Energy of dispersing of loamy soils to elementary particles using ultrasound

Элементарные почвенные частицы (ЭПЧ, elementary soil particles) – твердофазные продукты почвообразования, представленные обломками горных пород и минералов, органоминеральными и органическими частицами, все компоненты которых находятся в химическом и физико-химическом взаимодействии (Воронин, 1984; Юдина и др., 2018). ЭПЧ является первым специфичным для почвы как природного тела уровнем иерархии структурной организации (Воронин, 1984; Розанов, 1983; Yudina, Kuzyakov, 2023), а также объектом измерений в гранулометрическом анализе почв (Юдина и др., 2018). Cуществующие стандарты гранулометрического анализа почв и грунтов (ГОСТ 12536-2014; ISO 11277:2009) и наиболее распространенные в научнопрактической экспертизе методы (пирофосфатный способ пробо-подготовки, Шеин и др., 2007) основаны на комбинации химических и физических приемов диспергации почвенных частиц. Для определения размера первичных элементов почв, т. е. минеральных частиц, необходимо удалить клеящие вещества, преимущественно представленные органо-минеральными соединениями и оксидами, гидроксидами металлов. Для этого используются различные способы окисления органических веществ и экстракции соединений Fe, Al (Юдина и др., 2018). Физические этапы пробо-подготовки почвы не стандартизированы количественно по оказываемому механическому воздействию. Для решения проблемы стандартизации воздействия был предложен ультразвуковой (УЗ) метод диспергации почвы (Edwards, Bremner, 1967; Березин, 1983).

В данный момент не существует общепризнанных величин выходной мощности (output power, Ватт или Дж·сек^-1) и суммарной энергии (total energy, E_t , Дж·мл^-1) диспергации почв УЗ, несмотря на широкое распространение метода ультразвуковой дис-пергации почв для подготовки почв к анализу гранулометрического состава (Polakowski et al., 2018) , ферментативной активности почв (Stemmer et al., 1998) , выделения пулов органического вещества (Poeplau et al., 2018; Büks, 2023) . Сравнение оказываемого воздействия УЗ на почвенные образцы необходимо проводить при известных мощности, времени воздействия ( t , сек), концентрации (соотношение почва : жидкость) и объема ( V , мл) почвенной суспензии. Наиболее распространенным способом калибровки выходной мощности УЗ является калориметрический метод, предложенный North (1976) . Мощность УЗ имеет качественно разное воздействие на почвенные частицы. При недостаточной мощности УЗ использование высокой суммарной энергии диспергации не приведет к разрушению прочных связей между частицами почвы. Поэтому при пробоподготовке почвенных образцов для достижения достаточной мощности преимущественно используются УЗ диспергаторы зондового типа (horn-type), имеющие мощность в десятки – сотни Ватт.

Воздействие УЗ на почвы разного состава, генезиса и землепользования может различаться как по силе, так и по форме (Kaiser et al., 2014). В исследовательских работах суммарная энергия УЗ диспергации Et образцов почв варьирует в пределах от 7 до 5 350 Дж·мл-1 (Mentler et al., 2017). Однако Et равная 450– 500 Дж·мл-1 считается достаточной для диспергации образцов большинства почв (Amelung et al., 1999, при заявленной приборной мощности P = 49 Ватт; Schmidt et al., 1999, мощность согласно калориметрическому методу P = 75 Ватт). При высоких значениях энегрии диспергации может изменяться состав почвенного образца. Например, минералы песчаной фракции почв, развитые на вулканических пеплах, могут разрушаться при достижении Et значений свыше 400–1500 Дж·мл-1 (Hunter, Bussaca, 1989, P = 39.9 Ватт). Также при значениях Et выше 500 Дж·мл-1 происходит разрушение дисперсного органического вещества (particulated organic matter) (Amelung et al., 1999, P = 49 Ватт). В слаборазвитых и молодых почвах может наблюдаться разрушение почвенных частиц при достижении Et = 1 500 Дж·мл-1 (Kaiser et al., 2012, P = 52.7 Ватт). Для почв, развитых на известняках, не рекомендуется использовать встряхивание и УЗ, так как хрупкие и пористые фрагменты карбоната кальция будут разрушаться (Kerry et al., 2009). В процессе диспергации УЗ может происходить разрушение зерен кварца, что было диагностировано по появлению острых осколков кварца при увеличении времени УЗ воздействия (Chappell, 1998, использованная мощность УЗ не указана). Энергия диспергации отличается для почв разного типа землепользования. Пахотные почвы требуют меньше затрат энергии на дис-пергацию по сравнению с природными (Eriksen et al., 1995).

