Содержание к диссертации
Введение
1. Концептуально-методологическая база, объекты и методы исследования 15
1.1.Понятие, структура и специфика динамических биокосных систем; биогеофизическое направление: предмет, задачи, исторические основы... 15
1.2. Принципы количественного описания физических систем 31
1.2.1. Показатели состояния и динамики биокосных систем; термодинамический и кинетический подходы к их описанию 31
1.2.2. Базовая кинетическая модель, устойчивость и потенциальные режимы функционирования динамических биокосных систем 51
1.3. Характеристика объектов и методов исследования 77
1.3.1.Стационарные и мониторинговые полевые объекты исследования 77
1.3.2. Лабораторные объекты исследования 94
1.3.3. Методы исследования и методические разработки 98
2. Динамика органического вещества и процессы организации в биокосных системах 102
2.1. Значение органического вещества в структурно-функциональной организации почв 102
2.2 .Исследование биогенной организации почв долинных сосновых БГЦ 117
2.3. Экспериментальные исследования поступления и трансформации органического вещества в биокосных системах 125
2.3.1. Количественные показатели и методические аспекты изучения трансформации почвенного органического вещества 125
2.3.2. Экспериментальные исследования трансформации органического вещества в лесных, степных и болотных экосистемах 133
2.4. Моделирование динамики органического вещества и структурно-функциональной организации биокосных систем 150
2.4.1 Линейные кинетические модели, стационарные (квазиравновесные) режимы функционирования и внешняя организация динамических биокосных систем. 150
2.4.3. Нелинейные кинетические модели, триггерные и колебательные режимы функционирования, самоорганизация динамических биокосных систем 171
3. Экологическая газовая функция почв 189
3.1. Глобальная роль почв в регуляции состава и состояния атмосферы и ее количественное изучение (аналитический обзор проблемы ) 189
3.2. Инструментальные методы исследования газовой фазы почв 206
3.2.1. Анализ содержания макрокомпонентов почвенного воздуха с помощью портативного газоанализатора ПГА-7 207
3.2.2.Определение дыхания почвы методом закрытых камер с помощью портативного газоанализатора ПГА-7 210
3.2.3. Лабораторный метод определения эффективного коэффициента диффузии газов в почве 212
3.2.4. Полевой метод определения эффективного коэффициента диффузии газов в почве 217
3.2.5. Методы оценки генерирования (поглощения) газов почвой в закрытых сосудах 219
3.3. Физическое состояние и динамика газообразных веществ в почвах как биокосных трехфазных системах 222
3.3.1. Основные показатели состояния газовой фазы почв 222
3.3.2. Абиогенные источники и стоки газообразных веществ, модели межфазных взаимодействий в почвах 224
3.3.3. Биогенные источники и стоки газообразных веществ, связь газовой функции с динамикой органического вещества почв 237
3.3.4. Распределение, физические механизмы и модели массопсреноса газов и паров в почвах 247
3.3.5. Кинетические модели динамики макро и микрокомпонептов газовой фазы почв 267
3.4. Экспериментальные исследования и моделирование газовой функции почв как динамических биокосных систем 278
4. Теоретические основы, критерии и методы оценки физического состояния почв как динамических биокосных систем 296
4.1. Понятие, количественные показатели физического состояния почв и методические подходы к его изучению 296
4.2. Инструментальные методы оценки физического состояния почв 305
4.2.1. Газохроматографичсский метод определения изотерм сорбции и эффективной удельной поверхности в почвах 305
4.2.2. Метод равновесного центрифугирования для определения основной гидрофизической характеристики и функции влагопроводности почв 310.
4.3. Современная термодинамическая концепция физического состояния почв 321.
4.4. Теоретический анализ межфазных взаимодействий, роль энергетических барьеров и сил молекулярной природы в формировании структуры и водоудерживающей способности почв 345.
4.5. Экспериментальные исследования роли органического вещества в формировании и поддержании физического состояния и водоудерживающей способности почв 370.
4.5.1. Исследование воздействия органического вещества на структурную организацию лесных почв легкого гранулометрического состава 371
4.5.2. Исследование воздействия органического вещества на водоудерживающую способность почв 380
4.6. Разработка почвенных конструкций озеленяемых городских территорий (на примере эмирата Дубай ) 393
Заключение (основные выводы) 403
Список литературы 406.
- Показатели состояния и динамики биокосных систем; термодинамический и кинетический подходы к их описанию
- Экспериментальные исследования поступления и трансформации органического вещества в биокосных системах
- Физическое состояние и динамика газообразных веществ в почвах как биокосных трехфазных системах
- Теоретический анализ межфазных взаимодействий, роль энергетических барьеров и сил молекулярной природы в формировании структуры и водоудерживающей способности почв
Введение к работе
На пороге нового тысячелетия человечество столкнулось с серьезными экологическими проблемами, ставящими под угрозу не только его благополучие, но и существование в целом. Надвигающийся экологический кризис Планеты не имеет социальных или национальных границ, и все страны, независимо от уровня их развития, в равной мере подвержены его воздействию. Предотвратить катастрофу можно лишь при соблюдении двух основных условий. Во-первых, необходимо коренное изменение человеческого мировоззрения - от потребительского, разрушительного по отношению к Природе, к творческому, созидательному. Во-вторых, это созидательное творчество должно опираться на знание строгих, подчас весьма сложных законов природной организации. Нужно уметь четко прогнозировать возможные последствия воздействий на окружающую Среду, даже если оно предпринимается с самыми благими намерениями. А для этого надо в свою очередь знать связи между природными компонентами, формирующие единое целое — биокосные системы, организованные не менее, а по логике - даже более сложно, чем биологические объекты. Ведь в них наряду с комплексом взаимодействий, присущих собственно живым организмам, возникает еще одна группа связей «живое-косное», и именно она во многом определяет устойчивость, продуктивность, функционирование и динамику подобных систем.
Мощный импульс, заложенный трудами крупнейших русских ученых-естествоиспытателей - В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, В.Н. Сукачева, Л.А. Роде в начале становления экологии и почвоведения как наук о биокосных системах, предопределил специфику их развития на современном этапе. Это в первую очередь переход от описательного, качественного, к структурно-функциональному, количественному уровню исследований, направленных на раскрытие природных механизмов организации почв и биогеоценозов как сложных биокосных систем, с целью научно-обоснованного управления их свойствами и экологическими функциями. В современном почвоведении накоплен значительный материал в данной области исследований в ходе развития отдельных отраслей - генезиса, физики и мелиорации, химии, биологии почв; созданы и активно используются математические модели почвенных процессов и функций. Фундаментальный исследовательский вклад в нашей стране принадлежит творческим коллективам Санкт-Петербургского Агрофизического института, Почвенного института им В.В. Докучаева в Москве, Института физико-химических и биологических проблем почвоведения в Пущи но и Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова, где особенно выделяется школа академика Г.В. Добровольского по изучению структурно-функциональной роли почв в
биосфере. В перспективе можно ожидать генерализацию полученного знания на единой методологической основе - общей теории динамических систем и развитие самостоятельного биогеофизического направления, предметом которого будут динамические биокосные системы и процессы их организации. [Хильми, 64, Смагин, 96]. В связи с вышеизложенным, актуальность данного исследования проявляется в двух аспектах: в теоретическом, поскольку оно способствует развитию биогеофизики, как науки о физических свойствах и процессах организации биокосных систем Земли, и в прикладном, так как от успехов развития этой дисциплины в свою очередь зависит возможность научно обоснованного менеджмента почв и решения важнейших экологических проблем современности.
