Наноструктурная организация и пути улучшения структуры почв

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

4. Колданов, В.Я. Смена пород и лесовосстановление / В.Я. Колданов. - М.: Лесная пром-сть, 1966. - 171 с.

5. Загреев, В.В. Общесоюзные нормативы для таксации лесов / В.И. Сухих, А.З. Шведченко, Н.Н. Гусев. - М.: Колосс, 1992. - 495 с.

6. ОСТ 56-100-95 «Методы и единицы рекреационных нагрузок на лесные природные комплексы».

7. Рекомендации по выделению коренных и производных групп типов леса лесной зоны европейской части РСФСР. - М.: ВНИИЛМ, 1982.

8. Соколов, П.А. Дипломное проектирование: обработка результатов измерения: учебное пособие / П.А. Соколов, В.А. Черных. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА; ГОУ ВПО МарГТУ 2007. - 100 с.

9. Сукачев, В.Н. Основы лесной типологии и биоценологии / В.Н. Сукачев // Избранные труды. - Т.1. - Л.: Наука, 1972. - 420 с.

10. Ханбеков, Р.И. Рекреационная роль лесов и ее оптимизация при ведении лесного хозяйства / Р.И. Ханбе-ков // Оптимизация ведения хозяйства в лесах рекреационного назначения. ЦП ВПНТО. - М., 1989.

НАНОСТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЧВ

Г.Н. ФЕДОТОВ, проф. Российского федерального центра судебной экспертизы при Минюсте, д-р. биол. наук,

В.И. ПУТЛЯЕВ, доц. МГУ им. М.В. Ломоносова, канд. хим. наук,

ТФ. РУДОМЕТКИНА, с. н. с. Российского федерального центра судебной экспертизы при Минюсте, канд. хим. наук,

Д.М. ИТКИС, асп. МГУ им. М.В. Ломоносова В.С. ШАЛАЕВ, проф. МГУЛ, д-р. техн. наук

В почвоведении и земледелии большое внимание уделяют структуре почв, связывая с ней агрофизические условия, и, следовательно, условия жизни микроорганизмов и растений. Считается, что оптимальными свойствами обладают почвы с максимальным содержанием агрономически ценных агрегатов размером 0,25-10 мм [1].

Были предприняты попытки улучшения почвенной структуры путем внесения в нее полимеров для увеличения концентрации почвенных «клеев» [2-4]. Это привело к получению обнадеживающих результатов, но относительно высокая стоимость полимеров и их быстрое разрушение в почвах под влиянием микрофлоры не позволили широко использовать полимерные структоры в сельском хозяйстве.

Наряду с синтетическими структорами пытались также использовать торфяные клеи, имеющие более низкую стоимость. Однако их эффективность оказалась значительно ниже [5-6]. Необходимо отметить, что в период изучения торфяных клеев отсутствовали современные методы, позволяющие исследовать их микро- и наноструктурную организации. Поэтому трудно было ожидать, что эксперименты,

shalaev@mgul.ac.ru проведенные простым перебором ограниченного числа вариантов с оценкой эффективности только по водоустойчивости агрегатов и влиянию обработки почвы мелиорантом на рост растений, могли дать положительный результат на таких сложных биокосных системах с многоуровневой организацией.

Вместе с тем перспективность разработки материалов на основе торфа для улучшения почвенной структуры не вызывает сомнения. Связано это, прежде всего, с огромными запасами в нашей стране и низкой стоимостью торфа, а также с предполагаемыми масштабами физической мелиорации почв. Однако разработка подобных структо-ров на основе торфа является сложной мате-риаловедческой задачей, при решении которой необходимо контролировать не только конечный результат, но и нано- и микроструктурную организацию создаваемых торфяных клеев.

Целью исследования было изучение влияния гелей и их наноструктурной организации на структуру почв.

В качестве объектов исследования были взяты образцы, отобранные из пахотных горизонтов типичного курского черно-

58

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

зема, серой лесной почвы владимирского ополья, дерново-подзолистой почвы вблизи поймы р. Яхрома и торфяной почвы в пойме р. Яхрома, а также образцы темно-каштановой (Волгоградская обл.) и бурой лесной почвы (Приморский край, о. Попова), взятые из архива кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Торфяные клеи получали из образцов торфяной почвы поймы р. Яхрома [7]. В связи с токсичностью натрия для растений использовали растворы гидрооксида калия (КОН). При приготовлении торфяных клеев изучали влияние концентрации растворов КОН, соотношения раствор КОН (гидрооксид калия) -торфяная почва, термической и ультразвуковой обработки суспензий (УЗДН-2Т, 44 кГц), добавок жидкого стекла и аэросила на структуру получающихся материалов.

