Молекулярные межфазные взаимодействия в почвах Харитонова, Галина Владимировна

Введение к работе

В настоящее время в почвоведении и агрофизике активно развивается структурно-функциональное направление изучения почв и ее компонентов на ионно-молекулярном уровне. Для прогноза биосферной сорбционной функции почв (сорбция влаги, загрязняющих веществ, тяжелых металлов в том числе) наиболее продуктивным подходом, как показали работы А.Д. Воронина, А.М. Глобуса, Б.В. Дерягина, Н.В. Чураева, А.А. Роде, Г.В. Добровольского, Е.Д. Никитина, В.В. Добровольского, Т.А. Соколовой, J.H. Fink, R.D. Jackson, J.R. Philip, G. Sposito, A. Manceau, R. Dhn, M.L. Schlegel, S.I. Tsipursky, V.A. Drits и др., является системное изучение сорбционных центров поверхности твердой фазы почв, ее отдельных наиболее активных компонентов, а именно глинистых минералов, которые входят в состав илистой фракции. Межфазные взаимодействия, происходящие на границе раздела твердой фазы почв и почвенной влаги, а также почвенного воздуха, определяют большинство почвенных процессов и формируют на молекулярном уровне функции почв в биосфере.

Актуальность исследования заключается в разработке системных подходов для описания межфазных молекулярных взаимодействий, происходящих на поверхности твердой фазы почв, ее наиболее активных компонентов – глинистых минералов. Эти взаимодействия определяют интенсивность протекания сорбционных процессов и устойчивость очищающей функции почв в биосфере, процессы сорбции/десорбции почвенной влаги, от которых зависит почвенная структура и межчастичные взаимодействия (Добровольский, Никитин, 1990; Карпачевский, 2005; Соколова, Дронова, Толпешта, 2005; Шеин, 2005; Шеин, Карпачевский, 2007 и др.). Изучение фундаментальных основ межфазных взаимодействий в почвах на различных иерархических структурных уровнях позволит анализировать, прогнозировать и научно обосновывать управленческие решения по экологическим функциям почв в ландшафте и биосфере в целом.

Цель исследования – системное рассмотрение и количественное описание межфазных взаимодействий, происходящих на поверхности твердой фазы почв, ее наиболее активных компонентов – глинистых минералов.

Задачи исследования:

1. Экспериментальные исследования, количественное описание, создание математической модели и разработка критериев оценки адсорбционного взаимодействия твердой фазы почв с парами воды и выявление закономерностей изменения параметров физически обоснованной модели в почвах различного генезиса и дисперсности.

2. Изучение изменения гидрофизических свойств и вещественного состава глинистых минералов под влиянием высоких концентраций солей почвенного раствора и солей тяжелых металлов.

3. Выявление механизмов изменения гидросорбционных свойств глинистых минералов под влиянием растворимых солей.

4. Исследование изменения структурной организации частиц глинистых минералов под влиянием высоких концентраций солей (тяжелых металлов в том числе) и последующего их удаления.

Научная новизна.

1. Предложена математическая физически не противоречивая модель сорбции паров воды почвами и ее модификации, основанные на определенных физических допущениях и ограничениях, и методы дифференциального аналитического расчета сингулярных точек модели, которым поставлены в соответствие характерные физические параметры процесса адсорбции паров воды в почвах. Модель описывает кривые сорбции паров воды почвами в области 0.10<p/p₀<0.98 и обосновывает характеристические влажности (максимальная гигроскопическая влажность, W_мг, и влажность адсорбционной пленки, W_ас), представляющие параметры модели. Математическая модель позволяет рассчитывать удельные поверхности почв, а также всю кривую сорбции паров воды в указанной области по трем экспериментальным точкам.

2. Для почв различного генезиса и дисперсности показано, что величина максимальной гигроскопической влажности, W_мг, характеризует число адсорбционных центров поверхности твердой фазы почв. После образования на поверхности твердой фазы адсорбционной пленки качество поверхности и число адсорбционных центров характеризует влажность адсорбционной пленки, W_ас.

3. Предложен метод количественной оценки поверхностной энергии твердой фазы почв по величине интегральной энергии адсорбционного взаимодействия «твердая фаза почв – пары воды» E_max. Показано, что величина E_max статистически связана с физико-химическими свойствами почв, характеризует специфику адсорбции паров воды твердой фазой отдельных горизонтов почв и позволяет сравнивать почвы разного генезиса и дисперсности по их адсорбционной способности.

4. Показано, что изменение гидрофизических свойств глинистых минералов при действии растворимых солей связано не только с гидрофильностью соли, но и с изменением структурной организации частиц глинистых минералов в результате воздействия растворимых солей.

5. Впервые для глинистых минералов установлено образование глинисто-солевых микроагрегатов в результате воздействия растворимых солей и их частичная устойчивость к диализу. Образование глинисто-солевых микроагрегатов происходит за счет внешне- и внутрисферных комплексов катионов металла и минеральной матрицы.

