ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 6, с. 693-701
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.432
КОНТАКТНЫЕ УГЛЫ СМАЧИВАНИЯ И ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬ
ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ*
© 2015 г. В. А. Холодов1, 2, Н. В. Ярославцева1, М. А. Яшин1, А. С. Фрид1, В. И. Лазарев3,
З. Н. Тюгай2, Е. Ю. Милановский2
1Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
e-mail: vkholod@mail.ru 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Курский научно-исследовательский институт агропромышленного производства, 305526, Курская обл., Курский р-н, пос. Черемушки Поступила в редакцию 21.05.2014 г.
Из дерново-подзолистых почв и типичных черноземов разного гранулометрического состава и видов использования выделили сухие агрегаты 3—1 мм, которые просеяли в воде. В итоге получили водоустойчивые агрегаты и неводоустойчивые частицы, составляющие сухие агрегаты 3—1 мм. Полученные препараты перетерли, в них методом статической посаженой капли изучили контактные углы смачивания. Полученные значения изменялись от 11° до 85°. В большинстве случаев значения для препаратов водоустойчивых агрегатов значимо превышали контактные углы неводоустойчивых составляющих. Для содержания углерода в структурных отдельностях прямой корреляции между этими показателями не обнаружено. При раздельном анализе почвенных разновидностей только для тяжелосуглинистого типичного чернозема выявлена значимая положительная корреляция между содержанием органического углерода и величиной контактного угла структурных отдельно-стей. На основе многофакторного дисперсионного анализа показано, что величину угла смачивания определяет принадлежность структурных отдельностей к водоустойчивым или неводоустойчивым составляющим макроагрегата, а также вид использования почвы. Кроме того, в сочетании с этими показателями, опосредованное влияние оказывает гранулометрический состав.
Ключевые слова: агрегаты, угол смачивания, краевой угол, контактный угол, черноземы (Chernozems), подзолистые почвы (Retisols).
Б01: 10.7868/80032180X15060064
ВВЕДЕНИЕ
Структура почвы — это форма и размер структурных отдельностей в виде макроагрегатов (пе-дов), на которые распадается почва. Структура почвы характеризуются формой и степенью оформленности структурных отдельностей [15]. Для верхних гумусовых горизонтов структура во многом определяет такие важнейшие свойства, как устойчивость почвы к действию неблагоприятных факторов окружающей среды и потенциальное плодородие. Помимо этого, органическое вещество внутри структурных отдельностей (внутри-агрегатное вещество) физически защищено от разложения, что значимо снижает скорость его минерализации [12, 15, 25]. Таким образом, структура почв весомо влияет на глобальный цикл углерода [34], плодородие, состояние окружающей среды, процессы накопления и разложения орга-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты № 1304-01753, 14-04-01893, 14-04-01683.
нического вещества в пахотных почвах [2, 5, 12, 15, 25, 29, 37].
Одним из важнейших показателей структуры является ее водоустойчивость — способность не разрушаться под действием воды [15]. Помимо термина "водоустойчивость" в литературе используют устаревшее понятие "водопрочность" [16].
Согласно современным представлениям, важнейшая роль в формировании и трансформации агрегатов отводится легкоразлагаемому органическому веществу [22, 31, 38, 39, 41]. При этом существуют данные, что в растительных экосистемах легкоразлагаемое органическое вещество (лабильные гумусовые вещества, лабильное органическое вещество) играет заметную роль в формировании водопрочной структуры, его содержится больше в крупных агрегатах и меньше в частицах <0.25 мм. Однако исследования полевых опытов с бессменными парами демонстрируют наличие водоустойчивости у агрегатов, существующих в системах,
Рис. 1. Контактный угол (угол смачивания, краевой угол): Т — твердая фаза, Ж — жидкая фаза, Г — газовая фаза.
лишенных притока свежего органического вещества в течение многих лет [6].
Легкоразлагаемое органическое вещество, так же как и его прекурсоры (вещества-предшественники) — растительные остатки, в силу своего происхождения обладает более гидрофобной поверхностью по сравнению с почвенной минеральной массой [26, 33]. В связи с этим в последнее время активно исследуются гидрофобно-гидрофильные взаимодействия при изучении образования почвенной структуры и сохранения ею водоустойчивости.
Одна из гипотез, объясняющая механизм водоустойчивости макроагрегатов, предполагает наличие неупорядоченно распределенного гидрофобного органического вещества по поверхности внутриагрегатных пор, увеличивающего водоустойчивость агрегатов [11, 42]. О роли гидрофобных взаимодействий в почвах свидетельствует тот факт, что величина устойчивости почвенных агрегатов коррелирует с содержанием в почве гидрофобной фракции гумуса [21]. Водоустойчивость агрегатов при добавлении в почву неполярных жидкостей увеличивается, что можно объяснить гидрофобизацией их поверхности, и как следствие снижением смачиваемости [20].
