close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C5F2AD70A

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Хан Константин Юрьевич
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ
Специальность 06.01.03 – агрофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Пущино 2012
Работа выполнена в лаборатории функциональной экологии Учреждения Российской
академии наук Институт фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино,
Московская обл.
Научный консультант:
доктор биологических наук, профессор
Поздняков Анатолий Иванович
Официальные оппоненты:
Мазиров Михаил Арнольдович
доктор биологических наук, профессор зав. кафедрой
земледелия и опытного дела Российского
государственного аграрного университета-МСХА им.
К.А. Тимирязева
Сапожников Петр Михайлович
доктор сельскохозяйственных наук, профессор,
ведущий научный сотрудник отдела агроэкологической
оценки и мониторинга почв Почвенного института им.
В.В. Докучаева
Зубкова Татьяна Александровна доктор биологических наук, ведущий научный
сотрудник кафедры физики и мелиорации почв
факультета Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
Ведущее учреждение:
Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии
Защита состоится «____» _____________ 20___ г. в 15 часов 30 мин. в аудитории М-2 на
заседании диссертационного совета Д 501.002.13 при Московском государственном
университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Воробьёвы горы,
МГУ имени М.В.Ломоносова, факультет почвоведения.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан «_____» _______________ 20 ___ г.
Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании
диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в двух экземплярах,
заверенные печатью по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Воробьёвы горы, д.1, строен. 12,
МГУ имени М.В.Ломоносова, факультет Почвоведения, Ученый совет (или по факсу
(8499) 939-24-67).
Ученый секретарь
диссертационного совета ___________________ Галина Михайловна Зенова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
3
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
напряжений.
4
действием
механических
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 (χ) 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 (χ), распределенных на единице площади
контактного
сечения,
водоустойчивых
которые
агрегатов
однозначно
определяют
Функциональная
(Рс).
связь,
прочность
структуры
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
локализованные
коллоидов.
на
внешней
Высокодисперсные
поверхности
органо-глинистые
водоустойчивых
ядер,
частицы,
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,
функционирования.
5
закономерности
строения и
2. 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
(χ),
на
единице
площади
разрушения
водоустойчивых агрегатов. Установлено, что энергетические характеристики однозначно
определяют прочность структуры водоустойчивых агрегатов почв - Рс = р1·χ.
3. 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
6
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.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Механизмы образования почвенных агрегатов
На всех этапах развития почвоведения изучению, факторов, влияющих на
почвообразовательный процесс и, в особенности на структуру почвы уделялось
пристальное внимание В.В. Докучаевым, П.А. Костычевым, В.Р. Вильямсом, К.К.
Гедройцем, Н.А. Качинским, Н.И. Саввиновым, А.Д. Ворониным, А.Г. Дояренко, П.В.
Вершининым, Бэвером, Мюккенхаузеном, Брюэром и др.).
Изучению
физических,
химических,
физико-химических
и
структурно-
механических свойств почв и почвенных агрегатов посвящено большое количество работ
(Филатов, 1936; Охотин, 1937; Тюлин, 1946; Антипов-Каратаев и др., 1948; Вершинин,
1958; Александрова и др., 1958; Келерман, 1959; Качинский, 1965; Горькова, 1966; Хан,
1969; Горбунов, 1967, 1974; Гольдштейн, 1973; Травникова и Титова, 1978; Абрукова,
1980; Шаймухаметов, 1974; Шаймухаметов и др., 1984; Титова, 1976; Воронин, 1971;
1984, 1986; Титова и др., 1989; Травникова, Титова и Шаймухаметов, 1992, 1995;
Медведев, 1994; Зубкова, Карпачевский; 2001; Куваева и Фрид, 2001; Ванюшина и
Травникова, 2003; Шеин, 2005; Хайдапова, 2007; Милановский, 2009; Martin, Haider, 1986;
Schnitzer, 1991; Rashid, 1972; Theng, 1974 и др.). Однако, несмотря на это, механизмы
образования, механизмы устойчивости и механизмы функционирования почвенных
агрегатов до настоящего времени изучены слабо. Так, практически не исследованы
физико-химические механизмы контактных взаимодействий частиц в агрегатах почв,
которые определяют закономерности их образования и функционирования.
Агрегатный уровень - это один из самых специфических уровней структурной
организации почв, позволяющий отделять почву от почвообразующей породы, отличать
одну почву от другой. Особые функции и свойства агрегатов, их формы и размеры
изучены и выявлены у самых разных почв, но сам механизм образования агрегатов разной
формы и размеров, в том числе в почвах близких по генезису, остается до сих пор не
выясненным (Розановым, 1975, 1982; Ворониным, 1984, 1986; Зубкова, Карпачевский,
2001).
В первой главе рассмотрены существующие в настоящее время теории
структурообразования в почвах. Одной из наиболее ранних теорий, получивших в свое
время широкое признание, является коагуляционная теория К.К. Гедройца (1926, 1955).
Впоследствии она получила дальнейшее развитие в работах И.Н. Антипова-Каратаева с
сотрудниками (1948). К.К.Гедройц (1955), Э.Рассел (1959), Н.А. Качинский (1965)
рассматривавшие процесс агрегирования элементарных почвенных частиц вплоть до
образования макроагрегатов, с позиций теории коагуляции, не учли корректно условия
8
образования почв, которые в большинстве случаев не соответствуют тем условиям, при
которых происходит коагуляция в суспензиях (Воронин, 1984). Тем не менее,
теоретические представления К.К. Гедройца (1955), несмотря на ряд дискуссионных
положений, в целом внесли существенный вклад в понимании процессов образования
природных коагуляционных
структур и закономерностей формирования органо-
глинистых дисперсий в почвах и глинистых грунтах (Шеин, 2005).
Существенный вклад в теорию структурообразования внес В.Р. Вильямс (1939),
который обосновал доминантную роль в процессах структурообразования биологического
фактора и в первую очередь значение «свежего» органического вещества в формировании
зернистой структуры, которое образуется в анаэробных условиях. Он предполагал, что
анаэробные процессы протекают внутри почвенных агрегатов, а на их поверхности –
аэробные процессы. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в
работах И.С. Кауричева и Л.Ф. Татариной (1972), К.И. Рудакова (1951), А.Л. Степанова
(1977), А.Л. Степанова и Н.А. Манучаровой (2006), а также и в некоторых зарубежных
исследованиях (Hattori, 1973; Klein, Thayer, 1966;Greenwood, 1968; Sexstonу et al., 1985
1973).
Обобщенная схема, предложенная Харрисом, Честером и Алленом (Harris, Chester,
Allen, 1965), в самом общем виде рассматривает возможные связи, образующиеся между
минеральными компонентами и гумусовыми веществами почв. Показано, что такие связи
могут образовываться через катионные мостики, а также между положительно
заряженными ребрами и отрицательно заряженными гранями глинистых доменов,
гидроксилами гумусовых кислот и кислородами силикатных слоев, преимущественно
расположенных на внешних поверхностях доменов. В образовании связей могут принять
участие и силы Ван-дер-Ваальса, связывающие ребра домена с гумусовыми кислотами.
Изложенное свидетельствует о том, что в почвах, а, следовательно, и в почвенных
агрегатах образуются самые разнообразные структурные связи. Все компоненты,
входящие в состав почвенных агрегатов, удерживаются в них структурными связями устойчивыми силами притяжения, которые локализованы в контактах и придают
агрегатам механическую прочность и водоустойчивость. Однако общие представления о
структурных связях, образующихся между различными компонентами почв, к настоящему
времени уже недостаточны для того, чтобы выяснить механизмы образования почвенных
агрегатов и особенности их строения.
К настоящему времени исследованы физические и химические свойства
водоустойчивых агрегатов различных типов почв, выявлена роль органического вещества
в образовании водопрочной структуры (Антипов-Каратаев и др., 1948; Келерман, 1958;
9
Кузнецова, 1994, 1998; Данилова, 1994). При изучении механизмов формирования
водоустойчивости почвенных агрегатов заслуживает внимания гипотеза, предложенная
Е.В. Шеином и Е.Ю. Милановским (2003), основная идея, которой заключается в том, что
амфифильные
гумусовые
вещества
осуществляют
минеральными
частицами,
формируя
почвенные
связь
агрегаты
между
и
отдельными
обусловливая
их
водоустойчивость.
Структура агрегатов очень чувствительна к изменению условий почвообразования.
Между устойчивостью и строением почвенных агрегатов существует структурнофункциональная
связь.
К
настоящему
времени
строение
высокодисперсных
органоглинистых частиц, микроагрегатов, водоустойчивых ядер и макроагрегатов изучено
слабо, а структурные связи, формирующиеся между частицами почв под действием
молекулярных, капиллярных, дипольных, электростатических, структурных и магнитных
сил, практически не исследованы. Вопрос о том, какие силы и в каком сочетании
являются определяющими при формировании агрегатов, различающихся уровнями
структурной организации, до настоящего времени остается не выясненным. Именно
поэтому до сих пор остаются не понятыми принципы и законы организации структурных
элементов в почвенных агрегатах.
Для выяснения физико-химических механизмов образования, устойчивости и
функционирования почвенных агрегатов необходимо, во-первых, обобщить результаты
экспериментальных и теоретических исследований, посвященных структурообразованию
в почвах; во-вторых, создать концепцию образования и разрушения почвенных агрегатов,
основанной на физико-химической теории прочности дисперсных структур; в третьих,
разработать методы экспериментального определения энергетических, кинетических и
динамических параметров, характеризующих прочность структурных связей в почвенных
агрегатах, формирующихся в процессе «развития», «эволюции» и «метаморфоза» почвы
(Захаров, 1927; Роде, 1947).
Глава 2. Методы и объекты исследования
Высокодисперсные частицы почв, взаимодействуя друг с другом, формируют в
агрегатах сплошную пространственную сетку, каркас, который связывает между собой
микроагрегаты и неагрегированные частицы почв. Агрегаты, которые не размокают и не
распадаются при смачивании в воде, являются водоустойчивыми, они способны
сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Если удалить воздух из сухих
агрегатов путём вакуумирования или медленного капиллярного увлажнения, а затем их
смочить в воде, то водоустойчивая структура агрегатов сохраняется. Поэтому образцы
10
агрегатов, полученные путём медленного капиллярного увлажнения, были использованы
при исследовании прочности водоустойчивой структуры агрегатов.
Воздушно сухие агрегаты при смачивании в воде интенсивно разрушаются под
действием воздуха, содержащегося в порах агрегата, и расклинивающегося давления
тонких пленок воды, локализованных в контактах. При мокром фракционировании
воздушно-сухих
агрегатов
мы
получаем
ценные
результаты,
характеризующие
содержание и распределение по размерам фракций водоустойчивых агрегатов в почвах.
Однако, этих данных не достаточно для количественной оценки прочности структуры
водоустойчивых агрегатов Рс, которая определяется силой сцепления частиц р1 и
количеством контактов χ, отнесенных к единице площади разрушения.
Ниже
излагается
методика
экспериментальной
оценки
динамических,
энергетических и кинетических параметров, определяющих прочность структуры
водоустойчивых агрегатов Рс.
2.1. Определение макроскопической прочности водоустойчивой
структуры агрегатов
Основное
фундаментальное
уравнение
физико-химической
механики
устанавливает зависимость между прочностью дисперсной структуры Рс, средним
значением силы сцепления р1 частиц в индивидуальных контактах и числом связей χ
(контактов), распределенных на единичной площади разрушения (Ребиндер, 1979; Щукин
и др., 1982; Дерягин и др., 1987; Осипов, Соколов, Румянцева, 1989; Van Olphen, 1977 и
др.). Оно имеет следующий вид:
Рс = р1·χ .
(1)
Определив величины Рс (Н/см2) и χ (контактов/см2) можно рассчитать среднюю
прочность индивидуального контакта р1 (Н/контакт) и тем самым оценить величину
структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв – основного физико-химического
параметра, определяющего их макроскопическую прочность.
Для экспериментальной оценки Рс применяются различные методы (метод
Вейлера-Ребиндера, пластометр Ребиндера, метод Цытовича, методы разрыва, метод
одноосного растяжения образцов и метод сдвига). Однако эти методы нельзя использовать
для корректной оценки макроскопической прочности Рс водоустойчивой структуры
агрегатов. Обусловлено это как конструктивными особенностями приборов и установок,
так и спецификой определения макроскопической прочности водоустойчивой структуры
почвенных
агрегатов
(их
малые
размеры,
влагонасыщенном состоянии и т.д.).
11
форма,
проведение
измерений
во
Для определения макроскопической прочности Рс водоустойчивой структуры
агрегатов нами разработан динамический метод разрушения капиллярно увлажненных
агрегатов почв каплями, падающими на их поверхность с определенной скоростью Vк
(Хан и др., 1990, 1991, 2007). Теоретическую основу метода составляют представления о
предельно допустимом напряжении Рд, а также представления об энергетическом барьере
активации структурных связей Uа и энергетическом барьере разрушения структурных
связей Up в агрегатах. Под действием напряжений структурные связи в агрегатах почв
«устают», они активируются, а затем разрушаются. Этот процесс определяется
соотношением энергетических барьеров активации Uа и энергетических барьеров
разрушения Up водоустойчивых структурных связей. Эти энергетические уровни,
определяющие усталость и последующее разрушение структурных связей, создавались
каплями, падающими на капиллярно увлажненные агрегаты с определенной скоростью
(Vк =0 - 6,0 м/с), в течение заданного времени t с интенсивностью I = 2,50 мм/мин.
Макроскопическая
прочность
структуры
водоустойчивых
агрегатов
Рс
определялась исходя из условия: Рд = Рс. Допустимое напряжение в рассматриваемом
случае – это предельное максимальное напряжение не разрушающее водоустойчивые
агрегаты. При P > Рд – происходит интенсивное разрушение агрегатов.
Напряжение (Р, Па) , возникающее при неупругом взаимодействии капиллярно
увлажненных агрегатов с каплями, падающими со скоростью равной Vк , определялось по
следующей формуле:
π
ρd 2к Vк2
F
F
π
6
P= =
=
=
ρVк2 = 1,43ρVк2 ;
2
2 2
2
αβ d к
S ( βd к )
6αβ
(2)
где F – сила удара капель (Н); ρ = 1000 кг/м3 – плотность воды; Vк - скорость капли (м/с),
м/с; α ≈ dт/dк – коэффициент, учитывающий торможение капель при неупругом
столкновении их с капиллярно увлажненными агрегатами почв; β – коэффициент,
учитывающий изменение контактной площади S ≈ (βdк)2 при неупругом ударе капель с
капиллярно увлажненными агрегатами почв (рис.1).
