ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 7, с. 823-830
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.414
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФРАКТАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЧВЕННЫХ КОЛЛОИДОВ*
© 2007 г. Г. Н. Федотов1, Г. В. Добровольский2, В. И. Путляев3, Е. И. Пахомов1,
А. И. Куклин4, А. X. Исламов4
1 Московский государственный университет леса, 141005, Мытищи-5, Московская обл., ГУВПО МГУЛ 2 Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы 3 Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы 4 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна Поступила в редакцию 13.11.2006 г.
Представлены результаты электронно-микроскопического изучения гелевых пленок, выделяющихся из предварительно высушенных капиллярно-увлажненных агрегатов при помещении их в воду, взятых из гумусово-аккумулятивных горизонтов чернозема и дерново-подзолистой почвы, а также растворов, выделенных из этих почв прессованием. На основе полученных данных предложен гипотетический механизм возникновения фрактальной организации у почвенных коллоидов, который состоит в фиксации частиц минералов микронных размеров в гумусовом студне, их трансформации под влиянием агрессивных веществ с образованием коллоидных частиц продуктов реакции, диффундирующих по гумусовому студню. В связи с содержанием в макромолекулах гумуса большого количества полярных групп, коллоидные частицы, пройдя определенное расстояние, закрепляются на них. Причем чем больше расстояние от крупной частицы, являющейся центром кластера, тем меньшее количество коллоидных частиц может его преодолеть. В результате концентрация коллоидных частиц от центра кластера к периферии убывает по степенному закону, что и приводит к возникновению фрактальной организации у коллоидной составляющей почв. С точки зрения предложенной гипотезы проанализированы данные по изучению почв, полученные методом малоуглового рассеяния нейтронов.
ВВЕДЕНИЕ
В результате экспериментов по изучению липкости, электропроводности, ферментативной активности, структурно-механических и ряда других почвенных свойств в зависимости от продолжительности процесса взаимодействия почв с влагой после добавления воды в сухие почвы подтверждено наличие взаимодействия между почвенными коллоидными частицами с образованием гелевых структур, включающих в свой состав почвенный раствор.
Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии показано, что в почвах коллоидные частицы фиксированы в полупрозрачной для электронного пучка студнеобразной матрице из органических веществ на расстоянии друг от друга.
Полученные результаты [11, 12, 15] позволили сделать вывод о том, что органо-минеральные гели почв, находящиеся на поверхности почвенных частиц и связывающие эти частицы, представляют собой почвенный гумус, находящийся в студнеобразном состоянии, армированный органическими
и неорганическими коллоидными частицами. При
*
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 03-0448216, 04-04-48586, 07-04-48586).
взаимодействии с водой армированный гумусовый студень ведет себя подобно многим полимерам -набухает, вбирая в себя воду и увеличиваясь в объеме, при высушивании происходит его усадка. Различные воздействия на почву изменяют состояние армированного полимерного гумусового студня, что приводит к изменению свойств почв.
Однако необходимо отметить, что проблемой исследований подобного типа является сложность выделения изучаемых структур в неизмененном виде. Эксперименты подтвердили существование в почвах армированного гумусового студня, но они не являются однозначным доказательством отсутствия в почвах гелевых структур других типов [3].
При электронно-микроскопическом исследовании почвенных растворов было обнаружено, что коллоидные частицы располагаются в пространстве на подложке, образуя структуры, внешне очень похожие на фрактальные кластеры [11]. Это позволило предположить, что почвенные коллоиды имеют фрактальное строение. Тем не менее, сделать однозначный вывод о фрактальной организации почвенных коллоидов не представлялось возможным, так как подобные структуры могли возникнуть и при подготовке образцов к электронно-микроскопическому исследованию.
Возникла необходимость поиска методов, позволяющих изучать не отдельные фрагменты коллоидных образований, выделенные из почв и подвергшиеся при этом внешним воздействиям, а наблюдать коллоидные структуры непосредственно в почвах. К подобным методам можно отнести малоугловое рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей [8].
Проведенные методом малоуглового рассеяния нейтронов исследования [13, 14] подтвердили предположение о существовании у коллоидов в почвах фрактальной организации. Однако физико-химический механизм подобного распределения коллоидных частиц в матрице гумусового студня понятен не был.824
Целью данной работы являлось выяснение механизма возникновения фрактальной организации у почвенных коллоидов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для выяснения влияния типа почвы на фрактальную организацию почвенных коллоидов в качестве объектов исследования были выбраны чернозем типичный (Курская обл.), чернозем кубанский выщелоченный, бурая лесная почва (Приморский край, о. Попова), светло-каштановая и темно-каштановая почвы (Волгоградская обл.), краснозем (п. Чаква), взятые из архива кафедры физики и мелиорации почв, а также дерново-подзолистая почва из Приокско-террасного заповедника, торфяная почва с поймы р. Яхрома и солонец.
Электронно-микроскопическое исследование проводили на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA - 50 VP фирмы Carl Zeiss (Германия).
