|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Структурно-функциональная организация твердой фазы почв: формирование, характеристики и роль в биосфереНИР
Structural and functional organization of the soil's solid phase: the formation, characteristics and the role in the biosphere
- Руководитель НИР: Милановский Е.Ю.
- Участники НИР: Бобков А.В., Егоров Ю.В., Кириченко А.В., Ковалев И.В., Манучаров А.С., Початкова Т.Н., Тюгай З., Углова Л.В., Фролов О.А., Шнырев Н.А.
- Подразделение: Кафедра физики и мелиорации почв
- Срок исполнения: 1 января 2017 г. - 31 декабря 2020 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 18
- Номер ЦИТИС: 116122810020-6
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Исследование функций почв и разработка методов их регулирования в целях устойчивого использования почвенных ресурсов
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству
- ПН России: Рациональное природопользование
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 68.05.41 Физика почв
-
Ключевые слова:
элементарная почвенная частица, физика почв, межчастичные взаимодействия, органоминеральные соединения
elementary soil particle, interparticle interactions, disperse systems: methods, soil's solid phase -
Описание:
Цель работы: проведение фундаментальных теоретических, методических и экспериментальных исследований твердой фаза почв для научно обоснованного управления и оптимизации физических свойств и процессов в почвах. При биогеохимической и физической гетерогенности твердой фазы почв опыт генетического почвоведения и физики почв позволяет утверждать, что за реализацию конкретных почвенно-экологических функций ответственна не твердая фаза почвы в целом, а отдельные ее компоненты. Проблема состоит в том, чтобы научиться идентифицировать и выделять из общей совокупности составляющие, которые в максимальной степени обладают определенной функциональной активностью. Исследование включает изучение взаимосвязи между свойствами компонентов твердой фазы почв и физическими, физико-химическими, химическими и биохимическими процессами в почвах, идентификацию основных факторов, управляющих архитектурой поверхностей компонентов твердой фазы. Основные теоретические, методические, экспериментальные и практические аспекты работы будут внедрены в базовую и вариативную части образовательных процессов по почвоведению, физике почв, агрофизике, экологии, экотехнологии.
-
Abstract:
The aim of the work: The fundamental theoretical, methodological and experimental research of soil’s solid phase for science-based management and optimization of physical properties and processes in soils. Abstract. The change in the environmental ecology leads to disruption of physical-chemical and physical soil properties and as a result to reduction in their fertility. The solid phase of soil plays the major role in the sustainable functioning of the soil. Its dispersion, size and surface properties determine the absorption capacity of soils, filtration, water-retaining and water-resistant properties of the structure, the environmental conditions of the habitat of soil biota. The solid phase of soil consists of mineral, organic-mineral and organic elementary soil particles at different stages of organic matter decomposition. The experience of genetic soil science and soil physics allows us to assert that not only a solid phase of the soil but its individual components are responsible for implementation of specific soil-ecological functions in biogeochemical and physical heterogeneity of the solid phase of soils. The challenge is to learn to identify and to pick out from the total set components that have the maximum extent of functional activity. The diagnostics of functional characteristics of the soil’s solid phase components requires the application of a complex of modern analytical research methods focused on the study of the surface properties of the solid phase as a special evolving active surface, which mechanisms of formation and functioning are still not clear. The research includes the study of relationships between the properties of the components of the soil’s solid phase and physical, physical -chemical, chemical and biochemical processes in the soil, the identification of the main factors that control the architecture of surfaces of the solid phase components, the establishing of the relationship between the analytical characteristics of the soil’s solid phase and water resistance of the aggregate structure, as well as determination of the main causes and mechanisms of the degradation of the soil surface properties and the factors that influence its regeneration. Methods: - classical methods in physics, agrophysics and chemistry of soils; - physical and physical-chemical methods of research of disperse systems (particle size and densiometric fractionation, laser diffraction, determination of the specific surface area by low-temperature nitrogen adsorption, rheological characteristics, the soil water contact angle, thermodynamic methods of soil hydrology, etc.); - methods of δ13С isotopic composition, radiocarbon dating, modern methods of organic and colloid chemistry; - methods of physical and mathematical modeling. Solutions to problems: - methods of field and laboratory experiments, methods of identification of the desired properties based on databases; - physical modelling of natural processes; - methods of mathematical prediction, analysis, optimization solutions in soil science, ecology, agrophysics and engineering soil science. The novelty of the research. The currently used fundamental characteristics of the soil’s solid phase are based on the scientific achievements of colloid chemistry of the first half of the last century, obtained at the chemically-modified samples. The novelty of the research consists in an integrated approach to the analysis of structural and functional organization of the solid phase of soils based on theoretically and statistically sound methods of physical fractionation and verification of physical and physical-chemical characteristics of the components of the solid phase of soils on the modern instrumental basis. Association of mineral, organic and organic-mineral elementary soil particles controls the formation of architecture and the functional properties of the interface. It’s functioning (physical-chemical interaction and chemical processes, migration and accumulation of substances, biota habitat conditions) determines the physical behavior and the spatial geometry of the adsorbed and capillary bound soil moisture. Plans for implementation in the educational process. The main theoretical, methodological, and practical aspects of experimental work will be implemented into the base and variable part of the educational processes in soil science, soil physics, agricultural physics, ecology, ecotechnology. Innovation potential Innovative potential will develop in the practical research directions related to: 1. the environmental management; 2. the forecast and prevention of the land-based natural disasters; 3. the assessment and prediction of the climate change, especially in terms of chemical and microbiological stability of organic and organic-mineral elementary soil particles; 4. the health of the human, the biosphere and the soil; 5. the physical foundations of sustainable functioning of soils under anthropogenic pressure.