Цель работы состояла в изучении количественных закономерностей пространственно-временной организации и функционирования почв как динамических биокосных систем на единой методологической основе, обобщающей современные достижения точных наук в области системного анализа и моделирования. Для достижения этой цели были поставлены следующие научно-исследовательские задачи:
Обобщить современные принципы количественного описания динамических систем в виде базовой математической модели их пространственно-временной организации и функционирования.
Исследовать процессы организации биокосных систем в связи с динамикой их органического вещества.
Исследовать экологическую газовую функцию почв.
Разработать теоретические основы и методы оценки физического состояния почв и его динамики.
Работа базируется на большом фактическом материале, полученном в ходе стационарных, экспедиционных и лабораторных исследований автора и его коллег за период с 1985 по 2003 гг. Основные полевые исследования проводились на стационарных и мониторинговых объектах ф-та почвоведения МГУ (УОПЭЦ МГУ «Чашниково»), ин-та Лесоведения РАН (о. Лохин, Московской обл.), Института Почвоведения и Агрохимии СО РАН (ст. «Плотниково», Томская обл.), станции озеленения муниципалитета Дубай (О.А.Э.), НИиПИ Экологии Города (ЗАО г. Москвы). Дополнительно в соавторстве использовались материалы стационарных исследований на объектах ин-та Лесоведения РАН (Западнодвинский ст. Тверская обл.) и ин-та Физико-химических и Биологических проблем Почвоведения РАН (зап. «Каменные могилы», Приазовье). Часть материала была собрана в ходе экспедиционных исследований и полевых практик ф-та почвоведения МГУ, ин-та Лесоведения РАН и НИиПИ Экологии Города, охвативших основные
7 природные зоны бывшего СССР с разнообразными (лесными, степными, долинными, пустынными, болотными, сельскохозяйственными, городскими) ландшафтами. В лабораторных экспериментах, которые проводились на базе кафедры физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ, УОПЭЦ МГУ «Чашниково», .ии-та Лесоведения РАН и ряда других организаций, были исследованы образцы более чем 20 типов и подтипов почв, распространенных в Р.Ф., странах ближнего (Украина, Эстония, Латвия, Киргизия, Казахстан, Узбекистан, Туркмения) и дальнего (Польша, Румыния, Венгрия, КНР, О.А.Э., Тунис) зарубежья. Среди исследованных образцов - подзолистые, дерново-подзолистые, серые и бурые лесные, черноземные, дерново-боровые, дерново-степные, каштановые, пустынные, аллювиальные, болотные, городские почвы, кварцевые, полиминеральиые, карбонатные пески, торфа разных типов, лесные подстилки, глинистые минералы, коллоиды и ряд других объектов, свойственных перечисленным выше природным и антропогенным ландшафтам.
Исследования проводились на единой методологической основе, объединяющей термодинамический и кинетический (синергетический) подходы к количественному описанию физических систем. Основополагающая идея состояла в представлении почв в качестве динамических биокосных систем и привлечении современного математического аппарата теории динамических систем к описанию процессов структурно-функциональной организации почв. В связи с этим основным методом исследования послужил метод математического моделирования, включающий в отличие от большинства работ в этой области, не только составление моделей, их верификацию и численные прогнозные расчеты, но и аналитическое исследование моделей с целью определения устойчивости, характерных состояний и возможных режимов функционирования динамических систем [Смагин, 94,99, Смагин и др, 2001]. Такой подход позволил, по-видимому, впервые в почвоведении выявить эндогенные причины сложных форм пространственно-временной организации динамических биокосных систем и разработать более адекватные модели, базирующиеся на реально существующих нелинейных структурных связях между живыми и косными компонентами.
Стержнем всего исследования являлась идея о биогенной организации почв, проявляющейся в направленном воздействии живых организмов на косные (твердые, жидкие и газообразные) компоненты окружающей среды с целью их упорядочения и оптимизации исходно неблагоприятных для роста, развития и воспроизводства организмов условий обитания [Смагин,89,93,96]. Аккумулированные при таком воздействии в почвах вещество, энергия и информация в свою очередь определяют развитие живых организмов, реализуя обратную связь в биокосных системах - главную
8 отличительную черту самоорганизующихся единств. Эта обратная связь проявляется в виде экологических функций почв, включая основную из них - почвенное плодородие. Мощным фактором внешнего по отношению к биокосным системам биогенного воздействия служит антропогенная деятельность, которая может носить как творческий, созидательный, так и разрушительный характер, если осуществляется вопреки закономерностям природной организации. Наряду с биогенными процессами, структурно-функциональную организацию почв как динамических биокосных систем определяют внутренние и внешние абиогенные факторы и условия их существования - потоки веществ и энергии, межфазные физико-химические взаимодействия, химические реакции, физические процессы и поля. Метод математического моделирования позволяет объединить перечисленные выше внешние и внутренние, абиогенные и биогенные факторы в единое целое в виде моделей динамических биокосных систем с соответствующими условиями на границах и проводить анализ устойчивости, режимов функционирования и реакции систем, осуществлять поиск оптимальных путей управления такими системами на базе полученных моделей их структурно-функциональной организации.
Однако, без должного информационного обеспечения, математическая модель остается абстрактной формой, поэтому первоочередной задачей исследования стояла разработка инструментальных биофизических методов изучения свойств и процессов в почвах, и экспериментального получения информации, требующейся для моделирования почв как динамических биокосных систем. В результате было предложено около 20 оригинальных методических разработок на базе газовой хроматографии, ИФК — спектроскопии, кондуктометрии и равновесного центрифугирования [Смагин,92,94,98,99, 2000, 2003, Смагин, Смирнов, 91,92,94,96, Смагин, Садовникова и др.,98,99, Смагин, Глаголев и др., 2003, Шевченко, Смагин, 2000, Лабораторные методы ...2000, Полевые и лабораторные...2001]. Новым шагом в работе явилось использование современных компьютерных средств численного моделирования, в частности, среды MATLAB для решения сложных дифференциальных уравнений, составляющих структуру моделей динамических систем [Глаголев, Смагин,2000, Смагин, Садовникова и др.,2001].