При логически очевидном участии гуминовых веществ в процессах оструктуривания почв, физико-химическая природа этих явлений не ясна. Ганжара и Орлов [3] отмечают, что групповой и фракционный состав гумуса не позволяет идентифицировать агрономическую ценность его различных компонентов.
Вышеизложенные гипотезы были развиты в теорию о гидрофильно-гидрофобном характере гуминовых веществ, который позволяет им выступать структурообразователем и обеспечивать водоустойчивость агрегатов [11, 17].
Постоянно развивающаяся инструментальная техника, особенно современные методы коллоидной и органической химии, дают возможность изучения почвенных свойств на новом уровне и с
новых позиций. Одним из таких подходов является изучение свойств поверхности твердой фазы почвы, в частности, контактного угла смачивания на границе раздела почва—воздух—вода.
Контактный угол — термин, используемый в мировой научной литературе (contact angle), в российской литературе еще встречаются понятия: краевой угол и угол смачивания [13, 35]. При нанесении жидкости на твердую поверхность в газовой среде при формировании капли, образуются три поверхности раздела фаз: газ—твердая поверхность, газ—жидкость, жидкость—твердая поверхность (рис. 1). Угол 9, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, и имеет вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом, или углом смачивания, или контактным углом [13].
Величина контактного угла является характеристикой смачивания поверхности, при углах меньше 90° говорят о том, что поверхность смачивается, при значениях выше этого показателя, что не смачивается. При использовании в качестве жидкой фазы воды, для поверхности еще применяют термины "гидрофильная" (контактный угол <90°) и "гидрофобная" (контактный угол >90°). Кроме того, контактные углы, измеренные для жидкостей, сильно различающихся по полярности, позволяют вычислить величину поверхностной энергии [13].
Существуют работы по характеристике поверхности почвенных коллоидов и глинистых минералов с помощью контактных углов [35, 36], по оценке водопроницаемости почв и моделировании ее гидравлических свойств c привлечением данных о краевых углах [19, 20]. Отмечено изменение углов смачивания почвенных отдельностей при внесении сурфактантов или гидрофобных веществ [27, 32] и под воздействием пожаров [19]. В лабораторных экспериментах с почвами эвкалиптовых лесов Испании, Мексики и Австралии на основе измерения контактных углов и оценки устойчивости агрегатов показано, что при нагревании почв выше 200° С существенно снижаются величины контактных углов и стабильность агрегатов [44]. Полученный результат указывает на взаимосвязь смачиваемости агрегатов (оцениваемой величиной контактного угла) с их водоустойчивостью.
Для почв Германии в вариантах под лесом и пахотных, классифицированных как лювисоль, камбисоль и подзол (международная классификация [43]) c помощью корреляционного анализа показано, что водоустойчивость агрегатов больше определяется их поверхностными свойствами (смачиваемостью—водоотталкиванием), оцениваемыми величиной контактного угла, нежели содержанием органического вещества [30].
Большинство процитированных работ, посвященных почвам и их контактным углам смачивания, написаны менее пяти лет назад. При этом в современной отечественной периодике упоминаний об измерении контактных углов не обнаружено (запрос в системе e-library.ru "контактный угол смачивания почвы" ничего не обнаружил при поиске в названии статей, аннотации и ключевых словах).
Таким образом, величины углов смачивания почв и ее структурных отдельностях изучены недостаточно. Вероятно, это связано с тем, что относительно простые методы измерения угла смачивания стали доступны только в последнее время с развитием компьютерной и цифровой видеотехники.
Прямой способ измерения контактного угла на поверхности раздела фаз — метод статической посаженной капли (Static Sessile Drope, SSD) — заключается в нанесении на ровную поверхность образца капли (для оценки смачиваемости водой) и измерении угла раздела фаз вода—поверхность на воздухе (угол 9 на рис. 1). До недавнего времени метод был не применим для пористых веществ и порошков из-за влияния капиллярного впитывания на форму капли. Однако современные методы макровидеосъемки позволяют оценивать форму нанесенной на изучаемый объект капли в любой момент времени, даже в "нулевой момент" — когда капля уже находится на поверхности, но влияние впитывания на ее форму незначительно [35], что делает данный метод применимым для определения контактного угла смачивания почв.
Водоустойчивость агрегатов во многом определяется видом использования почв. Обычно с увеличением антропогенной нагрузки водоустойчивость структуры почвы снижается [6, 7, 28, 40, 41]. В связи с этим величины контактных углов смачивания, связанные с водоустойчивостью, могут, с одной стороны, служить численным выражением антропогенной нагрузки, а с другой, могут помочь глубже понять природу антропогенного воздействия на структу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.