Наноструктурная организация почвенных гелей и водоустойчивость почвенной структуры

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ектов РФ. Большое значение имеет информирование граждан о региональных законах и разъяснение порядка заготовки древесины и иных лесных ресурсов для собственных нужд.

Для повышения эффективности регионального законотворчества в области лесных отношений необходимо выполнение ежегодного мониторинга и анализа правоприменительной практики в разных субъектах РФ, которые будут способствовать своевременному выявлению и исключению недостатков регионального и федерального лесного законодательства.

Библиографический список

1. Лесной кодекс Российской Федерации от 4 декабря 2006 года № 200-ФЗ

2. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 года № 7-ФЗ» - М: Издательство «Омега-Л», 2009 (Законы Российской Федерации).

3. Федеральный закон от 14 марта 2009 года № 32-ФЗ «О внесении изменений в Лесной кодекс Российской Федерации и отдельные законодательные

акты Российской Федерации» (Собрание законодательства РФ, 16.03.2009, № 11, ст. 1261).

4. Федеральный закон от 22 июля 2008 года № 143-ФЗ «О внесении изменений в Лесной кодекс Российской Федерации и Федеральный закон «О введении в действие Лесного кодекса Российской Федерации»« (Собрание законодательства РФ, 28.07.2008, № 30 (ч. 1), ст. 3599).

5. Методические рекомендации по нормативному правовому регулированию субъектами Российской Федерации переданных полномочий в области лесных отношений. ФГУП «Рослесинфорг», Москва, 2009.

6. Отчет об осуществлении органами государственной власти субъектов Российской Федерации переданных им полномочий в области лесных отношений за 2007 год. ФГУП «Рослесинфорг», 2008.

7. Определение Верховного суда Российской Федерации от 27 августа 2008 года № 33-Г08-13 на решение Ленинградского областного суда от 5 мая 2008 года по делу № 3-60/2008. (документ не опубликован).

8. Определение Верховного суда Российской Федерации от 21 мая 2008 года № 3-Г08-10 на решение Верховного суда Республики Коми от 29 февра-ля.2008 года № 3-15-2008. («Республика», № 130, 12.07.2008).

9. Решение Хабаровского краевого суда от 26 декабря 2007 года.

НАНОСТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОЧВЕННЫХ ГЕЛЕЙ

и водоустойчивость почвенной структуры

ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. института экологического почвоведения МГУ им. М.В.

Ломоносова, д-р биол. наук,

В.С. ШАЛАЕВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук, ТФ. РУДОМЕТКИНА, ст. научн. сотр., канд.

Структура почвы создается совокупностью почвенных агрегатов, в которых почвенные частицы (зерна кварца, полевых шпатов и пр.) покрыты и связаны между собой почвенными гелями, играющими роль клеящего материала. По размеру агрегатов судят о генетических особенностях как всей почвы, так и ее отдельных горизонтов. Оптимальна для развития растений структура, в которой преобладают агрегаты размером от 0,25 до 10 мм [1]. Важными свойствами структуры является ее водоустойчивость.

Нарушение природной структуры почв при распашке является типичным следстви-

м. наук

gennadiy.fedotov@gmail.com ем процессов их антропогенной деградации и проявляется прежде всего в потере агрегатами свойства водоустойчивости [2-5]. Как следствие почвы уплотняются, нарушается водно-воздушный режим корневых систем растений. В бесструктурных почвах после увлажнения проявляется дефицит воздуха, сменяющийся дефицитом влаги. Внесение удобрений в почвы, лишенные структуры, неэффективно и не приводит к росту урожайности.

Восстановление структуры почвы происходит в течение длительного времени, и на этот период почвы выбывают из севооборо-

34

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

та [6]. Поэтому всегда предпринимались попытки найти клеящий материал, применение которого позволило бы восстановить структурное состояние почв [7-10]. Однако расход предлагаемых «клеев» был слишком велик, и рентабельных решений найдено не было.

На наш взгляд, неудачи при поиске «клеев» были связаны, в первую очередь, с отсутствием в тот период информации о строении нативных клеев (почвенных гелей) и непонимании причин их водоустойчивости. Трудно было ожидать, что подход с идеологических позиций закрепления грунтов [11] - внесение в почвы искусственных клеев при игнорировании нативных почвенных клеев - может привести к положительному результату.

