Глава 7 гранулометрический (механический) состав почвообразующих пород и почв Гранулометрические фракции и методы их определения

Обломки плотных пород и минералы, образующие твердую фазу почв, различаются не только по типу кристаллической структуры и химическому составу, но и по размерам. В почвообразующих поро­дах и почвах могут присутствовать обломки плотных пород, разме­ры которых измеряются сантиметрами и даже десятками сантимет­ров (так называемый скелет почвы). Размеры отдельных зерен пер­вичных минералов лежат в пределах от 1,00 до 0,01 мм, хотя весьма часто диаметр некоторых зерен кварца, полевых шпатов и других минералов превышает 1 мм. Размеры частиц различных слюдистых минералов (серицита, гидрослюд и др.) обычно колеблются от 0,01 до 0,001 мм. Наиболее распространенные глинистые минералы еще более дисперсны, размеры их частиц — 0,005—0,0001 мм. И нако­нец, в почвах присутствуют коллоидно-дисперсные минеральные и органические вещества, диаметр частиц которых обычно меньше 0,0001 мм.

Преобладание частиц того или иного размера в почвообразую­щих породах и почвах определяет в значительной мере многие фи­зические свойства почвенной массы.

Процентное содержание в почве частиц различного размера и их соотношение называется гранулометрическим (или механическим) составом почв. Когда говорят о соотношении частиц различного размера, имеют в виду группы частиц, диаметр которых лежит в определенных пределах. Каждая из таких групп называется грануло­метрической (механической) фракцией (табл. 7.1).

В основу разделения гранулометрических фракций положены различия главным образом в водно-физических свойствах. Так, ка­менистая часть почвы или почвенный скелет почти не обладает спо­собностью удерживать влагу, просачивающуюся в почву, а также под­нимать ее вверх, например, от уровня грунтовых вод по капиллярам. Песок (3,0—0,05 мм) имеет лишь очень слабую водоудерживающую и водоподъемную способность. Напротив, пыль (0,05—0,001 мм) очень хорошо удерживает воду и обладает хорошей водоподъемной спо­собностью. В пылеватых почвах вода по капиллярам может подни­маться вверх на 4—5 м от уровня фунтовых вод. Ил (<0,001 мм) имеет плохую водопроницаемость и меньшую, чем у пылеватых ча-

Таблица 7.1

Классификация гранулометрических элементов почвенной массы (по н.А. Качинскому)

Размер гранулометрических элементов	Название гранулометрических элементов
>3	Каменистая часть почв
3-1 1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01	Песок крупный Песок средний Песок мелкий Пыль крупная	физический песок
0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001 < 0,0001	Пыль средняя Пыль мелкая „ физическая глина Ил Коллоиды

стиц, водоподъемную способность. В последнем случае капилляр­ные промежутки между частицами очень малы, а при увлажнении они еще более уменьшаются за счет образования вокруг каждой частицы пленки воды, удерживаемой силами молекулярного притя­жения. Во влажном состоянии фракция ила сильно набухает, а при высыхании — сжимается.

Таким образом, названные четыре фракции — каменистая часть почв, песок, пыль и ил — помимо того, что они обычно отличаются друг от друга по минералогическому составу, различны также и по физическим свойствам.

В большинстве стран мира, согласно Международной шкале, принятой еще в 1926 г., почвоведы пользуются несколько иными градациями размеров частиц при выделении гранулометрических фракций. Граница между крупно- и мелкоземом проводится по раз­меру частиц 2 мм. К фракции песка, который подразделяется на круп­ный, средний и мелкий, относятся частицы размером 2—0,074 мм, к фракции пыли — частицы, размеры которых лежат в пределах 0,074-0,002 мм.

В большинстве стран мира в соответствии с международным соглашением при выделении фракций действует следующая шка­ла размеров гранулометрических элементов: крупнозем (гравелис- тая и каменистая часть почвенной массы) > 2 мм, мелкозем < 2 мм. В мелкоземе выделяются фракции: песка крупного и среднего — 2—0,2 мм, мелкого — 0,2—0,074 мм, пыли — 0,074—0,002 мм, глины (ила) — <0,002 мм.

