компакции (вязкой консолидации) [10].

Для подтверждения этих положений обратимся к структурным диаграммам пористости (СДП), которые используются в качестве наглядных индикаторов динамики порового пространства набухающих почв [2, 3]. Поскольку приводимая ранее критика уравнений (6) дает основание отвергнуть вариант термодинамического подхода для расчета СДП в pF-координатах, предложенный в работах [2, 3], мы воспользуемся альтернативным способом. Построение СДП в термодинамических pF-координатах возможно на основе использования не теоретических, а реальных pF-кривых, определенных экспериментально, например методом равновесного центрифугирования [31]. Но в данном исследовании предлагается еще более простой способ – использовать не pF-координату (давление почвенной влаги), а просто удельный объем влаги (переменную влажность) в качестве абсциссы СДП. Это удобно и с практической точки зрения, когда пользователь может, имея характерные значения влажности для данной почвы, например, наименьшую или полевую влагоемкость (в англоязычной литературе field capacity, FC) и нанеся ее на структурную диаграмму, сразу оценить соответствующие категории пористости и степень их заполнения водой или воздухом. В случае же pF-координат пользователю надо проводить дополнительные экспериментальные измерения давления (потенциала) почвенной влаги, что требует специального приборного обеспечения и навыков.

Рассмотрим процесс иссушения однородной тонкодисперсной массы, насыщенной до влажности предельного набухания. Согласно [2], до формирования трещин все поровое пространство является текстурным. К этому можно добавить, что система, по-видимому, здесь двухфазная (почва-вода), и поэтому уменьшение ее объема при усадке равно изменению объема вытекшей (испарившейся) воды (D_(W)= W или dD/dW = 1). Известный факт, что в ряде случаев на кривых усадки выделяется первоначальная область dD/dW < 1 (структурная усадка по [17]), а потом линии нормальной (линейной) усадки не совпадают с прямой D = W и смещаются относительно нее вверх на некоторую величину ΔD > 0, сохраняя параллельность (dD/dW = 1), по-видимому, может иметь альтернативное объяснение. В [17] этот факт считается следствием дренирования крупных межагрегатных пор, то есть по сути, входа воздуха в первоначально двухфазную систему почва-вода, но это противоречит приведенному выше мнению [2] о текстурном (внутриагрегатном) характере пористости в области линейной усадки. На наш взгляд, наличие смещения ΔD > 0 можно объяснить как защемленным воздухом, так и присутствием неизменного объема прочносвязанной влаги (W_a), который для текстурной пористости, по сути, является аналогом “твердой фазы”.

Поскольку удельный объем текстурного порового пространства, согласно [3], находится по разности между удельными объемами агрегатов и твердой фазы почв (D = 1/ρ_a – 1/ρ_s, где ρ_a, ρ_s – плотности агрегатов и твердой фазы), при наличии “мертвого” удельного объема прочносвязанной влаги не равного нулю, будет происходить положительный сдвиг кривой текстурной пористости (усадки агрегатов) ΔD = W_a > 0 относительно линии D = W. Чтобы его не было, следует вычитать величину W_a из D, считая ее дополнительным аналогом удельного объема твердой фазы (D = 1/ρ_a – 1/ρ_s – W_a). Косвенно, выдвинутая нами гипотеза подтверждается зависимостью величины смещения ΔD на кривых усадки агрегатов от величин предельного объема текстурного порового пространства и максимальной гигроскопической влажности, с которыми коррелирует W_a, что следует из анализа экспериментальных данных [2, 3]. Поэтому мы все же считаем более правильным мнение [2] о текстурном характере порового пространства до момента образования трещин, или, как нам представляется, до реального входа воздуха в исходно двухфазную систему почва–вода.