В настоящее время установлено, что почвенные гели представляют собой армированный минеральными частицами гумусовый студень, обладающий определенной структурной организацией, изменения которой влияют на свойства почв [12, 13]. В этих условиях значительно более перспективными являются попытки, направленные не на замену нативных клеев искусственными, а на изменение структуры и свойств почвенных гелей путем внесения в почвы модификаторов (Об этом свидетельствует простой расчет. Пахотный слой 1 га почвы весит около 3000 т. Даже при низком содержании гумуса (1-1,5 %) в нем, характерном для дерново-подзолистых почв, вес гумуса пахотного слоя составляет 30-45т. Как следствие, искусственные клеи должны вноситься в соизмеримых с содержанием гумуса в почвах количествах, что не может привести к получению экономически оправданного результата. Изменение же существующих органических структур почвенных гелей с целью увеличения их клеящей способности требует значительно меньших количеств модификаторов, не превышающих долей процентов от содержания гумуса в почвах).

Целью работы было изучение влияния модификаторов, изменяющих наноструктурную организацию почвенных гелей, на водоустойчивость почвенной структуры.

При проведении исследований использовали образцы, отобранные из гумусовоаккумулятивных горизонтов дерново-подзолис-

той почвы из окрестностей поймы р. Яхрома, серой лесной почвы Владимирского ополья и Курского чернозема.

При решении подобной задачи очень важную роль играет методика определения водоустойчивости почвенной структуры. Анализ существующих способов [14] показал, что практически все они основаны на изучении водоустойчивости воздушно-сухих почвенных агрегатов, строение и свойства которых принципиально отличаются от влажных агрегатов, существующих в почвах в реальных условиях. Очевидно, что свойства набухшего и высушенного гелей сильно отличаются и возврат гелей в исходное состояние при добавлении воды происходит в течение длительного времени на порядки большего времен определения водоустойчивости [12]. Поэтому определение водоустойчивости почвенной структуры по водоустойчивости воздушно-сухих агрегатов могло быть некорректным, требовало проверки и при необходимости доработки.

За основу нами был выбран метод, предложенный П.И. Андриановым в модификации проф. Н.А. Качинского [14], в котором учитывалось количество распавшихся в стоячей воде почвенных агрегатов за определенные интервалы времени.

В решетку, состоящую из 64 отверстий диаметром 6 мм, каждое из которых снизу было поделено пополам проволокой диаметром 1 мм, помещали почвенные агрегаты размером 4,5-5 мм.

При изучении водоустойчивости или водопрочности влажных агрегатов в них перед помещением в решетку вносили по 10 мкл воды и выдерживали во влажной атмосфере в течение нескольких суток для завершения процесса набухания почвенных гелей.

При изучении влияния модификаторов на водопрочность почвенных агрегатов в них перед помещением в решетку вносили по 10 мкл воды и выдерживали во влажной атмосфере в течение суток. Затем вносили в каждый набухший агрегат по 10 мкл растворов ПАВ и оставляли еще на сутки во влажной атмосфере, предполагая, что при такой постановке эксперимента имитируются поч-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011

35

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

венные условия - модификаторы взаимодействуют с набухшими почвенными гелями.

Для проведения исследований по определению водоустойчивости решетку с образцами помещали в емкость. Воду сначала наливали в небольшом количестве, так чтобы она не доставала до решетки, затем постепенно поднимали уровень воды так, чтобы он был приблизительно на 0,5-1 см выше агрегатов. Как только агрегаты насыщались водой, включали секундомер. Каждую минуту подсчитывали число распавшихся агрегатов. Агрегат считали распавшимся, если он полностью провалился в отверстие решетки. Время наблюдения составляло 10 мин.

Распад каждого из 64 агрегатов в воде происходит за разное время, поэтому для установления их средней водоустойчивости в расчет вводится коэффициент, который характеризует водоустойчивость агрегатов в процентах в зависимости от времени их разрушения. Для агрегатов, разрушившихся в течение 1-й минуты он равен 5 %, 2-й -15 %, 3-й - 25 %, 4-й - 35 %, 5-й - 45 %, 6-й - 55 %, 7-й - 65 %, 8-й - 75 %, 9-й - 85 %, 10-й - 95 %. Не разрушившихся в течение 10 мин -100 %.