Поскольку основным материальным носителем биогенной организации почв является органическое вещество (ОВ), значительная часть исследования была посвящена экспериментальному изучению динамики ОВ в биокосных системах и моделированию этого явления (глава 2). Стационарные исследования биогенной организации проводились на практически идеальных физических объектах - почвах легкого гранулометрического состава долинных сосновых экосистем [Ильинская, Смагин, 89,
9 Смагин,92, 93, 94, Смагин и др.,92]. Показано, что формирование структуры, водоудерживающей способности, запасов питательных элементов в таких почвах является детерминированным результатом самоорганизации биогеоценозов (БГЦ), направленной на оптимизацию исходно неблагоприятных для развития растений свойств песчаной материнской породы. Самоорганизация осуществляется посредством регулирования скоростей поступления и трансформации ОВ в биокосных системах.
Экспериментальные исследования кинетики поступления и трансформации ОВ осуществлены в полевых и лабораторных условиях для типичных почв лесных, болотных и степных экосистем [Ильинская, Смагин, 89, Ковда, Смагин, Быстрицкая, 89, Быстрицкая, Смагин, 89, Смагин и др., 92, Смагина, Смагин, 99, Смагин, Смагииа и др., 99, 2000, Смагин и др.,2001]. На основе оригинальных методик получены данные о величинах ежегодного депонировании органического углерода, зависимостях скоростей деструкции от гидротермических факторов и состава растительного опада, закономерностях сезонной динамики ОВ. В частности, выявлен значительный (до 30% от общегодовых величин) вклад холодного (зимнего) периода в поступление, деструкцию и гумификацию растительных остатков в почвах.
Полученная экспериментальная информация легла в основу разработки оригинальных кинетических моделей динамики органического вещества почв и пространственно-временной организации биокосных систем [Смагин, 89, 94, 99, 2000, 2001, 2002, Смагин и др.,92,.2001, Глаголев, Смагин, 2000, Smagin, 2001,]. С их помощью впервые удалось воспроизвести сложные триггерные и колебательные режимы функционирования динамических биокосных систем, оценить их устойчивость, а также пространственно-временную динамику органопрофиля почв в природных условиях и при антропогенной нагрузке. При этом в отличие от большинства традиционных для почвоведения исследований, основное внимание уделялось не внешним (экзогенным), а внутренним факторам организации, присущим почвам как динамическим биокосным единствам, и определяющим их устойчивое функционирование в данных условиях окружающей среды.
В следующем разделе (глава 3) подробно охарактеризована одна из наиболее важных экологических функций почв как динамических биокоспых систем - газовая функция по отношению к атмосфере. В предварительном аналитическом обзоре проблемы, по-видимому, впервые в отечественном почвоведении обобщена современная информация о глобальной газовой функции почвенного покрова как источника, резервуара и стока веществ, контролирующих состав и состояние атмосферы [Смагин, 99, 2000]. В экспериментальных исследованиях последовательно были охарактеризованы на количественном уровне основные физические факторы, контролирующие состояние и
10 динамику газовой фазы почв - абиогенные и биогенные внутрипочвенные процессы поглощения и выделения газообразных веществ, их конвективный и диффузионный транспорт, потоки на границе с атмосферой (эмиссия и поглощение поверхностью почвы) [Смагин, 92, 93, 98, 99, 2000, 2003, Смагин, Смирнов, 91, 96, Смагин, Смагина и др., 99,2000, Шевченко, Смагин, 2000, Smagin, 2001, Глаголев и др., 2000, Glagolev et al., 99, 2000, 2001]. Результатом этих исследований явилась разработка оригинальных кинетических моделей пространственно-временной динамики макро и микрокомпонентов газовой фазы почв [Смагин, 98, 99, Смагин, Глаголев, 2001, Smagin, 2001]. На их основе впервые удалось показать, что гросс-продуцирование парниковых газов всем объемом почвы может значительно превышать синхронную эмиссию с поверхности благодаря процессам аккумуляции, транспорта, биогенного поглощения и межфазных взаимодействий в почвах как динамических биокосиых системах. Без учета этих процессов оценка газовой функции по эмиссии с поверхности (почвенному дыханию) будет ошибочной, а эмпирический поиск зависимостей между эмиссией и климатическими факторами не приведет к сколь либо закономерным прогнозируемым результатам. Предложен принципиально новый механизм динамики газов в обводненных пористых средах и полигонах ТБО, в котором основная роль отводится локальному массопереносу (разгрузке) газов из почвы в атмосферу по участкам среды с максимальной газопроницаемостью под действием биогенного градиента давления [Смагин, 2003].
В заключительной главе исследуется проблема описания физического состояния почв и его динамики, актуальность которой определяется ролью физических свойств и процессов в почвах в формировании их плодородия и других экологических функций. Впервые предложено рассматривать физическое состояние биокосных систем как продукт взаимодействия твердой, жидкой и газовой фаз и биогенной организации, проявляющейся в процессах синтеза и распада ОВ. Даны теоретический анализ сил и факторов, контролирующих межфазные взаимодействия и устойчивость состояний почвенных физических систем, а также их количественная характеристика на базе оригинальных инструментальных методов [Смагин, 2003, Смагин, Садовникова и др. 99]. Выявлена существенная роль молекулярных взаимодействий в формировании физического состояния и водоудерживающей способности почв, что меняет традиционные воззрения в этой области, опирающиеся на капиллярную теорию. Предложен новый подход к оценке почвенно-гидрологических констант по ОГХ с использованием теоретического анализа равновесия сил в трехфазной физической системе [Смагин, 2003,]. Показана условность понятия гидрологических констант и их динамичность в зависимости от дисперсности, ионно-электростатического и структурного (ПАВ) барьеров, обеспечивающих
устойчивость ЭПЧ к агрегации, а также пленочной влаги к действию капиллярных и гравитационных сил. Дана количественная оценка фактора биогенной организации в формировании физического состояния и водоудерживающей способность почв на основе зависимостей основной гидрофизической характеристики от содержания природных (гумус, детрит) и синтетических (гидрогели) биополимеров [Смагин, 93, 96, 2003, Смагин, Садовникова, 94, Смагин, Хайдапова и др.,2002, Смагин и др.,2003, 2004]. Теория и методы оценки физического состояния почв положены в основу разработки оригинальных слоистых влагоаккумулирующих конструкций типа «сэндвич», применение которых в городских условиях О.А.Э. позволило достичь 30-50% экономии поливной влаги и снять угрозу вторичного засоления при выращивании зеленых насаждений [Смагин, Губер и др.,99, Смагин, Садовникова и др. 99].
