esoilБюллетень Почвенного института имени В.В. ДокучаеваDokuchaev Soil Bulletin0136-16942312-4202V.V. Dokuchaev Soil Science Institute10.19047/0136-1694-2024-118-167-187esoil-831Research ArticleСтатьиУдельная поверхность и микроструктура поверхности твердой фазы почвенных субстратов разного генезисаSpecific surface area and microstructure of the surface of soil solid substrates of different genesishttps://orcid.org/0000-0003-1303-8078ШироянМ. М.ShiroyanM. M.suslenkovamaria@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2124-8657УмароваА. Б.UmarovaA. B.a.b.umarova@gmail.comФедотоваА. В.FedotovaA. V.БутылкинаМ. А.ButylkinaM. A.МГУ им. М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationФедеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук (ФНЦ агроэкологии РАН)РоссияFederal Scientific Center for Agroecology, Integrated Land Reclamation and Protective Afforestation of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024250320240118167187Copyright © Широян М.М., Умарова А.Б., Федотова А.В., Бутылкина М.А., 20242024Широян М.М., Умарова А.Б., Федотова А.В., Бутылкина М.А.Shiroyan M.M., Umarova A.B., Fedotova A.V., Butylkina M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.esoil.ru/jour/article/view/831

Изучены сорбционные характеристики песка, торфа, горизонта Апах урбанозема г. Москвы и смеси данных субстратов во взаимосвязи с топографией поверхности их твердой фазы, исследованной методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Наибольшей способностью сорбировать азот обладает горизонт Апах, весьма низкие значения сорбции азота имеет торфяный субстрат. Иная картина взаимного расположения изотерм сорбции субстратов наблюдается в случае использования паров воды в качестве сорбирующегося газа. Высокими значениями сорбированной влаги во всем исследуемом диапазоне относительной влажности выделяется торф. Это ведет к различиям при ранжировании субстратов по величинам удельной поверхности в порядке убывания ее значений. Так, удельная поверхность по воде в ряду торф/гор. Апах / смесь / песок составила: 420 / 72 /45 / 4 м2/г соответственно. Удельная поверхность по азоту снижалась в иной последовательности: 8.31 / 2.41 / 1.45 / 0.55 м2/г для гор. Апах, смеси, торфа, песка соответственно. Анализ микроструктурных характеристик методом СЭМ при различных увеличениях выявил наиболее развитую, шероховатую поверхность пахотного горизонта. Он оказался геометрически наиболее разнообразен даже при увеличениях 20 000. Разнообразие и неоднородность рельефа поверхности раздела фаз ведет к возникновению гистерезиса кривых сорбции/десорбции. Его выраженность по диапазону концентрации паров азота, в котором обнаруживается гистерезис, и по максимальной ширине петли гистерезиса также оказалась наибольшей в горизонте Апах. Очень низкая удельная поверхность по азоту торфа, близкая песчаному субстрату, связана с наличием органических пленок, драпирующих и выравнивающих поверхность частиц торфа, что было выявлено при анализе изображений, полученных методом сканирующей электронной микроскопии. Сорбция воды показала их высокую гидрофильность, что привело к высоким значениям влажности субстрата во всем исследуемом диапазоне относительной влажности воздуха. 

The sorption characteristics of sand, peat, the arable layer of Moscow urbanozem and a mixture of these substrates were studied in conjunction with the surface topography of their solid phase, studied by scanning electron microscopy (SEM). The arable layer has the greatest ability to absorb nitrogen, and the peat substrate showed very low values of the sorbed gas. A different picture of the mutual arrangement of substrate sorption isotherms is observed when water vapour is used as a sorbing gas. Peat is distinguished by high values of sorbed moisture in the entire studied range of relative humidity. This leads to differences in the ranking of substrates by specific surface area in descending order of its values. So, the specific surface area by water sorption in the series: peat / arable layer / mixture / sand was: 420 / 72 / 45 / 4 m2/g, respectively. The given surface was ranked according to nitrogen sorption in a different sequence: 8.31 / 2.41 / 1.45 / 0.55 for the series: arable layer, mixture, peat and sand, respectively. The analysis of microstructural characteristics by the SEM method at various magnifications revealed the most developed, rough surface in the arable layer. It turned out to be geometrically the most diverse, even at magnification of ×20 000. The variety and heterogeneity of the relief of the interface of the phases leads to the appearance of hysteresis of the sorption/desorption curves. Its severity in the range of nitrogen vapor concentration in which hysteresis is detected, and in the maximum width of the hysteresis loop, also turned out to be the most significant in the arable layer. The very low nitrogen specific surface of peat, which is close to a sandy substrate, is associated with the presence of organic films draping and leveling the surface of peat particles, which was revealed by analyzing images obtained by scanning electron microscopy. The sorption of water showed their high hydrophilicity, which led to high values of substrate humidity in the entire studied range of relative humidity. 