Водоустойчивость структуры оценивали по показателю водоустойчивости (К), выраженному в процентах

K = ((а-кг) + (e-k) + ... + (n-k)) / A, где а, в, - количество агрегатов, распавшихся в m-ю мин;

n - количество не распавшихся за 10 мин агрегатов;

kj, k2,... kn - поправочный коэффициент;

А - общее количество агрегатов, взятых для анализа.

Погрешность определения показателя водоустойчивости не превышала 10 относительных процентов.

Определение степени микрофазного расслоения почвенных гелей проводили, выделяя гели обработкой дистиллированной водой воздушно-сухих образцов почв [15], до и после внесения в них модификаторов. Гелевые пленки, появляющиеся на поверхности воды, помещали на атомно-гладкую поверхность слюды.

Исследование проводили при помощи растрового электронного микроскопа JEOL-

6060A (фирмы JEOL, Япония) с вольфрамовым катодом. На образцы перед исследованием напыляли платину, используя установку JFC-1600 (фирмы JEOL, Япония).

В работе использовали также сканирующий туннельный микроскоп «ФемтоСкан» (фирмы «Центр перспективных технологий», Россия).

Первые же эксперименты, проведенные методом Андрианова с предварительно увлажненными воздушно-сухими агрегатами дерново-подзолистой почвы, в которых почвенные гели набухали в течение нескольких суток, показали, что их водоустойчивость на порядок выше.

В связи с резким повышением водоустойчивости почвенных агрегатов интервал времени, через который проводили определение количества распавшихся агрегатов, увеличили в 10 раз с 1 до 10 мин, а время эксперимента - до 100 мин. Все остальные расчеты проводили согласно представленной выше формуле Качинского. Сравнительные результаты по изучению водоустойчивости агрегатов с набухшими и не набухшими гелями дерново-подзолистой почвы, чернозема и серой лесной почвы представлены в таблице (табл. 1).

Из этих данных хорошо видно, что набухание почвенных гелей очень сильно влияет на их водоустойчивость, причем водоустойчивость воздушно-сухих почв после увлажнения возрастает в разной степени, а для чернозема и дерново-подзолистой почвы на вторые сутки становится практически равной.

Резкое увеличение водоустойчивости предварительно увлажненных почвенных агрегатов по сравнению с воздушно-сухими агрегатами было достаточно неожиданно, особенно с учетом их значительно меньшей механической прочности. В то же время предварительно увлажненные почвенные агрегаты обладали определенной эластичностью. Все это подтверждало, что водоустойчивость почвенной структуры обусловлена водоустойчивостью почвенных гелей, которые связывают почвенные частицы. Фактически влажный набухший агрегат представляет собой комок геля, армированного минеральными частица-

36

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 1

Данные по водоустойчивости воздушно-сухих и набухших почвенных агрегатов

Тип почвы Время набухания гелей почвенных агрегатов, сутки Водоустойчивость, %

Дерново-подзолистая 0 6

1 60

2 78

Чернозем 0 35

2 78

Серая лесная 0 51

2 87

Таблица 2

Данные по водопрочности почвенных агрегатов

Тип почвы Время набухания гелей почвенных агрегатов, сутки Водоустойчивость, %

Дерново-подзолистая 2 50

Чернозем 2 90

Серая лесная 1 88

2 99

Рис. 1. Изображения топографии поверхности гелей, выделенных из дерново-подзолистой почвы, серой лесной почвы и чернозема, полученные на туннельном микроскопе

ми различных размеров, контактирующими друг с другом через набухший гель.

Основываясь на структурной организации почвенных гелей, можно сказать, что причиной водоустойчивости является суп-

раполимерная гумусовая матрица, которая объединяет и связывает частицы минералов, входящих в состав почвенных агрегатов.

Обращает на себя внимание, что после набухания водоустойчивости агрегатов

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

37

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Рис. 2. Электронно-микроскопические фотографии почвенных гелей при концентрации в дерново-подзолистой почве модификаторов, соответствующих 10-15 кг/га: а. Span 20; б. Span 80; в. исходная почва без добавок. Увеличение х10000

дерново-подзолистои почвы и чернозема начинают совпадать и составляют 78 %. Однако из практики мы знаем, что у чернозема структура значительно более водоустоИчива.