Рассматриваемая формула (2) получена нами на основании анализа и обобщения
как собственных данных (Сухановский, Хан, 1983; Хан и др., 1990, 1991; 2007), так и
результатов
экспериментальных
и
теоретических
работ,
выполненных
другими
исследователями (Сластихин, 1964, 1971; Гаджев, 1968; Листопад, Чижиков, 1970;
Мирцхулава, 1970; Швебс, 1974; Гегузин, 1977; Московкин, Гахов, 1979; Macklin,
Mamaxas, 1976; Chdiri, Payne, 1977; Cheng Lung, 1977).
12
1,2
90000
б
80000
1
а
70000
60000
Р, Па
α, β
0,8
0,6
50000
40000
Ряд1
30000
0,4
Ряд2
Ряд3
20000
Ряд4
0,2
10000
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
8
1
2
3
Vк, м/с
5
6
7
8
Зависимость Р от Vк:
ряд1 – dк = 1,0 мм; ряд2 - dк = 2,0 мм;
ряд3 - dк = 3,2 мм; ряд4 - dк = 4,0 мм
Зависимость коэффициентов α и β от Vк:
dк = {1,0; 2,0; 3,2; 4,0 мм}; ∆ - β = f(Vк);
■ – α = f(Vк)
60000
3
2,5
в
г
50000
2
Па
40000
1,5
30000
Р,
α,β
4
Vк, м/с
1
20000
0,5
10000
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
Vк, м/с
2
3
4
5
6
7
Vк, м/с
Зависимость коэффициентов α и β от Vк:
dк = 5,0 мм; ∆ - β = f1(Vк); ■ – α = f2(Vк)
Зависимость Р от скорости капель Vк:
dк = 5,0 мм
Рис. 1. Закономерности, характеризующие особенности неупругого столкновения капель с
капиллярно увлажненными агрегатами почв
При неупругом взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами
изменения коэффициентов α и β (рис.1) тесно связаны между собой – с увеличением
коэффициента α закономерно уменьшается коэффициент β, а произведение их остаётся
величиной постоянной (φ = α*(β2) = 1,430). Отметим, что в формулу (1) для определения
напряжений Р не входят ни диаметр капель ни площадь контактных взаимодействий, так
как их значение количественно оценено через коэффициенты α и β. Формула (2), в
отличие от раннее разработанных теоретических зависимостей, количественно учитывает
растекание капли на изменение пути торможения капли (dт = αdк) и площади контактного
взаимодействия S = (βdк)2 , что позволило с погрешностью, не превышающей 1-2%,
определять по формуле (2) напряжение, возникающее при неупругом взаимодействии
капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв (рис.1).
13
Для определения допустимого напряжения Рд, характеризующего прочность
структуры
водоустойчивых
агрегатов,
разрушению
каплями
подвергались
6-8
предварительно подготовленных для этой цели капиллярно увлажненных образцов. Опыт
проводился на специальной установке (Хан и др., 1990, 1991, 2007) в течение 20 минут,
скорость падения капли изменялась от 0 до 6 м/с. После завершения опытов в каждом
образце определялся средневзвешенный диаметр водоустойчивых частиц (dj), на
основании результатов мокрого фракционирования образцов.
7
8
Vкд =2,51 м/с
7
Vкд = 2,50 м/с
6
5
5
4
n
n
6
4
3
3
2
2
1
1
0
0
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,5
1
4
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Vк, М/с
Vк, м/с
Капиллярно увлажненные агрегаты (Dку = 4,0 мм)
1,5
Капиллярно увлажненные агрегаты (Dку = 6,0 мм)
Рис.2. Определение допускаемой скорости падения капель (Vкд) для капиллярно увлажненных
агрегатов гор. Апах (0-15 см) темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы (Ростовская обл.)
Контролем служили капиллярно увлажненные образцы агрегатов, которые не
подвергались разрушению каплями (d0 – средневзвешенный диаметр не разрушенных
3
капиллярно
увлажненных
агрегатов).
d 
Показатель n =  j  ,
 d0 
характеризующий
количество фрагментов-осколков, которые образуются при разрушении водоустойчивых
агрегатов, зависит от скорости капель. Если экспериментальные данные разрушения
каплями капиллярно увлажненных агрегатов представить в координатах Y = n и Х = Vк ,
то они образуют две пересекающиеся прямые (рис. 2). Точке пересечения этих прямых
соответствует величина допускаемой скорости (Vкд). Определив, таким образом, Vкд по
формуле (2) определяли допустимое напряжение Рд, которое числено равно величине Рс,
т.е. прочности водоустойчивой структуры агрегатов (рис. 2).
14
2.3.Кинетический метод исследования прочности структуры
водоустойчивых агрегатов
Совместное
действие
механических
напряжений
и
снижение
свободной
поверхностной энергии приводит к уменьшению прочности структуры водоустойчивых
агрегатов, определяющих их длительную прочность. С.Н. Журковым (1953, 1955, 1957,
1958,)
на
основании
экспериментальных
исследований
получена
универсальная
зависимость (3), описывающая кинетику разрушения твердых тел – их усталостную
прочность (t):
t = t 0e
U 0 −γP
kT
,
(3)
где t – время от момента приложения на твердое тело напряжений (Р) до его разрушения
(длительная прочность тела, их долговечность), мин; U0, t0 и γ – константы, определяющие
прочностные свойства вещества, Т – абсолютная температура; k – постоянная Больцмана.
Зависимость (3) характеризует усталостную прочность самых разнообразных твердых
веществ - металлов, сплавов, пластмасс стёкол, глинистых пород (Щукин, 1985; Ющенко,
Щукин, 1981; Поваренных, 1963; Королёв и др., 1988).
100
140
а
120
б
80
t, мин
t, мин
100
80
60
60
40
40
20
20
0
0
11291
12870
14643
16530
2416
3660
4633
5720
P, Па
Р, Па
Рис.3. Зависимость «долговечности» водоустойчивых агрегатов t от напряжения Р, вызванного
действием капель (t – время с момента приложения нагрузки до разрушения капиллярно
увлажненных агрегатов гор. Апах чернозёма карбонатного глинистого (а) и супесчаного (б),
Республика Молдова)
Нами экспериментально установлено, что время t с момента приложения нагрузки до
разрушения капиллярно увлажненных агрегатов закономерно изменяется в зависимости от
величины напряжения Р. t – кинетический параметр, характеризующий «долговечность» или
усталостную прочность водоустойчивых агрегатов.
На рис. 3 в качестве примера
представлены данные, характеризующие изменение длительной прочности капиллярно
увлажненных агрегатов чернозёма карбонатного глинистого (а) и супесчаного (б) в
15
зависимости от напряжения Р, возникающего при взаимодействием капель с капиллярно
увлажненными агрегатами почв.
Е.Д. Щукин (1985) дал теоретическое обоснование универсальному соотношению
(1) С.Н. Журкова на основании энергетической концепции разрушения твердых тел:
U0 = γP + kTln(t/t0),
(4)
где γP – работа, совершаемая механическими напряжениями по разрыву связи между
частицами в контактах; γ – активационный объем; kTln(t/t0) – энергия сообщаемая системе
тепловыми флуктуациями; t0 – период колебания структурной связи, обусловленный
механическими напряжениями и тепловыми флуктуациями; U0 – энергия необходимая
для разрушения единичной структурной связи.
1,6
U0 – начальный энергетический
барьер активации
1,4
Рд – допускаемое
напряжение
Е, n*10^(-19) Дж
1,2
1
0,8
Б
0,6
γ = -tgφ
0,4
А
0,2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Р, кПа
Рис.4. Изменение активационного барьера Е в зависимости от механического напряжения Р .
Почва – чернозем карбонатный глинистый;
А – область активации структурных связей; Б – область разрушения активированных структурных
связей. Остальные обозначения в тексте.
Если учесть, что кинетика разрушения твердых тел определяется величиной
активационного барьера Е = U0 – γP (Журков и Санфирова, 1958), то его можно оценить
по соотношению (5):
Е = kTln(t/t0) = U0 – γP.
(5)
Зависимость (5) позволяет определять величину активационного барьера разрушения Е по
значениям t, при условии, что процесс разрушения водоустойчивых агрегатов
16
осуществляется при постоянной температуре Т, так как в этом случае значение
активационного барьера разрушения Е однозначно определяется величиной напряжения
Р.
На рис.4 экспериментальные данные, характеризующие длительную прочность
водоустойчивых агрегатов (t) представлены в координатах Y = kTln(t/t0) и Х = Р. В
указанных координатах экспериментальные данные (рис.4), характеризующие изменение
барьера активации (Е) в водоустойчивых агрегатах гор. Апах чернозёма обыкновенного
глинистого (Республика Молдова) в зависимости от напряжений (Р), вызывающих
усталость и последующее разрушение водоустойчивых структурных связей, ложатся на
прямую, которая при Р = 0 отсекает на оси ординат отрезок b = U0. Величина начального
энергетического барьера активации U0 – равна энергии связи частиц (uсв) в контактах, т.е.
U0 = uсв.= 1,40*10-19 Дж (Журков, Санфирова, 1955; Журков, 1957; Sherby, Frenkel, Nadeau,
1954).
Определив значение энергии связи частиц uсв можно надежно оценить величину
силы
сцепления
частиц
р1
индивидуальных
контактов
используя
следующие
фундаментальные зависимости (Дерягин, 1935, 1956, 1957, 1973, 1987; Щукин, 1958, 1965,
1975, 1981, 1982, 1985, 1988):
uсв ≈ - A*r/12ho = πrhoU(ho) = р1·ho ,
(6)
р1 = uсв/ho.
(7)
-8
Для твердых дисперсий водной среды h0 ≈ 2·10 м.
Результаты по определению силы сцепления частиц р1 в индивидуальных
контактах изложены четвертой главе настоящей работы.
2.4. Объекты исследования
Исследования были проведены на серых лесных (Московская обл.), черноземных
(Ростовская обл., Курская обл., Республика Молдова) и каштановых почвах (Ростовская
обл.).
ГЛАВА 3. Водоустойчивые агрегаты почв: структурные связи
и особенности их строения
Структура почвенных агрегатов характеризуется морфометрическими признаками
(размер, форма, характер поверхности структурных элементов и их количественное
соотношение), геометрическими показателями (пространственная композиция структуры)
и энергетическими параметрами (энергия связи частиц в контактах, прочность
индивидуальных контактов и количество контактов, отнесенная к площади агрегата). В
настоящее время морфометрические и геометрические характеристики агрегатов изучены
17
основательно и всесторонне, тогда как их энергетические параметры остаются пока
практически не исследованными.
Устойчивые силы притяжения (структурные связи) между взаимодействующими
частицами, локализованные в контактах, определяют прочность агрегатной структуры
почв (Осипов, Соколов, Еремеев, 2001). Структурные элементы взаимодействуют между
собой не по всей межфазной поверхности, а только в местах их наибольшего сближения –
контактах. Количество и характер контактов являются важнейшими структурными
характеристиками агрегатов. Они подразделяются на следующие типы: коагуляционные,
переходные
(точечные),
фазовые
(кристаллизационные
и
конденсационные).
В
образовании почвенных агрегатов принимают участие все три типа контактов.
Наряду
с
указанными
контактами
в
почвах
образуются
специфические
конденсационно-фазовые контакты. Они связывают между собой органоминеральные
фракции микроагрегатов, неагрегированные пылеватые и песчаные частицы почв и
формируют из них водоустойчивые ядра, являющиеся основной функциональной
единицей агрегатной структуры почв.
Исследование процессов разрушения агрегатов позволило определить диаметр
водоустойчивых ядер, выяснить закономерности их упаковки в агрегатах и выяснить роль
структурных связей в формировании водоустойчивых агрегатах почв.
3.1. Структурные связи в агрегатах почв
Вода и воздух являются важнейшими компонентами почв. Они играют огромную
роль в формировании и функционировании структуры агрегатов. При уменьшении
влажности от нижнего предела пластичности (Wпп) до максимальной гигроскопичности
(Wмг) наблюдается быстрый рост прочности агрегатов. Обусловлено это появлением в
агрегатах воздуха и формированием в них капиллярных менисков, стягивающих
почвенные
частицы и
повышающих
их
структурную
связанность.
Дальнейшее
уменьшение влажности приводит к исчезновению капиллярных менисков (табл.1)
При влажностях меньших, чем максимальная гигроскопическая влажность
действие капиллярных сил прекращается. Дальнейшее увеличение прочности структуры
агрегатов
связано
с
действием
молекулярных
и
ионно-электростатических
сил
притяжения (табл.1).
При гидратации почвенных агрегатов происходит снижение их поверхностной
энергии и увеличение расстояния между частицами почв за счет расклинивающего
действия гидратных пленок, а при дегидратации, наоборот, - увеличение поверхностной
межфазной энергии и уменьшение расстояния между частицами почв, обусловливающих
18
формирование в агрегатах структурных связей, характеризующихся достаточно высокой
прочностью (табл.1).
Таблица 1. Влияние энергетического состояния воды на закономерности
формирования структурных связей в агрегатах почв
Категории почвенной влаги (Воронин, 1984)
Ψас – Ψс1
Ψс1 - Ψмксв
Ψмксв – Ψгр
Ψ> Ψгр
ПленочноПленочноКапиллярная
Прочносвязанная
Гравитационная
стыковая
капиллярная
вода
пленочновода
вода
адсорбционная
Содержание осмотически связанной воды
вода
минимальное
среднее
максимальное
максимальное
Тип и прочность контактов
Агрегаты
(Ребиндер,1966; Соколов, Осипов, 1977; Щукин, 1985)
коагуляционноближние
дальние
разрушаются
не разрушаконденсационные
конденсационные
коагуляционные
(неводоются
коагуляциионные,
Ψ< Ψас
устойчивые)
-6
-7
р1 ≈ 10 – 10 Н
р1 ≈ 10-7 – 10-9 Н
р1≈ 10-9 - 10-8 Н
р1 ≈ 10-10 – 10--9 Н
Структурные связи
*
Силы отталкивания
**
ионноэлектростатические
*
ионно-электростатические
и молекулярные
силы
ионно-электростатические,
молекулярные,
капиллярные
молекулярные,
капиллярные
(водоустойчивые)
молекулярные
больше
сил
притяжения
меньше
сил
притяжения
Примечание: *отрицательно заряженные базисные поверхности глинистых частиц связываются с
катионами, находящимися в зазоре между ними. **Электростатическое взаимодействие диффузных слоев
ионов, окружающих частицы почвы, формируют при их перекрытии силы отталкивания.