В целом, научная новизна исследования состояла в разработке концептуально-
методическая базы нового биогеофизического направления в почвоведении, предметом
которого являются физические закономерности организации и функционирования почв
как динамических биокосных систем [Смагин, 96, 99, 2003]. Впервые на основе
оригинальных кинетических моделей и методов исследования удалось изучить
физические механизмы и количественные закономерности устойчивости и
самоорганизации динамических биокосных систем, нелинейных триггерных и
колебательных режимов их функционирования, пространственно-временной динамики
органопрофиля, формирования экологической газовой функции, физического состояния и
водоудерживающей способности типичных почв лесных, степных, болотных,
сельскохозяйственных и городских ландшафтов. Выявлено значение органического
вещества почв в их структурно-функциональной организации. Впервые на
количественном уровне показана роль молекулярных взаимодействий и энергетических
барьеров между физическими фазами почв в формировании их структурного состояния и
водоудерживающей способности. Разработаны и адаптированы применительно к почвам
новые инструментальные методы биофизического анализа на основе газовой
хроматографии, ИФК-спектроскопии, кондуктометрии и равновесного
центрифугирования.
Практическая значимость:
Полученные экспериментальные материалы, методические разработки и теоретические обобщения широко используются в образовательном процессе на ф-те почвоведения МГУ и Экологическом ф-те Православного Университета. В частности, на основе выполненных исследований автором подготовлены учебные лекционные курсы «Газовая фаза почв», «Биогеофизика», «Почвоведение с основами экологии», цикл лекций
12
по коммерческим курсам «Ландшафтный дизайн с основами почвенного
конструирования». Большая часть разработанных методик используется во время летней полевой практики по физике почв под руководством автора в УОПЭЦМГУ «Чашниково», в лабораторных практикумах ф-та почвоведения МГУ по курсам «Физика почв», «Массоперенос в почвах», в экспериментальных работах студентов, аспирантов и стажеров ф-та почвоведения МГУ. Материалы исследования вошли в отчеты НИР ф-та почвоведения МГУ, УОПЭЦМГУ «Чашниково», институтов почвоведения МГУ-РАН, Лесоведения РАН, Микробиологии РАН, НИиПИ Экологии Города, грантов РФФИ, ФЦП «Интеграция», «Университеты России» по изучению функционирования почв и их менеджменту в природных и антропогенных экосистемах. Теоретические положения и методики исследования могут найти широкое применение при решении экологических проблем деградации почв и их физического состояния, устойчивости природных экосистем, загрязнения атмосферы и парникового эффекта, почвенного менеджмента и конструирования. Так на основе предложенных теории и методов оценки физического состояния почвы были разработаны оригинальные слоистые почвенные конструкции, позволившие в условиях экстрааридного климата Объединенных Арабских Эмиратов осуществить 30-50% экономию поливной влаги и предотвратить вторичное засоление при выращивании зеленых газонов. В настоящее время результаты исследования активно используются при подготовке Программы оздоровления городских почв и соответствующей нормативно-правовой базы по заданию Департамента природопользования и охраны окружающей среды при Правительстве Москвы. Защищаемые положения:
Кинетический подход к количественному описанию почв как динамических биокосных систем, математические модели и результаты моделирования пространственно-временной организации и функционирования динамических биокосных систем и их компонентов.
Значение внутренних нелинейных взаимодействий в формировании устойчивости динамики и реакции динамических биокосных систем на внешние воздействия.
Формирование структуры, водоудерживающей способности и плодородия песчаных лесных почв как результата самоорганизации долинных сосновых биогеоценозов.
Экологическая газовая функция почв. Значение внутренних биофизических механизмов генерирования, аккумуляции, транспорта, межфазных
13 взаимодействий газообразных веществ в определении газовой функции почв различных экосистем.
Пульсационный механизм динамики газов в гидроморфных биокосных системах, роль локального конвективного транспорта в эмиссии газов.
Теоретические основы, критерии и методы оценки физического состояния почв. Значение ОВ и молекулярных межфазных взаимодействий в формировании водоудерживающей способности и физического состояния почв.
Личный вклад автора:
Теоретические положения, математические модели и их аналитические решения,
основная часть методов исследования разработаны лично автором. Численные расчеты
по моделям с использованием современных компьютерных программ были осуществлены
автором при помощи профессиональных программистов. Большая часть
экспериментального материала получена автором или под его руководством в коллективных лабораторных, экспедиционных и стационарных исследованиях кафедры физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ, УОПЭЦ МГУ «Чашниково», институтов Лесоведения РАН, Микробиологии РАН, ИниПИ Экологии Города и ряда других организаций. Подавляющее большинство публикаций, обобщающих результаты исследований, подготовлено и написано лично автором, в том числе издания МГУ [Газовая фаза почв, 99, Экологическая оценка...,99, Моделирование динамики...,2001], крупные работы в периодических изданиях [Смагин, 94, 96, 99,2000,2003 ], методические работы и главы методических пособий [Смагин, Смирнов, 91,92,94, Смагин и др,98, Лабораторные методы..,2000, Полевые и лабораторные...2001]. Участие сторонних специалистов в экспериментах и обработке результатов оговорено в соответствующих разделах и отражено в виде соавторства в научных публикациях по той или иной части работы. Помимо того в исследовании широко использовались с соответствующей ссылкой опубликованные в отечественных и зарубежных источниках материалы.
Апробация работы, достижения и публикации:
Основные положения и результаты исследования были представлены, доложены и обсуждены на более чем 30 научных совещаниях, симпозиумах, конференциях отечественного и международного уровня, среди которых - Всесоюзный и Всероссийские Съезды почвоведов (Новосибирск, 89, Санкт-Петербург, 96, Суздаль, 2000), конференция стран Содружества «Физика почв и проблемы экологии», Пущино, 92, теоретический семинар по проблемам почвоведения, МГУ, 97, Ломоносовские чтения, МГУ 98, международная конференция «Деградация почв и опустынивание», МГУ, 99, конференция с международным участием «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Сев.
14 Евразии», Пущино, 2000, научные чтения памяти А.Д. Воронина, МГУ, 2001, 11 школа «Экология и почвы», Пущино, 2002, научно-практическая конференция «Экологическое сопровождение инвестиционной деятельности - 3koREAL 2002», Москва, 2002.
Исследования неоднократно поддерживались грантами РФФИ (98-99, 99-2002, 2002-2003) и получили высокую оценку на академическом уровне в виде премий и золотых медалей Европейской академии (1997, за цикл «Биофизическая организация почв легкого гранулометрического состава) и РАН (2000, за цикл «Структурно-функциональная организация почвенных биофизических систем»).
