Preview

Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева

Расширенный поиск

Краевой угол смачивания как интегральный показатель физико-химических свойств черноземов Каменной степи

https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-101-76-123

Полный текст:

Аннотация

Методом сидячей капли измеряли краевой угол смачивания (КУС) чернозема обыкновенного опытных полей агроландшафта Каменная степь ряда вариантов использования, различающихся как интенсивностью механического воздействия (заповедная косимая степь, вспашка с оборотом пласта), применением минеральных удобрений и их последействием, а также изменением свойств почвы под действием орошения. Одновременно для физико-химической характеристики почв определяли общее содержание Сорг, отношение C/N, площадь удельной поверхности и реологические показатели. Результаты исследования показали, что гидрофильно-гидрофобные свойства поверхности твердой фазы почв, во многом определяющие основные структурообразующие свойства почв, могут быть охарактеризованы величиной краевого угла смачивания. Величина КУС исследованных образцов почв варьирует от 32 (наибольшая смачиваемость) до 45 градусов (наименьшая смачиваемость). Наименьшая смачиваемость обусловлена повышенным содержанием гидрофобных соединений в составе органического вещества почв и характеризуется наибольшими величинами КУС и характерна для нативной, не обрабатываемой почвы косимой степи, которая отличается от других исследованных вариантов опыта по всем изученным физико-химическим показателям. Механическая обработка почвы в виде вспашки с оборотом пласта, парование приводят к изменениям физико-химических свойств почв и качественного состава органического вещества в сторону их ухудшения и снижению величины КУС. Применение минеральных удобрений способствует увеличению исследуемого показателя преимущественно за счет изменения продуктивности растений, в частности различия КУС обусловлены воздействием на свойства почвы корневых выделений и растительных остатков. Для изученных почв величина КУС меняется в следующем ряду: Косимая степь > пашня с внесением минеральных удобрений > пашня в условиях последействия удобрений. Корреляционный анализ выявил связь КУС с содержанием органического углерода, площадью удельной поверхности и реологическими характеристиками черноземов. Таким образом, КУС может служить интегральным показателем изменения физико-химических свойств почв, их деградационных изменений в условиях различной агрогенной нагрузки. Используемый метод определения КУС требует меньшего количества образца по сравнению с реологическими методами и в целом более информативен, чем определение содержания органического вещества.

Об авторах

Н. В. Матвеева
Почвенный институт им. В.В. Докучаева
Россия
Наталья Владимировна Матвеева


Е. Ю. Милановский
МГУ им. М.В. Ломоносова
Россия
Евгений Юрьевич Милановский


Д. Д. Хайдапова
МГУ им. М.В. Ломоносова
Россия
Долгор Доржиевна Хайдапова


О. Б. Рогова
Почвенный институт им. В.В. Докучаева
Россия
Ольга Борисовна Рогова


Список литературы

1. Адамсон А., Абидор И.Г., Дерягин Б.В. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.

2. Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной Степи // Почвоведение. 1974. № 5. С. 43–53.

3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. 487 с.

4. Беспалов В.А., Чевердин Ю.И., Титова Т.В. Трансформация почвенного поглощающего комплекса черноземных почв каменной степи при длительном постмелиоративном воздействии // Агрофизика. 2018. № 4. C. 9–16.

5. Витязь П.А., Шелег В.К., Капцевич В.М. Метод определения краевого угла смачивания в пористых порошковых материалах // Порошковая металлургия. 1986. № 4. С. 52–55.

6. Воронин А.А. Поверхностные явления в почвах и направленное изменение свойств почв // Научные доклады Высшей школы, биологические науки. 1975. № 12. C. 7–15.

7. Горбунова Н.С., Куликова Е.В. Изменение физических и физико-химических свойств чернозема выщелоченного под влиянием дождевального орошения в условиях производственного использования почв свекловичного севооборота // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017. № 3. C. 47–52.

8. Егоров В.В., Иванова Е.Н., Фридланд В.М., Розов Н.И. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 221 с.

9. Зборищук Ю.Н. Особенности гумуса черноземов обыкновенных Каменной Степи // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2007. № 2. C. 3–9.

10. Киселев М.Г., Савич В.В., Павич Т.П. Определение краевого угла смачивания на плоских поверхностях // Наука и техника. 2006 (1). С. 38–41.

11. Когут Б.М., Титова Н.А., Булеева В.С. Антропогенная трансформация качественного состава гумуса черноземов Каменной Степи // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2009. Вып. 64. С. 41–49. DOI: 10.19047/0136-1694-2009--41-49.

12. Кононова М.М., Бельчикова Н.П. Процессы превращения органических веществ в обыкновенном черноземе при применении комплекса Докучаева-Костычева-Вильямса // Вопросы травопольной системы земледелия. М.: Изд-во АН СССР, 1953. Т. II. С. 303–360.