-
Планируемые результаты:
В результате осуществления НИР будут выявлены закономерности формирования архитектуры и функциональной специфичности компонентов твердой фазы почв, взаимосвязь их свойств и функций, которые они осуществляют. Получит развитие положения о фундаментальном значении почвы в функционировании биосферы, выявлена роль и значение компонентов твердой фазы почв как специфических продуктов почвообразования. Результаты исследований лягут в основу разработки новых способов управления почвенными процессами. Будут получены новые фундаментальные знания о механизмах устойчивого функционирования агрегатной структуры, влияющие на агрофизические, физико-механические и технологические свойства почв, их водно-воздушный и тепловой режимы, направления и интенсивность микробиологических процессов и секвестрование углерода.
-
Научный задел:
Имеется научный задел фундаментального характера, обосновывающее включение ряда структурных характеристик для понимания функциональных особенностей почв разного генезиса.
-
Основные результаты:
В качестве основного результата - получение данных о роли компонентов твердой фазы в функционировании почв и почвенного покрова. Интеграция результатов комплексных исследований почв, находящихся в различных экологических условиях: стационарном агрохимическом опыте, чистом длительном паре, под защитной лесополосой. Доказана и статистически подтверждена взаимосвязь свойств межфазной поверхности и фактически регистрируемых деградационных процессов в почвах, характеризующих различные экосистемы и антропогенную нагрузку. Обоснованы диагностические параметры межфазных взаимодействий в агропочвах, необходимые для экологического мониторинга, диагностики состояния природных и антропогенных систем, расчета риска деградации почвенного покрова и научно обоснованного принятия решения для современного агроэкологического земледелия. На различных по генезису и гранулометрическому составу почвах изучено структурное состояние агросерых почв Брянского и Подольско-Коломенского ополий; уточнен механизм образования макроагрегатов на основе взаимосвязи с содержанием органического вещества, данных по гранулометрическому составу; проведен анализ устойчивости агрегатного состава почв, подвергшихся осушению. Используя биокинетический метод показано, что интенсивность продуцирования С-СО2 является количественной и качественной характеристикой биологической активности почв и конкреций. Дана количественная характеристика гранулометрического состава в агросерых почвах; выявлена текстурная дифференциация во всех изучаемых почвах катены геохимически сопряжённых ландшафтов 3) раскрыты особенности второго гумусового горизонта на основе изучения гранулометрического состава, валового состава почв, минералогии крупной фракции, удельной поверхности. Причем для этого привлекаются и нестандартные характеристики: расчет коэффициента облессованности, индекс текстурной неоднородности. Методические исследования. Разработка системы частотного преобразователя системы управления виброгрохота для применения его с целью мокрого просеивания образцов почвы. Модернизация системы измерения давления почвенной влаги - автоматизация учета количества влаги извлекаемого из образца при установленном разрежении. Установление соответствия показаний тензиометров и данных результатов измерений емкостных датчиков в условиях переменной влажности на примере дерново-подзолистой почвы.