Армированный гумусовый студень на основе торфа пытались получить и путем измельчения. Для этого водные суспензии аэросила с торфом подвергали дезинтеграторной обработке.

Содержание органического вещества в торфяной почве и торфяных клеях определяли химическим анализом по известной методике [8].

Для изучения структурной организации полученные торфяные клеи наносили на атомно-гладкую поверхность слюды и высушивали при температуре 40 °С. При изучении почв их приклеивали на углеродный скотч. На приготовленные образцы напыляли углерод (термический испаритель Univex-300, фирмы Leybold, Германия).

При изучении кинетики распада почвенных агрегатов в воде отбирали 60-70 агрегатов одного размера и помещали их на фильтровальную бумагу в ячейки пластиковой решетки размером 10 х 10 мм. После этого устройство переносили в термостат, приводя в соприкосновение фильтровальную бумагу с водой и капиллярно насыщая почвенные агрегаты водой в течение 1-3 минут. Окончание насыщения фиксировали по изменению цвета почвенных агрегатов. После этого устройство погружали в термостат на глубину 1-5 см и фиксировали время распада почвенных агре-

гатов. При работе с агрегатами использовали лупу диаметром 150 мм с четырехкратным увеличением, а также микроскопическую приставку с подсоединенной к ней видеокамерой, передающей изображение на компьютер.

Предварительные эксперименты показали, что глубина погружения агрегатов в воду не влияет на процесс их распада. Полученные данные представляли в виде безразмерной концентрации агрегатов. Проведя эксперименты при нескольких температурах (T), определяли константы скорости реакции (k) при этих температурах, а построив график в координатах ln k - 1/Т, кажущуюся энергию активации процесса распада почвенных агрегатов в воде.

На первом этапе работы исследовали влияние концентрации растворов КОН и условий процесса на состав и структуру получаемых материалов. Проведенные эксперименты свидетельствуют (таблица), что при увеличении концентрации растворов щелочи в интервале 1-10 % количество органического вещества, переходящего в растворенное состояние, возрастает почти в 3 раза. Однако при этом соотношение карбонат калия : органическое вещество увеличивается примерно в 3,5 раза.

Использование ультразвука при приготовлении торфяных клеев не оказывало заметного влияния на переход органического вещества торфа в суспензию, в то время как нагрев суспензии заметно ускорял процесс. При соотношении торф : раствор КОН, равном 1:10, полученная суспензия была очень густой, что затрудняло работу с ней.

Проведенные эксперименты позволили выбрать условия приготовления торфяных клеев для дальнейших исследований.

Органоминеральные гели, выполняющие в почвах роль клеев, представляют собой почвенный гумус, находящийся в студнеобразном состоянии, армированный коллоидными частицами органической и неорганической природы [9-10]. По-видимому, армирование гумусового студня стабилизирует его существование в почвах, предотвращая минерализацию органического вещества микроорганизмами. Поэтому дальнейшая работа была направлена на получение и исследование армированных торфяных клеев.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

59

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица

Влияние параметров синтеза торфяных клеев на содержание в них органического вещества

Концентрация раствора КОН, % Соотношение торф : раствор КОН Время обработки ультразвуком, мин Температура, °С Содержание органического вещества, мг/л

1 1 : 10 30 без нагрева 2600

1 1 : 10 30 до кипения 3600

1 1 : 100 30 без нагрева 380

1 1 : 100 0 до кипения 1060

1 1 : 100 10 без нагрева 230

1 1 : 100 0 до кипения 890

1 1 : 100 7 до кипения 900

2,5 1 : 100 0 до кипения 1140

5 1 : 100 0 до кипения 1250

5 1 : 100 10 80 1200

5 1 : 100 0 80 910

8 1 : 100 0 до кипения 2180

10 1 : 100 0 до кипения 2880

Армированный гумусовый студень пытались получить, обрабатывая водную суспензию аэросила с торфом в дезинтеграторе при соотношении торф : аэросил - 1:1.