Единого уровня диспергации твердой фазы почв не существует, так как интенсивность необходимого воздействия будет зависеть от устойчивости агрегатов (Cerli et al., 2012). Однако попытки найти универальное значение энегрии диспергации не прекращаются, так как это необходимо для стандартизации базовых анализов. Подробный эксперимент по влиянию мощности УЗ на диспергацию был проведен для тех образцов почв из слоя 0–10 см различного гранулометрического состава (coarse sand, loam, sandy loam) (Poeplau, Don, 2014). В эксперименте оценивали влияние мощности УЗ на количество частиц <63 мкм, концентрацию общего органического углерода и δ13C в этой же фракции почвенных частиц. Мощность УЗ была выбрана в пределах от 5 до 122.4 Ватт. Согласно результатам работы, минимальная необходимая для диспергации почв до стабильного состояния мощность УЗ составляет 50 Ватт. Данное значение мощности воздействия УЗ является достаточно высоким и может приводить к разрушению дисперсного органического вещества, из-за чего рекомендуется его удаление после низкого воздействия УЗ (Amelung et al., 1999), например, по схеме Golchin et al. (1994).

Цель данной работы – на примере верхних горизонтов дерново-подзолистой, серой лесной почвы и чернозема суглинистого гранулометрического состава определить величину суммарной энергии УЗ, необходимую для диспергации почвенной суспензии до ЭПЧ. Для минимизации разрушения дисперсного органического вещества почв нами был выбран средний уровень мощности УЗ, равный 32.4 Ватт. Для регистрации изменений размера частиц при увеличении энергии воздействия был использован метод лазерной дифракции, результатом которого является детальное распределение частиц по размерам (Юдина и др., 2021; Polakowski et al., 2018) . Наша гипотеза состоит в том, что в диапазоне суммарной энергии диспергации от 11 до 1 101 Дж·мл^-1 содержание ила (<1 мкм), физической глины (<10 мкм) и среднего объемного размера частиц достигнут стабильного состояния и выйдут на уровень плато, на основе которого мы сможем определить минимальное значение энегрии для диспергации почвы до ЭПЧ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования являлись верхние горизонты трех почв тяжелого гранулометрического состава, контрастные по содержанию     органического     вещества:     агродерново- слабоподзолистая (Albic Glossic Retisols (Loamic, Cutanic, Differentic) – опытное поле Зеленоградского опорного пункта ФГБНУ “Почвенный институт им. В.В. Докучаева”, N: 56.131622° с. ш., E: 37.802792° в. д.); серая лесная (Greyic Phaeozems (Albic) – широколиственный лес Тульских засек рядом с с. Крапивна, Тульская обл., N: 53.93304° с. ш., E 37.09259° в. д.); агрочернозем миграционно-мицеллярный среднепахотный средне карбонатный (Haplic Chernozem (Loamic, yperhumic, Pachic) – лесополоса, Курский НИИ АПП, N: 51.59946° с. ш., E: 36.23127° в. д.). Содержание углерода в образцах почв представлено в таблице 1.

Образцы почв перед анализом были высушены до воздушно-сухого состония в лабораторных условиях, далее гомогенизированы пестиком с резиновым наконечником с параллельным удалением растительных остатков с помощью пинцета и просеяны через сито 2 мм.

Таблица 1. Содержание органического углерода (С_орг) в исследованных образцах почв

Table 1. The organic carbon content in studied soil samples

Почва	Горизонт (мощность, см)	с орг (г · 100 г-1 почвы)
Дерново-подзолистая ( Albic Glossic Retisols (Loamic, Cutanic, Differentic) )	Ap (0–10)	1.84
Серая лесная ( Greyic Phaeozems (Albic) )	A (0–15)	3.58
Чернозем ( Haplic Chernozem (Loamic, yperhumic, Pachic) )	Ap (0–10)	4.67

Пробоподготовка образцов

Обработка УЗ осуществлялась на диспергаторе зондового типа Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasonics, США) со ступенчатым цельным наконечником (stepped solid horn tip, 13 мм, 101147-038). Калибровка мощности УЗ осуществлена в дистиллированной воде калориметрически согласно общепринятой методике (North, 1976) . Выходная мощность Р составляла 32.4 Ватт при выставленной на блоке управления диспергатором мощности 50%. Суспензии почв концентрацией 1–3% и объемом 15 мл озвучивались в пластиковых стаканчиках в течение различных периодов времени, для которых была предварительно рассчитана величина суммарной энергии диспергации (Дж·мл^-1) (табл. 2). Во избежание перегрева суспензий время однократного озвучивания не превышало 2.5 минут.