Обозначения: Ψас - потенциал воды при первом слое смачивающей пленки; Ψс1 –капиллярно-сорбционный
потенциал при максимуме пленочной влаги (первый критический потенциал); Ψмксв – потенциал
максимальной капиллярно-сорбционной влагоёмкости; Ψгр = 14,7 Дж/кг – потенциал воды, при котором
поверхность пленки плоская, а толщина её составляет 10 мкм (это расстояние на которое простирается
действие поверхностных сил) (Воронин, 1985)
Разрушаемость – это способность почвенных агрегатов распадаться в воде на
водоустойчивые фрагменты. Если удалить воздух из сухих агрегатов, то при смачивании
они не разрушаются (табл. 2, 3). Если воздушно-сухие агрегаты подвергнуть медленному
капиллярному увлажнению, а после насыщения их влагой погрузить в воду, то агрегаты,
также не разрушаются.
Таблица 2. Разрушаемость агрегатов почв (Вершинин, 1958)
Предварительное
С откачкой
капиллярное
воздуха
насыщение
Воздушно-сухие агрегаты обыкновенного суглинистого чернозема
1
dj, мм
0,93
2,04
2,06
Воздушно-сухие агрегаты дерново-подзолистой суглинистой почвы
1
Варианты
Без откачки
воздуха
dj, мм
0,64
1,70
1,69
dj – средневзвешенный диаметр фракций водоустойчивых агрегатов.
Данный
экспериментальный
факт
имеет
принципиальное
значение
при
исследовании прочности структуры водоустойчивых агрегатов, так как в капиллярно
увлажненных агрегатах (или в образцах агрегатов из которых удален воздух)
19
водоустойчивые структурные связи не разрушаются (табл. 3). Однако эти связи можно
разрушить, если приложить к агрегатам разрушающие механические усилия. Величина
предельно допустимого напряжения (Р) при превышении которой, происходит
разрушение водоустойчивых структурных связей, является количественным показателем,
характеризующим макроскопическую структурную прочность (Рс) водоустойчивых
агрегатов.
Табл. 3. Разрушаемость воздушно-сухих агрегатов в воде
Воздух не удален из
агрегатов
Воздушно-сухие
агрегаты почв
Воздух удален из
агрегатов (откачкой)
ССВ разрушаются,
агрегат распадается на
ВУЯ (метод Саввинова)
H2O
Воздух удален из
агрегатов
капиллярным
насыщением водой
Н2О
Н2О
ССВ не разрушаются,
агрегат не распадается
на ВУЯ
ССВ не разрушаются,
агрегат не распадается
на ВУЯ
Водоустойчивость агрегатов обусловлена специфическими неразрушающими в
воде структурными связями, а водоустойчивое ядро (ВУЯ), формирующееся в почвах,
является основной структурной единицей агрегатов, обусловливающей особенности их
строения и функционирования.
3.2. Количественная оценка разрушаемости агрегатов в воде
Исследования проводились на монофракциях воздушно-сухих агрегатов. В опытах
влажность агрегатов изменялась в широком диапазоне (табл. 4). После установления
равновесной влажности агрегаты подвергались мокрому фракционированию (Саввинов,
1958).
Исследования показали, что разрушаемость агрегатов чернозёмов карбонатных и
обыкновенных, характеризуемая величиной средневзвешенного диаметра фракций
водоустойчивых частиц (dj), закономерно уменьшается с увеличением содержания влаги
(Wj) в агрегатах (табл. 4, 5). При этом воздушно-сухие агрегаты разрушаются и
распадаются до водоустойчивых ядер. В диапазоне от максимальной адсорбционной
влагоёмкости (Wммв) до максимальной капиллярной сорбционной влагоёмкости (Wмксв)
агрегаты распадаются на водоустойчивые осколки, фрагменты со средним диаметром
равным dj, содержащие определенное количество водоустойчивых ядер do. Анализ
экспериментальных данных показал, что связь между влажностью агрегатов (W) и
20
количеством водоустойчивых ядер, образующихся в результате их распада, близка к
функциональной, коэффициент корреляции r > 0,95.
Таблица 4. Изменение диаметра водоустойчивых структурных частиц (dj) в зависимости
от влажности (W). (Диаметр сходных воздушно-сухих агрегатов Dк = 4,0 мм)
pF
Горизонт,
Показатели
см
1,0
1,5
2,0
2,3
2,7
4,5
6,2
Чернозем карбонатный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)
3,17
3,38
2,92
2,28
2,44
0,63
0,42
dj, мм
Апах (0-25)
50,3
39,3
29,0
27,7
24,0
8,4
3,9
Wj, %
2,92
3,30
3,03
2,79
2,55
0,73
0,55
dj, мм
А (25-41)
50,0
33,0
26,0
23,0
20,4
7,6
4,2
Wj, %
3,48
3,56
3,12
3,04
2,27
0,76
0,70
dj, мм
В1 (41-71)
50,0
36,6
29,0
27,7
23,6
8,9
4,2
Wj, %
Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)
3,33
3,66
3,50
2,85
2,97
1,00
0,96
dj, мм
Апах (0-24)
50,3
35,0
28,0
27,0
24,0
8,9
4,2
W, %
3,26
3,30
3,07
2,75
2,62
0,96
0,83
dj, мм
А (24-52)
50,0
38,7
31,0
29,8
22,0
8,9
4,2
W, %
3,50
3,57
3,28
3,22
2,35
0,88
0,77
dj, мм
В1 (52-76)
50,0
36,1
30,0
28,8
24,6
9,4
4,2
W, %
Таблица 5. Параметры уравнений, характеризующие распад агрегатов
Горизонт, см
Переменные x = W (%) и Y = n (Доверительный уровень 95 %)
*
Уравнение
a
b
r
r2
t-факт.
t-станд.
Чернозем карбонатный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)
Апах (0-25)
Y = a*exp(b*W)
0,472566
0,227259
0,990
0,980
6,99
2,31
А1 (25-41)
Y = a*exp(b*W)
0,374715
0,250615
0,991
0,983
7,21
2,31
В1 (41-71)
Y = a*exp(b*W)
0,328879
0,195134
0,994
0,988
7,64
2,31
Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый (Республика Молдова)
Апах (0-24)
Y = a*exp(b*W)
0,376193
0,167924
0,983
0,966
5,81
2,37
А1 (24-52)
Y = a*exp(b*W)
0,529615
0,152042
0,974
0,949
5,73
2,31
В1 (52-76)
Y = a*exp(b*W)
0,372195
0,178654
0,995
0,991
8,05
2,31
Разрушаемость агрегатов была исследована в черноземах обыкновенных и южных,
каштановых, светло-каштановых почвах и серых лесных почвах. Тесная связь между
количеством водоустойчивых ядер (n) в агрегатах и исходной влажностью (W), агрегатов
определяющую их разрушаемость, в воде была выявлена во всех исследованных почвах.
Экспериментально
установлено,
что
кривая,
характеризующая
разрушение
агрегатов описывается экспоненциальной зависимостью. Следовательно, интенсивность
распада dn/dw агрегатов на водоустойчивые ядра, обусловленного изменением влажности,
пропорциональна количеству водоустойчивых ядер n(w), которые содержатся в агрегатах
почв при влажности равной w, то есть:
dn
= bn(w) .
dw
21
(9)
Решением дифференциального уравнения (9) являются, выражения следующего вида:
nj = nо·exp[b·(wj-wмав)], при wмав ≤ wj ≤ wмксв ;
nj = no = 1,
при wj = wмав ,
где nj – количество водоустойчивых ядер, на которые распадаются в воде агрегаты при
изменении их влажности в диапазоне от максимальной адсорбционной влагоёмкости
(wмав) до максимальной капиллярной сорбционной влагоёмкости (wмксв). Так как
nj = (dj/d0)3, то
d j = d 0 3 exp[b( w j − wмав )] ,
(10)
где d0 – размер «водоустойчивого ядра»; dj – размер водоустойчивых фрагментов, на
которые распадается агрегат с влажностью равной wj. Уравнение (10) позволяет
определить размер водоустойчивых фрагментов (dj), на которые распадаются в воде
агрегаты с влажностью равной wj .
Установленная закономерность отражает особенности строения водоустойчивых
агрегатов. Экспоненциальный характер разрушаемости агрегатов в воде характеризует
количество водоустойчивых ядер, которые вовлекаются в процесс формирования
почвенных агрегатов. Водоустойчивое ядро d0 является важнейшей структурной
единицей, определяющей размер и форму, механическую прочность и водоустойчивость,
плотность сложения и порозность агрегатов, которые в процессе функционирования
почвы распадаются и вновь формируются из водоустойчивых ядер.
Одной из главных задач настоящего исследования является энергетическая
характеристика водоустойчивости почвенных агрегатов, включающая определение их
макроскопической прочности Рс, обусловленной микроскопическими силами сцепления в
контактах и количеством контактов, приходящихся на единицу площади сечения
водоустойчивого агрегата.
3.3. Закономерности разрушения водоустойчивых агрегатов под
действием механических напряжений
При взаимодействии капель с капиллярно увлажненными агрегатами почв
создаются напряжения, которые вызывают их разрушение. Все опыты по разрушению
водоустойчивых агрегатов проводились с каплями одинакового размера (5,0 мм).
Продолжительность опытов была постоянной и составляла 20 мин, интенсивность потока
капель в опытах также не изменялась и была равна 2,50 мм/мин. Скорость капель
варьировали от 0 до 6 м/с. Напряжения, возникающие при неупругом взаимодействии
капель с капиллярно увлажненными агрегатами, рассчитывали по формуле (глава 2).
На рис. 5, 6, 7 представлены данные характеризующие разрушение капиллярно
увлажненных агрегатов почв разного гранулометрического состава, состоящих как из
22
монофракций, так и смеси фракций агрегатов. При напряжениях в 1,5 – 2,0 раза
превышающих
допустимые
напряжения
происходит
интенсивное
разрушение
водоустойчивых агрегатов. Фрагменты-осколки разрушенных водоустойчивых агрегатов
обнаружены во всех фракциях.
100
100
а
Ряд1
80
Ряд2
Ряд1
б
80
Ряд2
Ряд3
60
Содержание фракций, %
Содержание фракций, %
Ряд3
40
20
0
0,125
0,375
0,75
1,5
2,5
4
60
40
20
0
0,125
-20
-20
-40
-40
-60
0,375
0,75
1,5
2,5
4
6
-60
Размер фракций, мм
Размер фракций, мм
Распределение по фракциям разрушенных каплями (Vк =
3,4 м/с) водоустойчивых агрегатов (dку = 4,0 мм) гор.
Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы
Распределение по фракциям разрушенных каплями (Vк =
4,0 м/с) водоустойчивых агрегатов (dку = 6,0 мм) гор.
Апах каштановой тяжелосуглинистой почвы
Рис. 5. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 –
исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 – распределение по фракциям
водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; ряд3 – распределение по фракциям
разрушенных водоустойчивых частиц.
40
Ряд1
30
25
в
Ряд2
г
Ряд1
Ряд2
20
Ряд3
Содержание фракций, %
С одержани е ф ракций , %
Ряд3
20
10
0
0,125
0,375
0,75
1,5
2,5
4
6
15
10
5
0
0,125
0,375
0,75
1,5
2,5
4
6
8,5
-5
-10
-10
-20
-15
Размер фракций, мм
Размер фракций, мм
Распределение по фракциям разрушенных каплями (Vк =
5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов (dку = 6,0) гор. Апах
чернозема карбонатного легкоглинистого (Республика
Молдова)
Распределение по фракциям разрушенных каплями (Vк =
5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов (смесь фракции) гор.
Апах чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого
(Ростовская обл.)
Рис. 6. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 –
исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 – распределение по
фракциям водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; ряд3 – распределение по
фракциям разрушенных водоустойчивых частиц.
23
60
60
Ряд1
Ряд3
40
30
20
10
0
0,125
0,375
0,75
1,5
2,5
4
Ряд1
50
Ряд2
Содержание фракций, %
Содержание фракций, %
50
6
-10
Ряд2
Ряд3
40
30
20
10
0
-10
0,125
0,375
0,75
1,5
2,5
4
6
-20
-20
-30
-40
-30
Размер фракций, мм
Размер фракций, мм
Распределение по фракциям разрушенных каплями (Vк =
5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов (dку = 6,0) гор. Апах
чернозема
карбонатного
супесчаного
(Республика
Молдова)
Распределение по фракциям разрушенных каплями
(Vк = 5,0 м/с) водоустойчивых агрегатов (dку = 6,0)
гор. Апах чернозема карбонатного супесчаного
(Республика Молдова)
Рис.7. Закономерности распределения разрушенных водоустойчивых частиц по фракциям (ряд1 –
исходные не разрушенные капиллярно увлажненные агрегаты почв; ряд2 – распределение по
фракциям водоустойчивых частиц в образцах после 20 мин разрушения; ряд3 – распределение по
фракциям разрушенных водоустойчивых частиц.
Эти данные показывают, что под воздействием механических напряжений
происходит разрушение водоустойчивого каркаса, образованного путём сцепления друг с
другом высокодисперсных органо-глинистых частиц. Этот каркас связывает, армирует
водоустойчивые
агрегированные
частицы
в
агрегатах
почв
и
определяет
их
водоустойчивость. При разрушении водоустойчивого каркаса из него высвобождаются
агрегированные водоустойчивые частицы разного размера (рис. 5, 6, 7). Данная
закономерность, характеризующая распределение разрушенных водоустойчивых частиц,
выявлена в агрегатах почв разного генезиса, имеющих глинистый, тяжелосуглинистый,
среднесуглинистый и супесчаный гранулометрический состав.