По-видимому, различие водоустойчивости почвенных структур чернозема и дерново-подзолистой почвы в реальных условиях связано с тем, что на агрегаты действует не только вода, но и вес вышележащей почвы. Поэтому имеет смысл разделять понятия водостойкости и водопрочности почвенных агрегатов.

Водостойкость - устойчивость агрегатов в воде без действия на них механической нагрузки. В этих условиях связи в супраполимерной гумусовой матрице почвенных гелей разрушаются под действием воды и собственного веса агрегатов. Это величина, которую мы определяли методом Андрианова.

Водопрочность - устойчивость агрегатов в воде при механическом воздействии на них. При этом на супраполимерную гумусовую матрицу действует уже не только вода, но и механические силы. Полученные данные свидетельствуют, что эти величины должны отличаться друг от друга, но устойчивость почвенной структуры к воздействию воды в природных условиях должна характеризовать именно водопрочность. И эту характеристику необходимо определять и улучшать, используя различные модификаторы.

Вполне очевидно, что при наличии слабого воздействия, оказывающего незначительное влияние на разрушение супраполимерной гумусовой матрицы почвенных гелей различных почв, мы не сможем отличать почвы по воздействию на них воды. При использовании очень сильного воздействия, приводящего к быстрому разрушению супраполимерных гумусовых матриц всех испытуемых почв, мы также не сможем отличать почвы по водопрочности. Поэтому при поиске модификаторов, позволяющих повысить водопрочность дерново-подзолистой почвы до водопрочности чернозема, необходимо использовать воздействие, разрушающее агрегаты дерново-подзолистой почвы, но не оказывающее значимого влияния на агрегаты чернозема.

38

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 3

Влияние расхода различных ПАВ на водоустойчивость почвенных агрегатов дерново-подзолистой почвы, %

ПАВ Расход, кг/га *

0 1,5 3,0 3,8 6 7,5 12 15 24 30 50 60 120 240

Pluronic F 108 50 - - - - 67 - 89 - 78 - 70 63 71

Олеат Na 50 - - 63 - 85 - 72 - 80 - 66 65 66

Tween 20 50 - - - - 64 - 53 - 60 - 46 52 90

Tween 80 50 - - - - 69 - 66 - 54 - 62 75 97

Tween 60 50 78 81 - 73 - 76 - 81 - 64 - 62 65

Span 20 50 - 63 - 68 - 69 81 - 80 - 83 - -

Span 80 50 56 - 60 72 - 86 77 - - - - - -

Pluronic L 101 50 - 69 - 81 - 58 - 64 - - - - -

* Пересчет с концентрации модификатора, выраженной в мг/мл, на расход в т/га проводили, основываясь на весе изучаемых агрегатов, концентрации применяемых растворов, плотности почвы 1,2 т/м3 и пахотного слоя, водоустойчивость структуры которого обеспечивали глубиной 25 см

В качестве такого воздействия нами был выбран ультразвук, и водопрочность стали определять по методу, аналогичному методу Андрианова, проводя определение в течение 10 мин при воздействии на почвенные агрегаты ультразвука, используя в качестве емкости, в которую помещалась решетка с агрегатами, УЗ-ванну UM-1 (Unitra-Unima, Olsztyn, Польша).

Из полученных результатов (табл. 2) следует, что водопрочность дерново-подзолистой почвы, определенная при воздействии ультразвука, достаточно сильно отличается от водопрочности чернозема, и это позволяет изучать влияние модификаторов.

Представленные данные (табл. 1, 2) свидетельствуют, что водоустойчивость и водопрочность оказались заметно выше у образцов, отобранных из серой лесной почвы, что было довольно неожиданно.

Для выяснения причин этого явления было проведено исследование структуры почвенных гелей при помощи туннельного микроскопа. Полученные результаты (рис. 1) свидетельствуют, что сильнее всего расслоены именно гели, выделенные из серой лесной почвы. Это позволило предположить, что водоустойчивость и водопрочность почвенной структуры возрастают при увеличении степени микрофазного расслоения в почвенных гелях.

