Матричные черты гумус-гранулометрических отношений в полидисперсной системе почв. Ч. 1 Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 631.4

МАТРИЧНЫЕ ЧЕРТЫ ГУМУС-ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ ОТНОШЕНИЙ В ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЕ ПОЧВ. Ч. 1

© 2003 г. В. С. Крыщенко, Т.В. Рыбянец, О.А. Бирюкова, О.А. Беседина

Normative and not normative ratios of weights in polydisperse soils system are revealed Three basic types of such ratios are allocated and their

mathematical approximation is given Granulometric system of coordinates tions in soils are analyzed

Констатация факта наличия в разновидностях почв того или иного количества гранулометрических фракций или их групп по сути не является структурным анализом организации полидисперсной системы почв (ПСП). Указанные характеристики являются переменными величинами и сравнимы в узком интервале при сходных почвообразующих породах и процессах почвообразования. Это сравнение корректно лишь при решении региональных генетико-географических задач. Методология оценки структурной организации ПСП преследует несколько иную цель - как «сравнить несравнимое», как в различных по генезису и свойствам почвах обнаружить и описать сохраняющиеся гранулометрические соотношения и выразить этот структурный мотив в ПСП математической моделью, что и составляло главную цель исследований.

При постановке задачи использовался ряд концептуальных положений. Первое связано с тем, что почва представляет собой полидисперсную, гетерогенную, агрегированную, открытую систему. В своем развитии эта система стремится к состоянию динамического равновесия. Исследователь всегда застает почвы на различных стадиях равновесного процесса. Эквифиналом, выражающим это состояние, является некоторый предел морфометрических параметров почвенного профиля и установление равновесного процесса между физико-химическими и дисперсными характеристиками всех фаз почвы. Проявление в структурной организации почв принципа постоянства соотношений (матричных или нормативных) является одним из фундаментальных положений, введенных в научный оборот В.В. Докучаевым.

Второй важной концептуальной основой понимания почв является представление об иерархических уровнях ее структурной организации. Нами исследовался уровень элементарных почвенных частиц, их групп и органо-минеральных микроагрегатов. При этом полагалось, что агрегирование и диспергирование почвенной массы интегрально отражает состояние динамического равновесия ПСП.

Известно, что элементарные почвенные частицы и микроагрегаты выделяются из почвы при гранулометрическом анализе в виде фракций различного размера. Н.М. Сибирцевым [1] было предложено широко используемое и сейчас объединение гранулометрических фракций в две разнокачественные группы: «физический» песок - у (частицы более 0,01 мм) и «физи-

and matrix were entered on the basis of which gumus-granulometric rela-

ческая» глина - z (частицы менее 0,01 мм). Первая группа выступает в качестве индифферента, вторая -адсорбента. Физическая глина в свою очередь разделяется на две разнокачественные группы: илистую фракцию, иногда именуемую как «плазма» почвы - а (частицы менее 0,001 мм) и группу фракций пыли - Р (0,01 - 0,001 мм). Обе группы содержат глино-металл-органические комплексы, но они различаются по качеству. В илистой фракции преобладает тонкодисперсное органическое вещество гуматно-фульватного и фульватного типа и тонкодисперсные глинистые минералы с лабильной решеткой. Во фракциях мелкой и средней пыли сосредоточиваются продукты агрегации и трансформации илистой фракции - органическое вещество преимущественно гуматного типа. Минералы монтмориллонитовой группы здесь трансформированы в более жесткие структуры гидрослюдистого состава. Пылеватые фракции достаточно консервативны и инертны: имеют малую емкость поглощения, низкую максимальную гигроскопичность. Они труднопептизируемы, почти не проявляют коллоидных свойств и сильно обогащены углеродом (Спс: СФК > 3,0).

Таким образом, мелкоземную часть ПСП можно охарактеризовать, используя четыре переменные: у, г, а, р. Две из них (г и а) - относительно независимые, а две другие (у и Р) сопряженно связаны с первыми.