Специальная серия экспериментов была посвящена исследованию закономерностей
разрушения капиллярно увлажненных агрегатов различными скоростями капель. Целью
их было выделение из разрушаемых агрегатов наиболее водоустойчивых агрегированных
частиц почв. Для этого 6-8 образцов капиллярно увлажненных агрегатов в течение 20 мин
разрушались различными по величине скоростями капель, которые увеличивались при
переходе от одного образца к другому. После опытов каждый образец подвергался
мокрому фракционированию, что позволило получить данные, характеризующие
распределение фракций водоустойчивых частиц по размерам в зависимости от скорости
капель, а, следовательно, и напряжений, возникающих при неупругом столкновении
агрегатов с каплями.
24
8
100
б
а
80
60
Ф ракци и, %
С одержан и е В У Ч , %
6
40
4
Ряд1
2
Ряд2
20
Ряд3
0
0
0
1
2
3
4
0
5
1
2
Vк, м/с
Закономерное уменьшение содержания 5-7 мм
капиллярно увлажненных агрегатов в зависимости от
разрушающей скорости капель Vк
1
7
5
г
в
Водоустойчивое
ядро do = 0,84 мм
4
Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении
капиллярно увлажненных агрегатов (5-7 мм): ряд1 фракция 1-2 мм; ряд2 – фракция 1- 0,5 мм; ряд3 –
фракция 0,5-0,25 мм
8
0,8
6
5
0,6
do
dj, мм
3
Vк, м/с
4
0,4
3
Ряд1
2
0,2
Ряд2
Ряд3
1
0
0
0
5
10
15
20
25
30
0
35
1,03
2,02
2,53
3,51
4
Vк, м/с
Влажность, %
Разрушение агрегатов в зависимости от их исходной
влажности: ряд1 – агрегаты 7-10 мм; ряд2 - агрегаты 57 мм); ряд3 – агрегаты 3-5 мм
Зависимость средневзвешенного диаметра
водоустойчивого ядра (do) от скорости капель (Vк)
Рис.8. Разрушение (а) и аккумуляция водоустойчивых частиц (б, г) при разрушении капиллярно
увлажненных агрегатов гор. Апах (0-15 см) темно-каштановой почвы (Ростовская обл.).
Закономерности разрушения и распад агрегатов в воде (в), характеризующихся различной
исходной влажностью.
При увеличении скорости капель, а, следовательно, и напряжения, возрастает
интенсивность
разрушения
капиллярно
увлажненных
агрегатов
и
закономерное
уменьшение размера разрушаемых водоустойчивых агрегатов (рис. 8, 9, 10, 11). При этом
происходит не только разрушение наиболее крупных водоустойчивых агрегатов, но и
аккумуляция
более
мелких
по
размеру
определенного размера.
25
водоустойчивых
частиц
во
фракциях
16
25
а
б
Ряд1
20
14
Ряд2
Фракции, %
Фракции, %
Ряд3
15
10
12
10
Ряд1
8
Ряд2
Ряд3
5
6
4
0
0
1
2
3
4
5
0
6
1
2
3
4
5
Vк, м/с
Vк, м/с
Разрушение
капиллярно
увлажненных
агрегатов
(смешанный образец) в зависимости от скорости капель
(Vк): ряд1 – фракция 7-10 мм; ряд2 - фракция 5-7 мм;
ряд3 – фракция 3-5 мм
Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении
капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный
образец): ряд1 - фракция 1-2 мм; ряд2 – фракция 1- 0,5
мм; ряд3 – фракция 0,5-0,25 мм
8
Водоустойчивое
ядро do =1,53 мм
7
6
в
г
1,5
6
1
do
dj, мм
5
4
3
0,5
Ряд1
2
Ряд2
Ряд3
1
0
0
0
10
20
30
40
0
50
Влажность, мм
1,03
3,01
4
5,03
5,54
Vк, м/с
Разрушение агрегатов в зависимости от их исходной
влажности: ряд1 – агрегаты 7-10 мм; ряд2 - агрегаты 5-7
мм; ряд3 – агрегаты 3-5 мм
Зависимость средневзвешенного диаметра
водоустойчивых ядер (do) от скорости капель (Vк)
Рис.9. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно
увлажненных агрегатов и распад агрегатов с различной исходной влажностью в воде. Почва чернозём обыкновенный тяжелосуглинистый гор. Апах (0-15 см) (Ростовская обл.)
Сравнение данных разрушения агрегатов в воде (рис. 9, в; рис.10, в) с результатами
разрушения агрегатов каплями (рис.9, б, г; рис. 10 б, г) показывает, что водоустойчивые
агрегированные частицы, высвобождающиеся при разрушении водоустойчивого каркаса,
и водоустойчивые агрегаты, образующиеся при разрушении в воде воздушно-сухих
агрегатов, имеют практически одинаковый средневзвешенный диаметр. Эти результаты
свидетельствуют о том, что водоустойчивые агрегаты состоят из ассоциированных
водоустойчивых частиц (водоустойчивых ядер), связанных водоустойчивым каркасом.
26
50
6
а
б
Ряд1
5
Ряд2
40
Ряд3
Ряд4
Фракции, %
Фракции, %
4
30
20
3
Ряд1
2
Ряд2
10
1
0
0
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
V к, м/с
3
Разрушение капиллярно увлажненных агрегатов
(смешанный образец) в зависимости от скорости капель
(Vк): ряд1 – фракция 5-7 мм; ряд2 - фракция 3-5 мм;
ряд3 – фракция 2-3 мм; ряд4 – фракция 1-2 мм (
5
6
Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении
капиллярно увлажненных агрегатов (смешанный
образец): ряд1 – фракция 1-0,5 мм; ряд2 – фракция 0,50,25
2,5
0,7
в
Допустимая
скорости
капель Vд
г
0,6
0,5
do, мм/мин
2
4
V к, м/с
n
1,5
1
0,4
0,3
0,2
0,5
0,1
0
0
0
1
2
3
4
0
5
1
2
3
4
5
V к, м/с
Vк, м/с
Зависимость средневзвешенного диаметра
водоустойчивого ядра (do) в зависимости от скорости
капель (Vк),
Определение допускаемой неразрушающей
агрегаты почв скорости капель (Vкд)
Рис.10. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно
увлажненных агрегатов, распад агрегатов с различной исходной влажностью в воде, определение
допустимой не разрушающей агрегат напряжений: почва - чернозём карбонатный легкоглинистый,
гор. Апах (0-15 см) (Ростовская обл.)
В водоустойчивых ядрах микроагрегаты и неагрегированные частицы почв связаны
конденсационно-фазовыми контактами. Эти контакты не разрушаются при скоростях
капель 4-6 м/с. Прочность водоустойчивых ядер превышает в 1,5-2,0 и более раз
прочность водоустойчивого каркаса, охватывающего весь объём макроагрегата.
27
30
8
Ряд1
б
Ряд1
25
Ряд2
7
Ряд2
Фракции, %
Фракции, %
Ряд3
20
15
а
10
6
5
4
5
3
0
0
1
2
3
4
5
0
6
1
2
Vк, м/с
3
4
5
6
V к, м/с
Разрушение
капиллярно
увлажненных
агрегатов
(смешанный образец) в зависимости от скорости капель
(Vк): ряд1 – фракция 5-7 мм; ряд2 - фракция 3-5 мм;
ряд3 – 2-3 мм
Разрушение
капиллярно
увлажненных
агрегатов
(смешанный образец) в зависимости от скорости капель
(Vк): ряд1 – фракция 1-2 мм; ряд2 - фракция 1-0,5мм
15
60
Допускаемая
скорость
капель Vд
Ряд1
г
в
Ряд2
50
n
Фракции, %
10
5
40
30
0
0
1
2
3
20
4
0
1
Vк, м/с
2
3
4
5
6
Vк, м/с
Определение допускаемой неразрушающей
агрегаты почв скорости капель (Vд)
Аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении
капиллярно
увлажненных
агрегатов
(смешанный
образец): ряд1 – фракция 0,5-0,25 мм; ряд2 – фракция
<0,25 мм
Рис. 11. Распределение и аккумуляция водоустойчивых частиц при разрушении капиллярно
увлажненных агрегатов и определение допустимой не разрушающей агрегат напряжений: почва чернозём карбонатный супесчаный, гор. Апах (0-15 см) (Республика Молдова)
В
результате
экспериментальных
исследований
были
определены
также
допускаемые не разрушающие водоустойчивые агрегаты скорости капель (рис. 10, в; 11, в)
что позволило определить соответствующие им допускаемые напряжения (глава 2),
характеризующие прочность водоустойчивой структуры агрегатов. Экспериментально
установлено, что водоустойчивость агрегатов определяется прочностью водоустойчивого
каркаса,
образованного
высокодисперсными
органо-глинистыми
частицами,
и
прочностью водоустойчивых ядер, армированных каркасом. Под действием напряжений в
1,5 – 2,0 раза превышающих допускаемые неразрушающие агрегат напряжения
28
водоустойчивый
каркас
разрушается
и
происходит
высвобождение
из
него
водоустойчивых ядер.
Глава 4. Энергетическая характеристика структуры
водоустойчивых агрегатов почв
Структура агрегатов - это важнейшее качество почвы. Она является чутким
индикатором условий образования и дальнейшего преобразования почвы. Исследование
энергетических характеристик структуры агрегатов позволит выяснить природу сил,
определяющих образование и разрушение в агрегатах различных типов контактов, и
получить информацию о генезисе почв, связанную с энергетикой структурообразования.
Без
теоретически
обоснованных
представлений
и
экспериментально
подтвержденных данных о механизме формирования и разрушения почвенных агрегатов
невозможно с позиций физико-химической теории прочности дисперсных структур
количественно оценить энергетические характеристики, определяющие прочность
агрегатной структуры почв. Ниже излагаются основные представления о механизме и
закономерностях разрушения структурных связей в агрегатах почв.
4.1. Механизм разрушения структурных связей
в агрегатах почв
В ходе разрушения
твердых
тел
происходит разрыв межатомных
(или
межмолекулярных) связей и образование новых поверхностей. С момента образования
новые ячейки поверхности оказываются доступными физико-химическому влиянию
среды, которая определяет интенсивность и направленность процессов образования,
деформации и разрушения контактов (Ребиндер, 1979; Щукин, 1985). Рассматриваемые
явления протекают в почвах постоянно. Они являются следствием обмена веществ и
энергии, происходящего между почвой и другими окружающими её природными
образованиями. Многие из этих изменений носят циклический характер. Огромное
влияние на процессы образования, деформации и разрушения агрегатов почв оказывают
механические напряжения, обусловленные процессами набухания и усадки, промерзания
и оттаивания, ростом корней растений и хозяйственной деятельностью человека.
Энергия U0 (рис.4.1) необходимая для разрушения структурных связей (Uсв)
поступает в агрегат той или иной пропорции тремя путями (Щукин, 1985):
1. Эта работа механических (внешних, а также внутренних) напряжений:
Рγ = Рb2b(L/b)1/2, где Р – напряжение; b – период решетки (т.е. b – путь, b2 – площадь
приложения силы); (L/b)1/2 – выражение фактора концентрации напряжений, L –
29
характерный линейный параметр, описывающий дефектную структуру тела, γ активационный объем, определяющий путь, который следует преодолеть частицам в
контакте, чтобы связи между ними разрушились.
2. Эта энергия, сообщаемая тепловыми флуктуациями: kT·ln(t/tо), где t – время
ожидания или пребывания агрегатов под нагрузкой; tо – период колебаний связи.
U2 = kTln(t/t0) энергия, сообщаемая
тепловыми флуктуациями
U1 = Рγ энергия, сообщаемая работой
механических напряжений
Энергия
необходимая для
разрушения связи
частиц
U0 = U1 +U2
uсв - энергия связи
частиц
t = to·exp[(U0 – γP)/kT
Рис. 12. Разрушение структурных связей в водоустойчивых агрегатах почв
Обозначения: U0 - энергия необходимая для разрушения связи между частицами; Р - механические
напряжения под действием которых находятся структурные связи, γ - активационный объем; R – расстояние
между центрами взаимодействующих частиц, r – радиус частицы; h = R – 2r минимальная ширина зазора
между поверхностями частиц; t – долговечность, или время с момента приложения нагрузки до разрушения
водоустойчивого агрегата; t0 – период колебаний межатомных (или межмолекулярных) связей в контакте; k
– универсальная постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.
3. Адсорбция из окружающей среды снижает свободную поверхностную энергию и
облегчает развитие процессов деформации и разрушения агрегатов почв. Энергия (∆U),
освобождающаяся при возникновении новых связей (физическая адсорбция, хемосорбция,
включая химические реакции) снижает энергию разрушения U (Uо = U - ∆U). Обусловлено
это тем, что в присутствии адсорбированных частиц облегчаются элементарные акты
перестройки и разрыва межатомных (или межмолекулярных) связей в твердых телах
(Лихтман и др., 1962; Иванов, 1967).
Процесс разрушения водоустойчивого агрегата под нагрузкой развивается во
времени.
Длительность
этого
процесса
согласно
уравнению
(3)
определяется
температурой T и величиной активационного барьера разрушения Uр = Uo – γP (Uo –
начальная энергия активации равна по величине энергии связи (uсв) частиц):
t = t0 e
U0 −γP
kT
30
.
(3)
Таблица 6. Энергетическая характеристика разрушаемости водоустойчивых
агрегатов почв
Водоустойчивый агрегат
Макроскопическая
прочность структуры
Рс = Рд .
Определяется при
Uа = Uo – γPд , когда
под нагрузкой (Рд) в
агрегате наступает
максимальный
предельный уровень
активации ССВ)
Количество контактов
χ = (Рс/р1)
Барьер активации
ВСС:
Uа = Uo – γP1 >0;
Рд ≥ P1 ≥ 0.
Агрегат находится под
нагрузкой Р1, но не
разрушается
Энергия связи частиц
ucв = Uo при Р1 = 0
Сила сцепления
частиц р1
(прочность контакта)
Барьер
разрушения
активированных
ВСС:
Uр = Uo – γP2 ≥ 0;
Р max > P2 > Рд
При уменьшениии
барьера Uр
интенсивность
разрушения
водоустойчивого
агрегата закономерно
возрастает.