13. Королев В.А. Изменение основных физических свойств черноземов обыкновенных под влиянием орошения // Почвоведение. 2008. № 10. C. 1234–1240.

14. Кузелев М.М., Мамонтов В.Г., Сюняев Н.К., Свиридов А.К., Черенков В.В. Гумусовое состояние обыкновенных черноземов естественно-антропогенного ландшафта Каменной Степи // Известия ТСХА. 2007. № 3. С. 38–46.

15. Лебедева И.И., Базыкина Г.С., Гребенников А.М., Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Опыт комплексной оценки влияния длительности земледельческого использования на свойства и режимы агрочерноземов Каменной степи // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2016. Вып. 83. С. 77–102. DOI: 10.19047/0136-1694-2016-83-77-102.

16. Мамонтов В.Г., Соколовская Е.Л. Элементный и молекулярно-массовый состав лабильных гумусовых веществ чернозема обыкновенного каменной степи // Известия ТСХА. 2018. № 1. С. 130–138.

17. Матвеева Н.В., Милановский Е.Ю., Рогова О.Б. Способ подготовки образцов почв для определения контактного угла смачивания методом сидячей капли // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2019. № 97. C. 91–112. DOI: 10.19047/0136-1694-2019-97-91-112.

18. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. М.: ГЕОС, 2009. 188 с.

19. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В. Функциональная роль амфифильных компонентов гумусовых веществ в процессах гумусо-структурообразования и в генезисе почв // Почвоведение. 2002. № 10. C. 1201–1213.

20. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В., Русанов А.М., Засыпкина Д.И., Николаева Е.И., Анилова Л.В. Почвенная структура и органическое вещество типичных черноземо Предуралья под лесом и многолетней пашней // Вестник Оренбургского государственного университета. 2005. № 2. C. 113–117.

21. Скрыльник Е.В., Шевченко Н.В., Попирный М.А., Николов О.Т. Конформационные перестройки супраструктуры гуминовых кислот чернозема типичного в зависимости от способов обработки почвы // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наук. 2018. 63 (2). С. 209–221.

22. Стахурлова Л.Д., Свистова И.Д., Щеглов Д.И. Биологическая активность как индикатор плодородия черноземов в различных биоценозах // Почвоведение. 2007. № 6. C. 769–774.

23. Хайдапова Д.Д., Милановский Е.Ю., Честнова В.В. Оценка реологическими методами восстановления структуры почв под влиянием выращивания лесополос на антропогенно нарушенных почвах // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014. № 6. С. 53–58.

24. Хайдапова Д.Д., Честнова В.В., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Реологические свойства черноземов типичных (Курская область) при различном землепользовании // Почвоведение. 2016. № 8. C. 955–963.

25. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Пространственное варьирование содержания гумуса в черноземах Каменной Степи // Плодородие. 2011. № 4. C. 28–29.

26. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: МГУ, 2005. 432 с.

27. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д. Устойчивость почвенной структуры и органическое вещество почв // Роль почв в биосфере. Тр. ин-та почвоведения МГУ им. МВ Ломоносова и РАН. 2002. № 1. C. 129–151.

28. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 341 с.

29. Щеглов Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов: Автореф. дис. ... докт. биол. наук, Воронеж, 1995. 46 с.

30. Щеглов Д.И., Горбунова Н.С., Семенова Л.А., Хатунцева О.А. Микроэлементы в почвах сопряженных ландшафтов Каменной степи различной степени гидроморфизма // Почвоведение. 2013. № 3. C. 282–290.

31. Adamson A. Physical chemistry of surfaces 5th edn. New York, NY John Wiley & Sons Inc. 1990. P. 379–420.

32. Ahmed M.A., Kroener E., Benard P., Zarebanadkouki M., Kaestner A., Carminati A. Drying of mucilage causes water repellency in the rhizosphere of maize: Measurements and modelling // Plant Soil. 2016. Vol. 407. Iss. 1–2. P. 161–171.

33. Aquino A.J., Tunega D., Pašalić H., Schaumann G.E., Haberhauer G., Gerzabek M.H., Lischka H. Molecular dynamics simulations of water molecule-bridges in polar domains of humic acids // Environmental science & technology. 2011. Vol. 45. No. 19. P. 8411–8419.

34. Bachmann J., Contact angle and surface charge of wettable and hydrophobic silt particles, J. Soil Sci. Plant Nutr., 2001, Vol. 1, P. 26–33.

35. Bachmann J., Ellies A., Hartge K.H. Development and application of a new sessile drop contact angle method to assess soil water repellency // Journal of Hydrology. 2000. Vol. 231. P. 66–75. DOI: 10.1016/S0022-1694(00)00184-0.