Для характеристики соотношений этих переменных в ПСП необходимо «связать» их между собой.

Фракция физического песка как безгумусовая индифферентная масса выступает своеобразным «разбавителем» физической глины, а следовательно, концентрации тех веществ и элементов, которые аккумулируются в ней. В связи с этим содержанием соединения или элемента на 100 г почвы является разбавленная в п раз концентрация его в физической глине. В частности это относится к гумусу почвы. Он на 85-95 % сосредоточен в физической глине. Поэтому фракция физической глины определяет гумусовое состояние почв. Индифферентную и активную массы почвы можно связать коэффициентом пропорциональности kl .Так как в сумме они составляют 100 %, то ki = 100/г. Этот коэффициент выражает долю физической глины, приходящейся на единицу массы физического песка. По этому показателю правомочно сравнивать любые по генезису и свойствам почвы.

Две другие переменные ПСП - а и р, в сумме составляющие фракцию физической глины (а +¡5 = г), аналогичным образом могут быть связаны коэффициентом пропорциональности к2 = г/а . Этот коэффициент помогает отслеживать меняющиеся соотношения масс иловатой и пылеватой составляющих фракции физической глины. Таким образом, нами вводится количественная мера соотношения иловатости и пылеватости физической глины. Дополнительно вводится еще один показатель, характеризующий ПСП, -степень насыщенности физической глины илом (V, %), который тесно связан с к2. Он определяется из отношения V = 100 а/г , %. Таким способом рассчитывается содержание ила на 100 г физической глины.

Для более полной характеристики дисперсности почв целесообразно ввести еще один коэффициент пропорциональности между массой фракций физического песка (у)и физической пыли (¡3): /с3 = у//?. Необходимо отметить, что физическая пыль - это особая группа фракций. Она занимает промежуточное положение между «плазмой» почвы и индифферентной массой. В ее генезисе участвуют обе эти группы, и она находится с ними в динамическом равновесии.

Таким образом, теперь все характеристики ПСП приведены к сопоставимым условиям сравнения (к 100 г) и связаны коэффициентами пропорциональности. Это дает возможность приступить к исследованию структурной организации ПСП.

В качестве типового примера рассмотрим чернозем южный Нижнего Дона. В нем содержится 54,46 % физической глины, 45,54 % - физического песка, 29,66 % - ила и 24,80 % - фракций мелкой и средней пыли. Определим все три коэффициента пропорциональности: ку = 100/54,46 = 1,83; кг = 54,46/29,66 = =1,83; кг = 45,54/24,80 = 1,83. Получаем равнопро-

{

порциональное соотношение масс в ПСП. Будем именовать это состояние ПСП как нормативное. Заметим, что это всего лишь одно из состояний ПСП, но очень важное.

При анализе нормативного состояния возникает вопрос: каким математическим аппаратом можно описать наблюдающееся соотношение масс в ПСП? В математическом смысле ПСП структурирована по принципу геометрической прогрессии: последующая масса связана с предыдущей через единый знаменатель прогрессии ( g = 1,83). Для того чтобы определить диагностические параметры ПСП, находящейся в нормативном состоянии, запишем наблюдающееся соотношение масс общим уравнением: (100/54,46 = =54,46/29,66) = (45,54/24,80) = 1,83 = /:,= к2 = къ. Выразим это соотношение в формализованном виде, используя ранее введенные обозначения: (100 / г = г 1 а)= (у I /3 ) = Соотношение коэффициентов пропорциональности при данном состоянии ПСП имеет вид: к1/к2 = к2 /къ = кх-къ/к2 = К-1,00. Здесь К выступает константой равновесия масс. Отметим еще одно важное свойство ПСП, находящейся

в нормативном состоянии: степень насыщенности физической глины илом (V-100-29,66/54,46=54,46)) и содержание физической глины в почве равны друг другу (У=г). Из формализованного выражения и установленных соотношений можно записать следующее общее уравнение, характеризующее структурную организацию ПСП при ее нормативном состоянии:

(Ю0%Д2)= {к,/к2 = кг/к3 = кгк3/^ = У/г) =

=/Г* =1,00, (1)

где ад? - содержание ила в физической глине при нормативном соотношении масс в ПСП, всегда равное

/100; Кдг - константа равновесия масс, всегда равная единице.