Измерение размеров частиц

Все определения распределений частиц по размерам проводили на лазерном анализаторе размеров частиц Microtrac Bluewave

(Microtrac, США) в трехкратной повторности. Обработка дифрак-тограмм проведена с помощью ПО анализатора Microtrac FLEX 11. Используемые при обработке параметры твердой фазы – частицы абсорбирующие, изометричной формы.

Таблица 2. Время и соответствующим величины суммарной энергии диспергации почвенных суспензий объемом 15 мл и концентрацией 1–3% использованные в эксперименте ( P = 32.4 Ватт)

Table 1. Time and corresponding total energy of ultrasonic dispersion of soil suspensions (15 ml) having concentration 1–3% used in the experiment ( P = 32.4 W).

№ варианта	Время воздействия (мин)	Суммарная энергия УЗ (Дж·мл-1)
1	0.5	65
2	1	130
3	1.5	194
4	2	259
5	2.5	324
6	3	389
7	3.5	453
8	4.5	583
9	5.5	712
10	6.5	842
11	7.5	971
12	8.5	1 101

Для каждого из полученных распределений частиц почв по размерам были рассчитаны следующие параметры – средний объемный размер частиц (MVD, мкм), содержание ила (сумма частиц <1 мкм) согласно российской классификации гранулометрических элементов почв (ИЛ<1, %), содержание физической глины (сумма частиц меньше 10 мкм, ФЗГ<10, %).

Моделирование взаимосвязей между дисперсностью почвы и энергией диспергации

Аппроксимация данных по взаимосвязи содержания ила и физической глины с суммарной энергией диспергации проводилась с использованием экспоненциальной функции (Демьянов, Савельева, 2010):

v = с х (1 — exp(1 —

■^3х ^ ) (уравнение 1), ^E1NF

где v - содержание частиц (%), E - суммарная энегрия дисперга-ции (Дж·мл^-1); с – плато, т. е. равновесное содержание частиц при данном типе диспергации (%); E_INF – пороговая суммарная энергия (Дж·мл^-1), достачная для достижения содержания частиц до уровня плато.

Для аппроксимации данных взаимосвязи среднего размера частиц и суммарной энергией диспергации к уравнению 1 был добавлен стартовый параметр с 0 :

v = с0 + (с — с0) х (1 — exp(1 — ■3х^) (уравнение 2),

E1NF где с0 – точка пересечения функции с осью ординат.

Статистическая обработка

Статистическая обработка и визуализация выполнялись в среде R 4.2.1. Расчет базовых статистик выполнялся с пользованием пакета broom (Robinson, 2014) . Визуализация с использованием пакета ggplot2 (Wickham et al., 2016) . Доверительный интервал рассчитывался как двусторонний с уровнем значимости a = 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ распределений частиц по размерам показывает динамику изменения содеражния частиц отдельных фракций при увеличении энегрии диспергации. Для всех почв распределения частиц по размерам, полученные при минимальном уровне воздействия УЗ на твердую фазу почв ( E t = 11 Дж·мл^-1), характеризуются наличием максимума в диапазоне размеров частиц песка от 100 до 2 000 мкм (рис. 1). При увеличении энергии УЗ дисперга-ции до 65 Дж·мл^-1 происходит постепенная дезагрегация частиц крупнее 100 мкм. И при диспергации с использованием E t = 65 Дж·мл^-1 частицы крупнее 100 мкм почти полностью разрушаются. Увеличение суммарной энергии диспергации свыше

65 Дж·мл-1 приводит к снижению содержания пылеватых частиц в диапазоне размеров 1–10 мкм.

Рис. 1. Дифференциальные кривые содержания (ось Y, % ) частиц различного диаметра (ось Х, мкм), полученные при увеличивающемся воздействии УЗ на почвенные суспензии (суммарная энергия E t , Дж·мл^-1, легенда в правой части рисунка): ( A ) чернозем; ( Б ) серая лесная; ( В ) дерново-подзолистая почвы. Выходная мощность Р составляла 32.4 Ватт.

Fig. 1. Differential curves of the content (Y axis, %) of particles of different diameters (X axis, μm) obtained with increasing ultrasonic energy on soil suspensions (total energy E_t , J·mL -1 , legend in the right part of the figure): ( A ) Сhernozem; ( Б ) Phaeozem; ( В ) Retisol. The output power P was equal to 32.4 W.