По теме диссертации опубликовано более 60 работ; включая 6 монографий и учебно-методических пособий и 30 научных статей в отечественных и зарубежных изданиях. Благодарности:
Автор с горячей любовью и глубокой благодарностью вспоминает своих безвременно ушедших родителей и учителей в жизни и науке: С.А. Ильинскую, В.Н. Смагина, В.Н. Виппер, А.Д. Воронина, Г.В. Смирнова, Е.А.. Дмитриева, без которых он не состоялся бы ни как ученый, ни как человек. Глубокую благодарность автор приносит своим родным и близким: Н.Б. Садовниковой, М.В Смагиной, Т.Л. Быстрицкой за неизменную помощь и поддержку в работе, содействие в получении экспериментального материала исследования. Особую признательность автор выражает своим друзьям и коллегам: М.В. Глаголеву за профессиональную помощь в реализации численных расчетов по моделям, критическую проверку отдельных результатов и теоретических положений работы, содействие в проведении полевых экспериментов, Е.М. Шевченко, А.К. Губеру, Е.В.Шеину, А.В. Дембовецкому, А.Б. Умаровой, М.В. Банникову за профессиональную и товарищескую поддержку в экспедиционных условиях, помощь в лабораторных экспериментах и в компьютерной обработке результатов, Л.Ф. Смирновой, Н.И. Петровой, А.С. Мапучарову за предоставление коллекционных образцов почв и минералов и сопутствующей информации по ним, Д.Д.Хайдаповой, О.В. Каревой, А.В. Кириченко и другим сотрудникам, принимавшим участие в исследовании в рамках кафедральной темы «Структурно-функциональная организация почвенных биофизических систем». Автор сердечно благодарит своих учителей и наставников Г.В. Добровольского, И.И. Судницина, Л.О Карпачевского, Ф.Р. Зайдельмана за консультации, ценные советы и замечания по работе, а также руководство соответствующих организаций в лице зав. кафедрой. Е.В. Шеина, замдиректора А.С. Курбатовой и зав. отделом А.Д. Мягковой за возможность осуществления этой работы в рамках НИР кафедры физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ и почвенного отдела НИиПИ Экологии Города.
Показатели состояния и динамики биокосных систем; термодинамический и кинетический подходы к их описанию
Физика - точная наука, в задачу которой входят выявление закономерностей функционирования природных объектов (систем) и их количественное описание. Несмотря на разнообразие и гетерогенность физических систем, все они подчиняются фундаментальным законам, лежащим в основе науки о природе. Универсальность этих законов позволяет осуществлять познание новых, иногда чрезвычайно сложных природных объектов, какими, например, являются биологические и биокосные образования, руководствуясь заранее известной схемой. При этом, вопреки мнению виталистов о принципиальной непостижимости законов жизни с помощью понятий и категорий физики и химии, по причине присущих ей «особенных качеств», в биофизике постулируется единство и универсальность законов природы как живой, так и неживой, а также возможность их научного описания. Как показывает исторический опыт, качества, которые были положены в основу теории витализма (способность регулировать нарушение целостности, самоусложнение пространственной организации, достижение одного конечного результата разными путями, активное уменьшение энтропии в живых организмах и их окружении) оказались присущи многим открытым сложным системам, в том числе и неживой природы. В современном естествознании они рассматриваются как типичные проявления самоорганизации сложных систем, являющейся предметом новой физической науки - синергетики [Хакен, 80].. Специфика живого не отрицается, но связывается с единством происхождения и развития природы, законы которой постепенно открываются человечеству в процессе постижения материального мира. В данном разделе будут рассмотрены основные принципы количественного описания физических систем, достаточные для решения большинства традиционных задач биогеофизики.
Любое исследование начинается с выделения объекта. Для биогсофизики это биокосные системы того или иного уровня организации - от почвенной физической системы и се отдельных компонентов до биогеосферы в целом. Выделение объекта и проведение соответствующих границ диктуется целью исследования. Например, если исследователя интересует структура связей, перенос и трансформация веществ и энергии в биогеоценозе (БГЦ), границы этой биокосной системы в пространстве совпадают с границами ее автотрофного блока - фитоценоза, поскольку существование остальных подсистем напрямую зависит от поступления веществ и энергии, продуцируемых растениями. Выделение почвенного индивидуума, как биофизической системы формально проводится в вертикальном направлении по двум границам - верхней, с атмосферой, и нижней - с грунтовыми водами. Латеральное расчленение удобно проводить по границам биокосной системы более высокого ранга - БГЦ или его структурных элементов (парцелл) [Дылис, 73]. Во всех случаях, независимо от цели исследования, проведение границ не должно нарушать целостности биокосного единства, что, кстати, типично для представителей географического направления в естествознании, отрицающих принцип биоцентричности. Например, лесной биогеоценоз, выделенный по границам доминирующего на данной территории типа леса - целостная система, способная к самоорганизации и устойчивому функционированию. Урочище или фация, выделенные по границам рельефа местности или доминирующей материнской породе будут целостными лишь в том случае, если эти границы совпадут с границами господствующего типа растительности и связанных с ним единой трофической цепью зоо- и микроценозов. В противном случае, это лишь абстрактные категории для географического описания распространения (встречаемости на данной территории) тех или иных объектов, но не для анализа закономерностей их функционирования.
Границы существования биокосной системы во времени, опять таки выделяются по принципу биоцентричности. Это не означает, что с гибелью определенного поколения биокосная система перестает существовать. Напротив, генетическая информация, передающаяся от поколения к поколению, определяет однотипность и устойчивость функционирования системы, имеющей поэтому больший масштаб характерного времени существования. Смена одних биоценозов другими неминуемо ведет к смене режимов функционирования биокосной системы и, соответственно, ее физического состояния. При этом, благодаря инертности твердой фазы почвы, определяющей ее морфологические характеристики, создается впечатление, что никаких изменений не произошло. Возникает довольно распространенная ситуация - на одной и той же почве - два типа растительности. Ошибка становится очевидной, если вспомнить, почва не просто органоминеральная субстанция, а биокосное тело со своим живым веществом в виде микробо- и зооценозов. Последние довольно быстро реагируют на смены в автотрофном блоке БГЦ, приспосабливаясь к новому режиму функционирования и влияя на него через функции утилизации органической материи и снабжение растений минеральными веществами. Поэтому обычные морфологические свойства почвы как физического субстрата, не всегда успевают отразить особенности ее функционирования как биокосного тела. Диагностика последних упирается в поиск селективных характеристик, чутко реагирующих на смены, происходящие в биоценозе почвы и БГЦ в целом. Удачным примером использования таких «характеристик функционирования» являются недавние работы Ф.Р. Зайдельмаиа и Л.С. Никифоровой по диагностике гидроморфизма [2001].
После выделения биокосной системы в пространстве и определения характерного времени ее существования можно перейти к количественному описанию физического состояния выбранного объекта. Поскольку биокосные являются не точечными трехмерными динамическими образованиями, для их описания необходимо ввести переменные пространства (координаты) х, у, z и времени t. Физическое состояние системы при фиксированных значениях пространственных координат и времени однозначно определяют так называемые переменные состояния. В таблице 1 приведен список основных переменных состояния, необходимых и достаточных при феноменологическом описании физической системы с использованием фундаментальных законов механики и термодинамики [Спозито, 84 Смагин, 99].
