Тема 1.2 Определение физических свойств почвы. Механический анализ почвы по методу профессора Сабанина в модификации с.А. Ковригина*. Гранулометрический состав почвы по н.А. Качинскому (4 часа)

1. Объяснение - 45 мин.

1.1 Ознакомление студентов с рабочим планом лабораторных занятий по почвоведению.

1.2 Определение плотности твёрдой фазы почвы.

1.3 Определение порозности почв.

1.4 Механический анализ почвы по методу профессора Сабанина в модификации С.А. Ковригина.

1.5 Пипеточный метод гранулометрического состава почв по Н.А. Качинскому.

2. Самостоятельная работа студентов - 135 мин.

2.1 Выполнить лабораторные исследования по определению плотности твёрдой фазы почвы, рассчитать общую порозность почвы и порозность аэрации. Результаты записать в рабочую тетрадь (таблица 4, 5).

2.2 Выполнить лабораторные исследования по механическому анализу почвы по методу профессора Сабанина в модификации С.А. Ковригина и гранулометрическому составу почв пипеточным методом по Н.А. Качинскому. Результаты записать в рабочую тетрадь (таблица 6, 7, 8, 9).

Материальное обеспечение занятий:

Пикнометры на 100 мл, сито с диаметром отверстий 1 мм, весы технические весы с разновесами, прибор Сабанина, колбы конические на 200-250 см³ с воронками, капсулаторка, алюминиевый бюкс, промывалка с аммиачной водой, песочные часы на 5 минут, сушильный шкаф, весы аналитические, бюксы алюминиевые высокие, пипетка Качинского, банки на о,5 л низкие и высокие, цилиндр мерный на 25 см³.

1.2.1 Определение плотности твёрдой фазы почвы и порозности

Плотностью твёрдой фазы почвы называется отношение массы твёрдой фазы в сухом состоянии к массе равного объёма воды при 4^оС. Плотность твёрдой фазы данной почвы – показатель стабильный и во времени меняется мало. Величина этого показателя зависит от природы входящих в состав почвы минералов и их соотношения, а также от количества органического вещества. Плотность твёрдой фазы минеральных горизонтов почв колеблется в пределах 2,4…2,8, а органогенных от 1,4 до 1,7 г/см³.

Плотность кварца составляет 2,65, биотита-2,7-3,1, лимонита-3,5-3,95, органического вещества - 1,4 г/см³.

В среднем плотность твёрдой фазы у большинства минеральных почв равна 2,50…2,65 г/см³, чернозём с 10% гумуса имеет плотность около 2,4; дерново-подзолистая почва с 2,5% гумуса - 2,6; торф - 1,4-1,7 в зависимости от степени разложения и зольности, скелетные почвы – 3,0 г/см³.

Ход анализа. Берут усреднённую навеску почвы 10 г из просеянного через сито в 1мм образца, взвешивают на технических весах и переносят в пикнометр (мерная колба на 100 см³, высушенная и взвешенная).

Приливают в пикнометр 1,5-2,0 см³ прокипячённой дистиллированной воды и кипятят в течение 10…30 мин для удаления воздуха, при необходимости доливая водой до половины объёма по мере выкипания.

Охлаждают пикнометр до 50^оС, доливают прокипячённую охлаждённую дистиллированную воду до метки и взвешивают с точностью до второго знака.

Выбрасывают почву с водой, колбу ополаскивают, кипячёной дистиллированной водой доводят до метки и вновь взвешивают (температура пикнометра с почвой и дистиллированной водой должна быть одинаковой).

Плотность твёрдой фазы почвы вычисляют по формуле:

,

где d – плотность твёрдой фазы, г/см³;

а - масса абсолютно сухой почвы, г;

b - масса пикнометра с водой, г;

с - масса пикнометра с водой и почвой, г.

Массу абсолютно-сухой почвы определяют по формуле:

,

где А - навеска воздушно-сухой почвы (г);

W – гигроскопическая влажность, (%).