36. Bachmann J., Guggenberger G., Baumgartl T., Ellerbrock R.H., Urbanek E., Goebel M.O., Kaiser K., Horn R., Fischer W.R. Physical carbon‐sequestration mechanisms under special consideration of soil wettability // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2008. Vol. 171. Iss. 1. P. 14–26.

37. Bachmann J., Woche S.K., Goebel M.O., Kirkham M.B., Horton R. Extended methodology for determining wetting properties of porous media // Water Resources Research. 2003. Vol. 39. No. 12. P. 14.

38. Bahrani B., Mansell R.S., Hammond L.C. Using infiltrations of heptane and water into soil columns to determine soil-water contact angles // Soil Science Society of America Journal. 1973. Vol. 37. Iss. 4. P. 532–534

39. Benard P., Zarebanadkouki M., Hedwig C., Holz M., Ahmed M., Carminati A. Pore-scale distribution of mucilage affecting water repellency in the rhizosphere // Vadose Zone Journal. 2018. Vol. 17. Iss. 1. P. 1–9.

40. Burghardt W. Determination of the wetting characteristics of peat soil extracts by contact-angle measurements // Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde. 1985. Vol. 148. No. 1. P. 66–72.

41. Carrillo M.L.K., Letey J., Yates S.R. Measurement of initial soil-water contact angle of water repellent soils // Soil Science Society of America Journal. 1999. Vol. 63. Iss. 3. P. 433–436.

42. Cihlář Z., Vojtová L., Conte P., Nasir S., Kučerík J. Hydration and water holding properties of cross-linked lignite humic acids // Geoderma. 2014. Vol. 230. P. 151–160.

43. De Gryze S., Jassogne L., Bossuyt H., Six J., Merckx R. Water repellence and soil aggregate dynamics in a loamy grassland soil as affected by texture // European Journal of Soil Science. 2006. Vol. 57. Iss. 2. P. 235–246.

44. Dlapa P., Doerr S., Lichner L., Sir M., Tesar M. Effect of kaolinite and Ca-montmorillonite on the alleviation of soil water repellency // Plant Soil and Environment. 2004. Vol. 50. Iss. 8. P. 358–363.

45. Doerr S.H. On standardizing the ‘Water Drop Penetration Time’ and the ‘Molarity of an Ethanol Droplet’ techniques to classify soil hydrophobicity: A case study using medium textured soils // Earth Surface Processes and Landforms, 1998, Vol. 23, No. 7, P. 663–668. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9837(199807)23:7<663::AID-ESP909>3.0.CO;2-6.

46. Doerr S.H., Shakesby R.A., Walsh R.P.D. Soil water repellency: its causes, characteristics and hydro-geomorphological significance // Earth-Science Reviews. 2000. Vol. 51. No. 1–4. P. 33–65. DOI: 10.1016/S0012-8252(00)00011-8.

47. Ellerbrock R.H., Gerke H.H., Bachmann J., Goebel M.O. Composition of organic matter fractions for explaining wettability of three forest soils // Soil Science Society of America Journal. 2005. Vol. 69. Iss. 1. P. 57–66.

48. Goebel M.O., Bachmann J., Woche S.K., Fischer W.R., Horton R. Water potential and aggregate size effects on contact angle and surface energy // Soil Science Society of America Journal. 2004. Vol. 68. Iss. 2. P. 383–393.

49. Haas C., Gerke H.H., Ellerbrock R.H., Hallett P.D., Horn R. Relating soil organic matter composition to soil water repellency for soil biopore surfaces different in history from two Bt horizons of a Haplic Luvisol // Ecohydrology. 2018. Vol. 11. Iss. 6. P. 11.

50. Hajnos M., Calka A., Jozefaciuk G. Wettability of mineral soils // Geoderma. 2013. No. 206. P. 63–69.

51. Jaramillo D.F. Efecto de la temperatura de secado del suelo sobre la repelencia al agua en Andisoles bajo cobertura de Pinus patula // Informe de investigación. Universidad Nacional de Colombia. Medellín. 2003. 36 p.

52. Jiménez J.J., Lorenz K., Lal R. Organic carbon and nitrogen in soil particle-size aggregates under dry tropical forests from Guanacaste, Costa Rica – implications for within-site soil organic carbon stabilization // Catena. 2011. Vol. 86. Iss. 3. P. 178–191.

53. Kholodov V.A., Yaroslavtseva N.V., Yashin M.A., Frid A.S., Lazarev V.I., Tyugai Z.N., Milanovskiy E.Y. Contact angles of wetting and water stability of soil structure // Eurasian Soil Science. 2015. Vol. 48. No. 6. P. 600–607.

54. Kleber M., Sollins P.,·Sutton R. A conceptual model of organo-mineral interactions in soils: self-assembly of organic molecular fragments into zonal structures on mineral surfaces // Biogeochemistry. 2007. Vol. 85. No. 1. P. 9–24.

