Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

зируются те наименьшие частицы твердой фазы почвы, ее первооснова,которыетрудноразрушитьфизическими(растиранием)ихимическими (воздействие щелочей и кислот) методами, за что они и на-

зываются элементарными.

Элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) обломки гор-

ныхпород иминералов, атакже аморфныесоединения, всеэлементы которых находятся в химической взаимосвязи и не поддаются разрушению общепринятыми методами пептизации.

Последовательно проанализируем это определение.

ЭПЧ это представители твердой фазы почвы, куда входят и минеральные, и аморфные (как правило, органические соединения, гидроокиси Fe, Al) вещества.

Связи между составляющими ЭПЧ прочные, химические. Эти связи нельзя разрушить методами пептизации (вспомним, что пептизация этораспадагрегатов,сформировавшихсяврезультате«слипания» отдельныхдисперсныхчастиц).Крометого,изэтогоследует,чтоиразделять почвенные агрегаты на ЭПЧ можно с помощью пептизации.

Учитывая, что размер частиц является важной характеристикойдисперсностипочвывцелом,необходимо знать,сколькожевпочве содержится мелких, средних и крупных элементарных почвенных частиц. Ведь от этого соотношения зависят все свойства почвы. Известно,чтопесчаныепочвы,состоящиепреимущественноизкрупных частиц, хорошофильтруют воду, однако плохоее удерживают. И питательныхвеществвнихнемного.Авотглинистые,напротив,удерживают большое количество поступившей в них влаги, питательных вещества,нопропускаютсквозьсебяводукрайнемедленно.Повсей видимости, почвы, состоящие из частиц разного размера, обладают и разными свойствами. Поэтому необходимо разделить весь ряд возможных размеров ЭПЧ на диапазоны. Иначе говоря, надо договориться, что же мы будем считать за крупные и мелкие частицы, т.е. необходимо разработать классификацию частиц по размерам.

2. Фракции элементарных почвенных частиц

Впочве представлены частицы совсем тонкие илистые,

атакже крупные гравий (1–3 мм) и каменистая часть почвы (>3 мм).Междуэтимичастицамирасположенаобластьпылеватыхипесчаных частиц.Илистые, какправило, имеютразмеры <0.001 мм.Эта целая область очень мелких, тонких частиц, куда входят и коллоиды

(<0.0001 мм). Выделенные по размерам диапазоны (ил, гравий, ка-

менистая часть и др.) называют фракциями гранулометрических элементов,аотносительноесодержаниевыделенныхфракций гра-

нулометрическим составом почв.

Под гранулометрическим (механическим устаревшее, почвенной текстурой) составом почв и почвообразующих по-

род понимают относительное содержание в почве элементарных почвенных частиц различного диаметра, независимо от их минералогического и химического состава. Гранулометрический состав выражается прежде всего в виде массовых процентов фракций гранулометрических частиц различного размера.

Итак,средифракцийгранулометрическихэлементовнамизвестны три: ил, гравий и каменистая часть. Но остается очень большая область пылеватых и песчаных частиц >0.001 и <1 мм. Для того чтобыразделить этуобластьнаотдельные диапазоны(фракции), необходимо заложить некий принцип такого рода разделения, принцип классификации частиц по размерам. Одна из первых попыток разделить весь диапазон встречающихся почвенных частиц была сделана шведским исследователем Альбертом Аттербергом в 1912 г. Он изучал физико-механические свойства (липкость, пластичность) частиц различного размера. Для этого он выделял частицы определенного диапазона диаметров, «отмучивая»их встоячей воде, собирал и анализировал свойства. Оказалось, что при достижении размеров 0.002, 0.02 и 0.2 мм некоторые свойства частиц, в частности липкость, изменяются довольно резко. Происходит качественный скачок в свойствахфракцийпридостиженииуказанныхграниц.ЭтотпринципАттерберг и заложил в основу своей классификации. Он и его последователи выделили следующие фракции: < 0.002 мм глина, 0.002–0.05 пыль, 0.05–0.2 тонкий песок, 0.2–2 грубый песок, >2 мм гравий. Эти фракции и составляют основу большинства современных зарубежных классификаций. На рис. II.2 схематично представлено расположение и границы выделенных фракций на оси диаметров частиц от <0.001 мм до крупнее 1 мм.