гидросорбциядесорбция азотасканирующая электронная микроскопиягистерезис кривых сорбцииторфпесокhydrosorptionnitrogen desorptionscanning electron microscopyhysteresis of sorption curvespeatsandОпределение удельной поверхности по азоту выполнено на “Аналитическом комплексе для определения текстурных характеристик дисперсных систем” (Meso 222, Vapor 100, 3P Instruments, Германия, 2021), приобретенном по Программе развития Московского государственного университета М.В. Ломоносова. Исследование микростроения субстратов проводилось в центре коллективного пользования “Электронная микроскопия в науках о жизни” МГУ им. М.В. Ломоносова (УНУ “Трехмерная электронная микроскопия и спектроскопия”). Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации “Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления” (номер ЦИТИС 121040800146-3).Nitrogen specific surface area was determined by means of the “Analytical complex for determination of texture characteristics of dispersed systems” (Meso 222, Vapor 100, 3P Instruments, Germany, 2021), purchased within the framework of the Development Programme of the Lomonosov Moscow State University. The study of substrate microstructure was carried out at the Shared Research Facility “Electron microscopy in life sciences” at Moscow State University (Unique Equipment “Three-dimensional electron microscopy and spectroscopy”). T. The research was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation “Physical bases of ecological functions of soils: monitor-ing, forecasting and management technologies” (CITIS number 121040800146-3).ReferencesВитязев В.Г., Чижикова Н.П., Шевченко А.В. Удельная поверхность и состав минералов илистых фракций подзолистых почв // Известия ТСХА. 1983. Вып. 3. С. 98–104.Vityazev V.G., Chizhikova N.P., Shevchenko A.V., Udel'naya poverkhnost' i sostav mineralov ilistykh fraktsii podzolistykh pochv (Specific surface area and mineral composition of silty fractions of podzolic soils), Izvestiya TSKhA, No. 3, 1983, pp. 98–104.Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во МГУ, 1984. 204 с.Voronin A.D., Strukturno-funkcional'naja gidrofizika pochv (Structural and functional soil hydrophysics), Moscow: MGU, 1984, 204 p.Воронин А.Д., Витязев В.Г. К оценке величины внешней и внутренней удельных поверхностей твердой фазы почв по изотерме десорбции паров воды // Почвоведение. 1971. № 10. С. 50–57.Voronin A.D., Vityazev V.G., K otsenke velichiny vneshnei i vnutrennei udel'nykh poverkhnostei tverdoi fazy pochv po izoterme desorbtsii parov vody (To estimate the magnitude of the external and internal specific surfaces of the solid phase of soils by the isotherm of water vapor desorption), Pochvovedenie, 1971, No. 10, pp. 50–57.Руководство по эксплуатации программного обспечения 3P meso 222. Анализатор удельной поверхности и пористости. Версия ПО 20.05.хх // 3P Instruments GmbH&Co. KG. 2021.Rukovodstvo po ekspluatatsii programmnogo obspecheniya 3P meso 222. Analizator udel'noi poverkhnosti i poristosti. Versiya PO 20.05.xx (Operating instructions for the 3P meso 222 software. Specific surface area and porosity analyzer. Software version 20.05.xx), 3P Instruments, GmbH&Co, KG, 2021.Сапожников П.М. Удельная поверхность почвы, ее изменение при почвообразовательных процессах и связь с физическими свойствами: Автореф. дис. … к. с.-х. н. 06.01.03 – Агрофизика. М.: МГУ, 1982. 28 с.Sapozhnikov P.M., Udel'naya poverkhnost' pochvy, ee izmenenie pri pochvoobrazovatel'nykh protsessakh i svyaz' s fizicheskimi svoistvami: Avtoref. dis. … k. s.-kh. n. (The specific surface area of the soil, its change during soil formation processes and the relationship with physical properties, Extended abstract of cand. agric. sci. thesis), Moscow, MGU, 1982, 28 p.Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В., Кирюшова А.Б., Машика А.В., Еремина А.М. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв // Почвоведение. 2004. № 3. С. 312–321.Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Nazarova T.V., Kiryushova A.B., Mashika A.V., Eremina A.M., Vliyanie organicheskogo veshchestva na vodouderzhivayushchuyu sposobnost' pochv (The effect of organic matter on the water-holding capacity of soils), Pochvovedenie, 2004, No. 3. pp. 312–321.Солопов С.Г. Влияние дисперсности на структуру и физико-механические свойства торфа в связи с задачей получения качественного кускового топлива из залежей с пониженной влажностью // Труды Инсторфа. 2010. № 1(54). С. 55–77.Solopov S.G., Vliyanie dispersnosti na strukturu i fiziko-mekhanicheskie svoistva torfa v svyazi s zadachei polucheniya kachestvennogo kuskovogo topliva iz zalezhei s ponizhennoi vlazhnost'yu (The effect of dispersion on the structure and physico-mechanical properties of peat in connection with the task of obtaining high-quality lump fuel from deposits with low humidity), Trudy Instorfa, 2010, No. 1(54), pp. 55–77.Сусленкова М.М., Умарова А.Б., Бутылкина М.А. Микроструктура почв разного генезиса и ее трансформация в составе конструктоземов в условиях г. Москвы // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1265–1273. DOI: 10.1134/S1064229318100125.Suslenkova M.M., Umarova A.B., Butylkina M.A., Microstructure of soils of different genesis and its transformation in the composition of structural soils in the conditions of Moscow, Pochvovedenie, 2018, No. 10, pp. 1265–1273, DOI: 10.1134/S1064229318100125.Теории и методы физики почв / под ред. Е.В. Шеина, Л.О. Карпачевского. М., Тула: Гриф и К, 2007. 616 с.Shein E.V., Karpachevskiy L.O., Teorii i metody fiziki pochv (Theories and methods of soil physics), Moscow, Tula: Grif i K, 2007, 616 p.Умарова А.Б., Сусленкова М.М., Бутылкина М.А., Салимгареева О.А., Кокорева А.А., Ежелев З.С., Гасина А.И. Гидросорбционные и микроструктурные характеристики почвенных субстратов разного генезиса и их изменение в составе конструктоземов // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1346–1355. DOI: 10.1134/S0032180Х19110121.Umarova A.B., Suslenkova M.M., Butylkina M.A., Salimgareeva O.A., Kokoreva A.A., Ezhelev Z.S., Gasina A.I., Gidrosorbtsionnye i mikrostrukturnye kharakteristiki pochvennykh substratov raznogo genezisa i ikh izmenenie v sostave konstruktozemov (Hydrosorption and microstructural characteristics of soil substrates of different genesis and their changes in the composition of structural soils), Pochvovedenie, 2019, No. 11, pp. 1346–1355, DOI: 10.1134/S0032180Kh19110121.Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.Shein E.V., Kurs fiziki pochv (Soil Physics Course), Moscow: Izd-vo MGU, 2005, 432 p.Харитонова Г.В., Манучаров А.С., Смагин А.В., Витязев В.Г, Дембовецкий А.В. Адсорбция паров воды почвами и почвенными агрегатами. Тула: Гриф и К, 2009. 100 с.Kharitonova G.V., Manucharov A.S., Smagin A.V., Vityazev V.G, Dembovetskii A.V., Adsorbtsiya parov vody pochvami i pochvennymi agregatami (Adsorption of water vapor by soils and soil aggregates), Tula: Grif i K, 2009, 100 p.Aharoni C. Interaction between adsorption and condensation processes in a pore and its effect on hysteresis // Chemical Engineering Communications. 2002. Vol. 184(4). P. 429–435.Aharoni C., Interaction between adsorption and condensation processes in a pore and its effect on hysteresis, Chemical Engineering Communications, 2002, Vol. 184(4), pp. 429–435.Ben-Dor E., Banin A. Near-infrared analysis as a rapid method to simultaneously evaluate several soil properties // Soil Science Society of America Journal. 