Содержание ила является наиболее чувствительным показателем при анализе устойчивости почвы к диспергации УЗ. При увеличении энергии диспергации происходит постепенное увели- чение количества илистых частиц в суспензии (рис. 2А). Максимальное содержание илистых частиц составляет 8.69 ± 0.15% для чернозема, 4.72 ± 0.16% – для серой почвы, 5.20 ± 0.09 % – для дерново-подзолистой почвы (табл. 2). Для дерново-подзолистой почвы необходимое количество суммарной энергии для полного выхода илистой фракции значимо ниже по сравнению с серой лесной почвой и черноземом и составляет 275 ± 21 Дж·мл-1. Пороговая суммарная энегрия в 2.4 раза для серой лесной почвы (646 ± 37 Дж·мл-1) и в 2.8 раза (762 ± 73 Дж·мл-1) для чернозема выше, чем для дерново-подзолистой почвы.

Содержание физической глины резко изменяется с увеличением энергии диспергации (рис. 2Б), поэтому значение пороговой суммарной энегрии для физической глины в среднем в 3 раза ниже, чем для ила. Содержание физической глины является чувствительным параметром к типу почв, потому что между E INF исследованными почвами наблюдаются статистические различия. Полная суммарная энегрия диспергации физической глины минимальная для дерново-подзолистой почвы и составляет 119 ± 9 Дж·мл^-1. Для серой лесной почвы E INF в 1.3 раза (151 ± 5 Дж·мл^-1), а для черноземов в 2.1 раза (249 ± 17 Дж·мл^-1) выше, чем для дерновоподзолистой почвы.

E INF для частиц среднего размера в среднем на 13% выше, чем для физической глины (рис. 2В). Однако суммарная энергия диспергации до ЭПЧ между исследованными почвами очень близка, и статистических различичий не обнаружено (табл. 1).

Выбор режима диспергации почв УЗ зависит от устойчивости связей между частицами и заключается в выборе двух параметров – мощности P и суммарной энергии E_t . В аналогичном проведенному нами эксперименте Poeplau and Don (2014) был сделан вывод, что необходимая мощность для разрушения связей между почвенными частицами в агрегатах составляет 50 Ватт. Авторы использовали тот же ультразвуковой диспергатор и наконечник большего диаметра (19 мм), однако работали с большим в 10 раз объемом суспензии (150 мл). Чем меньше диаметр наконечника, тем выше амплитуда УЗ. Выбранный рабочий объем влияет на долю объема суспензии, находящуюся в непосредственной зоне воздействия УЗ.

Рис. 2. Изменение содержания (ось Y): ( A ) – частиц ила (ИЛ <1 , %), ( Б ) – физической глины (ФЗГ, %), ( В ) – среднего объемного диаметра (MVD, мкм) почвенных частиц при увеличении суммарной энергии УЗ диспергации (ось Х, E_t ,) в образцах дерново-подзолистой почвы (фиолетовый цвет), серой лесной почвы (оранжевый цвет) и чернозема (зеленый цвет) (легенда в нижнем правом секторе графика). a – пороговое значение E_t , необходимое для диспергации твердой фазы почвы до элементарных почвенных частиц.

Fig. 1. Changes in the content (Y axis): ( A ) – clay particles (ИЛ_<1, %), ( Б ) – physical clay (ФЗГ, %), ( B ) – mean volume diameter (MVD, μm) of soil particles with increasing total ultrasonic dispersion energy (X axis, E t , J·mL^-1) in samples of Chernozem (green dots), Phaeozem (organge dots) and Retisol (purple dots) (legend in the lower right sector of the figure). a is the threshold value of E t necessary for dispersion of the soil solid phase into elementary soil particles.

Таблица 2. Параметры аппроксимации кривых зависимости содержания ила, физической глины и среднего объемного диаметра частиц от величины суммарной энергии диспергации суспензий почв УЗ ( E t ~ ИЛ <1 , E_t ~ ФЗГ_<10, E_t ~ MVD соответственно): с – уровень плато, соответствующий максимальному содержанию ила, физической глины или минимальному среднему размеру частиц соответственно; а – пороговое значение E_t (Дж·мл^-1), с₀ – начальный средний размер частиц суспензии почвы (мкм). * – статистически значимые отличия между образцами почв (p < 0.05)

Table 2. Parameters of approximation of relationships between the clay content, the physical clay, the mean volume diameter of particles, and the value of total energy of dispersion of soil suspensions by US ( E t ~ ИЛ <1 , E t ~ ФЗГ <10 , E t ~ MVD, respectively): c – plateau level corresponding to the maximum content of clay, physical clay or minimum mean particle size, respectively; а – threshold value of E t (J·mL^-1), с 0 – initial mean size of soil particles in suspensions (μm). * – statistically significant differences between soil samples (p < 0.05)

