Введение к работе
Актуальность темы. Поверхностные явления в почвенных и
почвообразовательных процессах играют ведущую роль, поскольку с ними
связаны основные свойства почв и взаимодействие твердых фаз с
почвенными растворами и воздухом. Поверхность почвенных частиц
обеспечивает питание растений, нейтрализацию токсичных веществ.
Именно через поверхностные явления и процессы можно направленно
изменять экологические свойства почв. При исследовании поверхностных
явлений в почве основное внимание уделялось свойствам одной из
контактирующих сред - почвенным растворам (Полынов, 1956; Гедройц,
1955; Вигнер, 1941; Чернов, 1954; Минкин и др., 1982, Орлов, 1992 и др.).
Свойства поверхности твёрдой фазы почвы, её молекулярные и ионные
особенности и их функции в почвообразовании оставались
малоизученными. Работы А.Д. Воронина (1981-1986) открыли новый этап исследований в этой области. Они показали, что основная гидрофизическая кривая отражает самые разные свойства почвы. Особое внимание уделялось площади поверхности почвы (Бондарев, Купман, 1972; Манучаров и др., 1992, 1997,1998; Витязев и др., 1980; 2000; Сапожников, 1982 и др.). Информация о поверхности твёрдой фазы почвы выражалась в усреднённых по поверхности и энергетическому распределению характеристиках: поверхностная энергия, заряд поверхности, электрокинетический потенциал, изотермы адсорбции, теплота смачивания, удельная поверхность. Но эти характеристики не могут объяснить, как при одной и той же удельной поверхности и близком минералогическом составе, может быть разная структура: зернистые агрегаты черноземов и слитая почва, ореховатые агрегаты серых лесных почв и зернистые черноземов и т.д..
Поверхность почвы целесообразно рассматривать как состоящую из конечного числа элементарных участков, или активных центров. Активные центры твёрдой фазы почвы как форма взаимодействия почвенной поверхности с другими соединениями, представляют элементы уюлекулярно-ионного уровня организации почвы и определяют такие іроцессьі, как адсорбционные, включая и химическую адсорбцию, каталитические, обменные, снабжение растений питательными элементами, цшжение воды и пр.. Особую роль активные центры выполняют в [юрмировании структурных связей и образовании агрегатов. Активные [ентры представляют собой основу многих молекулярных процессов в гочве, что можно считать особой областью почвенных исследований.
Данная работа посвящена изучению свойств твёрдой минеральной 1азы почвы, характеризующих её на молекулярно-ионном структурном ровне и механизмам связи этих свойств с макроскопическими [араметрами почвы.
Цели работы. Разработка концепции матричной организации почвы, раскрывающей роль молекулярных свойств в структурной организации почвы. Изучение активных центров минеральной матрицы, их роль в почвообразовании. Характеристика абиотической каталитической системы почвы, а также каталитических процессов, зависящих от почвенных минеральных катализаторов. Выявление закономерностей передачи информации о молекулярных свойствах почвы на макроуровне (агрегатный, горизонтный) структурной организации.
Задачи исследования включают:
Формулирование понятия почвенной минеральной матрицы
Выявление активных центров минеральной матрицы, их роль в формировании почв
Характеристика почвенной абиотической каталитической системы.
Выявление и анализ основных пространственных закономерностей расположения минеральных катализаторов в почвах.
Выявление закономерностей формирования почвенной органоминеральной матрицы на минеральной матрице.
Изучение прочностных свойств почвенных агрегатов.
Выявление связи молекулярных свойств почвы со свойствами агрегатов.
Объекты и методы исследования. Объекты исследования включали почвы: подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, чернозёмы выщелоченные, обыкновенные, типичные, слитые, каштановые, солонцы, краснозёмы, бурые лесные, темноцветные, а также Fe-Mn почвенные новообразования и включения карбонатов.
В работе использованы новые методические подходы:
Каталитическая активность почвы по окислительно-восстановительному механизму реакций определялась на примере реакций разложения перекиси водорода и органических гидроперэксидов: алифатического соединения шре/и-бутилгидропероксида и ароматического гумилгидропероксида.
Исследование почвенной минеральной матрицы, а не отдельных фракций почвы или минералов.
Определение кислотных и основных центров почвенной минеральной матрицы методом термоступенчатой и термопрограммированной десорбции аммиака, двуоксида углерода.
Использование прочностных свойств (механическая прочность) агрегата, как модели твёрдого пористого тела, для установления связи между прочностными свойствами элементов различных структурных уровней.
Защищаемые положения
В основе организации почвы лежит почвенная матрица. Почвенная матрица включает в себя 3 индивидуальные матрицы: минеральную органическую, органоминеральную.
Взаимодействие матриц осуществляется на активных центрах. Сред* активных центров минеральной матрицы преобладают кислотные центры.
Спектр активных центров минеральной матрицы по силе связан с генетическим типом почвы.
Минеральная матрица лежит в основе органоминеральнои матрицы и определяет особенности её физических свойств.
Активные центры минеральной матрицы участвуют в каталитических реакциях.
Активные центры минеральной матрицы определяют ряд макросвойств почвы.
Научная новизна работы. Сформулирована концепция матричной организации почвы, в основе которой лежит минеральная матрица. Взаимодействие органической и минеральной матриц приводит к образованию новой органоминеральнои матрицы. Взаимодействие матриц определяет основные макросвойства почвы. Предложено оценивать активность минеральной и органоминеральнои матрицы активными центрами.