Вроссийскойклассификацииграницыфракцийиные,болеепод-

робные: <0.001 ил, 0.001 0.005 пыль мелкая, 0.005 0.01 пыль средняя, 0.01 0.05 пыль крупная, 0.05 0.25 песок мелкий, 0.25 0.5 песок средний, 0.5 1.0 песок крупный, >1 мм гравий. Эти фракции представлены на «стреле» диаметров частиц на рис.II.3. Частицы <0.01 мм объединены в более крупную фракцию физичес-

Рис. II.2. Фракции гранулометрических частиц (по А.Аттербергу)

кой глины, а частицы >0.01 мм во фракцию физического песка. Некоторые фракции имеют и свое название. Так, фракция крупной пыли носит название «лёссовидной фракции», так как именно она преобладает в лёссах. Впрочем, справедливо и обратное: если в суглинке заметно преобладает именно эта, лёссовидная фракция, то суглинок называют лёссовидным. Границей такого преобладанияслужитвеличина40%:есливсуглинкесодержаниекрупнойпыли >40%, то это лёссовидный суглинок. Российскую классификацию частиц по фракциям разработал Н.А.Качинский, она носит его имя.

Выделение фракций гранулометрических элементов позволило сравнивать, классифицировать и оценивать почвы по гранулометрическому составу на основе преобладания тех или иных фракций, в частности выделять «тяжелые»и «легкие»почвы по гранулометрии. Названия «тяжелые» и «легкие» – традиционные, народные, так как образовались по народным наблюдениям: если почву легко копать, обрабатывать она «легкая», если тяжело «тяжелая». С точки зрения гранулометрии тяжелая это почва, содержащая большое количество тонких глинистых частиц, а легкая в основном содержит песчаные компоненты. Народные названия прижились и в научных кругах. Поэтому все почвы разделяют на две крупные градации тяжелые и легкие, внося еще и дополнительные более дробные подразделения, т.е. классифицируя почвы по гранулометрии.

Рис. II.3. Фракции гранулометрических элементов (по Н.А.Качинскому)

3. Состав и свойства фракций гранулометрических элементов

Несколько замечаний о свойствах и составе фракций гранулометрических элементов. Действительно, если границы фракций выделялись по изменению тех или иных свойств, то следует ожидать, что состав и свойства отдельных фракций различны. Отметим две общие характерные особенности.

Илистая фракция, как правило, отличается повышенным содержанием органических веществ, хотя в черноземных почвах гумус накапливается в пылеватых фракциях (рис. II.4, а).

В минералогическом составе по мере увеличения диаметра растет содержание кварца, но снижается содержание полевых шпатов и слюд (рис. II.4, б). Однако отмеченная тенденция во многом может изменяться в зависимости от типа почвообразования.

Вторичные минералы практически всегда присутствуют во фракциифизическойглины.Именнопоэтомуихиногдаиназываютглинными.

Рис. II.4. Изменение содержания органического вещества (а) и групп минералов (б) в различных фракциях гранулометрических элементов (по А.Д.Воронину, 1986)

4. Интегральные и дифференциальные кривые гранулометрического состава.

Количественные характеристики распределения частиц по размерам

Данные по гранулометрическому составу одного образца почвы представляют в виде интегральных или дифференциальных кривыхраспределенияэлементарныхчастицпоразмерам.Припостроенииинтегральнойкривойраспределениягранулометрическихча- стициспользуетсяравномерно-логарифмическиймасштабшкалыди- аметров частиц, откладываемых по оси абсцисс. По оси ординат откладывается содержание (в % к массе абсолютно сухой почвы) частиц менее конкретного диаметра. Иначе говоря, по оси ординат откладывают суммарное содержание частиц, которое может быть полученосуммированиемфракцийменьшегоразмеравплотьдоданной фракции. Полученные точки соединяют плавной кривой. Таким образом, кумулятивная кривая, начинаясь со значений содержания ила (<0,001 мм), непрерывно возрастает, приближаясь к 100% при величинах диаметров самых крупных частиц (рис. II.5, а). В случае построениядифференциальнойкривойосьабсциссимееттотжевид, а по оси ординат откладывают процентное содержание каждой из фракций (рис. II.3, б).

Интегральная (кумулятивная) кривая гранулометричес-

кого состава кривая распределения содержания частиц диаметром меньше заданного, отложенного по оси абсцисс. При построении интегральной кривой по оси ординат откладывают процентноесодержаниечастиц<0.001,<0.005,<0.01,<0,05,<0.25, <1 мм. Имеет вид возрастающей кривой от значений процентного содержания ила (<0.001 мм) до величин, близких к 100%. Дифференциальная кривая кривая распределения содержания различных фракций гранулометрических частиц. Представляется в виде диаграммы содержания фракций различного размера либо в виде плавной кривой, как правило, с одним или двумя максимумами.

