ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 6, с. 691-696
УДК 631.437
ФИЗИКА ПОЧВ
ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ ГЕЛИ В ПОЧВАХ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ
© 2004 г. Г. Н. Федотов1, А. И. Поздняков2, Д. В. Жуков1, Е. И. Пахомов1
Московский государственный университет леса, 141005 Мытищи-5, Московская обл., ГУВПО МГУЛ, 2Факулътет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы Поступила в редакцию 15.09.2003г.
Предложена гипотеза о наличии в почвах единого каркаса органо-минерального геля и влиянии его на ряд свойств почв. С точки зрения этой гипотезы показано, что изменение структуры ОМГ влияет на многие свойства почв, такие как диффузионно-адсорбционные потенциалы между почвами, почвенный пьезоэффект, скорость диффузии веществ в почвах и их структурно-механические свойства.
В почвах, формирование которых связано с процессами выветривания и наличием органических веществ, гелеобразование выражено особенно ярко и, поэтому понятие органо-минерального геля (ОМГ) прочно утвердилось в почвоведении достаточно давно [4], хотя использовалась и иная терминология (пленки-гели, пептизируемые осадки, железо-гуминовые и алюмо-гуминовые соединения нерастворимые в воде).
Исследователи-почвоведы всегда обращали внимание на особые свойства поверхности раздела твердой и жидкой фаз в почвах, и далеко не все и не всегда воспринимали эту поверхность упрощенно. Например, К.К. Гедройц в своих работах не рассматривал почвенный поглощающий комплекс (ППК) как свойство четко выраженной границы раздела фаз, он воспринимал ППК как свойство коллоидной составляющей почв. Эти идеи получили развитие в работах Тюлина и Вла-дыченского [4]. Было показано, что на поверхности твердой фазы располагаются пленки-гели, определяющие свойства и даже, как утверждали авторы, плодородие почв. В работах Александровой исследовался состав органо-минеральных соединений почв, расположенных на поверхности почвенных минералов. Золотарева [3] показала, что процесс пептизации коллоидов из почв продолжается в течение многих месяцев, что также являлось подтверждением их нахождения в почвах в состоянии гелей.
Прямое изучение поведения гелей в почвах довольно сложно по многим причинам, основной из которых является трудность их выделения в неизменном виде, что приводит к необходимости изучения ответных реакций in situ и изучения свойств почв в зависимости от изменения самого геля. Кроме того, трудности при их исследовании возникают из-за неоднородности и мобильности
структур ОМГ. Подобные сложности во многом определяют гипотетичность ряда суждений о гелях, в том числе и в этой статье.
На наш взгляд, существование ОМГ на поверхности твердых почвенных частиц и его коллоидно-химические свойства позволяют предположить, что ОМГ должен образовывать в почвах единый коллоидно-гелевый каркас, единую матрицу, включающую в себя почвенный раствор [8]. Такая коллоидно-гелевая матрица должна оказывать влияние на различные свойства почв.
При изменении структуры матрицы ОМГ и нарушении целостности коллоидно-гелевого каркаса можно ожидать изменения различных свойств почв определяемых:
1) изменением подвижности ионов и коллоидных частиц при изменении силового поля структуры ОМГ;
2) самой матрицей ОМГ - целостностью ее структуры;
3) изменением структуры почвы при изменении матрицы ОМГ.
Некоторые свойства из первой группы рассмотрены в работе [6]. В частности было показано, что восстановление структуры ОМГ приводит к росту удельного электросопротивления почв. Вообще, наиболее удобными и чувствительными свойствами, отражающими изменение структуры ОМГ, оказались электрические свойства.
Например, одним из таких свойств является диффузионно-адсорбционный потенциал (ДАП) [1, 2], возникающий в области контакта почв. Увеличение энергии закрепления ионов в матрице должно приводить к возникновению положительного заряда в почвах с более прочной структурой ОМГ при контакте с почвами, обладающими более ажурной структурой ОМГ.
691
4*
Среди свойств, определяемых целостностью самой матрицы, в первую очередь, следует выделить, на наш взгляд, диффузию ионов и молекул в почве, а также пьезоэффект - смещение зарядов матрицы ОМГ при механических воздействиях на почву [8]. Полагаем также, что при нарушении целостности матрицы или уменьшении доли объема, занимаемого ОМГ в почвенном растворе, скорость диффузии должна увеличиваться, а величина пьезоэффекта - уменьшаться.
Третья группа свойств чрезвычайно многообразна. Считаем, что это многие физические свойства почв: прочность агрегатов, водопроницаемость, водоудерживающая способность, прочность, пластичность и т.д. Однако изучение влияния структуры ОМГ на эти свойства осложнено изменениями структуры самой почвы. В результате достаточно информативными могут быть лишь методы, позволяющие изучать изменение этих свойств на различных стадиях процесса восстановления коллоидной структуры матрицы ОМГ при близкой структуре почв.