Величина Uр закономерно уменьшается при повышении температуры (3). При
постоянной температуре уменьшение активационного барьера разрушения однозначно
определяется величиной нагрузки Р. Процесс активации структурных связей начинаются с
того момента, как только агрегат оказывается под действием нагрузки. Водоустойчивые
структурные связи (ВCC) в агрегатах, находящихся под нагрузкой Р1 (Рд ≥ P1 ≥ 0),
активируются, но не разрушаются (Ua > Up). Как только величина барьера активации
структурных связей под действием нагрузки Р2 (Рmax > P2 > Рд) преодолеет активационный
барьер разрушения (Ua < Up) агрегат разрушается (табл.6).
Рд – это предельная величина нагрузки, под действием которой все структурные
связи в агрегатах находятся в активированном состоянии (рис. 13). При нагрузках Р2,
превышающих величину Рд, активированные структурные связи начинают разрушаться
так как преодолевается барьер разрушения активированных водоустойчивых структурных
связей (табл. 6).
Физический смысл предельно допустимого напряжения заключается в том, что
величина Рд является количественной характеристикой макроскопической прочности
водоустойчивых агрегатов Рс (Рд = Рс), разграничивающая область активации от области
разрушения активированных водоустойчивых структурных связей. Энергия активации
31
структурных связей Ua предопределяет изменение активационного барьера разрушения
Up (рис. 13, табл. 6).
7
8
Область
активации
ВСС
7
Рд= 1,43ρ(Vкд)
6
Vкд
5
5
4
n
n
6
2
4
3
3
2
2
Область
разрушения
ВСС
1
1
0
0
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,5
1
1,5
2
4
2,5
3
3,5
4
4,5
Vк, М/с
Vк, м/с
а) зависимость n от разрушающей скорости
капель Vк (Dку = 4,0 мм)
б) зависимость n от разрушающей скорости капель
Vк (Dку = 6,0 мм)
Рис. 13. Определение предельно допустимого напряжения Рд для водоустойчивых агрегатов
темно-каштановой тяжелосуглинистой почвы (Ростовская обл.)
На
основании
экспериментальных
данных,
характеризующих
изменение
длительной прочности t в зависимости от нагрузки Р в агрегатах различных почв были
определены: 1) величина энергия связи между взаимодействующими частицами (uсв); 2)
значение активационного объёма (γ); и 3) константа времени (to). Для сравнения
вышеперечисленные
параметры
были
определены
также
в
глинистых
грунтах
нарушенного и ненарушенного сложения (Мирцхулава, 1967), а так же в озерноледниковой и морской (гжельской) глине естественного сложения (Королев и др., 1988)
(рис.14 и табл.7). Отметим, что в указанных образцах энергетические параметры,
характеризующие длительную прочность глинистых пород, определены автором данной
работы.
Константа времени to озерно-ледниковой глины естественного сложения на три
порядка отличается от константы времени морской гжельской глины естественного
сложения с конденсационно-кристаллизационным, коагуляционным и смешанным типом
связи
(Королёв и др., 1988). Величина to для глинистых грунтов нарушенного и
ненарушенного сложения, установленная нами, оказалась равной константе времени
озерно-ледниковой глины. В агрегатах почв to соответствовала константе времени,
определенной для морской гжельской глины.
32
3
2
Е= U0 = ucв = 2,550·10-19 Дж
1,8
2
Р2
5
1,5
1
1,6
Е, n*10^(-19) Дж
n*10^(-19) Дж
Е,
Рmax
Рд
Р1
2,5
6
1
1,4
2
1,2
3
1
0,8
0,6
0,4
0,5
4
0,2
0
0
0
50
100
150
200
250
0
300
5– Морская (гжельская) глина ненарушенного
сложения (Псковская обл.)
6 – Озерно-ледниковая глина ненарушенного
Сложения (Московская обл.)
20
30
40
1. - Чернозем типичный тяжелосуглинистый, целина
(Курская обл.)
2. - Светло-серая лесная почва (Московская обл.)
3 - Каштановая легкосуглинистая почва, пар
(Ростовская обл.)
4 - Суглинок карбонатный ненарушенного сложения
(Р.Грузия)
Обозначения:
∆,□ – область активации структурных связей
(Ua = Uo –
10
Р, кПа
Р, кПа
γP1; 0<P1<Pд )
■▲● – область разрушения структурных связей
(Uр = Uo –γP2; Рд <P2<Pmax)
Рис. 14. Изменение активационного барьера Е в зависимости от напряжения Р (Р - создавалось
каплями, падающими на их поверхность агрегатов с определенной скоростью Vк). Обозначения в
тексте.
Константа времени to для исследованных дисперсных структур является
устойчивой характеристикой, и она отражает особенности контактных взаимодействий в
дисперсных структурах, обусловленных энергетической природой структурных связей. По
величине энергии связи (uсв) глинистые грунты с коагуляционным типом структуры
отличается
от
глинистых
грунтов
с
конденсационно-кристаллизационным,
коагуляционным и смешанным типом, а последние - от водоустойчивых агрегатов почв.
Мгновенная
динамическая
нагрузка
(Рmax),
определенная
на
основании
количественной интерпретации (рис. 14), оказалась близка по величине макроскопической
прочности глинистых грунтов, определенного методом размыва (Мирцхулава, 1967).
Максимальная динамическая нагрузка Pmax, как следует из нашего анализа, характеризует
разрушаемость структурных связей при нулевом значении активационного барьера
разрушения (Ер = U0 – γP = 0). При данном уровне динамической нагрузки структурные
связи в глинистых породах под действием нагрузки разрушаются сразу (долговечность их
практически равна нулю). Подобное наблюдается при разрушении водным потоком
глинистых грунтов, когда скорость его превышает значение допускаемой размывающей
скорости.
33
Таблица 7. Энергетическая характеристика структуры некоторых глинистых
грунтов и агрегатов почв
Прочность, кПа
-24
Uо*10
γ *10 ,
Вид грунта
to, с
19
м3
, Дж
Рд
Рmax ,
Р1
Р2
Глинистый грунт нарушенной структуры
(ρ = 1,67 г/см3)
Глинистый грунт нарушенной структуры
(ρ = 1,56 г/см3)
Суглинок карбонатный ненарушенной
структуры (ρ = 1,42 г/см3)
Озерно-ледниковая глина (ρ = 1,64 г/см3)
(Псковская обл.)
Морская (гжельская) глина
(ρ = 1,66 г/см3) (Московская обл.)
Каштановая легкосуглинистая
почва, пар (Ростовская обл.)
Чернозем типичный тяжелосуглинистый
(Курская обл.)
0,824·
2,80·10-3
7,081·
2,0
11,6
13,0
63,0
1,058·
2,80·10-3
10,901·
1,8
9,7
10,0
52,0
0,754
2,85·10-3
4,830
1,9
15,6
12,0
70,0
1,030·
2,89·10-03
0,759
50,0
135,7
-
-
2,550
2,47·10-06
1,010
163,0
251,0
-
-
1,170
2,50·10-06
4,450
5,9
26,1
-
-
1,740
2,50·10-06
4,450
18,5
39,1
-
-
Обозначения: Uo – начальная энергия активации, при Р = 0 равна энергии связи частиц в контактах; Рmax –
максимальная динамическая нагрузка, при которой Up = Uo – γP = 0; капля, создающая такое напряжение,
разрушает агрегат при каждом ударе; Р1 – макроскопическая прочность (сцепление) глинистых грунтов,
определенная по размыву глинистых грунтов; Р2 – сцепление глинистых грунтов, определенное прибором
Н.А. Цытовича. Остальные обозначения прежние.
Таким образом, в результате проведенных исследований выяснен кинетический
механизм разрушения структурных связей в глинистых грунтах и агрегатах почв, что
позволило определить значения энергетических параметров (табл.7), характеризующие их
долговечность – длительную прочность. Ниже рассмотрены закономерности изменения
макроскопической прочности агрегатов почв лесостепной и степной зоны.
4.2. Характеристика прочности структуры
водоустойчивых макроагрегатов
В процессе почвообразования микроагрегаты и неагрегированные частицы
соединяются гумусовыми веществами путём образования конденсационно-фазовых
контактов, обусловливающих формирование в почвах водоустойчивых агрегатов, которые
связанны
друг
с
другом
высокодисперсными
образующими
водоустойчивый
механических
напряжений,
каркас
в
превышающих
органо-глинистыми
макроагрегатах
допустимые,
почв.
Под
частицами,
действием
водоустойчивый
каркас
разрушается, и агрегаты распадаются на агрегированные водоустойчивые частицы.
В табл.8 приведены экспериментальные данные характеризующие прочность
водоустойчивой структуры гор. Апах некоторых автоморфных почв. Прочность структуры
(Рс) водоустойчивых агрегатов закономерно увеличивается с повышением содержания
гумуса, поглощенных оснований и физической глины в почвах (табл. 8).
34
Таблица 8. Прочности структуры (Рс) водоустойчивых агрегатов
гор. Апах (0-20 см) некоторых почв
Почвы
Чернозем карбонатный
легкоглинистый (Р. Молдова)
Чернозем карбонатный
Супесчаный (Р. Молдова)
Чернозем обыкновенный
среднесуглинистый (Р. Молдова)
Каштановая легкосуглинистая
(Ростовская обл.)
Темно-каштановая
тяжелосуглинистая (Ростовская обл.)
Чернозем обыкновенный
тяжелосуглинистый
(Ростовская обл.)
Пойменная дерновая
среднесуглинистая (Московская,
обл.)
Чернозем типичный
среднесуглинистый (Р. Молдова)
Чернозем карбонатный
среднесуглинистый (Р. Молдова)
Ca
Mg
Na
K
4,14
33,0
8,3
0,45
0,63
Содержание физ.
глины,
%
67,57
1,34
6,0
5,81
0,28
0,33
13,94
2,416
3,10
15,0
7,47
0,47
0,61
44,13
10,270
2,58
12,0
2,5
0,58
29,21
5,951
3,20
27,5
8,16
56,8
9,081
3,80
23,7
2
0,18
-
54,47
11,051
1,97
11,6
1,8
0,11
-
39,79
4,132
2,90
23,0
4,15
0,52
-
42,78
8,940
2,21
16,0
3,32
0,21
-
30,23
5,150
Гумус,
%
Поглощенные основания,
мг-экв/100г
Рс,
кПа
11,291
Для выяснения роли гумуса, поглощенных оснований и физической глины в
формировании водоустойчивой структуры, а также для выяснения механизмов её
образования в почвах разного генезиса были определены энергия связи (uсв) между
взаимодействующими частицами почв в контактах и прочность (р1) единичных контактов
в водоустойчивых агрегатах почв. Результаты этих исследований рассмотрены в
следующем разделе настоящей главы.
4.3. Количественная оценка энергетических параметров
структуры водоустойчивых агрегатов
Существуют два основных способа определения прочности индивидуальных
контактов р1. Расчетный метод применяется при наличии экспериментальных данных,
характеризующих макроскопическую прочность дисперсных структур (Рс) и количество
контактов (χ), распределенных на единице площади разрушения. Параметр χ в основном
рассчитывается. Для этого используются зависимости, полученные на основании анализа
различных моделей микроструктур, характеризующих особенности строения дисперсных
систем и формирования в них контактов. Основными показателями расчетных
зависимостей, предназначенных для оценки параметра χ, являются размер частиц (r) и
фактор упаковки (n) (Field, 1963; Бабак, 1974; Щукин, 1985; Соколов, 1991).
35
Прямые методы прецизионного измерения силы сцепления между твердыми
частицами дают представление о величине структурных связей. Основаны они на
определении величины силы, которую необходимо приложить для разрушения единичных
контактов, образованных путём поджима двух взаимодействующих частиц (Юсупов,
1973; Яминский и др., 1982; Щукин и др., 1985). Измерение силы сцепления частиц в
единичных контактах, образующихся в агрегатах почв, затруднено в силу высокой их
полидисперсности и гетерогенности. Кроме того, обусловлено это отсутствием в
настоящее время надежных данных, характеризующих контактные взаимодействия в
водоустойчивых агрегатах почв.
1,6
Umol ≈ [uсв/(πrho)]
р1 ≈ πr Umol
р1 ≈ uсв/ho
uсв ≈ πrhoUmol(ho)
1,4
Е, n*10^(-19) Дж
1,2
Рд = Pc
1
0,8
Рmax
0,6
0,4
0,2
0
р1 = (1,41·10-19 Дж)/(2·10-10 м) =
= 7·10-10 Н
0
5
10
15
20
25
30
35
Р, кПа
а) определение по значениям б) зависимость энергии активации Е от напряжения Р,
энергии связи частиц (ucв) силы возникающего при взаимодействии капель с
сцепления
частиц
в
единичных водоустойчивыми макроагрегатами почв
контактах
Рис. 15. Энергетическая диаграмма, характеризующая разрушение водоустойчивых структурных
связей в агрегатах почв чернозема карбонатного легкоглинистого Апах (Республика Молдова)
под действием механических напряжений Р
На основании теоретического анализа процессов разрушения структурных связей в
дисперсных системах и обобщения экспериментальных исследований процессов
разрушения структуры водоустойчивых агрегатов, нами разработан кинетический способ
определения энергии связи частиц в водоустойчивых агрегатах (рис. 15). Он базируется на
следующих теоретических представлениях (Щукин, Перцов, Амелина, 1982). При
сближении двух поверхностей (а), разделенных тонкой пленкой дисперсионной среды
толщиной ho преобладающая доля работы в первичном потенциальном минимуме
36
принадлежит силам притяжения. Поэтому глубина первичного потенциального минимума
Umol по абсолютной величине близка к работе сил притяжения А1:
А1 = Umol,
(11)
Для двух взаимодействующих сферических частиц работа сил притяжения (А2) при h = ho
(r - радиус частиц) равна энергии связи частиц (uсв):
А2= uсв ≈ πrhoUmol(ho) = (р1)*ho.
(12)
Энергию связи частиц uсв можно определить на основании экспериментальных данных,
характеризующих изменение энергии активации структурных связей (Е) под действием
нагрузки (Р), обусловленного неупругим столкновением капель с водоустойчивыми
агрегатами почв (рис. 15, б).