Указанные величины являются переменными в зависимости от времени и пространства. Если какая-либо из величин сохраняет свое значение постоянным в течение длительного интервала времени, ее называют параметром состояния. Переменные или параметры состояния, зависящие от количества вещества, именуются экстенсивными, а независящие - интенсивными. Очевидно, что при количественном описании объектов различной размерности необходимо оперировать интенсивными переменными, позволяющими проводить сравнительную оценку свойств объектов. Поэтому к универсальным интенсивным переменным (Табл. 1) добавляются характеристики второго порядка - удельные (нормированные) величины). Они являются комбинацией двух и более экстенсивных величин, как, например, влажность (W= m, /ms) - отношение массы воды (т,) и массы твердой фазы (ms).
Поскольку биокосные тела являются поликомпонентными образованиями, содержащими живое вещество и физический субстрат, состоящий из трех фаз - твердой, жидкой и газообразной, первичные показатели состояния (табл.1) и вторичные (удельные) характеристики должны быть записаны для каждого компонента (фазы) исследуемой системы. Так возникают переменные массы живого вещества (биомассы) и ее интенсивные аналоги - плотность популяции, запасы биомассы..., вводятся понятия удельного объема компонентов живого вещества (например, запасы стволовой древесины в м /га), поверхности (например, листовой индекс или удельная поверхность корней, клеток микроорганизмов) характеристики твердой, жидкой и газообразной фаз субстрата (например, плотность почвы и ее твердой фазы, порозность, влажность объемная и весовая, воздухоемкость, давление и температура соответствующих фаз, их энергия и энтропия...). При анализе физического состояния и поведения более дробных компонентов системы, возникает необходимость дальнейшего увеличения количества показателей состояния. Так появляются новые интенсивные величины - плотности или концентрации отдельных популяций, организмов, их частей (например, концентрация корней), отдельных химических соединений и их смесей (например, концентрация солей в почвенном растворе или газообразных компонентов атмосферы).
Часто требуется оценить суммарное количество вещества (энергии) в элементарном слое (биогеогоризонте) системы и определить его динамику (убыль или прибыль) без исследования закономерностей пространственного распределения внутри данного слоя. Такая задача возникает при балансовых расчетах трансформации вещества и энергии в биокосных системах, их поступления и выноса с определенной территории (площади). В этом случае используют интенсивные переменные, называемые запасами вещества (энергии) в слое (биогеогоризонте) мощностью (h) на площади (s). Для нахождения запаса вещества (энергии), сосредоточенных в данном объеме биогеогоризонта (V=sh) с объемной концентрацией (Cv), необходимо перемножить все эти величины: Q=Cvsh. Если вместо объемных концентраций используются массовые, нормированные массой твердой фазы биогеогоризонта, необходимо знать его плотность (рь). В этом случае, расчетная формула приобретает вид: 1 Сщ Pbsh.
Экспериментальные исследования поступления и трансформации органического вещества в биокосных системах
Традиционно используемые в почвоведении показатели содержания органического вещества, получаемые при химическом анализе почв - концентрация органического углерода или гумуса выражаются в процентах от массы почвы. Однако при исследовании процессов динамики ОВ - его накопления, деструкции, вертикального распределения, правильнее использовать интенсивные характеристики, нормированные не массой, а объемом почвы, поскольку баланс вещества составляется относительно элементарного слоя (объема) почвы. Нормирование по объему позволяет избежать «кажущегося» резкого изменения количества ОВ при переходе от минеральных к органогенным горизонтам. Например, если в минеральном гумусовом горизонте содержание углерода 6%, а в подстилке 20% относительно массы, то относительно объема при плотности минеральной массы 1,3г/см , а детрита 0,4 г/см3, получаем весьма близкие величины 7,8 и 8 г/см3, т.е в профильном распределении этого свойства на самом деле нет резкого скачка. В связи с этим в работе используются два показателя содержания ОВ - объемная концентрация и запас, рассчитываемые по данным о процентном содержании (С%), плотности почвы (рь) и мощности слоя почвы (h): при размерностях рь [г/см3] и h [см]. Переменная запаса ОВ используется при количественном описании динамики в нераспределенных биокосных системах, если нет необходимости учитывать транспорт ОВ внутри почвы.
Поступление ОВ на поверхность почвы характеризуется величиной ежегодного растительного опада (L). Его экспериментальная оценка производится с помощью специальных опадоуловителей, представленных в простейшем случае рамой с натянутой мелкой сеткой из инертного материала (нержавеющий металл, пластмассовое волокно). Такие приспособления расставляются не менее чем в Зх кратной повторпости на элементарные участки (парцеллы) БГЦ и в течение года с них периодически собирается опад. В лабораторных условиях опад взвешивается, берется проба на влажность в двукратной повторпости и рассчитывается величина L за данный промежуток времени (t): L=m-100/(100+W)/st, где m - масса влажного опада, W - его влажность в %, s - площадь опадоуловителя.
Экспериментальная оценка деструкции ОВ в природных условиях также осуществляется с помощью весового метода [Смагина,88]. Для этого навеска свежего материала с определенной предварительно влажностью помещается в капроновую сетку-мешок и укладывается на поверхность почвы или зарывается внутрь, в зависимости от цели опыта. Закапывать хорошо разложившийся материал (например, торф) в капроновых сетках в гидроморфную почву на наш взгляд нельзя, поскольку велик шанс выдавливания части образца во влажном набухшем состоянии и завышения тем самым потерь ОВ. По-видимому, из-за этого в одной из немногочисленных работ по оценке деструкции торфа в природных условиях [Зайдельман и др., 2001] были получены величины разложения на порядок превышающие по потерям углерода эмиссию СОг в атмосферу. По окончании опыта материал сушится, взвешивается и по убыли в массе (Дт) находится величина деструкции за период (t), выражаемая в процентах от исходного веса сухого образца как М% =100Дт/(пт1).