Вполне понятно, что кумулятивная и дифференциальная кривыегранулометрическогосоставанесутнесколькоразличнуюинформацию.«Плавность»,постепенноеувеличениеиснижениекривизны кумулятивной кривой указывают на равномерность представления всех фракций, наличие тонких илистых и пылеватых фракций.

Рис. II.5. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые гранулометрического состава тяжелосуглинистого чернозема (гор. А) и легкосуглинистого гор. АЕ дерново-подзолистой почвы. Используются данные гранулометрического состава почв, представленные в табл.II.2

Поэтому кумулятивная кривая чернозема более равномерная, гладкая (рис. II.5, а). А вот дифференциальная кривая указывает на доминирующиефракции(рис.II.5,б):вчерноземедоминируютилистая и лёссовидная фракции, в гор. АЕ подзолистой лёссовидная.

Эти кривые используются для характеристики распределения частиц по размерам в каждом отдельном образце, для качественного сравнения образцов, изучения происходящих в гранулометрическомсоставеизмененийидругихцелей.Известныпопыткииспользованияколичественныхпараметров,характеризующихраспределение содержания частиц по их размерам.

Действительно, гранулометрический состав представляет собой некоторую функцию распределения содержания частиц по размерам.Общего вида, единогоуравнения для этой функции неизвестно. Но можноиспользоватьнекоторые количественные показатели распределения, которые не требуют точного знания вида функции распределения, так называемые непараметрические показатели. Предложено, в частности, ввести понятие о диаметре частиц, содержание которых на кумулятивной кривой будет меньше заданного. Например, меньше 40% начиная от самых мелких. Эту величинуможно обозначитькакd40 [мм]. Онауказываетнадиаметрчастиц, длякоторогосодержится 40%частицсменьшим диаметром,а60% с бульшим. Для этого надо на оси ординат отметить величину 40% и найти для нее соответствующий диаметр частиц покумулятивной кривой. Например, для используемых в качестве примеров гор. АЕ дерново-подзолистой почвы и гор. А чернозема величины d40 составляет 0.021 и 0.006 мм. Это означает, что 40% частиц в черноземе имеют диаметр меньше 0.006 мм, а вот в гор.АЕ дерновоподзолистой почвы этот диаметр значительно больше 0.021 мм. Поэтому величина d40 характеризует гранулометрический состав: чем она меньше, тем тяжелее гранулометрический состав, чем больше тем легче почва. Этот подход достаточно общий, известен как подход, использующий квантили для любых типов распределений, в данном случае 40%-й квантиль.

Далее можно использовать различные комбинации квантилей. Нередко используют следующие коэффициенты («Handbook of Soil

Science», 2000):

1) коэффициент однообразия Cu = d60 /d30 (или иногда Cu = d60 /d10), который характеризует крутизну наклона кумулятивной кривой: чем больше крутизна кривой, тем ближе по значению окажутся диаметры частиц, отвечающие содержаниям 30 и 60%, тем меньше будет величина Cu. Соответственно чем выше величина Cu, тем хуже отсортированность частиц по размерам (больше разнообразных частиц по диаметрам). В нашем примере Cu для гор. А чернозема и гор. АЕ дерново-подзолистой почвы составили

Cu = 0.011/0.0021 = 5.24 и Cu = 0.054/0.015 = 3.6 соответственно.

Большее значение Cu в черноземе указывает на большее разнообразие частиц по диаметру в горизонте А чернозема, чем в горизонте АЕ дерново-подзолистой почвы. Это подтверждает эволюцию горизонта АЕ дерново-подзолистых почв, из которого происходит вынос тонких частиц, остаются более однообразные по размерам, устойчивые частицы Cu уменьшается;

2) градационный коэффициент Cg = d30 /(d60 d10) ,который характеризует уменьшение содержания глинистых частиц и их различийпо диаметру(равномерности ихдиаметров). Этот коэффициент применяется в основном для песчаных почв, в которых содержаниеилистойфракциинепревышает10%(тольковэтомслучаеможно по экспериментальным данным рассчитать d10).

Отметим, что этот подход, использующий непараметрические характеристики, является общеупотребительным для оценки любых распределений, будь то распределение ЭПЧ по размерам (гранулометрический состав), агрегатов по размерам (агрегатный состав), объемов пор по их размерам (дифференциальная порозность) и др.