1995. No. 59. P. 364–372.Ben-Dor E., Banin A., Near-infrared analysis as a rapid method to simultaneously evaluate several soil properties, Soil Science Society of America Journal, 1995, No .59, pp. 364–372.Ersahin S., Gunal H., Kutlu T., Yetgin B., Coban. Estimating specific surface area and cation exchange capacity in soils using fractal dimension of particle-size distribution // Geoderma. 2006. Vol. 136. P. 588–597.Ersahin S., Gunal H., Kutlu T., Yetgin B., Coban, Estimating specific surface area and cation exchange capacity in soils using fractal dimension of particle-size distribution, Geoderma, 2006, No. 136, pp. 588–597.Farrar D.M. The use of vapor-pressure and moisture-content measurements to deduce the internal and external surface area of soil particles // J. Soil. Sci. 1963. Vol. 14. No. 2. P. 33–321.Farrar D.M., The use of vapor-pressure and moisture-content measurements to deduce the internal and external surface area of soil particles, J. Soil. Sci., 1963, Vol. 14, No. 2, pp. 33–321.Giesche H., Unger K., Muller U., Esser U. Hysteresis in nitrogen sorption and mercury porosimetry on mesoporous model adsorbents made of aggregated monodisperse silica spheres // Colloids and Surfaces. 1989. Vol. 37.P. 93–113.Giesche H., Unger K., Muller U., Esser U., Hysteresis in nitrogen sorption and mercury porosimetry on mesoporous model adsorbents made of aggregated monodisperse silica spheres, Colloids and Surfaces, 1989, Vol. 37, pp. 93–113.Glushakova A.M., Kachalkin A.V., Umarova A.B. et al. Yeast complexes in urban soils of some southern cities of Russia (Krasnodar, Maykop, Simferopol and Sochi) // Microbiology. 2020. Vol. 89. No. 5. P. 603–608.Glushakova A.M., Kachalkin A.V., Umarova A.B. et al., Yeast complexes in urban soils of some southern cities of Russia (Krasnodar, Maykop, Simferopol and Sochi), Microbiology, 2020, Vol. 89, No. 5, pp. 603–608.Heister K. The measurement of the specific surface area of soils by gas and polar liquid adsorption methods – Limitations and potentials // Geoderma. 2014. Vol. 216. P. 75–87. DOI: 10.1016/j.geoderma.2013.10.015.Heister K., The measurement of the specific surface area of soils by gas and polar liquid adsorption methods – Limitations and potentials, Geoderma, 2014, No. 216, pp. 75–87, DOI: 10/1016/j.geoderma.2013.10.015.Hepper E.N., Buschiazzo D.E., Hevia G.G., Urioste A., Anton L. Clay mineralogy, cation exchange capacity and specific surface area of loess soils with different volcanic ash contents // Geoderma. 2006. Vol. 135. P. 216–223.Hepper E.N., Buschiazzo D.E., Hevia G.G., Urioste A., Anton L., Clay mineralogy, cation exchange capacity and specific surface area of loess soils with different volcanic ash contents, Geoderma, 2006, No. 135, pp. 216–223.Jahanban L., Ebrahimi E., Moradi S., Fallah M., Geiratie Arani L., Mohajer R. Estimation of soil specific surface area using some mechanical properties of soil by artificial neural networks // Environ Monit Assess. 2018. Vol. 190. P. 614. DOI: 10.1007/s10661-018-6980-0.Jahanban L., Ebrahimi E., Moradi S., Fallah M., Geiratie Arani L., Mohajer R., Estimation of soil specific surface area using some mechanical properties of soil by artificial neural networks, Environ. Monit Assess, 2018, No. 190, pp. 614, DOI: 10.1007/s10661-018-6980-0.de Jong E. Comparison of three methods of measuring surface area of soils // Canadian Journal of Soil Science. 