В лабораторных условиях величина М может быть определена аналогичным способом при определенных термодинамических условиях (W и Т) в ходе длительных экспериментов [Трофимов и др.,98]. Для оценки потенциальной минерализуемое ОВ, т.е. максимально возможной скорости деструкции предложено использовать инкубационный метод [Методы почвенной..,91] в нашей модификации [Смагин, Садовникова и др.,99, Полевые и лабораторные...,2001]. С этой целью навеска почвы (до 5г) помещается в стеклянный флакон с резиновой пробкой и завинчивающейся крышкой. В почве создается требуемый уровень увлажнения. Для этого удобно совместить анализ с определением потенциала почвенной влаги методом центрифугирования (см. главу 4) и использовать образцы на разных стадиях удаления из их влаги. Флакон с герметично закрытой крышкой устанавливается в термостат с заданной температурой на время около 12-24 часов, необходимое для образования в нем газообразных продуктов деструкции ОВ (преимущественно СОг, а в переувлажненной почве - СОг и СН4). По прошествии требующегося времени во флаконе определяется содержание газообразного углерода с помощью хроматографа или ИФК-газоанализатора (отбор проб производится через резиновую пробку шприцем). Далее закрытый флакон быстро нагревается и до 70С для перевода части адсорбированного и растворенного газа в атмосферу и производится повторное определение. Нагрев удобно проводить в микроволновой печи в течение 5-10мин. По известным данным о приросте газообразного углерода в объемных процентах (ДХ = (X „осле наїрева - Хо), обычно для СОг Хо=0,035%) за интервал времени t рассчитывается потенциальная скорость деструкции (эмиссии углерода в атмосферу) по уравнению [Смагин, Садовникова и др.,99, Полевые и лабораторные...,2001]: где V - объем газовой фазы во флаконе (определяется по окончании опыта добавлением воды), Р - барометрическое давление , R - универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, ms - масса твердой фазы (масса абсолютно сухой почвы). Например, пусть за 24 часа во флаконе со свободным объемом 10 см3 (1(Н(Г6 м3) накопится 1% СОг при температуре 20С (293К), барометрическом давлении 740 мм.рт.ст. (740 101,ЗМ03/760=98,6-103Па) и массе твердой фазы почвы ms=4r. Используя 2.3, получаем: Процент деструкции ОВ (по углероду) определяется, если известно содержание С0рг в почве, как: Так из приведенного примера имеем при Сорг=2,5% (0,025гС/г) : М% = 100-5-10 7/0,025 =0,002%/час или при периоде биологической активности с данной температурой и влажностью 100 сут, М% = 0,002-24-100 = 4,9% в год.
Помимо лабораторного анализа, для определения показателей разложения и гумификации ОВ в полевых условиях была предложена оригинальная модификация метода А.Л. Титляновой [1977] с деструкцией ОВ на безгумусном минеральном субстрате [Смагин и др.,92]. С этой целью предварительно взвешенный опад на прокаленном при 500С минеральном субстрате (материнская порода) помещался не на поверхность почвы, а в стеклянную цилиндрическую воронку, дно которой обтягивалось проницаемой для воздуха и воды инертной стеклотканью, а носик - герметизировался резиновым наконечником для отбора проб на содержание СОг. Воронка устанавливалась вниз дном в небольшое углубление на поверхности почвы. Ее корпус предохранял содержимое от выщелачивания в периоды интенсивных осадков и от возможных биогенных педотурбаций, поэтому единственной причиной динамики ОВ было микробное разложение.
Физическое состояние и динамика газообразных веществ в почвах как биокосных трехфазных системах
Для количественного описания физического состояния почвенного воздуха, необходимо ввести ряд показателей состояния, зависящих от пространственно-временных координат, и определить основные закономерности, связывающие эти характеристики друг с другом. Для начала ограничимся традиционным в почвоведении рассмотрением состояния собственно газовой фазы без учета ее взаимодействия с другими составляющими почвы как трехфазной биокосной физической системы. Дополним набор основных переменных состояния из табл.1 (глава 1) двумя расчетными интенсивными показателями: Концентрация компонента в газовой фазе: где mg - масса данного компонента, Vt - общий объем газовой фазы. Объемное содержание: где Vg - объем данного компонента. Первый показатель обычно выражается в единицах [г/м ], второй - в процентах или ррт (1%=104 ррт). ЭТИ величины дают возможность провести сравнительный анализ объектов разной размерности, содержащих газообразные вещества. Так, в предыдущих разделах, они были использованы при оценке количественного состава почвенного воздуха и в методиках его определения. Поскольку большинство компонентов газовой фазы почвы в естественных термодинамических условиях ведут себя как идеальный газ, в качестве основного уравнения, связывающего переменные состояния, допустимо использовать уравнения состояния идеального газа (Клайперона-Менделеева): где n, М - число молей и молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная (R=8,31441 Дж/моль-К). Разделив обе части уравнения (3.15) на общий объем газовой фазы (Vg), получим формулу, связывающую концентрацию компонента в газовой фазе (Cg) с его объемным содержанием [Смагии,99]: X% - объемное содержание, выраженное в процентах. Очевидно, что при одном и том же количестве газа (массе газа в единичном объеме воздуха) величина объемного содержания может меняться в зависимости от давления и температуры, поэтому правильнее выражать результаты количественного анализа газовой фазы не в объемных процентах или ррт, а с помощью показателя концентрации.
Корректная информация об объемном содержании газообразных веществ должна сопровождаться данными о температуре и давлении. Это следует помнить при организации исследований компонентов газовой фазы. В большинстве случаев результаты инструментальных анализов содержания газообразных веществ выражаются в объемных единицах, и при переходе к массовым концентрациям требуются данные синхронных определений Т и Р в месте отбора образцов газовой фазы. Уравнение (3.16) используется при получении соответствующих расчетных формул в предложенных методах исследования газовой фазы почв (раздел 3.2). Почвенный воздух является смесью газов и паров и подчиняется закону Дальтона, согласно которому парциальное давление компонента газовой смеси (Pj) равно произведению его мольной доли на суммарное барометрическое давление (Р). Учитывая, что мольная доля пропорциональна объему газа (3.15), получаем связь между парциальным давлением и объемным содержанием газа (Xj) в виде: Уравнение состояния (3.15) устанавливают связь между четырьмя основными показателями однофазной газовой системы. Оно дополняется фундаментальным выражением для расчета термодинамического потенциала компонента газовой фазы (вывод, см. (1.2) -(1.4)).
Аналогичные показатели - концентрации, давления, температуры, потенциалы вводятся для газовых компонентов в двух других фазах почвенной физической системы - жидкой и твердой. Как уже отмечалось в главеї, из условия равновесия термодинамических потенциалов легко найти законы распределения веществ и энергии во взаимодействующих системах и их отдельных частях, оценив тем самым равновесное физическое состояние как наиболее вероятное состояние при котором система будет иметь относительный максимум энтропии (S) и минимум энергии (ці). Любые локальные флуктуации интенсивных показателей в таком состоянии будут со временем затухать (релаксировать). В результате однофазная газовая система должна характеризоваться однородным (изотропным) распределением ее компонентов. Однако в реальных условиях на изолированную по тепло- и массообмену (закрытую) систему может действовать внешнее потенциальное поле, например, земное тяготение. Получаемая из условия равновесия гравитационного потенциала и термодинамического потенциала компонента газовой фазы (3.18) барометрическая формула (см. 1.7) позволяет оценить расслаивание изотропной смеси газообразных веществ в иоле силы тяжести на тяжелые и легкие компоненты. Как показывает расчет по формуле (1.7) это явление заметно лишь при очень больших (103-104 м) высотах, а в масштабе почвенной толши (h=0,l-l,0 м) оно не проявляется, и смесь газов с различными молекулярными массами остается однородной в силу доминирования кинетической энергии теплового движения молекул (RT) над потенциальной (Mgh) [Смагин, 99]. Наблюдаемое в почве, возрастание содержания СОг с глубиной в сотни раз при h=0,l-l,0 м есть следствие другого (не равновесного) механизма - комбинации процессов диффузии, конвекции («гравитационного стекания») и внутреннего биогенного источника газа, который будет рассмотрен несколько позже. А пока, оставаясь в рамках термодинамического описания состояния почвенного воздуха, перейдем к оценке межфазных взаимодействий газов в почвенной физической системе.