При изучении влияния различных модификаторов на микрофазное расслоение в почвенных гелях при помощи электронного и

туннельного микроскопов было обнаружено, что некоторые ПАВ вызывают сильное микрофазное расслоение. На микрофотографиях в качестве примера приведены результаты, полученные при введении в дерново-подзолистую почву Span 20 и Span 80 в сравнении с гелями, выделенными из исходной почвы (рис. 2). Хорошо видно, что введение незначительных количеств ПАВ (соответствующее 10-15 кг/га - 10-15 кг на 3000 т почвы) приводит к резкому усилению микрофазного расслоения в почвенных гелях. Поэтому было решено изучить влияние ПАВ на водоустойчивость почвенной структуры дерново-подзолистой почвы.

Полученные данные свидетельствуют (табл. 3), что водопрочность почвенных агрегатов, близкая к водопрочности чернозема, возникает для некоторых ПАВ при дозах внесения уже 10-30 кг/га, что в 20-30 раз меньше, чем при использовании самых лучших из разработанных искусственных почвенных клеев.

Таким образом, можно сделать вывод о наличии влияния наноструктурной организации почвенных гелей на водоустойчивость почвенной структуры, а также предварительный вывод о перспективности использования некоторых ПАВ для повышения водопрочности структуры почв. Однако окончательное решение по этому вопросу можно принять только после проведения полевых испытаний, в которых будут контролировать-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011

39

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ся не только состояние почвенной структуры в течение всего полевого сезона после внесения модификаторов, но и рост на этих почвах растений.

Библиографический список

1. Шеин, Е.В. Курс физики почв / Е.В. Шеин. - М.: МГУ 2005. - 432 с.

2. Антропогенная эволюция черноземов. - Воронеж: Изд. ВГУ, 2000. - 412 с.

3. Безуглова, О.С. Гумусное состояние почв юга России / О.С. Безуглова. - Ростов-на-Дону: Изд. СКН-ЦВШ, 2001. - 228 с.

4. Русский чернозем 100 лет после Докучаева. - М.: Наука, 1983. - 177 с.

5. Щеглов, Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов / Д.И. Щеглов. - М.: Наука, 1999. - 214 с.

6. Вильямс, В.Р. Почвоведение / В.Р. Вильямс. - М.: СЕЛЬХОЗГИЗ, 1936. - 648 с.

7. Вершинин, П.В. Почвенная структура и условия ее формирования / П.В. Вершинин. - М.: Издательство академии наук СССР, 1958.

8. Ревут, И.Б. Химические способы воздействия на испарение и эрозию почвы / И.Б. Ревут, Г.Л. Мас-леникова, И.А. Романов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 152 с.

9. Джанпеисов, Р.Д. Исследование по применению полимерных соединений в борьбе с эрозией почв / Р.Д. Джанпеисов, Н.С. Попова, Б.В. Суворов и др.

- Алма-Ата: Наука, 1988. - 90 с.

10. Кузин, Е.Н. Использование полиакриламидного полимера В-415К в земледелии / Е.Н. Кузин, ТА. Власова, А.Ю. Кузнецов и др. - Пенза: ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», 2004. - 197 с.

11. Гончарова, Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов / Л.В. Гончарова. - М.: Изд. МГУ, 1973. - 376 с.

12. Федотов, Г.Н. Коллоидные структуры и их влияние на некоторые физические свойства почв / Г.Н. Федотов, Г.В. Добровольский, В.И. Путляев и др. // Почвоведение. - 2006. - № 7. - С. 824-835.

13. Федотов, Г.Н. Микрофазное расслоение супраполимерной гумусовой матрицы как процесс, формирующий наноструктурную организацию почвенных гелей / Г.Н. Федотов, Г.В. Добровольский, С.А. Шоба // Доклады Академии наук РФ. - 2011.

- Т 437. - С. 846-848.

14. Вадюнина, А.Ф. Методы исследования физических свойств почв и грунтов / А.Ф. Вадюнина, З.А. Корчагина. - М.: Высшая школа, 1973. -400 с.

15. Федотов, Г.Н. Уточнение представлений о строении почвенных гелей / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, В.И. Путляев и др. // Доклады Академии наук РФ. - 2006. - Т 411. - № 2. - С. 203-205.

40

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011