Мы не будем дифференцировать нетекстурное (внешнее) поровое пространство на межагрегатную пористость и трещины, как это было сделано в более поздней работе Березина [3], и оставим первоначальный расчет, согласно [2]. При отсутствии специальных экспериментов с усадкой больших фрагментов почвы, очевидно, нет возможности дифференцировать трещины от межагрегатной пористости расчетным путем. Маловероятной с физической точки зрения представляется гипотеза [3] о постоянстве величины межагрегатной пористости на протяжении всего цикла “усадки-набухания” и, соответственно возможность ее расчета по разности общей и текстурной пористости в набухшем состоянии. Поэтому, повторяем, на данном этапе исследований не представляется возможным дифференцировать “внешнее” поровое пространство на межагрегатную пористость и трещины, и в дальнейших расчетах, вслед за исходной работой [2] мы будем оперировать показателем общего объема трещин, межагрегатных пустот, каналов, макропор, условно обозначая его термином Дояренко [6] “скважность” (V_с). Согласно [2]:

где (V_t) – удельный объем общего порового пространства почвы. Примем, что формирование скважности при усадке (уплотнении) исходно однородного текстурного порового пространства происходит фрагментарно и сопровождается входом воздуха в двухфазную систему почва-вода. Тогда, вслед за [2], можно предположить, что из-за просадки фрагментов в поле силы тяжести, трещины и иные элементы V_с реализуются лишь в боковых направлениях, а по вертикали они элиминируются. Это обстоятельство позволяет выразить уменьшение общего порового пространства в зависимости от хода текстурной усадки следующим простым уравнением [2]: где D_lim – удельный объем текстурного порового пространства в предельном состоянии, когда усадка прекращается.

Имея экспериментальную зависимость текстурного порового пространства от влажности (10) и используя соответствующие формулы (13), (14), легко построить структурные диаграммы пористости как функции от влажности. На рис. 3 приведен пример СДП для пахотного горизонта неслитого чернозема обыкновенного, построенной по экспериментальным данным [3]. Базовые параметры структурного состояния отражены в табл. 4. По диаграмме видно, что текстурная (внутриагрегатная) пористость (1) для неслитой окультуренной почвы превышает внешнее поровое пространство (скважность 3) в воздушно сухом состоянии почвы. Здесь и далее на графиках анализируется функциональное поровое пространство за вычетом “мертвого” объема прочносвязанной влаги W_a, показанного на диаграммах нижней пунктирной линией. При увлажнении почвы до величины наименьшей влагоемкости, обозначенной на рисунке вертикальной пунктирной линией (FC), это доминирование также сохраняется. Причем около 2/3 удельного объема агрегатных пор (4) будет занято водой (5). То есть пахотная окультуренная почва будет запасать значительную часть влаги в агрегатах, и вместе с тем будет хорошо аэрирована (30–35% воздуха). Расчет удельного объема внутриагрегатных пор аэрации (V_g) легко осуществить по формуле:

Общий объем пор при FC (6), включая связанную влагу, составляет порядка 49 × 10^–5 м³/кг, что соответствует плотности почвы, равной ρ_b = 1/(V_t + + 1/ρ_s) = 1137 кг/м³, то есть нормальному не уплотненному состоянию. Общая пористость ОП = = 100V_tρ_b при FC будет равной 55.7%, в воздушно-сухом состоянии – 54.0%, а при насыщении влагой (максимальном набухании) – 58.1%, то есть находиться в пределах удовлетворительной для пахотного слоя категории по Качинскому (50–55%) [4]. Это означает, что в такой почве механическая обработка может быть минимизирована, поскольку в процессе естественного цикла набухания–усадки почва приобретает приемлемые а-грофизические свойства по уровню аэрации, проницаемости для корней и сохранения влаги.

Иная ситуация в исследуемом слитом предкавказском черноземе (рис. 4, табл. 4). Здесь во всех горизонтах скважность (2) в 1.3–1.6 раз превышала максимально возможное текстурное поровое пространство (3), в связи с сильной фрагментацией и растрескиванием почвы при высыхании. Значит, вместо агрономически ценной рыхлой агрегатной структуры в слитой черноземной почве будут формироваться прочные, не поддающиеся обработке глыбы с низкой внутренней (текстурной) пористостью и высокой, доминирующей скважностью в виде вертикальных трещин. Такая структура, очевидно, будет в сухом состоянии быстро проводить (сбрасывать) воду по трещинам и внешним каналам (макропорам), а при длительных осадках – сильно разбухать и лишать корней аэрации. Так при влажности равной FC текстурное (внутриагрегатное) поровое пространство (4) будет на 86–91% насыщенно влагой (5), а воздуха в нем будет всего 9–14%, что фактически означает условия анаэробиозиса и угнетения роста корневых систем.

