Введение к работе
Актуальность
Одной из фундаментальных проблем почвоведения является выяснение механизмов образования, устойчивости и функционирования почвенных агрегатов, представляющих определенный иерархический структурный уровень организации вещества почвы. Считают, что закономерности формирования почвенных агрегатов обусловлены биохимическими процессами гумификации и физико-химическими поверхностными явлениями, протекающими на границе раздела твердой, жидкой и газообразной фаз почвы.
Несмотря на многочисленные работы (В.В. Докучаев, П.А. Костычев, В.Р. Вильямс, К.К. Гедройц, В.Р Волобуев, Н.А. Качинский, Д.Г. Виленский, Н.И. Саввинов, А.Д. Воронин, П.В. Вершинина, И.Н. Антипова-Каратаева, С.А. Захаров, С.С. Никифоров, Duchaufour, Kubiena, Вaver, Greenland, Hattori, Oades и др.), посвященные изучению структуры почв, энергетика взаимодействия частиц в водоустойчивых агрегатах, определяющая закономерности их строения и функционирования, остаётся до сих пор практически не исследованной.
Отсутствие экспериментальных данных, характеризующих физико-химическую природу водоустойчивости агрегатов, обусловлено тем, что это важное свойство почв до настоящего времени оценивается в основном по содержанию и характеру распределения фракции водоустойчивых агрегатов в почвах. Эти характеристики, хотя и важны, но явно недостаточны для решения вопросов, связанных с выяснением физико-химических механизмов образования водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. В последнее время водоустойчивость связывают с гидрофобными зонами, которые образуются в агрегатах при взаимодействии минеральных частиц почвы с гумусовыми веществами (Шеин, 2005; Милановский, 2009).
Структурным связям, определяющим сцепление частиц в контактах, принадлежит решающая роль в образовании и функционировании почвенных агрегатов. Закономерности изменения практически всех структурных и механических свойств почв обусловлены структурными связями – устойчивыми силами притяжения различной природы, локализованными в контактах и характеризующимися определенной прочностью. Однако, природа структурных связей, формирующихся в агрегатах почв и определяющих прочность водоустойчивых агрегатов, до сих пор остаётся практически не исследованной.
Поэтому, весьма актуальным является проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выяснение физико-химических
механизмов образования, разрушения и функционирования водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв.
Цель работы
Разработать теоретические, методические и экспериментальные основы энергетической концепции водоустойчивости агрегатной структуры почв.
Основные задачи исследования
Разработать методику экспериментального исследования и оценки энергетических
параметров, характеризующих водоустойчивость почвенных агрегатов.
Исследовать закономерности разрушения водоустойчивой структуры агрегатов под
действием механических напряжений.
Исследовать закономерности разрушения агрегатов почв лесостепной и степной
зоны в зависимости от содержания в них влаги.
Исследовать механизмы разрушения водоустойчивых структурных связей в
агрегатах почв.
Экспериментально определить энергию связи и силу сцепления частиц в
контактах, а также количество контактов, распределенных на единице площади
разрушения водоустойчивых агрегатов почв.
Исследовать физико-химические механизмы образования структурных связей в
водоустойчивых агрегатах и выяснить их роль в трансформации органического
вещества в почвах лесостепной и степной зоны.
Научная новизна
1. Впервые исследована физико-химическая природа водоустойчивости агрегатов,
которая обусловлена избыточной свободной энергией, формирующейся на границе
раздела твердых, жидких и газообразных фаз почвы. Результирующее уменьшение
поверхностной энергии, обусловленное взаимодействием частиц, соответствует энергии
связи частиц в контактах. Разработан кинетический метод определения энергии связи
частиц, позволяющий количественно оценивать по её значениям силу сцепления частиц в
индивидуальных водоустойчивых контактах.
2. Впервые исследован активационный механизм разрушения структуры
водоустойчивых агрегатов, находящихся под действием механических напряжений.
Установлено, что процесс разрушения водоустойчивых агрегатов определяется величиной
энергетического барьера разрушения, обусловленного действием механических
напряжений.
3. Впервые экспериментально определены макроскопическая прочность водоустойчивой структуры агрегатов (Рс), энергия связи частиц (uсв) и сила сцепления (р1) частиц в контактах, а также количество контактов () в агрегатах автоморфных почв лесостепной и степной зоны, которые являются фундаментальными физико-химическими характеристиками, определяющими механизмы формирования водоустойчивости агрегатов и закономерности её функционирования в почвах разного генезиса и гранулометрического состава.