Функция	Почва	с	E INF	c0
E t ~ ИЛ <1	Чернозем Серая лесная Дерново-подзолистая Чернозем Серая лесная Дерново-подзолистая Чернозем Серая лесная Дерново-подзолистая	8.69 ± 0.15* 4.72 ± 0.16 5.20 ± 0.09 49.6 ± 0.18* 41.82 ± 0.64* 38.88 ± 0.58* 10.02 ± 0.07* 29.68 ± 2.42* 14.40 ± 1.96*	646 ± 37 762 ± 73 275 ± 21* 151 ± 4* 249 ± 17* 119 ± 9* 229 ± 15 194 ± 35 173 ± 34	– – – 25 ± 1* 129 ± 9* 91 ± 8*
E t ~ ФЗГ <10
E t ~ MVD

От мощности УЗ также зависит скорость циркуляции объема диспергируемой жидкости. Соответственно, чем меньше объем и выше мощность, тем большая часть рабочего объема суспензии подвергается воздействию УЗ в единицу времени.

Выбранная нами мощность УЗ равная 32.4 Ватт была обусловлена минимизацией разрушения дисперсного органического вещества (Amelung et al., 1999), которое может быть заключено в микроагрегатах почв. Также УЗ низкой мощности используется для подготовки почв к микробиологическим и биохимическим анализам, чтобы избежать разрушение клеток и ферментов (например, 30 Ватт – Neumann et al., 2013; 40 Ватт – Zhou et al., 2021).

Проведенный нами эксперимент показал, что разрушение твердой фазы серой лесной и дерново-подзолистой почв, имеющих ярко выраженный максимум в диапазоне частиц 100– 1000 мкм, делится на два этапа по границе суммарной энергии диспергации E_t равной 65 Дж·мл^-1 (рис. 1): ниже этой границы разрушаются крупные агрегаты (>100 мкм), выше – мелкие агрегаты в диапазоне частиц 0–10 мкм. Таким образом, предположительно, в исследованных почвах существуют два пула микроагрегатов почв – низкой и высокой устойчивости.

Найденные нами пороговые значения E t для чернозема и серой лесной почвы (646 и 762 Дж·мл^-1 соответственно), необходимые для максимальной диспергации образцов почв, оцененной нами по увеличению количества частиц ила (рис. 2А, табл. 2) выше значения E_t , установленного другими исследователями и равному 500 Дж·мл^-1 (Amelung et al., 1999; Schmidt et al., 1999) . Значение E t , установленное для дерново-подзолистой почвы, значительно ниже (275 Дж·мл^-1), и, вероятно, связано с более низким содержанием органического вещества почвы (табл. 1), являющимся основным агрегирующим агентом органо-аккумулятивных горизонтов почв. Таким образом, величина энергии диспергации почв до ЭПЧ варьирует в пределах сотен Дж·мл^-1 и зависит от типа почвы.

Величина энергии, выше которой не происходит значимого изменения содержания физической глины, является искомой энергией диспергации, необходимой для подготовки почв к гранулометрическому анализу и определения класса почв согласно классификации Качинского. Для исследованных образцов чернозема, серой лесной и дерново-подзолистой почв она значимо отличалась и составляла 151, 249 и 119 Дж·мл-1 соответственно. Эти данные подтверждают гипотезу Cerli et al. (2012), что энергия дисперга-ции будет варьировать для различных по генезису образцов почв. Более высокая энергия диспергации серой лесной почвы предположительно связана с дисперсным органическим веществом, которое может быть заключено в большом количестве в крупных микроагрегатах, и, соответственно, может разрушаться при более высоких суммарных энергиях воздействия УЗ.

Средний объемный диаметр (MVD, мкм) частиц не является подходящим параметром для оценки способов пробоподготовки почв к гранулометрическому анализу, так как для него не было выявлено значимых различий между исследованными образцами почв (табл. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного эксперимента с образцами дерново-подзолистой, серой лесной почв и чернозема, с увеличением суммарной энергии E t диспергации почвенных суспензий в диапазоне 65–1101 Дж·мл^-1 почвы при постоянной мощности УЗ равной 32.4 Ватт установлено:

• 1)    величина E t , необходимая для полного разрушения агрегатов почв до ЭПЧ, зависит от типа почв и варьирует в пределах 200–800 E_t для суглинистых почв с содержанием органического вещества 1.8–4.6 г · 100 г^-1 почвы;

• 2)    для пробоподготовки почв к гранулометрическому анализу и последующего определения класса почв согласно классификации Качинского достаточной является величина E t = 250 Дж·мл^-1, так как она позволяет получить максимальное количество физической глины при минимальной длительности пробоподготовки.