Целью работы является рассмотрение результатов экспериментов по изменению ряда свойств почв с точки зрения гипотетически введенного нами понятия структурированного почвенного органо-минерального геля.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования были выбраны доступные нам почвы, включая торфяную и дерново-подзолистую из поймы р. Яхрома и ее окрестностей, а также тепличный субстрат и кубанский выщелоченный чернозем. Выбор был осуществлен таким образом, чтобы исследуемые почвы достаточно сильно отличались по своим характеристикам и наличию ОМГ. Свойства почв, определенные по общепринятым методикам, приведены в работе [8].
Измерение ДАП проводили между парами почв, приводя их в контакт. Использовали стандартные хлорсеребряные электроды, связанные с образцами почвы через загущенные агаром солевые мостики с насыщенным раствором хлорида калия. В качестве измерителя разности потенциалов между электродами (диффузионно-адсорбционного потенциала) использовали цифровой мультиметр фирмы "Ма$1есИ" М890 с внутренним сопротивлением 10 МОм. Ошибка не превышала 10% измеряемой величины.
Структурно-механические свойства определяли, используя конус Васильева. В метод было внесено небольшое усовершенствование, заключающееся в определении глубины погружения конуса при постоянной нагрузке (265 г). Точность определения глубины погружения составляла 5 мкм, ошибка метода не превышала 7%.
Пьезоэффект определяли, помещая 10-30 г почвы в трубчатую пластмассовую кювету диаметром 40мм и уплотняя образец в течение 5 минут нагрузкой 3-5 кг, создавая слой почвы толщиной 13-17 мм. После этого образец помещали между электродами из нержавеющей стали и на верхний электрод падал груз весом 350 г с высоты 15см. Скачок разности потенциалов фиксировали при помощи самописца KIPP and ZONEN BD 14. Ошибка определения составляла 15%.
Скорость диффузии солей через почву определяли на примере нитрата калия, фиксируя время прохождения соли через образец с помощью ион-селективного электрода на нитрат ион. Для этого готовили агаровый раствор нитрата калия. После того, как он застывал, на него помещали таблетку почвы толщиной 5-7мм. Приводя в соприкосновение ионселективный электрод и хлорсереб-ряный электрод сравнения (через агаровый солевой мостик) с внешней поверхностью почвы, фиксировали разность потенциалов между электродами цифровым мультиметром. Измерения проводили периодически с интервалом 5-10 минут. Прохождение соли через слой почвы определяли по началу изменения разности потенциалов между электродами. Ошибка опытов не превышала 5%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В связи с тем, что органно-минеральный гель покрывает поверхность твердых частиц почвы, при соприкосновении почв их контакт осуществляется через структуры ОМГ, присутствующие в каждой из почв.
Отсюда можно предположить, что почвенный ОМГ, его состояние и структура определяют активность и подвижность ионов в почвах, а это в свою очередь будет изменять ряд вышеперечисленных свойств почв, например, диффузионно-адсорбционный потенциал.
ДАП при таком подходе есть результат взаимодействия двух структур ОМГ.
Рассмотрим самый простой вариант - взаимодействие одинаковых почв, с ОМГ одного состава и отличающихся только содержанием влаги. Результаты измерений разности потенциалов между электродами, помещенными в контактирующие почвы одного вида, но различной влажности, свидетельствуют, что для всех изученных почв наблюдается ^-образная зависимость (рис. 1).
Объясняя полученные результаты, можно предположить, что вода перемещается из более влажной почвы в менее влажную, захватывая ионы. Если бы она захватывала анионы, то возникающее электрическое поле имело бы другую направленность, более влажная почва имела бы положительный заряд, а не отрицатель-
ный. Следовательно, речь идет о захвате движущейся водой катионов. Сделанные нами оценочные расчеты показывают, что для получения разности потенциалов порядка 5-15 мВ необходима скорость движения воды 5-30 см/мин. Для контактирующих почв различной влажности при использовании насыпных образцов скорость невероятная.
Таким образом, объяснить полученные результаты "захватом" движущейся водой ионов не удается, и можно допустить, что существует два вида предельных структур ОМГ при высокой и низкой влажностях почв, а величина ДАП определяется не только химическим составом ОМГ, но и его структурой, определяющей активность ионов и их перемещение в соответствии с различием химических потенциалов в структурах.
Все используемые нами в работе почвы представляют собой отрицательно заряженные коллоидные системы, противоионами в которых являются катионы. Причем двухвалентные катионы размещаются преимущественно в адсорбционном слое почвенных коллоидов, а одновалентные в диффузном. В результате подвижность одновалентных катионов оказывается на 2-3 порядка выше двухвалентных [5]. При контакте двух почв, в которых имеется отличие в активности каких-либо ионов должен возникать электрохимический потенциал, который будет постепенно уменьшаться при выравнивании активностей ионов за счет диффузии. Существование ДАП свидетельствуют об отсутствии равновесия в системе, что
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.