Прочность структуры водоустойчивых агрегатов (Рс) чернозёмных почв в ряду,
исследованных автоморфных почв, оказалась наибольшей (табл.9).
Таблица 9. Характеристика водоустойчивой структуры агрегатов гор. А автоморфных
почв лесостепной и степной зоны Европейской территории России
Гумус,
%
Рc
кПа
uсв
р1
χ
n
1,70
2,90
3,40
4,50
7,80
2,745
7,575
9,956
14,205
18,363
1,050
1,260
1,320
1,450
1,740
5,300
6,200
6,750
7,650
8,600
0,53
1,22
1,47
1,86
2,14
2,03
1,32
1,20
1,10
1,00
8,10
18,425
1,760
8,700
2,12
1,00
8,40
18,469
1,780
8,700
2,12
1,00
7,20
18,221
1,700
8,500
2,14
1,00
4,60
14,755
1,460
7,500
4,00
12,252
1,400
7,250
2,60
6,090
1,210
5,900
2,10
4,185
1,130
5,400
Примечание: *содержание гумуса в почвах (Орлов и др.,1992)
1,97
1,69
1,03
0,78
1,04
1,12
1,43
1,65
Почвы
*Дерново-подзолистые, гор. А
*Дерново-слабоподзолистые гор. А
*Светло-серые лесные гор. А
*Серые лесные гор. А
*Темно-серые гор. А
*Черноземы выщелоченные и
оподзоленные гор. А
Черноземы типичные гор. А (Курская обл.)
Черноземы обыкновенные гор. А
(Республика Молдова)
Черноземы южные гор. А (Ростовская обл.)
Темно-каштановые гор. А (Ростовская обл.)
*Каштановые гор. А
* Светло-каштановые гор. А
Обозначения: Рc – прочность структуры водоустойчивых агрегатов (кПа); uсв - энергия связи частиц в
контактах (uсв*10-19 Дж); р1 - прочность индивидуальных контактов (р1*10-10·H/конт.);
χ - количество контактов (χ*109 конт./ см2)
При движении на юг (в область распространения зональных каштановых почв) и на
север (в область – серых лесных) наблюдается закономерное уменьшение прочности
структуры водоустойчивых агрегатов. Данная закономерность обусловлена характером
распределения гумуса в почвах лесостепной и степной зонах (табл. 9).
Макроскопическая прочность Рс структуры водоустойчивых агрегатов однозначно
определяется микроскопическими силами сцепления р1 частиц в контактах и количеством
контактов χ, отнесенных к единице площади разрушения. С увеличением содержания
37
гумуса в агрегатах почв происходит закономерное увеличение энергии связи uсв между
взаимодействующими частицами почв, прочность контактов р1 и количество контактов χ.
Как
показывают
данные
количественного
анализа
РЭМ-изображений,
в
зависимости от размера минеральных зерен и величины пористости, число контактов в
единице площади сечения (в см2) разрушения в глинистых породах может варьировать от
107 до 108. Макроскопическая прочность структур Рс в подобных глинистых породах,
измеренная по методике растяжения образца в виде катушек или четырехточечного изгиба
балочек, изменяется от 10 кПа до 50 кПа (Соколов и др., 1982; Осипов и др., 1989). Эти
данные находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, которые
получены нами при исследовании прочности водоустойчивой структуры агрегатов почв
(табл. 9).
В условиях, когда поступление свежего органического вещества в почву
ограничено в результате их сельского хозяйственного использования, происходит
деградация водоустойчивой структуры почв. Проявляется она в закономерном снижении
прочности структуры водоустойчивых агрегатов и обусловлено уменьшением энергии
связи частиц uсв, силы сцепления частиц р1 и количества контактов χ, распределенных на
единичной площади разрушения водоустойчивых агрегатов (табл.10).
Таблица 10. Характеристика водоустойчивой структуры агрегатов гор. А пах
некоторых автоморфных
Гумус,
%
Рc
кПа
uсв
р1
χ
n
4,14
11,291
1,410
7,00
1,61
1,15
1,34
2,416
0,975
5,00
4,83
2,10
3,10
9,966
1,280
6,750
1,48
1,21
2,60
5,910
1,210
5,850
1,02
1,45
3,20
8,937
1,300
6,500
1,37
1,24
3,80
10,425
1,370
6,850
1,52
1,18
Пойменная дерновая среднесуглинистая
Апах (Московская обл.)
2,00
4,132
1,110
5,400
0,76
1,66
Чернозем типичный среднесуглинистый
Апах (Республика Молдова)
2,90
8,937
1,260
6,500
1,37
1,24
Почвы
Чернозем карбонатный легкоглинистый
Апах (Республика Молдова)
Чернозем карбонатный супесчаный
Апах (Республика Молдова)
Чернозем обыкновенный
среднесуглинистый
Апах (Республика Молдова)
Каштановая легкосуглинистая
Апах (Ростовская обл.)
Темно-каштановая легкосуглинистая
Апах (Ростовская обл.)
Чернозем обыкновенный
тяжелосуглинистый
Апах (Ростовская обл.)
Чернозем карбонатный среднесуглинистый
2,20
5,162
1,10
5,650
0,91
1,52
Апах (Республика Молдова)
Обозначения: Рc – прочность структуры водоустойчивых агрегатов (кПа); uсв - энергия связи частиц в
контактах (uсв*10-19 Дж); р1 - прочность индивидуальных контактов (р1*10-10·H);
χ - количество контактов (χ*109 конт./ см2)
38
Водоустойчивость агрегатов определяется прочностью водоустойчивого каркаса,
образованного путём сцепления друг с другом высокодисперсных органо-глинистых
частиц,
и
прочностью
агрегированных
водоустойчивых
частиц,
связанных
и
армированных каркасом в агрегатах почв. Экспериментально установлено, что прочность
водоустойчивых ядер – агрегированных водоустойчивых частиц в 1,5-2,0 и более, раз
превышает прочность водоустойчивого каркаса (глава 3). Поэтому под действием
возрастающих механических напряжений в первую очередь разрушается водоустойчивый
каркас, его разрушение вызывает распад агрегата на водоустойчивые ядра. Этот каркас
имеет характерное строение и зависит оно от содержания гумуса, размера и свойств
высокодисперсных органоминеральных частиц почв.
Зависимость, представленная на диаграмме (рис. 16, А), является основной
прочностной характеристикой водоустойчивых агрегатов автоморфных почв лесостепной
и степенной зоны. Из диаграммы следует, что величина Рс достигает предельного
значения, когда содержание гумуса в почвах превышает критическое значение - Сгум > 7,0
%. При уменьшении содержания гумуса в почвах наблюдается закономерное уменьшение
прочности водоустойчивой структуры агрегатов.
Оценка
размера
связнодисперсной
частиц
системе,
и
плотности
формирующей
их
упаковки
водоустойчивый
в
органо-глинистой
каркас
в
агрегатах,
необходима для оценки термодинамических условий, определяющих устойчивость (или
потерю устойчивости) высокодисперсных органо-глинистых частиц к коагуляции.
Для определения размера частиц и фактора упаковки органо-глинистой дисперсной
структуры была использована модель, характеризующая хаотическую пористую упаковку,
которая аппроксимируется совокупностью расположенных по трем направлениям
цепочек, состоящих из равновеликих сферических частиц. Основными параметрами
данной модели являются размер частиц D = 2r и безразмерный фактор упаковки n,
который равен числу частиц, размещающихся от одного узла до другого. Выбор этой
модели для количественного описания строения органо-глинистой оболочки, обусловлен
тем, что рассматриваемая модель позволяет описать обширный класс относительно
«рыхлых» структур с открытой пористостью, включая глинистые породы (Пинес, 1952;
Щукин, 1965, 1978; Бабак и др., 1973; Соколов, Осипов, 1973).
Оценка параметров D и n проведена на основании экспериментально определённых
значений параметра χ (рис. 15, табл. 9, 10) по зависимости:
χ1 = (1/D)2 при n = 1;
χ2 = (1/n)2*(1/D)2 при 3≤ n< 1.
39
(13)
20
(А)
1< n < 2
n=1
P c , кПа
15
2< n < 3
Ряд1
10
Ряд2
5
0
0
2
4
6
8
10
Сгум , %
Изменение фактора упаковки n в зависимости
от содержания гумуса в почвах
0 < Сгум < 1,7
1,7< Сгум< 7,0
(Б)
7,0 < Сгум < 8,4
Рис. 16. Диаграмма, характеризующая прочность структуры водоустойчивых агрегатов
Рс автоморфных почв лесостепной и степной зоны
А - зависимость макроскопической прочности (Рс) структуры водоустойчивых агрегатов от
содержания гумуса в почвах (Сгум); Б – закономерности изменения параметра n,
характеризующего особенности строения органо-глинистой оболочки (каркаса) в зависимости от
содержания гумуса в почвах; ряд1 – экспериментальные данные; ряд2 – данные рассчитанные по
зависимости [Рс = 1/(0,05383 + 1,465202*exp(-Сгум)]
Асимптотический участок на графике (рис. 16) характерен для черноземных целинных
почв.
Органо-глинистая
оболочка,
формирующаяся
на
внешней
поверхности
водоустойчивых ядер черноземных почв содержит наибольшее количество контактов
(отнесенных к см2), и обусловлено оно максимальной упаковкой частиц в органоглинистом каркасе (фактор упаковки n = 1). Расчеты показали, что для агрегатов всех
40
исследованных почв D = 2,16·10-5 см. Эти данные свидетельствуют о том, что
водоустойчивый
каркас,
который
связывает
друг
с
другом
водоустойчивые
агрегированные частицы в агрегатах почв, образуется путём сцепления органо-глинистых
частиц, составляющих коллоидную фракцию.
4.4. Механизм образования водоустойчивых агрегатов в почвах
Полученные результаты позволили сформулировать концепцию образования
водоустойчивых агрегатов в некоторых автоморфных почвах, распространенных в
Европейской части России.
Почва
является
полидисперсным,
гетерогенным,
биокосным
природным
образованием, которая унаследовала от материнской породы структурные элементы,
подвергающиеся постоянному преобразованию под действием климата и живых
организмов. В процессе почвообразования образуются новые структурные элементы
характерные для почв – это органоминеральные и органические элементарные почвенные
частицы,
которые
формируют
органоминеральные
фракции
микроагрегатов.
Микроагрегаты в свою очередь образуют структурное образование, водоустойчивые
агрегаты, являющиеся ассоциацией микроагрегатов и неагрегированных крупнопылеватых и песчаных частиц, связанных конденсационно-фазовыми контактами (см.
глава 3). Водоустойчивые ядра связаны, армированы в агрегатах почв водоустойчивым
каркасом, который образован путём сцепления друг с другом высокодисперсных
органоминеральных частиц.
В водоустойчивых ядрах, представляющих собой агрегированные частицы почв,
создаются наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности микробного
сообщества. Внутри водоустойчивых ядер протекают в основном процессы анаэробной
трансформации органического вещества почв, обусловливающие образование в них
преимущественно
гидрофобных
фракций
гумусовых
веществ.
На
поверхности
водоустойчивых ядер развиваются процессы аэробной деструкции органического
вещества. Они приводят к образованию в основном гидрофильных компонентов
гумусовых веществ (Вильямс, 1936; Сердобольский, Синягина, 1953; Кауричев, Тарарина,
1972; Милановский, Шеин, Степнов, 1993; Шеин, Милановский, 2002; Шеин,
Милановский, 2003; Верховцева и др., 2004; Полянская, Милановский, Звягинцев, 2004;
Шеин, 2005; Васильева, Милановский, Степнов, Поздняков, 2005; Степанов, Манучарова,
2006; Милановский, 2009).
Распад агрегатов на водоустойчивые структурные фрагменты, содержащие
различное количество водоустойчивых ядер, обусловлено функционированием почвы, в
41
процессе которого происходит фрагментарное обновление разрушенных водоустойчивых
ядер. Процесс этот динамичный и он обусловлен «свежим» органическим веществом,
поступающим в агрегаты почв и подвергающимся процессам минерализации и
гумификации. Агрегаты в почвах выполняют выдающуюся роль. Закономерности их
строения и особенности функционирования определяют формирование в почвах
деструктивной
ветви
цикла
органического
углерода,
определяющей
процессы
гумификации в почвах и формирование в них гуминовых веществ.
Важная роль в образовании почвенных агрегатов принадлежит процессам
гидратации и дегидратации высокодисперсных глинистых частиц (тонко-пылеватая и
илистая фракции). В интервале от гигроскопической влажности (Wг) до максимальной
гигроскопической (Wмг) макронабухание отсутствует. В диапазоне от Wмг до влажности
близкой к пределу пластичности (Wпл) набухание постепенно возрастает, а при
влажностях больших, чем Wпл вплоть до влажности набухания (Wн) оно быстро растет.
Набухание глинистых частиц приводит к увеличению толщины гидратных пленок на
контактах и микроструктурной перестройке глинистых частиц в почвах (Злочевская,
Королев, 1985, 1988; Осипов, Бабак, 1988; Воронин, 1984, 1986).
Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при
изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц.
Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической
сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол
октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу, а в щелочной среде – по
кислотному. В результате боковые сколы глинистых частиц в кислой и нейтральной
средах заряжается положительно, а в щелочной – отрицательно (Осипов, Сергеев, 1972;
Тарасевич, Овчаренко, 1975; Кульчицкий, Усьяров, 1981; Воронин, 1984; Соколов, 2000;
Осипов, Соколов, Еремеев, 2001; Schofield, Samson, 1953; Nоrrish, 1954; Jоrdine, Bodman,
Gо1d, 1962).
На стадии полного набухания почв происходит раскрытие микроагрегатов
глинистых частиц (Осипов, Бабак, 1988), и создаются наиболее благоприятные условия
для электростатического взаимодействия гумусовых кислот с боковыми сколами
глинистых частиц.
Анализ данных (Александрова, Юрлова, Лобицкая, 1966), характеризующих
распределение гумусовых веществ в гранулометрических фракциях выщелоченных
черноземах и красноземах показал, что во фракциях 0,1-0,2 мкм, площадь поверхности
занятая адсорбированными гумусовыми веществами не превышает 10-15 % общей
суммарной площади поверхности частиц. Исследованиями Ю.И. Тарасевича и Ф.Д.