Существует два подхода получения материалов «сверху-вниз» и «снизу-вверх» [11]. Эксперименты по оценке возможности использования дезинтеграторной обработки показали, что получить армированный гумусовый студень, используя подход «сверху-вниз» не представляется возможным. Для создания наноструктур второй подход почти всегда предпочтительнее. Поэтому дальнейшие исследования проводили, используя торфяные клеи.

Для армирования гумусового студня в торфяные клеи, полученные путем обработки торфа 1 % раствором КОН, вводили различные количества ПАВ, калийного жидкого стекла и аэросила марки А-380 с размером частиц порядка 50 нм.

Введение жидкого стекла не привело к возникновению в системе армирующих частиц кремнезема и значимому изменению структуры получаемых материалов.

Аэросил вводили в торфяные клеи при перемешивании с последующей гомогенизацией смеси при помощи УЗДН-2Т в течение 10 минут. Были приготовлены составы с соотношением аэросил : органическое вещество - 0,5:1; 1:1; 2:1; 3:1; 4:1.

Электронно-микроскопическое изучение полученных образцов показало, что

введение аэросила приводит к изменению структуры торфяных клеев. Изменяя состав, удалось получить набор торфяных клеев с различной структурной организацией. При соотношении аэросил : органическое вещество - 4:1 наблюдается самоорганизация частиц аэросила с образованием ламелей микронных размеров толщиной порядка 100 нм, которые при изучении с помощью оптического микроскопа можно спутать с частицами глинистых минералов.

Введение линолевокислого натрия в количестве 0,006 % (концентрация близкая к ККМ) показало, что при этом самоорганизация в системе не исчезает, но изменяется морфология образующихся материалов. Происходит переход от ламелярных структур к игольчатым.

Результаты изучения суспензий торфяных клеев свидетельствуют, что при увеличении содержания аэросила в суспензии без добавок ПАВ происходит значительное уменьшение размера частиц. В суспензиях с добавками ПАВ при увеличении содержания аэросила наблюдаются более сложные зависимости, но тенденция к уменьшению размера частиц сохраняется. Можно предположить, что наблюдаемые нами при электронно-микроскопических исследованиях высушенных торфяных клеев структуры существуют уже в суспензиях, а не возникают при их высушивании.

60

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Подобные результаты позволяют сделать вывод о том, что наноструктурная организация почв и их микроморфология могут изменяться под влиянием малозаметных и неконтролируемых исследователем факторов. Полученные данные свидетельствует также о наличии склонности к самоорганизации у органического вещества гумуса.

Органические молекулы специфических и неспецифических веществ гумуса [13] взаимодействуют между собой, образуя гумусовый студень [14]. Определять поведение подобных систем должны наиболее высокомолекулярные соединения при достаточной их концентрации, в данном случае гумино-вые кислоты.

Гуминовая кислота [15] состоит из 4045 блоков массой каждый порядка 1500 дальтон, причем блоки эти имеют полиароматическое ядро и представляют собой двумерные образования. В пространстве, как всякая полимерная молекула, гуминовая кислота должна принимать конформацию клубка.

На форму молекул гуминовых кислот должны влиятть [16] растворитель; количество и вил молекул, с которыми контактирует гуминовая кислота; заряд молекулы гуми-новой кислоты и окружающих ее молекул; ионная сила раствора; количество и энергия внутримолекулярных и межолекулярных связей и др.

Для обеспечения устойчивости почвенных агрегатов гелевые пленки при взаимодействии с водой должны набухать, но не распадаться на молекулы, ассоциаты молекул или на более тонкие пленки. В противном случае агрегаты будут разрушаться. Проведенный анализ свидетельствует, что искомый результат по улучшению почвенной структуры достигается наличием «сшивок» - связей внутри пленок и между пленками и минеральной составляющей почв, «сшивок», которые не разрушаются водой.

При анализе был применен достаточно общий подход, в котором абстрагировались как от строения самих почвенных агрегатов, так и от строения почвенной структуры в целом. Подобный подход накладывает серьезные ограничения на сделанные выводы.

С целью устранения этого недостатка нами была изучена водостойкость почвенных агрегатов. Для получения информации о механизме процесса распада почвенных агрегатов в воде было необходимо определить физико-химические параметры процесса. Проще всего это сделать, определяя кинетику распада почвенных агрегатов в воде, методом Андрианова.