Теоретический анализ межфазных взаимодействий, роль энергетических барьеров и сил молекулярной природы в формировании структуры и водоудерживающей способности почв
Обратимся к анализу связей определенных выше термодинамических характеристик (потенциалов) с базовыми показателями (дисперсностью, влажностью, плотностью...) присущими данному состоянию почвенной физической системы. Очевидно, такие связи являются основным предметом термодинамической теории физического состояния почв. Для этого рассмотрим совокупность сил, возникающих между отдельными фазами почвы как коллоидно-капиллярно-пористой системы в зависимости от ее вещественного состава, дисперсности и структурной организации, следуя работам [Водные свойства...,37, Воронин, 84,90, Глобус, 87, Гольдштейн, 73, Кип, 33, Лебедев, 36, Лыков, 50, Нерпин,Чудиовский, 67, Основы агрофизики, 59, Поверхностные пленки...,88, Родс,52,55,60, Связная вода...,77, Спозито, 84, Судницин, 79,95, Физические и химические...,87, Физические условия...,55, Щукин и др..82, Campbell,85.]. Ведущее значение во взаимодействии элементов твердой, жидкой и газовой фаз в почве принадлежит силам молекулярной природы, среди которых выделяются собственно молекулярные (Ван-дер Ваальсовы) силы притяжения со стороны поверхностей высокодисперсных почвенных частиц и капиллярные, возникающие в трехфазных (ненасыщенных) пористых средах с искривленной поверхностью раздела фаз. Силы молекулярной адгезии обеспечивают, наряду с водородными, адсорбцию влаги в пределах влажности монослоя, и в дальнейшем - полимолекулярную адсорбцию, формирование водных пленок, поглощение и удерживание влаги при набухании, а также слипание (коагуляцию) коллоидных частиц и цементацию почвенных агрегатов. Эквивалентный молекулярным силам перепад давления в жидкой фазе за пределами толщины сольватного слоя (Wa) можно описать уравнением: где А - обобщенная константа Гамакера [Нерпин,Чудновский, 67, Щукин и др.,82]. Для случая симметричных пленок (двухфазная система) величина А=24л5 ат/ж, где 5 -молекулярный радиус (для воды «1,5-10 10 м), аЛ/ж - поверхностное натяжение на границе раздела твердой и жидкой фаз. Его оценка двумя независимыми способами дает для почв диапазон 20 ат/ж 200 мДж/м2 (10"20 А 10"19Дж), что близко к приводимым в литературе данным для пленок на кварце (стекле) [Нерпин,Чудновский, 67, Связная вода...,77 Щукин и др.,82]. При этом первый способ по сути аналогичен предложенному ранее Ворониным расчетно-экспериментальному методу определения ОГХ [Воронин, 84,90] и сводится к аппроксимации экспериментальных данных уравнением (4.19) [Смагип, 2003]. Предварительная оценка параметра Wa осуществляется по сингулярной точке ИС, согласно обсуждаемой выше методике [Харитонова, Витязев, 2000]. Второй способ основан на использовании уравнения Гриффитса при известных ИС и зависимостях прочности агрегатов от влажности (П№). Явление понижения прочности дисперсных материалов под влиянием адсорбции веществ на их поверхности хорошо известно в коллоидной химии под названием эффекта Ребиндера и сводится к уменьшению поверхностной энергии тел [Щукин и др., 82]. Закон Гриффитса связывает величину относительного понижения поверхностной энергии (Да) с изменением прочности при адсорбции веществ: где По, П№ - прочности сухих и адсорбировавших влагу образцов. Закон должен выполняться для почв, поскольку они ведут себя в сорбционном диапазоне влажности как твердые, упругохрупкие тела [Воронин, 84,90].
Фундаментальное уравнение Гиббса позволяет определить понижение поверхностной энергии по зависимости адсорбции от давления паров воды [Щукин и др.,82]: где Г - удельная адсорбция по Гиббсу, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура.
Выражая величину Г через влажность почвы (W) и ее удельную поверхность (r=W/MS, М -молекулярная масса воды) и комбинируя уравнения (4.20), (4.21), получаем: Формула (4.22) позволяет определить искомый показатель ат/ж как величину, обратную тангенсу наклона прямых, получаемых при расположении экспериментальных данных по прочности и адсорбции в координатах :х = (R17MS)JWdln(P/Po); у = (По2-П„,2)/По2. На рис.57 представлены результаты такого определения на образцах исследуемых почв. Предварительно для образцов были получены ИС газохроматографическим методом и зависимости прочности агрегатов от влажности (П№). При этом использовался оригинальный и простой метод - раздавливания увлажненных при заданном давлении водяного пара почвенных агрегатов на электронных бытовых весах с предельной нагрузкой до 6 кг. В момент разрушения агрегата, фиксируемый тактильно, снимались показания весов (т), что позволяло, зная эффективный радиус агрегата (г), рассчитать его прочность как: П = mg/4rcr, где g - ускорение силы тяжести. Исследовались агрегаты диаметром 6 мм в 20-25 кратной повторносте. Численное интегрирование функции Wdln(P/Po), построенной по данным о сорбции паров влаги почвами, осуществлялось с помощью специально составленной программы в виде макроса Excel (автор - М.В. Глаголев). Анализ графиков показывает, что, несмотря на некоторое варьирование, данные в целом хорошо описываются прямолинейной зависимостью (коэффициенты детерминации 0,94-0,99), что подтверждает справедливость закона Гриффитса для почв в упругохрупком состоянии. Полученные величины поверхностного натяжения ат/ж составили, соответственно для образцов дерново-подзолистых почв гор. В, супесь, железистая цементация: 146,6 мДж/м при S=53,1±5,7M /г; гор А, опесчапеппый легкий суглинок: 51,3 мДж/м при S=54,6±6,4M /Г; гор. В, средний суглинок: 74,8 мДж/м2 при S=109,l±7,lM2/r; гор. Е, тяжелый суглинок: 92,1мДж/м2 при S=140,l±9,9M2/r и для гор А, коллоид (торфонавозный компост): Примечательно, что полярно противоположные по дисперсности образцы (супесь и органический коллоид) характеризовались близкими и максимальными в рассматриваемом ряду значениями ат/ж. Увеличение межфазного натяжения указывает на гидрофобизацию поверхности, которая, в случае супесчаного образца, очевидно, является следствием железистой цементации, а в коллоиде возникает по причине повышенного содержания гидрофобных компонентов органического вещества.