42
Овчаренко (1975), а также Кульчицкого и Усьярова (1981) установлено, что на долю
боковых граней кристаллов глинистых минералов приходится около 10 - 15 % суммарной
площади
поверхности
глинистых
частиц.
Следовательно,
боковые
сколы
высокодисперсных глинистых минералов, приобретающие в кислых, нейтральных и
слабощелочных средах положительные заряды, могут взаимодействовать с отрицательно
заряженными карбоксильными группами гумусовых кислот.
Нашими исследованиями установлено, что водоустойчивый каркас в агрегатах
почв, связывающий между собой водоустойчивые агрегаты, образуется путём сцепления
друг с другом почвенных частиц, составляющих коллоидную фракцию. Следовательно, в
почвах
возможны
следующие
механизмы
образования
высокодисперсных
органоминеральных фракций в почвах (рис. 17).
3
4
Фрагмент агрегата, образованный
из водоустойчивых ядер (4)
Водоустойчивое ядро – ассоциация
фракций микроагрегатов (3)
2
Органоглинистая оболочка
обрузующаяся на поверхности ВУЯ
1
Взаимодействие гуминовых кислот (1) с
боковыми сколами глинистых минералов (2)
Рис. 17. Механизм образования водоустойчивых агрегатов в почвах: 1- гумусовые кислоты; 2 –
глинистые частицы; 3 – фракции микроагрегатов; 4 – водоустойчивые ядра, связанные органоглинистыми частицами (каркасом)
Отрицательно заряженные карбоксильные группы гумусовых кислот (1) взаимодействуют
с положительно заряженными боковыми сколами тонкодисперсных глинистых частиц (2).
При этом неполярные фрагменты гумусовых кислот, обращенные в сторону почвенного
раствора, гидрофобизируют поверхность боковых сколов глинистых частиц. Последние
взаимодействуют между собой и образуют водоустойчивую дисперсную структуру –
43
органо-глинистую
оболочку,
которая
формируется
на
внешней
поверхности
водоустойчивых ядер и связывает их в агрегатах почв (рис. 17).
Оценка устойчивости органо-глинистых частиц к агрегированию, проводилась на
основании критерия (Щукин, Амелина, Яминский 1981):
U(ho) ≤ Uc ≈ (β*kT/(0,5Zπrho),
(14)
где β ≈ 10 - 20; Z ≈ 2 – 3; k = 1,38*10-23 Дж/К; Т = 300К.
Использование соотношения (14) возможно в том случае, если энергию,
характеризующую межмолекулярное притяжение в первичном минимуме U(ho), можно
оценить по соотношению:
U(ho) = uсв/πrho
В наших исследованиях величина uсв определялась на основании экспериментальных
данных, характеризующих длительную прочность структуры водоустойчивых агрегатов
(рис. 15), поэтому соотношение (14) можно корректно использовать для оценки
термодинамических условий, характеризующих устойчивость органо-глинистых частиц в
водной среде к коагуляции.
Табл. 11. Энергетические критерии, характеризующие условия образования водоустойчивой
органо-глинистой дисперсной структуры – каркаса в макроагрегатах почв
Почвы
Гумус, %
Рс, кПа
D = 0,2 мкм
ucв *10-19
Дж
Светло-серые лесные гор. А
3,4
9,956
1,35
Серые лесные гор. А
4,5
14,205
1,53
Темно-серые гор. А
7,8
18,363
1,72
Черноземы выщелоченные и
8,1
18,425
1,74
оподзоленные гор. А
Черноземы типичные гор. А (Курская обл.)
8,4
18,469
1,74
Черноземы южные гор. А (Ростовская обл.)
4,6
14,755
1,50
Темно-каштановые гор. А (Ростовская обл.)
4,0
12,252
1,45
Каштановые гор. А (Ростовская обл.)
2,6
6,090
1,18
2,1
4,185
1,08
Светло-каштановые гор. А (Ростовская обл.)
2
При U(ho) > Uc = 0,67 мДж/м
органо-глинистые частицы неустойчива к коагуляции
U(ho)
мДж/м2
4,3
4,9
5,5
5,5
5,5
4,8
4,6
3,8
3,4
Величина Uc характеризует ту критическую глубину первичного минимума, при
которой коагуляция термодинамически невыгодна. В дисперсной системе при U(ho)<Uc
устанавливается равновесие между процессами пептизации и коагуляции. Критическое
значение энергии межмолекулярного Uc притяжения при h = ho для частиц с r = 0,1 мкм,
оказалось равным 0,7 мДж/м2. Оно значительно меньше величины U(ho), определенной в
исследованных почвах (табл. 11). Поэтому органо-глинистая система, состоящая из частиц
с размером равным D = 2r = 0,2 мкм, неустойчива, она самопроизвольно коагулируют и
44
образуют сплошную дисперсную структуру, водоустойчивый каркас, связывающий
водоустойчивые ядра в агрегатах почв (рис. 17).
Таким образом, водоустойчивость агрегатов почв определяется прочностью
водоустойчивого
каркаса,
образованного
путём
сцепления
друг
с
другом
высокодисперсных органо-глинистых частиц, и прочностью водоустойчивых ядер, в
которых микроагрегаты и неагрегированные частицы почв связанны фазовыми
цементационными
контактами,
образующимися
при
коагуляции
и
дегидратации
органоминеральных коллоидов. Прочность водоустойчивых ядер, который равен
средневзвешенному диаметру (СВД) фракции водоустойчивых агрегатов, в 1,5 – 2,0 и
более раз превышает прочность каркаса. Под действием механических напряжений,
превышающих допустимые, каркас в агрегатах разрушается, и происходит распад их на
водоустойчивые ядра.
Глава 5. Структурно-функциональная связь между водоустойчивостью агрегатов
и содержанием гумуса в почвах
Качество и характер распределения агрегатов в профиле почвы создают
оптимальные условия для реализации не только продукционной, но и деструктивной
ветви цикла органического углерода, особенно в тех случаях, когда значительная часть
биомассы поступает в почву в виде подземных растительных остатков. Высокая
агрегированность в таких почвах обеспечивает полную деструкцию (до образования СО2 и
Н2О) той части органического вещества, которая при данном сочетании факторов
почвообразования оказывается избыточной, так как почвенная биота и в первую очередь
микроорганизмы
не
способны
полностью
минерализовать
и
трансформировать
органические вещества поступающие в почву (Звягинцев, 1987; Герасимова, 1995;
Степанов, Манучарова, 2006).
Основным параметром, характеризующим структурное состояние почв, является
водоустойчивость агрегатов. Она определяется прочностью структуры водоустойчивых
ядер, армированных пространственной сеткой высокодисперсных органо-глинистых
частиц. Макроскопическая прочность водоустойчивой структуры агрегатов практически
однозначно определяется общим содержанием гумма в почвах (рис. 16). Между энергией
связи частиц (ucв) и общим содержанием гумуса (Сгум) (рис. 18, а), а также силой
сцепления частиц и содержанием гумуса (рис. 18, б) выявлена тесная связь, близкая к
функциональной. Содержание гумуса в верхних горизонтах автоморфных почв, его
групповой состав и свойства гуминовых веществ тесно связаны между собой, сочетания
их характеризуют типы почв, а продолжительность периода биологической активности
45
отражает кинетику гумусообразования и уровень интенсивности биохимических
процессов. (Гришина, 1986; Орлов и др., 1996; Орлов, Бирюкова, 2005). Рассмотренные
соотношения, свидетельствуют о том, что в формировании водоустойчивых структурных
2,00E-19
1,00E-09
1,60E-19
8,00E-10
1,20E-19
6,00E-10
р1, Н
u св, Дж
связей в агрегатах почв главная роль принадлежит биохимическим процессам.
u c в = a 3 C гум
8,00E-20
a = 8,85*10
R = 0,987
4,00E-20
р 1 = a 3 C гум
4,00E-10
-20
a = 4,43*10-10
R = 0,987
2,00E-10
0,00E+00
0,00E+00
0
2
4
6
8
10
0
2
4
Сгум, %
6
8
10
Сгум , %
a) зависимость между энергией связи частиц uсв и
содержанием гумуса (Сгум)
б) зависимость между прочностью контактов р1 и
содержанием гумуса (Сгум)
Рис. 18. Связь между энергетическими характеристиками водоустойчивой структуры агрегатов и
содержанием гумуса в почвах
Нам
удалось
количественно
оценить
влияние
гумуса
на
формирование
водоустойчивых агрегатов. Впервые на количественном уровне установлена взаимосвязь
двух
фундаментальных
процессов
почвообразования
-
гумусообразования
и
структурообразования в некоторых автоморфных почвах лесостепной и степной зоны
(рис.18, 19). Анализ показывает, что в формировании контактов, которые являются
носителями прочности в водоустойчивых агрегатах, активное участие принимает
определенная часть гумусовых веществ (рис.18).
Между общим содержанием гумуса в почвах и прочностью структуры
водоустойчивых макроагрегатов выявлена практически функциональная связь (табл. 12).
Таблица 12. Параметры уравнения, описывающего изменение Рс в зависимости
от содержания гумуса (Сгум)
Переменные X = Сгум (%) и Y = Рс (кПа) (Доверительный уровень 95 %)
Уравнение
a
b
r
r2
t-факт. t-станд.
Y = 1/(a + b*exp(-X))
0,0550
1,4081
0,990
0,981
14,58
2,04
Максимальное значения прочности водоустойчивых макроагрегатов Рс приходятся
на почвы черноземного типа, для которых характерно наиболее высокое содержание
гумуса. Постепенному снижению содержания гумуса к северу и к югу соответствует
закономерное уменьшение прочности водоустойчивой структуры макроагрегатов (рис.
19). Количество контактов, отнесенных к единице площади разрушения χ и прочность
46
индивидуальных контактов р1 закономерно возрастают с увеличением содержания гумуса
в почвах. Также возрастает плотность сложения каркаса, об этом свидетельствует
уменьшение фактора упаковки n (рис. 19, Б), который зависит от размера частиц и
характеризует пористость связнодисперсных систем (Щукин, и др., 1982).
10
8
20
Ряд2
Ряд3
6
6
10
4
П рочн ость, к П а
15
2
5
χ*10^(9)
p1*10^(-10), H
8
Гум ус, %
Ряд1
7
Ряд1
3
Ряд2
4
3
1
2
1
0
5
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Почвы
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Почвы
А) изменение содержания гумуса
и прочности
водоустойчивых агрегатов в некоторых автоморфных
почвах: Ряд1 – прочность макроагрегатов; Ряд2 содержание гумуса
Б) изменение прочности индивидуальных контактов ,
количество контактов и плотности сложения в
водоустойчивых макроагрегатах некоторых
автоморфных почв:
2
Ряд1 - число контактов χ в 1см площади сечения
органо-глинистой оболочки; Ряд2 – средняя
прочность контактов р1 между частицами органоглинистой оболочки; Ряд3 – параметр n характеризует
строение органо-глинистой оболочки, связывающей
водоустойчивые ядра в макроагрегатах почв
Рис. 19. Связь между гумусом и энергетическими характеристика структуры водоустойчивых
агрегатов гор. А некоторых автоморфных почв лесостепной и степной зоны Европейской
территории России
Почвы:
1- *светло-серые лесные гор. А; 2 - серые лесные гор. А; 3 - *темно-серые гор. А; 4 - черноземы
выщелоченные и оподзоленные гор. А; 5 - черноземы типичные гор. А (Курская обл.); 6 - черноземы
обыкновенные гор. А; 7 - черноземы южные гор. А (Ростовская обл.); 8 - темно-каштановые гор. А
(Ростовская обл.); 9 - каштановые гор. А; 10 -светло-каштановые гор. А.
При сельскохозяйственном использовании происходит деградация агрегатной
структуры почв и обусловлена она уменьшением прочности водоустойчивых структурных
связей в агрегатах почв. Оно приводит к изменению в строении органо-глинистой
оболочки. Механизм этого явления заключается в следующем. Сокращение количества
свежего органического вещества, поступающего в почву, приводит к снижению общего
содержания гумуса и ухудшению гумусного состояния почв, что отрицательно отражается
на водоустойчивости агрегатов. Анализ показывает, что нарушение естественного баланса
органического вещества приводит к постепенному разрушению водоустойчивого каркаса,
образованного из органо-глинистой оболочки. И вызвано оно уменьшением энергии связи
между
органо-глинистыми
частицами,
приводящей
к
снижению
прочности
индивидуальных контактов. Это в свою очередь вызывает изменения в строении органо47
глинистой оболочки - она становится менее компактной (уменьшается фактор упаковки
n) и менее прочной. В итоге прочность структуры водоустойчивых агрегатов закономерно
уменьшается (рис. 20).
5
8
12
8
3
6
2
4
Прочность, кПа
4
p1*10^(-10), H/ конт.
10
Ряд3
6
2
5
χ*10^(9)
Ряд1
Гумус, %
Ряд1
7
Ряд2
3
Ряд2
4
3
1
2
1
0
1
0
1
2
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Почвы
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Почвы
а) изменение содержания гумуса в почвах и прочности
водоустойчивой структуры макроагрегатов в некоторых
автоморфных ЕТР: ряд1 – прочность макроагрегатов;
ряд2 - содержание гумуса
б) изменение параметров р1, χ и n в некоторых
автоморфных почвах: Ряд1 - число контактов (χ) на 1
см2 площади сечения органоглинистой оболочки; Ряд2 –
сила сцепления между органо-глинистыми частицами
каркаса; Ряд3 – параметр n характеризующий строение
органо-глинистой
оболочки,
связывающей
ядра
водоустойчивых частиц в макроагрегатах почв
Рис. 20. Связь между содержанием гумуса и энергетическими характеристиками структуры
водоустойчивых агрегатов гор. Апах в некоторых почвах.
Почвы:
1- чернозем карбонатный легкоглинистый (Республика Молдова); 2 чернозем обыкновенный
тяжелосуглинистый Апах (Ростовская обл.); 3 - темно-каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.);
4 - чернозем обыкновенный среднесуглинистый (Республика Молдова); 5 - чернозем типичный
среднесуглинистый (Республика Молдова); 6 - каштановая легкосуглинистая Апах (Ростовская обл.); 7 чернозем карбонатный
среднесуглинистый (Республика Молдова); 8 - пойменная дерновая
среднесуглинистая Апах (Московская обл.); 9 - чернозем супесчаный Апах (Республика Молдова); 10 *дерново-подзолистые, гор. А
На основании проведенных исследований установлена структурно-функциональная
связь между показателями, характеризующими агрегатное и гумусное состояние почв.