Таблица 4 - Результаты определения плотности твёрдой фазы почвы

Регистрационный № образца	Генетический горизонт и глубина взятия образца	№ пикнометра	Масса пикнометра с водой, г	Навеска воздушно-сухой почвы, г	Гигроскопическая влажность, %	Навеска абсолютно-сухой почвы, г	Масса пикнометра с водой и почвой, г	Плотность твёрдой фазы почвы, d, г/см3

Порозность (пористость или скважность) – суммарный объём всех пор и промежутков между частицами твёрдой фазы почвы.

Вычисляют порозность по формуле:

где Р_об – порозность почвы, %;

d_v – плотность почвы, г/см³;

d – плотность твёрдой фазы почвы, г/см³.

Порозность аэрации вычисляют по формуле:

Р_аэр = Р_общ - Р_W,

где Р_W – объём пор, занятых водой, %.

Р_W = d_vW,

где d_v – плотность сложения, г/см³; W – влажность почвы, %.

Таблица 5 - Результаты определения общей порозности и порозности аэрации

Регистрационный № образца	Генетический горизонт и глубина взятия образца	Плотность твёрдой фазы почвы, г/см3	Плотность почвы, г/см3	Общая порозность (воздухоёмкость), %	Влажность почвы, %	Порозность аэрации (воздухо-обеспеченность), %

Наибольшая порозность (80…90%) наблюдается в органогенных горизонтах (лесной подстилке, травяном войлоке, торфе). В минеральных гумусированных горизонтах - 55…65%, в верхних безгумусных – 45…55%, в нижних горизонтах ниже 45%. Минимальная порозность (около 30%) - в глеевых. Наилучшие условия для развития корневых систем древесных пород создаются при порозности почвы, равной 55…65%; при порозности 35…40% корни проникают в почву с трудом, а при порозности глеевых горизонтов она становится корненепроницаемой. Для нормального развития растений порозность аэрации должна быть не менее 20% объёма почвы.

1.2.2 Механический анализ почвы по методу профессора Сабанина в модификации С.А. Ковригина*

Принцип метода состоит на разделении почвы на две фракции: фракцию физического песка с диаметром частиц больше 0,01 мм и фракцию физической глины с диаметром частиц меньше 0,01 мм. По соотношению фракций определяют название почвы по механическому составу (классификация Сибирцева-Качинского).

Метод анализа основан на законах падения твёрдых частиц в воде и отстаивании их в спокойной воде в течение определённого времени.

Скорость падения твёрдых частиц почвы в стоячей воде происходит с различной скоростью в зависимости от их размера и формы, обуславливающих величину трения, от плотности (удельного веса) частицы, обуславливающей ускорение, и от плотности (удельного веса) и вязкости среды, зависящих от температуры. Если допустить, что удельный вес частиц одинаков и равен удельному весу кварца (2,65), а форма их шарообразна, то скорость падения частиц в стоячей воде будет зависеть только от их диаметра. Экспериментально установлено, что частицы диаметром 0,01 мм падают со скоростью 0,2 мм/сек.

Время отстаивания частиц суспензии можно рассчитать следующим образом: путь падения частиц (8-2) см делят на скорость падения (0,2 мм/сек) и получают время, (60 мм:0,2мм/сек) = 300сек или 5 минут.

Проведение анализа. Взвешивают на технических весах среднюю пробу 10 г для песчаных почв, 5 г - для глинистых.

Навеску переносят в фарфоровую чашку и приливают дистиллированную воду, содержащую 10 мл 10% раствора NH₃ в литре, до консистенции жидкой кашицы.

Чашечку помещают на левую ладонь и большим пальцем той же руки растирают почву 1-2 мин. Сливают через носик в коническую колбу ёмкостью 200-250 мл мутную жидкость.

Операцию повторяют несколько раз, пока на дне чашки останутся частицы, не поддающиеся растиранию, а раствор над ними будет прозрачный.

Обмывают большой палец от приставших частиц и всё содержимое чашки переносят промывалкой в коническую колбу. Объём жидкости в колбе 100-150 мл. В колбу вставляют воронку (роль холодильника) и кипятят в течение 1-го часа. На горло колбы надеваем этикетку.

Подготовка прибора Сабанина к работе: а) Прибор состоит из стакана объёмом 0,5 л (банка 0,5 л) с отметками 2 и 8 см от внутренней поверхности дна; сифон с открытым одним концом и резиновой трубкой и зажимом на другом.