В работе Гроссмана с соавт. [18] показано, что при помещении предварительно высушенных капиллярно-увлажненных агрегатов, взятых из иллювиальных горизонтов ряда почв, в воду, на поверхности воды появляется пленка. Мы предположили, что подобные пленки образуются из обломков слоя геля, отделившихся от поверхности почвенных частиц при высушивании агрегатов, а, значит, они должны наблюдаться и для образцов, взятых из гу-мусово-аккумулятивных горизонтов, в которых гели образованы молекулами гумуса. Эксперименты, проведенные с агрегатами из гумусово-аккумуля-тивных горизонтов различных почв, подтвердили это предположение [16].
Таким образом, электронно-микроскопическое изучение гелевых пленок, выделяющихся при помещении в воду предварительно высушенных, а затем капиллярно-увлажненных агрегатов, давало возможность выделить почвенные гели в неизменном виде и получить достаточно полную информацию об их строении.
Для приготовления образцов для электронной микроскопии почвенные агрегаты разме-
ром 3-5 мм помещали в чашки Петри на фильтровальную бумагу, увлажняли ее, капиллярно насыщая агрегаты водой. Через 2-3 минуты поднимали уровень воды в чашке Петри, что приводило к отделению от агрегата и подъему на поверхность воды пленок. Затем пленки помещали на атомно-гладкую поверхность свеже-расщепленной слюды путем приведения в контакт поверхности слюды с водной поверхностью, на которой находилась пленка.
В качестве объекта исследования использовали также образцы, приготовленные из почвенных растворов, которые выделяли из почв, увлажненных до влажности близкой к наименьшей влагоем-кости, прессованием при давлении 10 атм. Почвенному раствору давали отстояться в течение суток, затем разбавляли его в 1000 раз и наносили на свежий скол слюды.
На приготовленные таким образом образцы после сушки напыляли углерод (термический испаритель Univex-300, фирмы Leybold, Германия).
Для нахождения величин фрактальной размерности анализируемых объектов и максимальной интенсивности рассеяния использовали метод малоуглового рассеяния нейтронов. Для нефрактальных объектов на кривых рассеяния наблюдаются пики, соответствующие размеру находящихся в образце частиц. Фрактальные объекты дают специфическую картину рассеяния при анализе их методом малоуглового рассеяния нейтронов или рентгеновских лучей, а именно, в достаточно широком диапазоне переданных импульсов зависимость интенсивности рассеяния от передаваемого импульса в логарифмических координатах представляет собой прямую линию (рис. 1) [17, 19]:
log I( k ) ~ -хlog k. (2)
При этом для массовых фракталов значение х, то есть показатель "Порода" совпадает со значением фрактальной размерности D, тогда как для поверхностных фракталов х = 6 - D.
Измерения были проведены на малоугловом нейтронном спектрометре "ЮМО" (г. Дубна), причем использовалась двухдетекторная система. Поэтому диапазон по модулю вектора рассеяния составлял от 0.007 до 0.6 Â-1, при длинах волн нейтронов от 0.7 до 5 Â и расстояниях образец-детектор, равных 3.60 и 12.97 метра для первого (ближнего) и второго (дальнего) детектора соответственно.
Образцы помещали в кюветы фирмы "Hell-ma" с полезной толщиной 2 мм, размер пучка составлял 14 мм. Кюветы размещали в термобоксе при температуре 25°С.
Первичную обработку экспериментальных спектров проводили с помощью программы SAS [9], причем нормировку данных для представления спектров в абсолютных величинах проводи-
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ 825
Таблица 1. Результаты исследования гумусово-аккумулятивиых горизонтов почв методом малоуглового рассеяния нейтронов
Воздушно-сухие почвы Почвенные пасты
Почва фрактальная размерность интенсивность рассеяния, см-1 фрактальная размерность интенсивность рассеяния, см-1
Дерново-подзолистая 3.22 ± 0.03 400 2.69 ± 0.03 268
Бурая лесная 3.07 ± 0.02 590 2.64 ± 0.02 483
Чернозем выщелоченный 2.90 ± 0.02 200 2.77 ± 0.02 260
Чернозем типичный 2.90 ± 0.09 322 2.65 ± 0.09 800
Темно-каштановая 2.71 ± 0.02 707 2.40 ± 0.02 946
Светло-каштановая 2.97 ± 0.02 500 2.47 ± 0.02 500
Краснозем 2.82 ± 0.08 1159 2.53 ± 0.02 1205
ли на ванадиевый стандарт. Фиксировали фрактальную размерность1 и интенсивность рассеянного излучения.
Для лучшего понимания целесообразности использования метода малоуглового рассеяния нейтронов акцентируем внимание на сути применения этого метода для исследования почв. Она заключается в следующем. Происходит взаимо-действие пучка нейтронов с почвой. Частицы коллоидных размеров рассеивают нейтроны под малыми углами. Причем, если
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.