Общий объем порового пространства при влажности FC для всех генетических горизонтов, не превысил 27–31 × 10^–5 м³/кг, что соответствовало величинам плотности почвы ρ_b = 1426–1590 кг/м³. В полярно противоположных состояниях – воздушно-сухом и максимально набухшем плотность была равной 1498–1653 и 1383–1526 кг/м³, соответственно. Согласно градациям [17], для глинистых и суглинистых почв диапазон оптимальных значений плотности составляет 1000–1300 кг/м³, то есть исследуемая почва во всем диапазоне варьирования влажности является переуплотненной. Общая пористость 41–46% соответствовала неудовлетворительной для пахотного слоя категории по шкале Качинского [4]. Неблагоприятное физическое состояние характерно для всего диапазона варьирования влажности слитой почвы, то есть естественные процессы изменения ее пористости в циклах набухания/усадки не оптимизируют такое состояние, поэтому без механической обработки и специальных мероприятий по оструктуриванию пахотного слоя такую почву нельзя вовлекать в сельскохозяйственное использование.

ВЫВОДЫ

1. Набухание/усадка тонкодисперсных слитых почв и динамика их порового пространства контролируется ионно-электростатическим механизмом расклинивающего давления.

2. Феномен слитизации связан с резким (двукратным) сокращением эффективной ширины двойного электрического слоя почвенной физической системы и со стабилизацией дисперсных частиц, разделенных прослоями воды, на относительно небольших (8–9 диаметров молекул воды) расстояниях друг от друга.

3. Причинами слитизации в набухающих агропочвах тяжелого гранулометрического состава очевидно могут быть как механические внешние воздействия (давление тяжелой техникой, частая механическая обработка, перетирающая почвенную массу), так и факторы физико-химической природы, снижающие эффективную ширину межчастичного ионно-электростатического барьера (вторичное засоление при орошении, избыток электролитов в форме минеральных удобрений, выщелачивание и замена поливалентных катионов на одновалентные, например, в процессах осолонцевания и оглеения).

4. Слитизация сопровождается усилением межчастичных взаимодействий и возникновением явления компакции (вязкой консолидации) дисперсной системы в широком диапазоне влажности. В результате собственная фрагментация почвенной массы в циклах усадки/набухания приводит к образованию глыбистой структуры и трещин, а механическая обработка не дает распада пласта на зернистые агрегаты из-за отсутствия состояния физической спелости (влажности разрыва капиллярной связи).

5. Неблагоприятное структурное состояние слитых почв (компакция) характеризуется низкой текстурной пористостью (15–30 × 10^–5 м³/кг), низкой (9–14%) аэрированностью пор в состоянии наименьшей (полевой) влагоемкости, повышенной плотностью (1400–1600 кг/м³) в циклах набухания/усадки и доминированием удельных объемов внешнего порового пространства (трещин, межагрегатных пустот) над текстурной (агрегатной) пористостью.

Проведенные исследования подтверждают выдвинутое в работах [23, 31] положение о ведущей роли термодинамики и устойчивости тонких пленок в формировании физического состояния тонкодисперсных почв с переменным поровым пространством. Перспектива подхода заключается в возможности научно-обоснованного управления физическим состоянием слитых и слитизированных почв, а также в объяснении и моделировании явлений ландшафтного уровня, например, формирования микрорельефа гильгай с относительно плавными формами в отличие от гексагональных полигонов в тундрах и пустынях [25]. Так, система прочных блоков, разделенных клинообразными трещинами, может не впитывать воду, а оплывать при ливневых осадках с накоплением эродированного материала в трещинах и формировать регулярную череду депрессий и возвышений. Интересные возможности открываются при искусственном формировании специальных 3D почвенных конструкций по аналогии с природными объектами Омана [18, 19], как потенциальной технологии мелиорации слитоземов. Перспективно управление физическим состоянием слитых почв малыми добавками, включая ПАВ, регулирующими ширину межчастичного барьера. Практическая реализация этих задач невозможна без интеграции всех отраслей почвоведения с обобщением имеющейся информации в виде фундаментальной концепции физического состояния дисперсных почвенных систем и его динамики.