б) Сифон закрепляют в штативе и заряжают его, для чего открытый конец его погружают в сосуд с дистиллированной водой, зажим открывают и через резиновую трубку засасывают воду до заполнения сифона. Зажим закрывают. Открытый конец сифона помещают в стакан против отметки 2 см (на 1-2 мм выше во избежание засасывания частиц почвы ниже отметки).

Взбалтывают колбу с остывшей суспензией вращательным движением и опрокидывают в стакан. Смывают оставшиеся на стенках частицы в стакан водой из промывалки.

Доливают стакан до 8 см водой, энергично взбалтывают суспензию мешалкой (стеклянная палочка с резиновым наконечником) в течение 0,5-1 мин и записывают время. Время отстаивания частиц суспензии равно 5 минут. Через пять минут после отстаивания от момента взбалтывания частицы диаметром более 0,01 мм (физический песок) опустятся ниже отметки 2 см, а частицы диаметром менее 0,01мм (физическая глина) находятся во взвешенном состоянии между отметками 2 и 8 см.

Сливают с помощью сифона суспензию, содержащую физическую глину, в сливной стакан. Операцию повторяют 5-6 раз до полного осветления жидкости.

Песок из стакана (банки) с помощью промывалки переносят в низкий алюминиевый бюкс с известным весом, сливают излишки воды после отстаивания.

Алюминиевый бюкс с физическим песком высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 100…105^о С, охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

Рассчитывают содержание физического песка и физической глины в процентах путём деления массы песка и массы глины на массу сухого образца почвы, взятого на анализ.

Определяют механический состав почвы по классификации Сибирцева-Качинского.

Таблица 6 - Классификация почв по механическому составу Сибирцева-Качинского

Содержание частиц <0,01мм (физическая глина), %	Название механического состава почвы
0…5	песок рыхлый
5…10	песок связный
10…20	супесь
20…30	суглинок лёгкий
30…40	суглинок средний
40…50	суглинок тяжёлый
50…70	глина лёгкая
70…80	глина средняя
>80	глина тяжёлая

Таблица 7 - Результаты определения механического состава по методу проф. Сабанина в модификации С.А. Ковригина

Регистрационный № образца	Генетический горизонт и глубина взятия образца	№ бюкса	Масса пустого бюкса, г	Масса сухой навески почвы, г	Масса бюкса с физическим песком, г	Масса физического песка, г	Масса физической глины, г	Содержание физической глины, %	Название механического состава почв

Примечание: Описанный метод даёт удовлетворительные результаты для некарбонатных лёгких почв. Для суглинков и глин он мало приемлем и даёт лишь грубые придержки

1.2.3 Пипеточный метод гранулометрического состава почв

по Н.А. Качинскому

Пипеточный метод является наиболее распространённым в настоящее время лабораторным методом анализа гранулометрического состава почвы. Принцип метода основан на зависимости между скоростью падения почвенных частиц в спокойной воде и их диаметром: скорость падения частиц прямо пропорциональна диаметру частиц.

Сущность метода заключается в том, что из равномерно взмученной почвенной суспензии (объём 1000 или 500 см³) через определённые промежутки времени с глубины 10 см берутся пипеткой пробы суспензии с размером частиц различного диаметра. Определение количества почвенных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в отобранной пробе суспензии, осуществляется исходя из разности массы суспензии и воды в одном и том же объёме пипетки с учётом удельного веса минеральной части почвы.

Размер частиц на основании их скорости можно определить по формуле Стокса:

где V – скорость падения частиц, см/сек;

r – радиус частицы, см;

d – плотность почвы, г/см³ (для минеральных почв – 2,65);

d₁ – плотность жидкости, г/см³ (для воды – 1);

g – ускорение силы тяжести, равное 981см/сек²;

η – вязкость воды г/см∙сек, зависящая от температуры и изменяющаяся от 0,01301 при 10^о С до 0,00895 при 25^о С.

При взбалтывании почвенной суспензии почвенные частицы по мере отстаивания распределяются в столбе воды в соответствии с их размерами: более мелкие частицы долгое время остаются во взвешенном состоянии, а крупные будут оседать на дно. Рассчитав, с какой скоростью падают частицы различного диаметра, можно путём взятия проб через известные промежутки времени и с определённой глубины столба воды, определить их содержание.