При распаде почвенных агрегатов в воде в реальности мы имеем дело с совокупностью последовательно-параллельных реакций разрушения армированного гумусового студня при гидролизе, поэтому таким способом можно определить только эффективную энергию активации процесса распада почвенных агрегатов.

Рис. 1. Кинетика распада почвенных агрегатов чер-

нозема размером 3-5 мм в воде при различных температурах: 1 - 23°С, 2 - 37°С, 3 - 50°С

Рис. 2. Изменение энергии активации распада почвенных агрегатов чернозема в воде от их размера

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

61

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

На графике (рис. 1) представлены полученные нами типичные кинетические кривые. Процесс распада 80 % почвенных агрегатов хорошо описывается уравнением нулевого порядка. Коэффициент корреляции 0,97-0,99. Проведение экспериментов при различных температурах позволило определить эффективную энергию активации распада почвенных агрегатов в воде, которая является физико-химической характеристикой процесса для данной почвы. Были определены эффективные энергии активации распада для агрегатов различных фракций (рис. 2).

Проанализируем полученные результаты, приняв для простоты, что агрегаты имеют сферическую форму. Считается, что макроагрегаты образованы из микроагрегатов [1, 3, 6, 17], и, следовательно, различные фракции макроагрегатов отличаются только количеством образующих их микроагрегатов, но связаны между собой одинаковым армированным гумусовым студнем. Распад агрегатов должен усиливаться при увеличении количества нарушений в связывающем микроагрегаты армированном гумусовом студне агрегата. Количество подобных «дефектов» должно возрастать с увеличением объема агрегата. В этом случае зависимость эффективной энергии активации распада от размера агрегата должна быть обратно пропорциональна третьей, а не первой степени. Следовательно, можно предположить, что существует некий фактор стабилизации агрегатов, пропорциональный квадрату их размера, который действует тем сильнее, чем меньше поверхность сферической частицы. Фактически речь идет о каком-то механизме, подобном поверхностному натяжению, действие которого часто объясняется с позиции существования стягивающей пленки молекул поверхностного слоя.

Таким образом, существование стягивающей пленки на поверхности агрегатов позволяет объяснить полученные результаты. Можно предположить, что роль стягивающей пленки выполняет слой армированного гумусового студня, покрывающего агрегат и предотвращающего его распад при набухании. Предположение о наличии подобной пленки органического происхождения, стабилизиру-

ющей агрегаты, высказывалось в ряде работ [5, 18], но доказано не было.

Способов образования поверхностного слоя с повышенной концентрацией армированного гумусового студня в почвенных агрегатах может быть несколько. Например, гелевые структуры могут существовать в почвенном растворе в виде обломков, не связанных с поверхностью почвенных пор, а значит обладать определенной подвижностью [10]. При чередовании процессов увлажнения-иссушения они вместе с влагой будут перемещаться к поверхности агрегатов - к зоне испарения и закрепляться там. При большом числе циклов их концентрация в поверхностном слое должна быть заметно выше.

Однако возможно и другое объяснение. Распад во многих случаях происходит как отрыв кусков от агрегатов. При отрыве куска от агрегата вес этого куска действует на площадь, по которой происходит отрыв. Масса куска пропорциональна его объему и, как следствие, энергия активации должна линейно зависеть от размера агрегата.

С целью проверки предположения об изменении концентрации геля в поверхностном слое агрегатов было проведено определение химического состава путем сканирования при помощи рентгеноспектрального микроанализатора по срезу агрегатов от центра к краю. Как следует из полученных данных, значимая разница по распределению элементов внутри агрегатов и в их поверхностном слое отсутствует. Это свидетельствует о том, что накопления геля во внешнем слое агрегатов, стабилизирующего их существование, не происходит.

В структурной почве агрегаты являются исходными, автономными, мало изменяемыми элементами [19] почвенной структуры в процессе функционирования почв. То есть в процессе циклического увлажнения-иссушения размер и форма агрегатов должны оставаться неизменными.

В общем случае разрушение агрегатов и почвенной структуры в целом будут определяться разницей энергий связи почвенной массы внутри агрегатов и между агрегатами. Если эта разница велика, то при высыхании или механическом воздействии произойдет

62

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

разрыв по поверхности и перераспределения почвенной массы между агрегатами наблюдаться не будет. Если разница мала, то процессы увлажнения-высушивания приведут к уничтожению границ между агрегатами и образованию слитой массы с близкой энергией связи в любом направлении.