- Добавил в систему: Умарова Аминат Батальбиевна
Источник финансирования НИР
| госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Этап 2017 года |
| Результаты этапа: Определены фундаментальные физические и физико-химические параметры компонентов твердой фазы черноземов типичных Курской и Воронежской областей: плотность, диаметр ЭПЧ, площадь удельной поверхности по воде и азоту. Определены углы смачивания черноземов разных биоценозов с использованием системы анализа капли DSA100, KRUSS, Германия. Установлено, что смачиваемость почв определяется соотношением органической и минеральной частей почв. КУС может быть использован в качестве индикатора деградации почв при их с/х использовании. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Этап 2018 года |
| Результаты этапа: Будут показаны закономерности трансформации лигнина в почвах в зависимости от термодинамических условий среды и агро-антропогенного использования. Раскрыты пути и механизмы стабилизации продуктов окисления лигнина на всех уровнях структурной организации почв. Будут определены реологические характеристики черноземов типичных в различных условиях землепользования (лесополоса и пашня) методом амплитудной развертки на модульном реометре MCR-302. Показано, что реологическое поведение в значительной степени определяется содержанием органического вещества. | ||
| 3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Фундаментальные и прикладные аспекты исследования эволюции структурно-функциональной организации твердой фазы естественных почв и почв агроценозов |
| Результаты этапа: Для научно обоснованного управления и оптимизации физических свойств и процессов в почвах проведены теоретические, методические и экспериментальные исследования структурно-функциональной организации твердой фазы почв разного генезиса и землепользования. Проведена оценка механизмов физической стабилизации лигнина. Установлено, что в условия пашни количество лигнина снижается по сравнению с естественными аналогами более, чем в два раза (Русская равнина), а на красноземах в Бразилии почти в 5 раз. В агро экосистемах устанавливается «квазиравновесие» по содержанию продуктов окисления лигнина. Результаты данных исследований могут быть использованы при оценке современных приемов обработки почвы и приемов биологизации земледелия. Анализ квантильного распределение продуктов окисления лигнина показал, что ключевую роль в стабилизации биополимера и образовании устойчивых агрегатов в почвах играют окисленные мономеры и возможно олигомеры лигнина, а также лигниновые фенолы, входящие в состав гуминовых кислот, в процессе взаимодействия с тонкодисперсными фракциями почв . Установлено влияние размера агрегатов на скорость разложения на ранней стадии трансформации растительных остатков. Анализ распределения компонентов твердофазного органического вещества в составе агрегатов разного размера показал, что разложение растительных остатков с широким отношением C:N увеличивается с уменьшением размера агрегатов. Однако вазмер агрегатов не влиял на разложение растительных остатков с узким отношением C:N. Результаты модельного инкубационного эксперимента с ортштейнами свидетельствуют, что интенсивная эмиссия диоксида углерода в начале инкубации постепенно снижается со временем, что свидетельствует о гетерогенном составе почвенного органического вещества, в котором имеется быстро минерализуемые компоненты, а также преобладают физически защищенные фракции. Содержание минерализуемого органического вещества уменьшается от крупных фракций ортштейнов к мелким в агросерых неосушенных и осушенных почвах пластмассовым и гончарным дренажом, не совпадая с распределением органического углерода в соответствующем ряду. Органическое вещество разных фракций ортштейнов отличается по константам скорости минерализации (0,139 сутки-1 для мелкой фракции, 0,182 сутки-1 для крупной фракции ортштейнов). Содержание углерода в конкрециях позволяет проводить количественную диагностику степени гидроморфизма почв. На основе комплексных исследований (гранулометрический состав, валовой химический состав почв, минералогия крупной фракции, удельная поверхность) почв ополий Центральной России установлена текстурная дифференциация геохимически сопряжённых почв ландшафтов и особенности второго гумусового горизонта. Данные результаты получены с привлечением нестандартных характеристик (расчет коэффициента облессованности, индекса текстурного подобия). Для оценки гео- и климатогенной эволюции ландшафтов, на примере черноземов Центральной России, выявлены механизмы деградационных явлений, установлена пространственная и временная гидрогеологическая и гидрогеохимическая неоднородность почв и ландшафтов, охарактеризована гидрологическая специфичность региона. Лабораторные исследования компонентов твердой фазы почв и донных отложений показали, что коагуляция и осаждение взвешенных частиц при низком содержании органического вещества (до 1% Сорг) приводит к образованию объемно агрегированных, плотных и вязких отложений. При содержание органического углерода более 6%, происходит “узловая” дифференциация объемно агрегированных пространственных структур с образованием пористых микроагрегатов. Для рыхлых и связных песков получены параметры зависимости температуропроводности почвы от влажности. Для практического использования предложенной параметризации (расчетной оценки температуропроводности песчаной почвы) достаточно знать название почвы по гранулометрическому составу и ее влажность. Впервые проведена диагностика свойств поверхности твердой почв сформированных на триасовых глинах. Наибольшей величиной полной удельной поверхности характеризуется органогенный горизонт темно-гумусовой остаточно-гидроморфной почвы. Данные почвы характеризуются высокими значениями величин угла смачивания в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте (от 73 до 65градусов). КУС вниз по профилю плавно уменьшается. В агроземах величины КУС колеблются от 52° до 