1999. Vol. 79. P. 345–351. DOI: 10.4141/S98-069.de Jong E., Comparison of three methods of measuring surface area of soils, Canadian Journal of Soil Science, 1999, Vol. 79, pp. 345–351, DOI: 10.4141/S98-069.Jozefaciuk G. Surface properties and related phenomena in soils and plants // Encyclopedia of agrophysics. Springer, 2011. P. 877–886.Jozefaciuk G., Surface properties and related phenomena in soils and plants, Encyclopedia of agrophysics, Springer, 2011, pp. 877–886.Niskansen R., Mantylahti V. Determination of soil specific surface area by water vapor adsorption III Comparison of surface areas determined by water vapor and nitrogen gas adsorption // J. of Agricultural Science in Finland. 1988. Vol. 60. P. 73–79.Niskansen R., Mantylahti V., Determination of soil specific surface area by water vapor adsorption III Comparison of surface areas determined by water vapor and nitrogen gas adsorption, J. of Agricultural Science in Finland, 1988, Vol. 60, pp. 73–79.Petersen L.W., Moldrup P., Jacobsen O.H., Rolston D.E. Relatons between specific surface area and soil physical and chemical properties // Soil Science. 1996. No. 161. P. 9–21. DOI: 10.1097/00010694-199601000-00003.Petersen L.W., Moldrup P., Jacobsen O.H., Rolston D.E., Relatons between specific surface area and soil physical and chemical properties, Soil Science, 1996, No. 161, pp. 9–21, DOI: 10.1097/00010694-199601000-00003.Puckett W.E., Dane J.H., Hajek B.F. Physical and mineralogical data to determine soil hydraulic properties // Soil Science Society of America Journal. 1985. No. 49. P. 831–836.Puckett W.E., Dane J.H., Hajek B.F., Physical and mineralogical data to determine soil hydraulic properties, Soil Science Society of America Journal, 1985, No. 49, pp. 831–836.Ratner-Zohar Y., Banin A., Chen Y. Oven drying as pretreatment for surface-area determination of soils and clays // Soil Science Society of America Journal. 1983. No. 47. P. 1056–1058.Ratner-Zohar Y., Banin A., Chen Y., Oven drying as pretreatment for surface-area determination of soils and clays. Soil Science Society of America Journal, 1983, No 47, pp.1056–1058.Rudzinski W., Everett D.H. Adsorption of gases on heterogeneous surfaces. London: Academic, 1992. Chapters 5–10.Rudzinski W., Everett D.H., Adsorption of gases on heterogeneous surfaces, London: Academic, 1992, Chapters 5–10.Simsek U., Mikailsoy F., Erdel E. et al. Subsoil compaction: the intensity of manifestation in silty clayey calcic pantofluvic fluvisols of the Iğdır region (Eastern Turkey) // Eurasian Soil Science. 2019. Vol. 52. No. 3. P. 296–299.Simsek U., Mikailsoy F., Erdel E. et al., Subsoil compaction: the intensity of manifestation in silty clayey calcic pantofluvic fluvisols of the Iğdır region (Eastern Turkey), Eurasian Soil Science, 2019, Vol. 52, No. 3, pp. 296–299.Totsche K.U., Rennert T., Gerzabek M.H., Kogel-Knabner I., Smalla K., Spiteller M., Vogel H.-J. Biogeochemical interfaces n soil: the interdisciplinary challenge for soil science // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2010. Vol. 173. P. 88–99.Totsche K.U., Rennert T., Gerzabek M.H., Kogel-Knabner I., Smalla K., Spiteller M., Vogel H.-J., Biogeochemical interfaces in soil: the interdisciplinary challenge for soil science, J. Plant Nutr. Soil Sci., 2010, No. 173, pp. 88–99.Yu D., Zha Y., Shi L. et al. Spatiotemporal sampling strategy for characterization of hydraulic properties in heterogeneous soils // Stochastic Environmental Research and Risk Assessment. 2020. No. 35(3). P. 737–757. DOI: 10.1007/s00477-020-01882-1.Yu D., Zha Y., Shi L. et al., Spatiotemporal sampling strategy for characterization of hydraulic properties in heterogeneous soils, Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2020, No. 35(3), pp. 737–757, DOI: 10.1007/s00477-020-01882-1.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.