Для проверки данного положения на поверхность почвенных агрегатов чернозема размером 3-5 мм были нанесены частички нерастворимого в воде люминофора КО-530 размером 3-5 мкм путем обработки агрегатов суспензией люминофора. После этого агрегаты были помещены в тигель с пористым дном, который заполнялся водой, где они выдерживались несколько часов. Затем вода удалялась, а почвенная масса высушивалась при 40°С. После троекратного проведения процесса увлажнения-высушивания образовавшийся сухой комок почвы был разделен на агрегаты.

В случае перераспределения почвенной массы между агрегатами в середине вновь образовавшихся агрегатов должны были бы наблюдаться области, содержащие люминофор, соответствующие поверхности исходных агрегатов. На срезах агрегатов подобные области должны визуализоваться в виде полос люминофора в массе агрегата. Мы провели препарирование нескольких десятков вновь образовавшихся агрегатов, рассматривая срезы при помощи микроскопической приставки при увеличении от 5 до 90. При этом образцы облучали УФ излучением с длинной волны 366 нм, используя УФ излучатель для тонкослойной хроматографии Desaga Minuvis 131200. Ни в одном случае внутри агрегатов чернозема не было обнаружено прослоек из люминофора, хотя отдельные частички люминофора в небольшом количестве внутрь агрегатов попадали. В экспериментах, проведенных с агрегатами дерново-подзолистой и серой лесной почв, более половины содержали внутри прослойки люминофора.

Таким образом, почвенные агрегаты чернозема действительно являются стабильными элементами, образующими почвенную структуру и в принципе возможно существование механизма стабилизации почвенных агрегатов за счет изменения состава и струк-

турной организации армированного гумусового студня в поверхностном слое агрегатов.

Основной вывод из проведенных в этой части работы экспериментов заключается в следующем: условием образования и существования устойчивой агрегатной почвенной структуры должно являться наличие поверхностных слоев геля одинакового с объемными слоями геля состава, которые обеспечивают меньшее взаимодействие между агрегатами, чем объемные слои геля внутри агрегатов.

Рис. 3. Кривая основной гидрофизической характеристики [2] и предполагаемая схема преобразования структуры гумуса при изменении влажности почв: pF - потенциал почвенной влаги, W - влажность почв, МАВ, МГ, ВЗ, ММВ, ВРК, МКСВ, НВ, КВ - почвенные гидрофизические константы

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

63

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

При одинаковом составе геля внутри и в поверхностном слое агрегатов подобное возможно только при перестройке структуры гумусового студня. Таким образом, для понимания поведения гумусового студня и самих почв нельзя воспринимать гумусовую матрицу как однородную органическую субстанцию. Необходимо учитывать наличие в ней большого числа гидрофобных участков и возможность прохождения структурных перестроек в гумусовом студне.

В подобных системах при изменении содержания воды происходят конформаци-онные изменения структуры молекулярной сетки [20-21]. При малом содержании воды структура гумусового студня должна соответствовать типу В/М (эмульсия воды в масле). Это означает, что при удалении воды из гумусового студня происходит такая реорганизация его структуры, что неполярные части макромолекул разворачиваются, увеличивая площадь контакта между собой, неполярными частями макромолекул и воздухом. Полярные же части контактируют с остающейся в гелевой структуре водой и минералами, образуя вокруг них защитные пленки (рис. 2). При увеличении содержания воды сначала происходит объединение областей воды, покрытых защитными пленками, в единый каркас [20-21]. В этих условиях почвенный гель представляет собой два взаимопроникающих каркаса - гидрофобный и гидрофильный (рис. 3). При большем содержании воды в системе происходит «обращение структуры», а при еще большем содержании влаги начинается распад гидрофобного каркаса на отдельные участки - переход к организации по типу М/В (эмульсия масла в воде).