Дана характеристика почвенной каталитической абиотической системы. Изучены пространственные особенности распределения катализаторов в почвенном профиле. Доказано, что каталитические свойства почвы в окислительно-восстановительных реакциях могут определяться почвенными новообразованиями (Fe-Mn конкреции, манганы), оксидами, гидрооксидами марганца, солями железа.
Каталитические свойства минеральной матрицы по кислотно-основному механизму реакций оцениваются спектром активных центров по энергии активации десорбции (Еа) молекулы-теста на кислотные (КЦ) и основные центры. Выявлены закономерности связи общего числа КЦ с размерами матрицы, а также с почвенными свойствами (гранулометрический, минералогический состав, рН, ЕКО, механическая прочность агрегатов). Показаны различия в спектре КЦ по Еа минеральной матрицы чернозёмных, дерново-подзолистых, дерново-глеевых, бурых лесных почв.
- Механическая прочность агрегатов в широком масштабе
естественных и пахотных почв (дерново-подзолистые, серые лесные,
чернозёмы обыкновенные, типичные, выщелоченные, слитые, солонцы,
каштановые, слитые) зависит от формы агрегатов, их размеров, влажности
и является функцией минеральной матрицы почвы.
Механическая прочность агрегатов использована, как характеристика, которая отражает информацию о структурных связях почвенных частиц (сила индивидуального контакта), и структурных параметрах (удельная поверхность, гранулометрический состав, порозность), для установления связей между свойствами молекулярного уровня почвы с макро уровнем.
- В работе применены новые методические подходы:
каталитическую активность почвы оценивали на примере реакций разложения перекиси водорода (3%), органических гидропероксидов: /ире/я-бутилгидролероксида, гумилгидропероксида;
объектом исследований была почвенная минеральная матрица (ПММ), а не отдельные фракции или группы минералов;
функциональное разделение адсорбционных центров на кислотные и основные осуществляли методом термоступенчатой или термопрограммированной десорбции аммиака (тест на кислотные центры) и двуоксида углерода (тест на основные центры); " ,,
- прочностные свойства агрегата, как твёрдого пористого тела,
использовали' для установления связи между молекулярными свойствами
почвы (сила'индивидуального контакта) и макросвойствами (механическая
прочность агрегата).
Практическое значение. Разработанная концепция матричной организации почвы позволяет вычленить молекулярные свойства, которые непосредственно отражаются в макросвойствах, и в перспективе позволяет подойти к синтезу агрегатов заданного габитуса. Развитие молекулярного почвоведения позволит создавать новые искусственные почвы и восстанавливать нарушенные.
Разработан новый количественный показатель характеристики поверхности почвенной минеральной матрицы, который во многом определяет свойства почвы.
Определена связь свойств почвы молекулярного структурного уровня со свойствами макро уровня (на примере прочностных свойств контактов и агрегатов). На основании оценки структурных параметров почвы (гранулометрический состав, удельная поверхность, пористость, число контактов) дана характеристика степени межчастичного контактирования в почвах, что также является разделением почв на группы риска по отношению к антропогенному воздействию.
Результаты исследований используются при чтении лекций на факультете Почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, в ежегодных Всероссийских лекциях на экологической школе «Экология и почва» в г. Пущине
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VI, VIII делегатских съездах Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981; Новосибирск, 1989), на Всесоюзных совещаниях «Fe-конкреции в почвах. Состав, генезис, строение» (Тбилиси, 1990), на II съезде Общества почвоведов при РАН (Санкт-Петербург, 1996), на II съезде Европейского общества по охране почв (Фрайзинг, 1995), на Международной конференции «Экология городов» (Родос, 1998), на 1-ой Всероссийской конференции по лизиметрическим исследованиям почв (Москва, 1998), 1-ой Международной научной конференции «Слитые почвы: генезис, свойства, социальное значение» (Майкоп, 1998), на Международном совещании
«Железо в почвах» (Ярославль, 1999), на VII, VIII, IX Всероссийских школах «Экология и почвы» (Пущино, 1997,1998,1999).
Основные направления исследований были поддержаны Государственной программой Экологическая безопасность России (1993-1994 г.г.), Российским фондом фундаментальных исследований (1994-1995Г.Г., 1996-1998г.г. и 1999-2000г.г.).
Публикации. Опубликовано 40 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, приложения, изложена на 362 страницах, включает 65 рисунков, 52 таблицы, список литературы из 526 названий.
Благодарности. Особую признательность и глубокую
благодарность выражаю научному консультанту работы Л.О.
Карпачевскому, выполнение настоящей работы и постановка затронутых в ней проблем были бы невозможны без его участия. Я благодарна своим учителям и коллегам кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, возглавляемой А.Д. Ворониным (1976 - 1998) и Е.В. Шейным (с 1998 по настоящее время), за консультации и поддержку; Л.С. Манучарову за его вклад в модификацию прибора для определения механической прочности агрегатов; Л.П. Травлееву за предоставление возможности проведения нолевых исследований на Присамарском стационаре Днепропетровского университета; Л.Н. Захарову за полезные советы и ценные консультации; В.В. Ющенко за помощь в проведении экспериментов по изучению кислотных центров в почве; И.Ф. Комиссаровой, К.Ф. Белелюбской, И.В. Манаенкову, Н.Б. Хитрову; Н.В; Елисеевой, Э.И. Нариманидзе за помощь в работе.