Обозначим нормативное состояние ПСП как N -состояние (вторая строка таблицы) и дадим его определение. При М-состоянии в ПСП устанавливается равновесный процесс, при котором сохраняется постоянство соотношения масс: единице массы ила соответствует сотая часть квадрата массы физической

л

глины (ад; = 0,01г ), или квадрату массы физической глины соответствует 100 весовых частей массы ила

>у

(г = 100«дг). При этом степень насыщенности физической глины илом и ее содержание в почве равны друг другу (У=г). И-состояние ПСП, на наш взгляд, отвечает классическому закону сохранения масс:

//с2 -с'с\/с2 = К [2]. Более подробно доказательная база этого положения была рассмотрена ранее [3, 4]. И-состояние ПСП можно количественно выразить для любого значения физической глины в любой почве. Но не всегда ПСП находится только в 14-равновесном состоянии. Это состояние является частным случаем, и в почве довольно часто имеет место .ненормативное соотношение масс, когда к\ Ф к2 Ф к$.

Введение и количественное выражение 14-состояния ПСП важно по двум причинам. Во-первых, нормативное значение содержания ила (с£дг) есть универсальный эталон оценки соотношения масс в ПСП (своеобразная гранулометрическая константа), который жестко связан с физической глиной и определяется величиной ее массы. На этой эталонной базе можно проводить ранжирование других, ненормативных состояний ПСП, сопоставление свойств почв во взаимосвязи с их дисперсностью, формировать банк данных со строгим учетом гранулометрической детерминанты и т.д.

Во-вторых, через <2дг удается связать все переменные характеристики ПСП. Как следствие были разработаны гранулометрическая система координат и гранулометрическая матрица. Принцип их построения опубликован ранее [3, 4]. В данной работе указанная система координат и матрица также будут использованы (заметим, что система координат двухвекторная). По ординате проводится ранжирование ПСП по г и кх, а по абсциссе - по V и к2. Шкалы ранжирования построены на одной математической

Три состояния ПСП и параметры их оценки

Символы состояний ПСП Повторяющийся структурный мотив ПСП Отношение коэффициентов пропорциональности и константы их равновесия Связь коэффициентов пропорциональности Соотношение нормативного содержания ила (а^ ) и фактического (а у-)

NN | - состояние ПСП 100а,-/г2 >1,00 0 к2/кх = КХ <1,00 к\ > адг/а,- <1,00

Н- состояние ПСП ЮОа^/г2 =1,00 О Ол II II <~4 -¿Г кх ~ к-^ = ку аы/а1.1 =1’00

NN2 -состояние ПСП 100аJ!г2 <1,00 к\{к2 — К2 >1,00 кх > к2 ‘ аы/а/ >1,00

базе - это ряды геометрической прогрессии с £ = 1,0905 = ^2 . На такой координатной базе удается повысить корректность исследований взаимосвязи дисперсности и свойств почв.

Перейдем к анализу ненормативных соотношений масс в ПСП. Обозначим его как КЫ-состояние ПСП. При этом состоянии в системе встречаются два варианта соотношения масс: NN1- и NN2 -состояние ПСП (таблица).

В первом случае в NN і-состоянии ПСП, содержание ила в физической глине больше нормативного его значения (а, >адг, первая строчка таблицы). ПСП как бы перенасыщена илом, а пылеватых фракций содержится меньше /?дг. Например, в черноземе южном Нижнего Дона при 2=54,46 % и (Хх= 29,66 % встречаются значения содержания ила больше нормативного: а, - 38,4; 35,5 и 32,3 %. Наблюдается высокая степень насыщенности физической глины илом (от 70 до 59 %) и она выше нормативного насыщения (54,46 %). И^-состояние ПСП описывается следующим уравнением:

(і 00 а і /г 2) (¿2 /¿і)=1,00 или

(| 00 а, Д 2 )(<**/«,) =1,00 (2)

Приняв к2 /кх = ад, /а, = К\ < 1,00, можно записать:

100 а, Кх/г-2 =1,00. (3)

В других случаях при №^2-состояниях ПСП содержание ила в почве, наоборот, меньше его нормативного значения (а, <адг). Система как бы недона-сыщена илом, но в физической глине возрастает доля глино-металлорганических комплексов пылеватой размерности. Например, в черноземе южном встречаются значения содержания ила, меньшие нормативного: ау- = 27,2; 24,8 и 22,7 %. Степень насыщенности

физической глины илом для этого состояния изменяется от 49,9 до 41,6 % и меньше нормативного. NN2-состояние ПСП описывается следующим уравнением:

(ю0ауД2)(*2Д1)=1 ,00 или

(і00aJ/z2) (рсм/а])= 1,00. (4)

Приняв к2/кх =aN/aj -К2 >1,00, можно записать:

100 2 =1,00. (5)

Для всех трех встречающихся состояний ПСП можно записать следующее равенство:

100а,АГ,Д2 = ШаыКы /г2 =Ю0а,АГ2/г2 =1,00.(6)

Общим для уравнений (1) - (6) выступает нормирующий множитель (юОадг^/г2). Он и есть повторяющийся структурный мотив полидисперсной системы почв, в поисках которого осуществлялось исследование. Отличие сравниваемых уравнений в том, что в (2) - (5) имеется еще корректирующий множитель (Кх и К2), не равный единице, что имеет место в случае ^состояния ПСП.

Дадим определение ненормативного состояния ПСП: в ПСП устанавливается равновесный процесс, при котором сохраняется постоянство соотношения масс, когда квадрату содержания физической глины

соответствует 100 весовых частей ила (г2 = 100адг), но дополнительно имеет место корректирующий коэффициент равновесия масс ('г2 =100принимающий значение (кх Фк2 Ф /с3), неравное единице, как это имеет место при К-состоянии ПСП.

Таким образом, одному и тому же содержанию физической глины в почве всегда соответствует некоторое множество значений ила/пыли, которые можно соотнести и соизмерить с общим эталоном сравнения -нормативным содержанием ила.

В заключении первой части работы целесообразно подвести некоторые итоги исследований.

1. Соотношение гранулометрических групп в ПСП имеет структурную организацию по принципу геометрической прогрессии и поддается математическому моделированию. Первопричина этого, вероятно, в действии закона сохранения масс, проявляющегося при формировании ПСП.

2. Характеризовать и классифицировать ПСП необходимо в двухвекторной системе координат: первая координата ранжирована по содержанию физической глины и соотношению ее с физическим песком (по г И кх), а вторая координата — по степени насыщенности физической глины илом и соотношению в ней фракций пыли и ила ( по V и к2 )■ Такой подход приведет к корректной постановке и решению задач исследования взаимосвязи дисперсности, свойств почв и их плодородия.

3. Обнаружение в структурной организации ПСП повторяющегося структурного мотива

(рп =0,0 к2) позволяет разработать универсальную гранулометрическую систему координат и матрицу. В них жестко детерминировано соотношение масс гранулометрических групп, выраженное в уравнениях через константы равновесия {К„,КхяКг).

Равенство (4) выполняется для любой по генезису и свойствам ПСП.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 02-04-48564 и «Университеты России»

№07.01.031.

Ростовский государственный университет______________

Литература

1. Сибирцев Н.М. Почвоведение. Вып. 3. СПб., 1901.

2. Киреев В.А. Курс физической химии. М., 1975.

3. Крыщенко B.C., Бирюкова O.A., Рыбянец Т.В., Беседина О.А. И Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2002. № 2. С. 87-90.

4. Крыщенко B.C., Бирюкова O.A., Рыбянец Т.В., Беседина О.А. И Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2002. №3. С. 94-100.

10 Февраля 2003 г.

't'