Следует отметить, что предложенная модель изменения структуры гумусового студня от влажности является достаточно упрощенной. Известно, что в зависимости от соотношения площадей, занимаемых в мицеллах гидрофильными и гидрофобными частями дифильных молекул, определяемых параметром а (соотношением площадей гидрофильных и гидрофобных частей), меняется структура мицелл в воде [20-21]. Если параметр а меньше 1/3, а концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) мала, то

образуются сферические мицеллы. При увеличении параметра а происходит переход от циллиндрических к пластинчатым мицеллам (а = 1). Следует отметить, что эти правила установлены для систем, образованных простыми ПАВ. Для смесей ПАВ наблюдаются сложные, часто синергетические или антагонистические зависимости, ход которых заранее предсказать практически невозможно. Для почв ситуация усложняется еще больше из-за наличия в системе, кроме различных низкомолекулярных липидов, еще и высокомолекулярных ПАВ, которыми являются как белки, так в определенной степени ФК и ГК. Причем все эти вещества не являются свободными, а связаны между собой в гумусовую матрицу.

Детально разобраться во всех структурных перестройках, которые происходят в такой сложной системе, конечно невозможно. В то же время подъем на поверхность воды пленок АГС [12], а также наличие в почвах различных типов на поверхности частиц ла-мелярной структуры, наблюдаемое при электронно-микроскопических исследованиях, подтверждает выдвигаемые предположения.

Рассмотрим с точки зрения полученных данных и предлагаемых теоретических представлений, как в динамике может происходить распад почвенных агрегатов. В сухой почве частицы, образующие агрегаты, покрыты пленкой из армированного гумусового студня, преимущественно гидрофобной с внешней стороны. При взаимодействии с водой армированный гумусовый студень начинает набухать. При этом если органические молекулы, образующие гелевые пленки, не «сшиты» между собой с образованием трехмерной структуры, то они способны к неограниченному набуханию, и агрегаты, находящиеся в воде, будут разрушаться. При нахождении агрегата внутри почвы набухание агрегатов приведет к заполнению свободного пространства и увеличению площади контакта между агрегатами.

При замедленных структурных перестройках гелей при удалении воды из почвы или при малых их количествах поверхность агрегатов будет оставаться гидрофильной, и на водоустойчивость агрегатов при их взаи-

64

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

модействии с водой будет влиять соотношение скоростей выхода воздуха из агрегата и входа в них воды. Если гидрофильная поверхность армированного гумусового студня агрегата быстро взаимодействует с водой с образованием непроницаемого для воздуха слоя, то агрегат разрывается на мелкие отдельности оставшимся в нем воздухом, давление которого повышается при втягивании воды внутрь агрегата. Для повышения водоустойчивости таких почв необходимо либо уменьшить скорость поступления в агрегаты воды, меняя гидрофильно-гидрофобные свойства поверхностной пленки, либо создавать в поверхностном слое участки устойчивого гидрофобного армированного гумусового студня, позволяющие воздуху выходить из агрегатов.

Таким образом, можно предположить существование как минимум четырех механизмов неводостойкости почвенной структуры:

1. Малое содержание армированного гумусового студня, не способное обеспечить устойчивость агрегатов при набухании в воде.

2. Большое количество армированного гумусового студня, но малое количество «сшивок» между макромолекулами.

3. Узкий спектр энергетических контактов во всем объеме почвы при отсутствии разницы в количестве «сшивок» внутри агрегата и между агрегатами.

4. Наличие на агрегатах гидрофильной, быстро набухающей и становящейся непроницаемой для воздуха гелевой пленки.

Вполне очевидно, что простое увеличение количества почвенного «клея» ни в одном из этих случаев проблемы не решит. Водоустойчивость почвенной структуры обеспечивается сложной структурной организацией армированных гумусовых студней. Поэтому задачу неводостойкости структуры для каждой почвы надо решать индивидуально, выясняя ее причину и создавая или преобразовывая внутри и вокруг почвенных агрегатов гелевый слой.

При проведении данной работы и анализе результатов нам не удалось полностью избавиться от рассмотрения почвы как ста-

тичной, неизменной во времени системы. Однако почва такой системой быть не может. Перераспределение почвенной массы между агрегатами в процессах увлажнения-иссушения происходить должно если не в течение трех актов увлажнения-иссушения, то в течение ста. Следовательно, иные свойства армированных гумусовых студней, находящихся на поверхности почвенных агрегатов, должны возникать одновременно с образованием этой поверхности. В противном случае, если бы процессы стабилизации агрегатов обеспечивались не самораспадающимися-самовосста-навливающимися, а прочными «сшивками», то в процессе функционирования все почвы постепенно перешли бы в слитое состояние.