Практическая значимость
Предложен новый методологический и методический подход к исследованию водоустойчивости агрегатов, основанный на изучении энергетики контактных взаимодействий в почвах. Результаты исследований могут быть использованы для классификации водоустойчивых агрегатов, базирующейся на характеристике их структурных связей – энергии связи частиц (uсв) в контактах, прочности индивидуальных контактов (р1) и количества контактов (), распределенных на единице площади контактного сечения, которые однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов (Рс). Функциональная связь, установленная между содержанием гумуса в почвах и энергетическими показателями, характеризующими водоустойчивость агрегатов можно использовать при решении прогнозных задач, связанных с сохранением, деградацией и восстановлением агрегатной структуры почв, обусловленных хозяйственной деятельностью человека. Основные результаты и положения работы поддержаны РФФИ (1996, 2005 и 2008).
Основные защищаемые положения
1. Водоустойчивое ядро - агрегированный комплекс, состоящий из микроагрегатов и элементарных почвенных частиц, в котором частицы соединены фазовыми цементационными контактами, формирующимися при дегидратации и коагуляции органоминеральных коллоидов. Высокодисперсные органо-глинистые частицы, локализованные на внешней поверхности водоустойчивых ядер, формируют пространственный каркас, который связывает и армирует водоустойчивые ядра в агрегатах почв. Под действием напряжений, превышающих допустимые величины, каркас разрушается, и агрегат распадается на водоустойчивые ядра. Энергетика контактного взаимодействия органических, минеральных и органоминеральных частиц в агрегатах почв определяет механизмы их водоустойчивости, закономерности строения и функционирования.
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено применение фундаментальных уравнений физико-химической механики для оценки энергии связи частиц (uсв) и силы сцепления частиц (р1) в индивидуальных контактах, а также количества контактов (), распределенных на единице площади разрушения водоустойчивых агрегатов. Установлено, что энергетические характеристики однозначно определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов почв - Рс = р1.
-
Дано теоретическое объяснение механизму разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах почв. Установлено, что процесс разрушения водоустойчивого агрегата под действием механических напряжений развивается во времени. Он состоит из двух стадий: в первой – происходит активация структурных связей, во второй разрушение активированных структурных связей. Длительная прочность водоустойчивых агрегатов – их долговечность определяется величиной активационного барьера разрушения. На основании теоретического анализа процесса разрушения водоустойчивых агрегатов и обобщения результатов экспериментальных исследований создана энергетическая концепция разрушения структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв.
4. Впервые выявлена количественная связь между энергетическими параметрами,
обусловливающими прочность структуры водоустойчивых агрегатов автоморфных почв,
и содержанием в них гумуса. В исследованных агрегатах при увеличении содержания
гумуса закономерно возрастает энергия связи частиц, сила сцепления частиц и количество
контактов, определяющие механизмы водоустойчивости и функционирования агрегатов в
почвах лесостепной и степной зоны.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на VIII, IX, X Всероссийской школе «Экология и почвы» (Пущино, 1999-2001), Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007), II Национальной конференции «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения (Пущино, 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Леса, лесной сектор и экология Республики Татарстан» (Казань, 2007), X Международной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии» (Астрахань, 2008), V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), II Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2009), IV Всероссийской конференции «Отражение био-, гео-, антропосферных
взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010), Российско-Корейской научной конференция (Иркутская обл., п. Листвянка, 2010), Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летнему юбилею Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН» (Пущино, 2010), Всероссийской научной конференции «Биосфера - Почвы - Человечество: устойчивость и развитие» (Москва, 2011).
Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1983-2012) исследований автора. Ему принадлежит определение целей и задач исследования. Он принимал личное участие на всех этапах исследования, – от постановки целей и задач исследования, получения основного объёма экспериментальных данных до интерпретации и обобщения полученных результатов, подготовки и публикации научных работ. Автор многократно выступал с научными докладами на научных конференциях и школах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, 19 в изданиях, соответствующих списку ВАК, 28 статей и докладов в научных журналах, сборниках и материалах конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, изложена на 300 страницах компьютерного текста, включает список из 310 наименований, в том числе 95 на иностранных языках, 70 рисунков, 42 таблицы и приложения.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своим учителям: А.Д. Воронину, А.Ф. Вадюниной, Л.О. Карпачевскому, Е.А. Дмитриеву и И.И. Судницыну благодаря которым сформировалось научное мировоззрение автора. Автор выражает особую благодарность научному сотруднику лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН Б.К. Сону, принимавшему участие во всех экспериментальных исследованиях автора, а также зав. лаборатории функциональной экологии ИФПБ РАН, профессору А.С. Керженцеву за оказанное внимание к данной работе. Отдельная, особая благодарность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв за приятную, теплую обстановку и доброжелательность.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность профессору. Е.В. Шеину и профессору А.И. Позднякову за постоянное внимание к работе, поддержку, дискуссии, критические замечания и ценные советы, которые оказали плодотворное влияние на научное содержание рассматриваемой диссертации.