71° градусов. Гидрофобность поверхности твердой фазы исследуемых почв растет на фоне процессов гумусообразования и глееобразования. Исследования основной гидрофизической характеристики верхних горизонтов темно-каштановой почв агрорландшафта с биоуглем показали, что в капилляримерической области, наибольшей водоудерживающей способностью обладают почвы под естейственной растительностью. При возрастающей дозе биоугля от 40, 60 до 80 т/га влажность увеличивается. Отмечаются различия в содержании влаги и в более «сухой области» pF 2-2.5. В этой области более связанной и менее доступной влаги наблюдается увеличение водоудерживающей способности почв: кривые ОГХ закономерно смещаются «вправо», в область более высоких влажностей при одних и тех же значениях pF. Следовательно, можно сделать вывод, что внесение биоугля в указанных дозах увеличивает водоудерживающую способность, особенно в области легкодоступной капиллярной влаги, вероятно, за счет собственной (внутри углевой) капиллярной пористости, а также, за счет формирования около внесенных частиц биоугля специфических микро условий, связанных с микробиоценозом. Предложена новая методика получения ровного слоя образца почвы на поверхности мембранного фильтра для последующего измерения краевого угла смачивания поверхности твердой фазы. Описывается способ математической обработки данных распределения частиц по размерам путем дековолюции дифференциальных кривых, полученных методом лазерной дифракции. Разработан метод измерения давления почвенной влаги и влажности в отдельных точках почвенного пространства и усредненной оценки увлажненности почв на значительных площадях в натурных условиях. Научно-технический уровень исследования структурно-функциональной организации твердой фазы почв разного генезиса и землепользования отвечает современной методологии почвоведения и физики почв. Результаты НИР 2019 г. развивают положения о фундаментальном значении почвы в функционировании биосферы, подтверждают роль и значение поверхности твердой фазы почв как сложного природного биогеохимического явления, предложить новые способы управления почвенными процессами. | ||
| 4 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Теоретические и экспериментальные исследования механизмов трансформации твердой фазы почв и стабилизации органического вещества |
| Результаты этапа: Для научно-обоснованного управления и оптимизации физических свойств и процессов в почвах проведены теоретические, методические и экспериментальные исследования структурно-функциональной организации твердой фазы почв. Разработана и апробирована системная методология изучения биохимического круговорота продуктов окисления лигнина в различных биомах и в основных типах почв (серых лесных, черноземах, красноземах и др.), в том числе и почв сельскохозяйственного использования. Трансформация биополимера впервые изучена практически во всех звеньях цепи, начиная от растительных тканей и опада и заканчивая гумусовыми веществами. Предложена научная гипотеза, объясняющая генезис продуктов окисления лигнина в составе гумуса отдельных типов почв в различных природных зонах и позициях ландшафта с учетом биохимического состава растений. Изучены факторы и установлены причинно-следственные связи состава органического вещества почв (гумуса) и биохимического состава различных частей растений, выявлена особая роль лигниновых фенолов подземных органов растений в процессе гумификации. Показаны закономерности трансформации лигнина в почвах в зависимости от термодинамических условий среды и агро-антропогенного использования. Раскрыты пути и механизмы стабилизации продуктов окисления лигнина на всех уровнях структурной организации почв: в геохимически сопряженных катенах, по профилю почв, в почвенных агрегатах и конкреционных новообразованиях, в гранулометрических фракциях, на уровне молекулярных взаимодействий. Новизна исследований заключается в том, что физическая стабилизация органического вещества изучена и оценена с позиций лигнина (лигниновых фенолов) как основного предшественника гумуса растительного происхождения в гранулометрических фракциях, на поверхностии внутри агрегата; при конкрециообразовании, при хелатообразовании для оценки устойчивости органического вещества в почвах и оптимизации плодородия почв. Рассчитаны запасы и определить структуру микробной биомассы в почвах начальных стадий гидроморфизма. Результаты исследования трансформация твердой фазы почв в почвах и донных отложениях позволили устранить: • состав и характер распределения форм соединений железа в профилях агросерых почв Брянского ополья отражают их полигенетичность, диагностируя дневной характер вторых гумусовых горизонтов в прошлом; • специфические характеристики органическое вещества и физико-химические свойства темногумусовой почвы на отложениях триаса • что образование вивианита происходит на поверхности железисто-глинистых микроагрегатов за счет восстановления Fe(III) в присутствии органического вещества и на биологических темплатах (органические остатки, одноклеточные микроорганизмы); • краевой угол смачивания поверхности твердой фазы почв как интегральный показатель физико-химических свойств черноземов Каменной степи; • на примере агрочернозема с длительным внесением минеральных удобрений в агроценозах кукурузы и антропогенного ландшафта Тамбовской области эволюция ландшафтов в историческом аспекте. Итогом методических работ является: • конструкция и режимы работы пространственно-усредняющего датчика почвенных параметров; • алгоритм фракционирования органических компонентов щелочного экстракт методом лигандообменной хроматографии. Полученные в 2020 г. результаты НИИР развивают положения о фундаментальной роли почвы в функционировании биосферы, подтверждают приоритетность свойств поверхности компонентов твердой фазы почв как сложного природного биогеохимического явления, предложить новые способы управления почвенными процессами. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".