При расчёте учитывается объём пипетки и общий объём воды в цилиндре. По скорости падения частиц в стоячей воде и глубине погружения пипетки можно рассчитать время взятия проб.

Таблица 8 - Интервалы взятия проб в зависимости от температуры

(при плотности частиц 2,65 г/см³)

Размер частиц, мм	Глубина погружения пипетки, см	Интервалы взятия пробы при температуре суспензии в оС
		10о	15о	20о	25о	30о
<0,05	25	149с	130с	115с	103с	92с
<0,01	10	24мин08с	21мин06с	18мин40с	16мин36с	14мин45с
<0,005	10	96мин49с	86мин26с	74мин40с	66мин24с	59мин22с
<0,001	10	39ч15мин	34ч10мин	30ч15мин	26ч45мин	23ч55мин

Анализ состоит из двух частей: 1) подготовка почвы к анализу; 2) разделение почвы на механические элементы и определение весового количества каждой фракции.

Из воздушно-сухой пробы почвы, просеянной через сито 1 мм, берут на аналитических весах 2 усреднённых навески по 10 г для песчаных и супесчаных почв и по 5 г для суглинистых и глинистых. Затем переносят их в фарфоровые чашки.

Почву в чашках проверяют на наличие карбонатов с помощью 10% раствора соляной кислоты. «Вскипание» почвы и выделение пузырьков СО₂ указывает на наличие карбонатов.

Для разрушения карбонатов почву в обеих чашках обрабатывают небольшими порциями 0,2 н НCl до прекращения выделения СО₂. После разрушения карбонатов жидкость из чашек сливают на воронки с взвешенным плотным фильтром и обрабатывают почву 0,05н НCl для вытеснения из неё поглощённых катионов кальция и магния.

Наличие кальция определяют следующим образом: в пробирку с 3…5 см³ фильтрата добавляют 10% раствор аммиака (NH₄OH) до появления слабого запаха, подкисляют несколькими каплями 10% раствора уксусной кислоты (CH₃COOH), добавляют 3 см³ 4% раствора щавелевокислого аммония [(NH₄)₂C₂O₄] и нагревают до кипения. При наличии кальция появляется белая муть или осадок щавелевокислого кальция (CaC₂O₄). При отсутствии мути обработку почвы 0,05 н НCl заканчивают.

Почву на фильтрах промывают дистиллированной водой до исчезновения реакции на хлор. (3…5 см³ фильтрата берут в пробирку и подкисляют 10% раствором HNO₃ и затем прибавляют несколько капель 5% раствора AgNO₃. Отсутствие белой мути указывает на конец промывания.

Почву с взвешенным фильтром после обработки её НCl и Н₂О перенести в заранее взвешенный алюминиевый бюкс (стаканчик) и просушить в сушильном шкафу при температуре 105^о С до постоянного веса. Определить потерю при обработке почвы.

Влажную почву с невзвешенного фильтра переносят в коническую колбу ёмкостью на 750 см³. Приливают до 250 см³ дистиллированной воды и прибавляют 1…2 см³ 1,0 н раствора NaOH для подзолистых почв тяжёлого механического состава и 0,5 см³ – для лёгкого. Колбу с содержимым оставляют стоять на 2 часа, взбалтывая её через каждые 15 минут, и затем кипятят в течение часа на умеренном пламени (без бурного кипения).

Прокипячённую и охлаждённую до комнатной температуры суспензию пропускают через сито 0,5 и 0,25 мм, которые установлены на стеклянной воронке, вставленной в мерный цилиндр объёмом 500 см³. Почву на верхнем сите слегка протирают пальцем и промывают водой из промывалки.

Оставшиеся на ситах частицы 1…0,5 и 0,5…0,25 мм при помощи промывалки переносят в фарфоровые чашки, а затем в предварительно взвешенные алюминиевые стаканчики. Отстоявшуюся воду из стаканчика слить, остаток выпарить на этернитовой плитке, а затем высушить в сушильном шкафу при температуре 105^о С до постоянного веса. Стаканчики охладить в эксикаторе и взвесить на аналитических весах.