Нередко к данным, выраженным в виде кумулятивной кривой, можно подобрать и некую аналитическую функцию так, чтобы подобранная функция «гладко» проходила через все экспериментальные точки (содержания фракций). Иначе говоря, аппроксимировать опытные данные математической функцией (подробнее см.: Пачепский, 1992).Вид этой функциипрактически для всехкумулятивных кривыхминеральных почводнотипный,отличатьсяони могуттолько коэффициентамиаппроксимации. Можно ожидать, что эти коэффициентыбудутнестифизическийсмысл.Действительно,чем«круче» кумулятивная кривая, больше угол ее наклона к оси абсцисс, темоднороднеечастицыпоразмеру,большевыраженаоднаизфракций.Еслианализироватьположениеточкиперегибаэтойкривой,когда функция меняется с выпуклой на вогнутую, тоже можно получить дополнительную информацию о наиболее часто встречающемся диаметре частиц. Такой подход был использован П.Н.Березиным для анализа распределения гранулометрических частиц по размерам. Он доказал, что на кривой гранулометрического состава существует точка, делящая всю кривую на два отрезка, которые описываются различными функциям. Эта точка для большинства почв совпадает с диаметром частиц 0.05 мм. Частицы крупнее 0.05 мм были отнесены к песчаным, а <0.05 мм к глинистым. Тогда для участка кривой с глинистыми частицами оказалось справедливым уравнение

y = kx,

где y содержание частиц диаметром x в диапазоне 0.05 0.001 мм, k параметр уравнения для глинистых частиц. Этот параметр, характеризующийугол наклона«глинистой»части распределения,отражает качество глинных компонентов: чем больше k, тем более разнородны по диаметру глинистые частицы, в их составе есть как илистые, так и крупнопылеватые; если k уменьшается, то это указывает на «однородность» глинных компонентов, преимущественное представление в них тонких фракций. Поэтому параметр k и был назван «дисперсностью» глинных компонентов.

А вот зависимость содержания песчаных частиц (>0.05 мм) от их диаметра подчинялась другому уравнению, так называемому логит-распределению:

где Ф0.05 содержание частиц с диаметром >0.05 мм, n параметр «крутизны»распределенияпесчаныхкомпонентов,их«отсортированность», наиболее представительный, «средний» диаметр частиц среди песчаных, названный «зернистостью»песчаных компонентов. Вполне ясно из названия параметров, что чем выше n, тем более однородны, однообразны, отсортированы частицы. А чем выше , темзначительнее впесчаныхкомпонентахвыражены болеекрупные частицы. Этот подход, когда с помощью всего четырех параметров k, Ф0.05, n, можно описывать и количественно сравнивать различные почвы по гранулометрии, весьма распространен в науке. Приведенныйпримерсописаниемкумулятивнойгранулометрическойкривой с помощью двух уравнений это пример подхода к количественному описанию разнообразных явлений. Мы еще с ним столкнемся, когда будем описывать с помощью гауссовой (куполообразнойодновершинной)функциимногиебиологическиеиэкологические явления. В приведенном примере с гранулометрическим составом,можносказать,намповезло:параметрыдействительноимеют физический смысл, хорошо отражают распределение частиц по размерам. Однако так бывает далеко не всегда, что следует иметь в видуприиспользованииэтогочрезвычайнополезногоподхода.

Исследование гранулометрического состава почв заканчивается обычно тем, что необходимо дать название почвы по гранулометрическому составу на основе полученных содержаний различный фракций. Эта задача классификации почв по гранулометрии.

5. Классификации почв по гранулометрии

На данный момент в мире приняты два основных принципа построения классификаций почв по гранулометрии: (1) основанный на относительном содержании физической глины (частицы <0.01 мм) с учетом содержания доминирующих фракций (классификация Н.А.Качинского) и (2) основанный на учете относительного содержания выделенных Аттербергом фракций физического песка, пыли и глины (Международная классификация и близкие к ней классификации общества почвоведов, агрономов США и др.). Иначе говоря, классификация Качинского двучленная, так как основана на использовании прежде всего содержаний физического песка и физической глины, а международная трехчленная, причем в разных странах границы между глиной, песком, пылью несколько различаются.

Отечественная (классификация Н.А.Качинского), как указывалось, основана на соотношении содержания физического песка и глины. Вполне понятно, что сумма физического песка и физической глины составляет 100%. Поэтому классификация почв в данном случае представлена на основе лишь физической глины. Эта классификация представлена в табл. II.1.

Обратим внимание на два весьма характерных момента в отечественной классификации.