Существуют различные методы гранулометрического анализа рыхлых отложений и почв, причем, поскольку в состав почв могут входить и крупные и мелкие частицы, способы их разделения также несколько различны.

Перед производством анализа образцы почвы растираются в ступ­ке резиновым пестиком, чтобы разрушить агрегаты. Крупные фрак­ции — каменистая часть и крупный песок — обычно разделяются на ситах с отверстиями 0,25; 1; 2; 5; 7 и 10 мм. Разделение частиц, диаметр которых меньше 1 мм, производится обычно методом гид­равлического анализа или отмучивания. При таком анализе образ­цы почв, пропущенные через сито с отверстиями диаметром в 1 мм, взмучиваются в воде. При спокойном отстаивании частицы начина­ют оседать на дно с различной скоростью.

Зависимость между радиусом частиц и скоростью их падения выражается формулой Стокса

где V — скорость падения частиц, см/с; g — ускорение силы тяжес­ти, равное 981 см/с; г — радиус частицы, см; d_l — удельная масса частицы; d₂ — удельная масса жидкости (воды), в которой ведется анализ; г| — вязкость жидкости.

Исходя из этой формулы были рассчитаны скорости падения частиц различного диаметра, которыми и пользуются при проведе­нии анализа (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Результаты вычисления размеров частиц по формуле Стокса и эмпирической шкале Фадеева—Вильямса—Сабанина

Скорость падения частиц, см/с	Время падения 1 на см	Диаметр частиц по Стоксу, мм	Диаметр частиц по Фадееву— Вильямсу—Сабанину
0,2	5 С	0,05	0,05
0,02	50 с	0,0156	0,01
0,00046		0,0023	0,005
0,00011
	2 ч 24 мин	0,0012	0,001

Чтобы выделить частицы определенного диаметра, рассчитыва­ют количество времени, необходимое, чтобы столб жидкости опре­деленной толщины освободился от частиц с большим диаметром.

Д, мкЗ 2,4 1,7 10,7 0 lg Д Д, мм 1 0,25 0,05 0,010,005 0,0010

Рис. 7.1. Изображение результатов гранулометрического анализа дерново-подзолистой легкосуглинистой иловато-пылеватой почвы; пахотный горизонт (по Н.А. Качинскому): 1 — дифференциальная; 2 — кумулятивная кривые

Применяются два метода разделения механических фракций:

а) метод отмучивания фракции Сабанина, применяющийся обычно для анализа песчаных пород и почв и выделения отдельных фракций для дальнейшего минералогического или химического анализов;

б) метод пипетки в модификации Качинского, используемый для почв, богатых пылеватыми и илистыми частицами (и в случае если не требуется выделения чистых фракций).

В настоящее время используются более совершенные методы определения гранулометрического состава, например лазерные ана­лизаторы размеров частиц.

Гранулометрический состав отдельного образца почвы можно изобразить графически в виде дифференциальной кривой, откла­дывая по оси абсцисс логарифмы диаметров гранулометрических фракций, а по оси ординат — их процентное содержание (рис. 7.1).

Классификация пород и почв по гранулометрическому составу

Для классификации пород и почв по гранулометрическому со­ставу названные ранее фракции объединяются в более крупные груп­пы. Сумма фракций, размеры частиц которых меньше 0,01 мм, на­зывается физической глиной; все фракции, размеры которых нахо­дятся в пределах от 0,01 до 1 мм, относятся к физическому песку- Соотношение между физическим песком и физической глиной яв­ляется главным критерием для классификации почв и пород по гра­нулометрическому составу.

На основании количественных показателей, приведенных в табл. 7.3, дается основное название гранулометрического состава почвы или породы. Для дополнительной характеристики гранулометричес­кого состава учитывается соотношение между фракциями песка, пыли и ила, размеры которых приведены в табл. 7.1. В дополни­тельное название вводятся две преобладающие фракции. Например, имеется образец почвы со следующим содержанием гранулометри­ческих фракций (табл. 7.4).

Таблица 7.3