Это позволяет предположить, что усилия необходимо сконцентрировать на поиске механизма реализации самораспадающихся-самовосстанавливающихся «сшивок» в армированных гумусовых студнях в зависимости от места их нахождения - на поверхности или в объеме почвенного агрегата.

Выводы

1. При получении торфяных клеев с аэросилом при соотношении органическое вещество торфяного клея : аэросил - 1:4 происходит самоорганизация с образованием ла-мелярных структур. Введение добавок ПАВ в торфяной клей с аэросилом приводит к изменению морфологии образующихся структур.

2. Определена энергия активации процесса распада агрегатов чернозема в воде и показано, что при уменьшении размеров агрегатов энергия активации линейно возрастает.

3. Из данных рентгено-локального анализа следует, что в поверхностном слое агрегатов не наблюдается изменения содержания армированного гумусового студня по сравнению с объемом агрегатов.

4. Показано, что при многократных процессах увлажнения-иссушения не происходит перераспределения почвенной массы между агрегатами чернозема, а между агрегатами дерново-подзолистой и серой лесной почв частично происходит. Следовательно, возможно существование механизма стабилизации почвенных агрегатов за счет измене-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

65

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ния структуры гумусового студня в поверхностном слое агрегатов.

5. Проведено рассмотрение возможных перестроек гумусового студня от влажности почв.

6. На основе анализа экспериментальных и литературных данных показано, что «сшивание» органических макромолекул, по-видимому, является одним из важнейших моментов для улучшения почвенной структуры, однако следует отметить, что одним увеличением количества геля и числа «сшивок» по гелю мы проблему улучшения структуры почвы не решим. Этот процесс необходимо проводить таким образом, чтобы не возникало «сшивок» по гелю между агрегатами.

Библиографический список

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

2. Батюк В.П. Применение полимеров и поверхностно-активных веществ в почвах / В.П. Батюк. - М.: Наука, 1978. - 244 с.

3. Качинский, Н.А. Структура почвы / Н.А. Качинс-кий. - М.: МГУ, 1963. - 99 с.

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

5. Вершинин, И.В. Почвенная структура и условия ее формирования / И.В. Вершинин. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1958. - 188 с.

6. Ревут, И.Б. Физика почв / И.Б. Ревут. - Л.: Колос, 1972. - 368 с.

7. Федотов Г.Н. Гелевые структуры в почвах: дисс. ... докт. биол. наук / Г.Н. Федотов. - М.: МГУ, 2006. - 345 с.

8. Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. - М.: ГЕОС, 2006. - 400 с.

9. Федотов, Г.Н. Коллоидные структуры в почвах / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, Г.В. Доброволь-

ский и др. // Доклады академии наук. - 2005. -Т. 404. - № 3. - С. 352-354.

10. Федотов, Г.Н. Электронно-микроскопическое исследование коллоидных структур почв / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, В.И. Путляев и др. // Доклады Академии Наук. - 2005. - Т. 403. - № 2. -С. 205-207.

11. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с.

12. Федотов, Г.Н. Уточнение представлений о строении почвенных гелей / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, В.И. Путляев и др. // Доклады академии наук.

- 2006. - Т. 411. - № 2. - С. 203-205.

13. Орлов, Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов. - М.: МГУ, 1992. - 400 с.

14. Федотов, Г.Н. Гумус как основа коллоидной составляющей почв / Г.Н. Федотов, Г.В. Добровольский // Доклады академии наук. - 2007. - Т. 415.

- № 6. - С. 767-771.

15. Орлов, Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации / Д.С. Орлов. - М.: МГУ, 1990.

- 325 с.

16. Семчиков, Ю.Д. Высокомолекулярные соединения / Ю.Д. Семчиков. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 368 с.

17. Мичурин, Б.Н. Энергетика почвенной влаги / Б.Н. Мичурин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. -140 с.

18. Сидери, Д.И. Микроскопическое изучение структуры почвы в отраженном свете / Д.И. Сидери // Химизация социалистического земледелия. - 1938.

- № 11. - С. 21-29.

19. Ляпунов, А.А. О рассмотрении биологии с позиции изучения живой природы как большой системы. В кн. Проблемы методологии современного исследования / А.А. Ляпунов. - М.: Мысль, 1970.

- С. 184-226.

20. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии / Б.Д. Сумм.

- М.: Изд. центр «Академия», 2006. - 240 с.

21. Холмберг, К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йенссон, Б. Кронберг и др. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 528 с.

66

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009