Объём суспензии в цилиндре доводят дистиллированной водой до 500 см³, тщательно перемешивают путём 10-кратного переворачивания закрытого цилиндра в течение 1 минуты. Время окончания взбалтывания записывают с точностью до секунды. Отсюда берут пробы пипеткой (20 см³) с трёхходовым краном, позволяющим удалять избыток суспензии, для определения механических элементов размером <0,25 мм.

Пробы из цилиндра для различных групп механических элементов берут в такой последовательности:

Для частиц <0,05 мм – 25 см;

<0,01 мм – 10 см;

<0,005мм – 10 см;

<0,001 мм – 7 см.

По истечении времени, указанного для отстаивания, пипетку погружают на заданную глубину и с помощью аспиратора или ртом медленно засасывают суспензию. Глубина погружения пипетки отмечается на её трубке тонкими резиновыми кольцами.

Суспензию из пипетки сливают во взвешенный на аналитических весах алюминиевый стаканчик. Пипетку промывают дистиллированной водой в тот же стаканчик. Суспензию выпаривают на этернитовой плитке или песчаной бане, а затем высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105^о С.

Взяв первую пробу, суспензию в цилиндре снова взбалтывают и по истечении определённого времени берут вторую пробу и т.д. Время отстаивания отсчитывают после каждого взбалтывания. Доливать цилиндр после взятия проб нельзя.

Расчёт результатов гранулометрического анализа

1. Процент потери при обработке вычисляют по формуле:

х = (а-б)∙100/а,

где х – потеря при обработке, %;

а – масса абсолютно сухой почвы, взятой для определения потерь при обработке;

б – масса абсолютно сухой почвы после обработки её НCl и Н₂О за вычетом веса фильтра.

2. Содержание крупного (1…0,5 мм) и среднего (0,05…0,25 мм) песка вычисляют по формуле:

Р = b∙100∙K_H2O/C,

где Р – количество крупного или среднего песка, %

b – масса частиц, оставшихся на сите, г;

C – масса воздушно-сухой почвы, взятая для анализа, г;

K_H2O – коэффициент гигроскопичности для пересчёта на абсолютно сухую почву;

100 – коэффициент пересчёта на 100 г почвы.

3. Процентное содержание частиц в первой и остальных пробах вычисляют по формуле:

П₁ = m∙V∙100∙K_H2O/V₁∙C,

где m – масса частиц первой (2-ой, 3-ей, 4-ой) пробы, г;

V – объём цилиндра, см³;

V₁ – объём пипетки, см³;

C – масса воздушно-сухой почвы, г;

K_H2O - коэффициент гигроскопичности для пересчёта на абсолютно сухую почву;

100 – коэффициент пересчёта на 100 г почвы.

После подсчёта процентного содержания всех фракций производится вычисление содержание фракций согласно классификации механических элементов. Поскольку при взятии первой пробы в пипетку попадают все частицы, входящие во вторую, третью и четвёртую пробы, то каждую фракцию следует выделить посредством вычитания последующей из предыдущей.

Принцип выделения каждой фракции можно представить в виде схемы:

Крупный (1-0,5 мм) и средний (0,05-0,25 мм) песок Р и Р₁

Мелкий песок (0,25-0,05 мм) (проба П₁) 100 - (Р + Р₁ + П₁)

Крупная пыль(0,05-0,01мм) (проба П₂) П₁ - П₂

Средняя пыль (0,01-0,005 мм) (проба П₃) П₂ - П₃

Мелкая пыль (0,005-0, 001 мм) (проба 4) П₃ - П₄

Ил (<0,001 мм) П₄

Таблица 9 - Результаты гранулометрического состава

Регистрационный № образца	Генетический горизонт и глубина взятия образца	Масса воздушно-сухой навески почвы, г	Коэффициент гигроскопичности	№ алюминиевого стаканчика	Масса стаканчика с частицами. г	Масса пустого стаканчика, г	Масса частиц в объеме пипетки, г	Масса частиц в 500 мл, г	Содержание частиц ила в % от массы сухой почвы	Название горизонта по механическому составу