Защищаемые положения:

Предложена математическая физически непротиворечивая модель адсорбционного взаимодействия твердой фазы почв с парами воды, позволяющая адекватно анализировать и сравнивать влагоадсорбционные характеристики почв.

Предложен количественный метод оценки интегральной энергии адсорбционного взаимодействия твердой фазы почв с молекулами воды в газовой фазе.

Изменение гидросорбционных свойств глинистых минералов при обработке растворимыми солями включает явления изменения структурной организации частиц глинистых минералов.

Образование глинистыми минералами глинисто-солевых микроагрегатов является одним из процессов межчастичных взаимодействий, представляющих почвенное агрегатообразование на молекулярном уровне.

Практическая значимость. Теоретические положения и методики исследования могут найти широкое применение при решении экологических проблем, связанных с загрязнением и очисткой почв от различных токсикантов (тяжелые металлы и др.), с деградацией почв и их физического состояния, прогнозом изменения гидросорбционных свойств почв при различных воздействиях. Результаты исследований могут быть использованы при решении прогнозных задач по переносу загрязняющих веществ в почвенном покрове.

Полученные результаты используются на факультете почвоведения МГУ при чтении курсов лекций «Физика почв» и «Математическое моделирование в почвоведении», при проведении практических занятий в большом практикуме по физике почв (ускоренный метод определения изотерм адсорбции). Материалы исследований вошли в коллективную монографию «Теории и методы физики почв» (2007) и отчеты НИР ИВЭП ДВО РАН по изучению функционирования почв и их менеджменту в природных и антропогенных экосистемах. Проведение исследований было поддержано РФФИ (проекты 99-04-48408, 01-04-48066, 03-04-48370 и 06-III-В-08-381)

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на III (Суздаль, 2000), IV (Новосибирск, 2004), V (Ростов-на-Дону, 2008) съездах Докучаевского общества почвоведов, на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах «Экологическое состояние и ресурсный потенциал естественных и антропогенно-измененных почв» (Владивосток, 1998), «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), XII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2001), «Гидроморфные почвы – генезис, мелиорация и использование» (Москва, 2001), «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2002), «Фундаментальные исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003), «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ – Улан-Батор, 2004), «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, 2005), «Глины и глинистые минералы» (Пущино, 2006), «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2007), «Гуминовые вещества в биосфере» (Москва, 2007), «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008), «Тектоника и глубинное строение Востока Азии: VI Косыгинские чтения» (Хабаровск, 2009), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова (2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе 1 коллективная монография, 17 работ в изданиях, соответствующих списку ВАК, 26 статей и докладов в научных журналах, сборниках и материалах конференций. Опубликовано 11 тезисов докладов на Международных и Всероссийских симпозиумах и конференциях.

Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1990-2008 гг.) исследований автора. Автор принимал личное участие на всех этапах исследования. Автором сформулированы цели работы, поставлены задачи исследования, планирование экспериментов, сделаны итоговые выводы. Автор принимал личное участие в получении основной части лабораторного материала, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в подготовке всех научных публикаций, многократно выступал с научными докладами. Большая часть экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных лабораторных исследованиях кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, ИВЭП ДВО РАН, ВЦ ДВО РАН, ИТиГ ДВО РАН. В работе были также использованы материалы, полученные в соавторстве с соискателями, выполнявшими свои исследования под руководством автора. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов. Теоретические положения, математические модели и их аналитические решения, основная часть методов исследования разработана лично автором. Помимо того в работе использовались с соответствующими ссылками материалы, опубликованные в отечественных и зарубежных источниках.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, изложена на 241 страницах компьютерного текста, включает список литературы из 331 наименований, в том числе 174 на иностранных языках, 54 рисунка, 30 таблиц и приложения.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научным консультантам проф. Е.В. Шеину и член-корр. РАН Б.А. Воронову за постоянное внимание, активную поддержку, критические замечания и советы, оказавшие решающее влияние на формирование научного мировоззрения автора. Автор выражает искреннюю признательность своим учителям и коллегам В.Г. Витязеву, А.Д. Воронину, А.В. Дембовецкому, Е.Д. Дмитриеву, Е.А. Дробот, В.Н. Землянухину, Л.О. Карпачевскому, М.А. Климину, Л.Н. Комисаровой, Н.С.Коноваловой, F. Kot, С.И. Лапекиной, A. Manceau, А.С. Манучарову, Л.А. Матюшкиной, Е.Ю. Милановскому, Ю.М. Михалеву, И.А. Павлюкову, Я.А. Пачепскому, Т.Н. Початковой, F. Rodrigues-Reinoso, С.Е. Сиротскому, Т.А. Соколовой, И.И. Судницину, Н.И. Черноморченко, Н.П. Чижиковой за критику и поддержку идей, консультации и дискуссии, помощь при выполнении отдельных разделов экспериментальной работы. Отдельная благодарность сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ и лаборатории экологии почв ИВЭП ДВО РАН за доброжелательность и помощь в работе.