55. Kraemer F.B., Hallett P.D., Morras H., Garibaldi L., Cosentino D., Duval M., Galantini J. Soil stabilisation by water repellency under no-till management for soils with contrasting mineralogy and carbon quality // Geoderma. 2019. No. 355. P. 113902.

56. Lamparter A., Bachmann J., Woche S.K. Determination of Small-Scale Spatial Heterogeneity of Water Repellency in Sandy Soils // Soil Science Society of America Journal. 2010. Vol. 74. Iss. 6. P. 2010–2012.

57. Lilliefors H.W. On the Kolmogorov-Smirnov test for normality with mean and variance unknown // Journal of the American statistical Association. 1967. Vol. 62. Iss. 318. P. 399–402.

58. Liu Z., Yu X., Wan L. Capillary rise method for the measurement of the contact angle of soils // Acta Geotechnica. 2016. Vol. 11. Iss. 1. P. 21–35.

59. Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics–Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Tillage Res. 2006. Vol. 91. P. 1–14.

60. Markgraf W., Watts C.W., Whalley W.R., Hrkac T., Horn R. Influence of organic matter on rheological properties of soil // Applied Clay Science. 2012. Vol. 64. P. 25–33.

61. Mezger T. The Rheology Handbook for users of rotational and oscillatory rheometers. Hanover: Vincentz, 2011. 436 p.

62. Moradi A.B., Carminati A., Lamparter A., Woche S.K., Bachmann J., Vetterlein D., Vogel H.J., Oswald S.E. Is the Rhizosphere Temporarily Water Repellent? // Vadose Zone Journal. 2012. Vol. 11. Iss. 3. P. 8.

63. Papierowska E., Matysiak W., Szatyłowicz J., Debaene G., Urbanek E., Kalisz B., Łachacz A. Compatibility of methods used for soil water repellency determination for organic and organo-mineral soils // Geoderma. 2018. Vol. 314. P. 221–231. DOI: 10.1016/j.geoderma.2017.11.012.

64. Ryley D.J., Khoshaim B.H. New method of determining contact-angle made by a sessile drop upon a horizontal surface (sessile drop contact-angle) // Journal of Colloid and Interface Science. 1977. Vol. 59. Iss. 2. P. 243–251.

65. Shang J., Flury M., Harsh J.B., Zollars R.L. Comparison of different methods to measure contact angles of soil colloids // Journal of Colloid and Interface Science. 2008. Vol. 328. Iss. 2. P. 299–307.

66. Vogelmann E.S., Reichert J.M., Prevedello J., Awe G.O., Mataix-Solera J., Can occurrence of soil hydrophobicity promote the increase of aggregates stability? // Catena. 2013. Vol. 110. P. 24–31. DOI: 10.1016/j.catena.2013.06.009.

67. Wallis M., Horne D. Soil water repellency // Advances in soil science. Springer. 1992. P. 91–146.

68. Woche S.K., Goebel M.O., Kirkham M.B., Horton R., Van der Ploeg R.R., Bachmann J. Contact angle of soils as affected by depth, texture, and land management // European Journal of Soil Science. 2005. Vol. 56. Iss. 2. P. 239–251.

69. World Reference Base for soil resources 2014: international soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps // World Soil Resources Report (106).

70. Wu W.J. Baseline studies of The Clay Minerals Society Source Clays: Colloid and surface phenomena // Clays and Clay Minerals. 2001. Vol. 49. Iss. 5. P. 446–452.

71. Yang S., Gong A.M., Wu J.H., Lu T.H. Effect of contact angle on matric suction of unsaturated soil // Rock and Soil Mechanics. 2015. Vol. 36. Iss. 3. P. 674–678.

72. Yudina A.V., Fomin D.S., Kotelnikova A.D., Milanovskii E.Yu. From the notion of elementary soil particle to the particle-size and microaggregate-size distribution analyses: A review. Eurasian soil science. 2018. Vol. 51. Iss. 11. P. 1326–1347.

73. Zickenrott I.M., Woche S.K., Bachmann J., Ahmed M.A., Vetterlein D. An efficient method for the collection of root mucilage from different plant species: A case study on the effect of mucilage on soil water repellency // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2016. Vol. 179. P. 294–302.


Для цитирования:


Матвеева Н.В., Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Рогова О.Б. Краевой угол смачивания как интегральный показатель физико-химических свойств черноземов Каменной степи. Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020;(101):76-123. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-101-76-123

For citation:


Matveeva N.V., Milanovsky E.Yu., Khaidapova D.D., Rogova O.B. The contact angle of wetting as an integral indicator of physical-chemical properties of Сhernozems of Kamennaya Steppe. Dokuchaev Soil Bulletin. 2020;(101):76-123. (In Russ.) https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-101-76-123

Просмотров: 155


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0136-1694 (Print)
ISSN 2312-4202 (Online)