Руководитель проекта: проф. Судницин Иван Иванович

Важнейшая биосферная функция почвы – регулирование движения влаги в системе «почва – живые организмы – атмосфера» - исследуется экологической гидрофизикой почв. Достижения экологической гидрофизики почв в этой области значительны, однако многие аспекты еще неясны. Среди них - механизмы сорбции воды почвой (определяющие ее способность аккумулировать достаточные запасы влаги, доступной для растений и почвенных животных и микроорганизмов), в частности, роль в этом процессе обменных катионов. До сих пор не были точно известны доли влаги, сорбированной обменными катионами и незаряженной поверхностью почвенных частиц. При сорбции воды, в результате взаимного притяжения молекул воды и твердой фазы почвы (как растворимых, так и нерастворимых ее компонентов), происходит изменение энергетических характеристик системы: уменьшение удельной свободной энергии, приводящее к уменьшению полного давления воды (Р, атм), ее температуры замерзания, равновесной относительной влажности воздуха, выделению тепла при смачивании почвы (ТС). Оценить роль обменных катионов в сорбции воды можно, определяя, как изменяется энергия влаги при насыщении почвы различными катионами, так как теплота их гидратации (ТГ) неодинакова.  
Удалось показать, что для суглинистых и глинистых почв в диапазоне –5>Р>-200 атм существует тесная зависимость между влажностью почв (W) и lg |Р|: lg |Р| = А – В W . Анализ данных Х. Курона для глины Геберсдорф расширил этот диапазон до -5400 атм, а данных геологов – до –20000 атм. Кроме того, при Р = -5400 атм W глины Геберсдорф прямо пропорциональна ТГ насыщающих ее катионов. Все это может быть следствием доминирующей роли обменных катионов диффузного слоя в сорбции влаги. Еще одним аргументом в пользу этой гипотезы является прямолинейная зависимость и тесная корреляция (r = 0.96 ± 0.03) между W и емкостью катионного обмена (ЕКО) почвенных коллоидов. При ЕКО=50 ммоль-экв./100 г W может достигнуть 50 - 150%.  Интересно, что при ЕКО = 0 ТС = 6 кал/г коллоидов. Следовательно, если даже в почвенных коллоидах очень мало обменных катионов (например, кварцевые пески, содержащие мало гумуса), они могут сорбировать некоторое количество влаги на незаряженной поверхности твердой фазы. Анализ экспериментальных данных показал, что при ЕКО<0.5 ммоль-экв/г сорбция воды происходит преимущественно на незаряженной поверхности коллоидных частиц; при ЕКО>0.5 ммоль-экв/г превалирует роль обменных катионов; при ЕКО = 0.5 ммоль-экв/г доли их участия равны. Отношение ТС/ЕКО обратно пропорционально ЕКО. Оно варьирует от 53.5 в песках до 8.8 в глинах. Поскольку ЕКО коллоидов зависит от минералогического состава почв, то ТГ и ТС также от него зависят.  Для понимания природы этих процессов важно понять, почему различные обменные катионы, даже обладая равными зарядами, связывают воду с разной силой (по величине ТГ они образуют ряд: Н – 247; Mg – 230; Ca – 175; Na – 94; K – 75 кал/м-экв). По величине потенциала ионизации (I, электрон-вольт), они образуют такой же ряд: Н – 13.5; Mg – 11.3; Ca – 9; Na – 5.1; K – 4.3. Если при расчетах I для Mg и Ca использовать среднее I для двух первых отрываемых электронов (они неодинаковы), то между ТГ и I металлов возникает прямая пропорциональная зависимость: ТГ = 23•I – 25.
Высокий коэффициент корреляции (r = 0.97 ± 0.02) этой зависимости позволяет предположить, что именно величина I определяет способность катиона сорбировать влагу. I, в свою очередь, определяется строением электронных оболочек атомов и, следовательно, позицией атомов в периодической системе элементов Менделеева. В каждом ее периоде I последовательно увеличивается по мере увеличения атомной массы. Однако, в пределах каждой группы, наоборот, увеличение атомной массы приводит к уменьшению I. Это вызвано разной силой притяжения электронов, находящихся на различных наружных подуровнях и уровнях электронных оболочек атомов, к ядру. Нормальный (стандартный) электродный потенциал (Е, вольт) равен для К – 2.92, Са – 2.84, Na – 2.713, Mg – 2.38, Н - 0. Впервые удалось обнаружить тесную (r = -0.98 ± 0.02) зависимость: Е = 6 – 0,64• I. В результате между ТГ и Е также существует зависимость (r = -0.97 ± 0.02): ТГ = 300 – 75 Е = 75 (4 – Е). Ее физический смысл: если для гипотетического иона Е = 4 в, то его ТГ = 0 (такой ион не способен гидратироваться); если же Е = 0, то ТГ = 300 кал/м-экв.  Если же для Mg и Ca учитывать среднее I для двух электронов, то для металлов справедлива также зависимость (r = 0.96 ± 0.03): ТГ = 20.5 (I – Е) + 45. Ее физический смысл состоит в том, что, если для какого-нибудь гипотетического иона I = Е, то (I – Е) = 0, и, следовательно, ТГ = 45 кал/м-экв.