ВЫВОДЫ
1.
На
основании
теоретического
анализа
механизма
усталостной
прочности
водоустойчивых агрегатов, обобщения собственных и литературных экспериментальных
данных, характеризующих закономерности разрыва водоустойчивых структурных связей,
создана энергетическая концепция разрушения водоустойчивых агрегатов почв.
2. Разработана методика экспериментального исследования и оценки энергии связи (uсв)
частиц в контактах, определяющей их прочность (р1), и количества контактов (χ),
распределенных в единице площади разрушения, которые являются фундаментальными
физико-химическими
параметрами,
характеризующими
водоустойчивых агрегатов почв.
48
прочность
структуры
(Рс)
3. Исследованы механизмы разрушения водоустойчивых структурных связей в агрегатах
почв. Выявлены две стадии в процессах их разрушения: в первой – происходит активация
водоустойчивых структурных связей, во второй – разрушение активированных
структурных связей. Экспериментально определена величина энергетического барьера
разрушения (Е), которая определяется энергией связи частиц (uсв) и величиной
механических напряжений (Р), возникающих при неупругом взаимодействии капель с
водоустойчивыми
агрегатами.
Впервые
установлена
физико-химическая
природа
усталостной прочности – «долговечности водоустойчивых агрегатов».
4. Микроагрегаты и элементарные почвенные частицы в водоустойчивых ядрах
соединены фазовыми цементационными контактами, формирующимися при дегидратации
и коагуляции органоминеральных коллоидов. Высокодисперсные органо-глинистые
частицы,
локализованные
на
внешней
поверхности
водоустойчивых
ядер,
взаимодействуют между собой и формируют каркас, который связывает и армирует
водоустойчивые ядра в агрегатах почв.
На
5.
основании
исследования
процессов
разрушения
агрегатов
выявлен
экспоненциальный характер распада их на водоустойчивые ядра. Водоустойчивость
агрегатов зависит от прочности органо-глинистого каркаса и прочности водоустойчивой
структуры ядер. Установлено, что прочность ядер в 1,5-2,0 и более, раз превышает
прочность каркаса. Водоустойчивые структурные связи в агрегатах почв определяют
закономерности
их
строения
и
функционирования,
обусловленных
процессами
почвообразования.
6. В исследованном генетическом ряду - «серые лесные – черноземные – каштановые
почвы» - агрегаты черноземных почв имеют наибольшие значения Рс,. К северу и к югу от
чернозёмных почв значения Рс и, соответственно, прочность структуры водоустойчивых
агрегатов закономерно снижается с уменьшением содержания гумуса в почвах.
Определены
энергетические
критерии,
характеризующие
условия
образования
водоустойчивого органо-глинистого каркаса в агрегатах исследованных почв.
Список публикаций по теме диссертации
1.
2.
3.
4.
5.
Хан К.Ю., Кириченко А.В. Электросопротивление почв солонцового комплекса в полевых
условиях. Вестник МГУ, сер. биол. и почвовед. 1976, N 5.с.87-94.
Поздняков А.И., Хан К.Ю. Использование методов постоянных электрических полей в почвенных
исследованиях. Почвоведение, 1979, N7.с.57-65.
Поздняков А.И., Хан К.Ю. Методика электрического зондирования и профилирования постоянным
током при исследовании почв. Вестник МГУ, сер. Почвоведение, 1979, N1, с.46-54.
Сухановский Ю.П., Хан К.Ю. Эрозионная характеристика дождя. Почвоведение, 1983. N9. c. 123125.
Григорьев В.Я., Кузнецов М.С., Хан К.Ю., Алешин П.М. Оценка противоэрозионной стойкости
почв при поливе дождеванием. Почвоведение, 1989. N 7. c. 99-105.
49
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
Хан К.Ю., Кузнецов М.С., Волокитин М.П., Сон Б.К., Самойлов Р.Т. Определение устойчивости
агрегатов к разрушающему действию капель. Почвоведение. 1991. N6. с.123-127.
Галиулин Р.В., Щербаков Р.А., Хан К.Ю., Корсунская Л.П., Пачепский Я.А. Оценка возможности
математического моделирования миграции 2,4 –Д в почве в микрополевых условиях при двух
режимах водоподачи// Агрохимия. 1993. N 5. с.66-76.
Козлов М.Я., Шеин Е.В., Хан К.Ю. Автоматизированное рабочее место почвоведафизика//Почвоведение. 1994. N6.с.67-70.
Волокитин М.П., Хан К.Ю., Сон Б.К., Золотарева Б.Н. Оценка деградации некоторых
агрофизических свойств почв// Почвоведение. 1997, N 1. с.57-63.
Сухановский Ю.П., Оллеш Г., Хан К.Ю., Майснер Р., Роде М., Волокитин М.П., Сон Б.К.
Применимость универсального уравнения потерь почвы от эрозии (USLE) для условий Европейской
территории России. Почвоведение, 2003, N 6, с. 733 –739.
Sukhanovskii Yu. P., Ollesch G., Khan K. Yu., Meissner R., Rode M., Volokitin M. P., Son В. К.
Applicability of the Universal Soil Loss Equation for European Russia. Eurasian Soil Science. 36(6), 2003,
pp.658 – 663.
Хан К.Ю., А.И. Поздняков, Б.К. Сон. Строение и устойчивость почвенных агрегатов
//Почвоведение, 2007, N 4, с.450–456.
Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Метод определения агрегатного сцепления почв//
Почвоведение, 2007, № 7. С.838–845.
Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Характеристика структурно-функциональной устойчивости
агрегатов почв. Вестник Оренбургского государственного университета, 2007, №75, с.381-383.
K.Yu. Khan, A.I. Pozdnyakov and B.K. Son. The method of cohesion determination in soil aggregates //
Eurasian Soil Science, 2007, 40(7), pp.754-760.
Khan K.Yu., Pozdnyakov A.I., Son B.K. Fabric of soil and characterization of their structural functional
stability. Eurasian soil science. 2008. 41(13) c.1417-1423.
Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Устойчивость агрегатной структуры почв и ее экологическое
значение. Вестник Оренбургского государственного университета, спецвыпуск, октябрь, 2009,
c.204-206.
Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы межчастичного взаимодействия в формировании
водоустойчивых агрегатов. Вестник Оренбургского государственного университета,
спецвыпуск, октябрь, 2009, c.207-209.
Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. О закономерностях изменения механической прочности,
водоустойчивости в профиле некоторых почв. Вестник Оренбургского государственного
университета, спецвыпуск, октябрь, 2009, c.388-389.
Шульга С.А., Хан К.Ю., Евсеев Н.И., Гайворон А.И. К вопросу о методике определения
водопроницаемости эродированных почв. Научно-технический бюллетень по проблеме «Защита
почв от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1979. С. 37-41.
Хан К.Ю., Гайворон А.И., Малиновский В.И. К вопросу электрического исследования мерзлых
эродированных типичных чернозёмов. Научно-технический бюллетень по проблеме «Защита почв
от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1979. С. 41-47.
Хан К.Ю., Шульга С.А., Гайворон А.И. О методике определения дождевой инфильтрации. Научнотехнический бюллетень по проблеме «Защита почв от эрозии». ВНИИЗиЗПЭ. Курск, 1980. С. 50-52.
Хан К.Ю., Игошин Н.И., Гайворон А.И. О противоэрозионной стойкости некоторых типов почв юга
ЕТС. Сб. статей: «Теоретические и практические вопросы почвозащитного земледелия».
ВНИЗиЗПЭ. Курск, 1981. С.3-7.
Кузнецов М.С., Хан К.Ю., Волокитин М.П., Самойлов Р.Т., Сон Б.К. Способ определения
устойчивости почвенных агрегатов к дождевой эрозии.// Автор. свидетельство N1605204 A1.
25.04.88.
Хан К.Ю., Волокитин М.П., Гаврильченко В.З., Сон Б.К., Жиромский С.В. Способ
определенияводопрочности почвенных агрегатов. //Автор. свидетельство N 1749830A1. 18.07.90.
Хан К.Ю., Волокитин М.П., Сон Б.К., Самойлов Р.Т., Понтелимонова С.Н. Механизм разрушения
почвенных агрегатов каплями дождя// Почвозащитная технология полива и повышение надежности
противопаводковой защиты. Пущино. ОНТИ.1990. с.106-112.
Khan K.Yu, Kuznetsov M.S., Volokitin M.P., Son B.K., Samyilov R.T. Determining the Resistance of
Soil Aggregates to Breakup by Drop Action. Soviet Soil Science. 1991. vol.23.No 10.
Хан К.Ю., Волокитин М.П., Гаврильченко В.З., Сон Б.К., Жиромский С.В. Способ определения
водоустойчивости почвенных агрегатов// Автор. свидетельство N1749830. 22.03.92.
Хан К. Ю., Волокитин М. П., Сон Б.К. Оценка потенциальной опасности эрозии почв при поливе
дождеванием. Эрозия почв и методы борьбы с ней. Тез. Докл. междунар. научно-практ. Конф.
Кишинев. 1995.
Хан К. Ю., Волокитин М. П., Сон Б.К. Качественная оценка смыва почв при поливе дождеванием.
Тез. докл. II съезда почвоведов и агрохимиков Узбекистана. Ташкент, 1995.
50
31. Хан К.Ю., Волокитин М.П., Сон Б.К. Способ определения водопрочности почвенных агрегатов.
Тезисы II съезда общества почвоведов. Санкт-Петербург. 1996. кн.1 с.125.
32. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К.Закономерности формирования агрегатной структуры в серых
лесных почвах и её экологическое значение. Сб. статей Всероссийской научно-практической
конференции. Казань, 2007. С. 365-374.
33. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Энергетическая характеристика структурной организации
педов. Труды Всероссийской конференции. Экспериментальная информация в почвоведении:
теория и пути стандартизации. МГУ. 2005, с.154-155
34. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Формирование и деградация структурного состояния серой
лесной почвы. Материалы международной научной конференции. Санкт-Петербург. 2007, с.544546.
35. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Агрегатное сцепление некоторых автоморфных почв
лесостепной и степной зон Европейской части России // Экология биосистем: проблемы изучения,
индикации и прогнозирования. Материалы международной научно-практической конференции.
Астрахань, 2007, ч.1, с.127-129.
36. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Агрегатная структура почв: теоретические и
экспериментальные аспекты исследования// Организация почвенных систем. Методология и
история почвоведения. Труды II национальной конференции с международным участием
«Проблемы истории, методологии и философии почвоведения. – Пущино, 2007, т.1, с.122-125.
37. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Природа водоустойчивости почвенных агрегатов и
характеристика их прочностных свойств// Организация почвенных систем. Методология и история
почвоведения. Труды II национальной конференции с международным участием «Проблемы
истории, методологии и философии почвоведения. – Пущино, 2007, т.1, с.125-130.
38. Поздняков А.И., Хан К.Ю. Электрические поля и почвообразование// Организация почвенных
систем. Методология и история почвоведения. Труды II национальной конференции с
международным участием «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения. –
Пущино, 2007, т.2, с. 437-440.
39. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Закономерности формирования агрегатной структуры в серых
лесных почвах и ее экологическое значение. В кн.: Леса, лесной сектор и экология республики
Татарстан. Материалы Всероссийской научной конференции «Современные проблемы лесного
сектора России».- Казань, 2007, в.1, с.365-373.
40. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Строение агрегатов некоторых черноземных почв и
характеристика их структурной функциональной устойчивости// Эколого-биологические проблемы
бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии. Материалы X международной
конференции. –Астрахань: Издательский дом Астраханский университет, 2008, с.212-214.
41. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К., Поздняков Л.А. Строение почвенных агрегатов и особенности
трансформации в них органического вещества. Материалы Российско-Корейского семинара
«Современная наука и высокие технологии». – Пущино: ИБФМ РАН, 2008, с.14-15.
42. Хан К. Ю., Поздняков А. И., Сон Б. К. Характеристика агрегатного уровня организации почв. В кн.:
Экология биосистем: Проблемы изучения, индикации и прогнозирования. -Астрахань:
Издательский дом Астраханский университет, 2009, с.98-99.
43. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы распределения и аккумуляции гумусовых веществ
в почвенных агрегатах// Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции
«Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». Пущино, 2009, с.166-168.
44. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Структурно-функциональная модель строения почвенных
агрегатов//Эволюция почвенного покрова. Труды V Международной конференции «Эволюция
почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». - Пущино, 2009,
c.168-171.
45. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К., Золотарева Б.Н. Изменение агрегатной структуры серой
лесной почвы в результате их сельскохозяйственного использования. Эволюция почвенного
покрова. Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и
методы, голоценовая эволюция, прогнозы». - Пущино, 2009, c.295-297.
46. Хан К.Ю., Поздняков A.И., Сон Б.К. Механизмы образования и функционирования агрегатной
структуры в почвах. Сб. Материалов IV Всероссийской научной конференции с международным
участием «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове».
-Томск:ТМЛ-Пресс, 2010, т. 1. с.289-291.
47. Хан К.Ю., Поздняков A.И., Сон Б.К. Механизмы формирование пылеватой фракции микроагрегатов.
Материалы всероссийской научной конференции «Биосферные функции почвенного покрова».
Пущино: SYNCHROBOOK, 2010, с. 325-326.
48. Хан К.Ю., Поздняков A.И., Сон Б.К. Агрегатная структура почв: энергетическая концепция,
механизмы образования и характеристика функциональной устойчивости. Российско-Корейская
научная конференция. Иркутская область, п. Листвянка. 2010, с.16-18.
51
49. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К. Механизмы образования почвенных агрегатов и
характеристика их мультиустойчивости. Материалы Всероссийской научной конференции
«Биосфера и Почвы: Устойчивость и Развитие». М.: Фонд «Инфосфера»-НИА-Природа. 2011, c.413420.
52
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
712 Кб
Теги
0c5f2ad70a, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа