Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Рассмотрим первую графу в таблице. Диапазоны в содержании физической глины для различных категорий почв неравномерны. Например, для перехода от «песка рыхлого» к «песку связному» необходимо увеличение содержания физической глины всего на 5%. А вот от супеси к суглинкам и между суглинками уже на 10%. Диапазоны глин имеют еще более широкий интервал до 15%. По-видимому, это связано с тем, что в песках даже небольшое количество глины ведет с заметному изменению свойств почвы в целом. Напротив, для глинистых почв необходимо значительное количество физической глины, чтобы отличить глину легкую от глины средней.

Очень важным является то, что Н.А.Качинский выделил градации не просто по содержанию физической глины, но и с учетом типа почвообразования. Действительно, например, глина тяжелая в подзолистых почвах будет выделяться при содержании физической глины более 80%, а в солонцах уже при 65%. Связано это с тем, что в солонце частицы глины совсем по-иному ведут себя, чем, скажем, в подзолистой почве. Глинистые частицы в солонце, как правило, насыщены ионом Na. Эти частицы сильнее набухают, лучше прилипают к различным предметам. Следовательно, они начинают проявлять свойства «тяжелых» почв при их более низком содержании, чем частицы того же размера, но в почвах гумидной области.Такимобразом,всвоейклассификацииН.А.Качинскийучел влияние качественного состава глины, и прежде всего состава почвенногопоглощающегокомплексаиминералогии,наразличиепочв в их поведении как легких или тяжелых. Это очень тонкий момент, не учитываемый в других мировых классификациях. Никодим Антонович Качинский по праву считается одним из основателей отечественной физики почв, основных методов и приборов, до сих используемых в почвоведении (см. «К вопросу о...»).

Таким образом, пользуясь табл. II.1, можно дать краткое название почвы по гранулометрии. Полное название включает еще и указание на доминирующие фракции. Для этого выделяют две преобладающие фракции. Первой указывают название меньшей по содержанию, второй фракции, содержание которой в почве самое высокое. Для почвы в целом оно дается по гранулометрическому составу верхнего горизонта. Рассмотрим пример с данными гранулометрического анализа дерново-подзолистой почвы и чернозема (табл. II.2).

«Квопросу о»

Никодим Антонович Качинский (1894 1976)

ВюномвозрастеН.А.Качинскийпознакомился склассическимпочвоведением,работаявэкспедицииизвестногопочвоведа,основателяученияоморфологии почвенной структуры профессора С.А.Захарова. Быть может, эти первыевпечатления, интересы,идеиоставиливН.А.Качинскомтакоенеизгладимоевпечатление,что вопросампочвеннойструктурыонпосвятилмногиеиз своих трудов. Именно ему принадлежат такие поэтические слова: «Структура почвы синяя птица почвоведов». Этим образом, полагаю, Никодим Антонович хотел подчеркнуть, что именно структура, почвенные агрегаты это сущностьпочвы,этото,чтопринципиальноотличаетееотматеринскихпород,это то,что даетвозможностьполучатьустойчивыеурожаи,или,какбымысказали сейчас, это основа устойчивого функционирования почв.

Н.А.КачинскийзакончилПетровскую(Тимирязевскую)академиюибыл приглашеноснователемкафедрыпочвоведенияВ.В.ГиммерлингомвМосковский университет. Первые работы Н.А.Качинского были посвящены корневым системамрастений,зависимостямформыиростакорнейотфизическихсвойств почв. Именно Н.А.Качинский обратилвнимание, что физические свойстваотличаютсяпогенетическимгоризонтам,создавосновыдлясовременногопониманияфизикипочвенныхпроцессов.Онразработалосновныеметодывотечественной физике почв. Методы определения гранулометрического состава и классификациипочвпо гранулометрииносятегоимя,методымикроагрегатного анализа, изучения плотности почв, сопротивления пенетрации также. Он создал стройную «самодостаточную» систему изучения физических свойств почв, которая в полной мере удовлетворяла требованиям науки и практики тоговремени. Недаромоснованнаяимвуниверситетекафедрафизикиимелиорации почв участвовала практически во всех больших общегосударственных проектах.Это ивыращиваниелесополосвзонесухойстепи(«Планпреобразования природы»), и строительство Волго-Балтийского канала, и освоение земель Азербайджана, и участие впреобразовании Уральского региона во время войны, и строительство полевых аэродромов и многое другое.

Нетолько уникальноетрудолюбие, талант, но ихарактер всегдавызывали уважение и преклонение его коллег и учеников. В тяжелые лысенковские годы, когда биофак МГУ раздирали страсти, когда нередко побеждали неучи, функционеры,лжетеоретики,необходимыбылимужество,смелостьвыступить против всей этой «черной волны». Никодим Антонович был одним из лидеров антилысенковщинывпочвоведенииитемсамым,бытьможет,спаснашунауку, сохранилееуникальноероссийскоеимя,суть,понимание. Нитениконформизма!И заэто тожеемуогромноеспасибо.

Иободноймировойзагадке, надкоторойзадумываюсьвсвязиссудьбой Н.А.Качинского. В науке бывают великие Ученые и великие Учителя, основатели целых научных школ. Альберт Эйнштейн был, несомненно, величайшим Ученым, но уж так сложилось, что прямых учеников у него не было. А вот у

Нильса Борабыло несчетное количество учениковпо всемумиру. ИуНикодима Антоновича есть большое количество прямых учеников, наследников его методов,идей,пониманияфизикипочв.БытьУчителемиУченым эторедкий дар, редкая судьба. Где и когда происходит это совпадение, какими мировыми волнамипорождается всежезагадка.

Т а б лица II.2

Гранулометрическийсоставчернозема типичногоидерново-подзолистойпочвы

Из данных табл. II.2. видно, что для исследованного горизонта Аддерново-подзолистойпочвысодержанияпескакрупного,средне- гоитонкого 5.2,7.2и13.1%,пыликрупной,среднейимелкой 37.5, 9.5 и 12.5 , а ила 15%. Физическая глина 37%, а это означает (см. табл. II.1), что мы имеем дело с суглинком средним. А вот полное название суглинок средний иловато-крупнопылеватый, так как доминируюткрупнаяпыльиил.

Классификационную принадлежность почвы в международной классификацииопределяют,пользуясьтреугольником,предложенным Ферре. Онизображеннарис.II.4.Вэтомравностороннемтреугольнике по левой стороне отложено содержание глины (частиц <0.002 мм), по правой пыли (0.002 0.05 мм), а по основанию треугольника

содержание песка (0.05 2 мм).Длятогочтобыопределитьклассификационнуюпринадлежностьпочвыпогранулометрии,необходимосовместно анализировать уже три фракции. Для этого на левой стороне треугольника,гдеотложеносодержаниеглинистыхчастиц,находятточку, соответствующую содержанию глины (<0.002 мм). Из этой точки проводятпрямую,параллельнуюоснованию.Затемнаправой стороне треугольника (содержание пыли) также находят точку, соответствующуюсодержаниюпыливисследуемойпочве,иизнеепроводятлинию, параллельнуюлевой стороне параллельнооси «содержание глины». Две прямые линии пересекутся внутри треугольника в некоторой точке,вкоторуютакжепопадаетитретьялиния,проведеннаяпараллельно оси «пыль» из точки, соответствующей содержанию песка на основаниитреугольника.Этаточкапересечениятрехлинийтреугольника обязательноокажетсявнутрикакой-либообласти,отвечающейзаоп- ределенную классификационную группупочв по гранулометрии. На рис. II.6, а представлена подробная классификация почв по гранулометрии, хотя нередко используют и более простую, представленную нарис.II.6,б.Принципыопределенияназванияпочвыпогранулометрическому составу и в этом случае остаются те же.

Как уже указывалось, отечественная классификация двухмерная,используетсоотношениефизическойглиныифизическогопеска. Зарубежные трехмерные. Кроме того, и границы фракций в этих классификациях не совпадают (сравните: в нашей – физическая глина <0.01, а в зарубежных <0.002 мм очень значительные различия!).Поэтомуневозможенпрямойпереходизоднойклассификации в другую. Для этого необходимо использовать уже знакомые нам кумулятивные(интегральные)кривыераспределениягранулометрических частиц. Остановимся подробнее на этой операции.

Покумулятивнойкривой, пользуясьграфическойинтерполяцией,мыможем определитьсодержаниефракцийпозарубежнойклас-

сификации, т.е. <0.002 (глина), 0.002 0.05 (пыль) и 0.05 2 мм (пе-

сок).Азатем,знаясодержаниеглины,пылиипеска,потреугольнику найдем соответствующие названия почвы по гранулометрии. Воспользуемся уже знакомым нам гранулометрическим составом гор. А чернозема (табл. II.2 и рис. II.5, а). Если внимательно проанализировать график на рис. II.5 (а), то можно определить, что содержание частиц <0.002 мм по этой кривой составит 30.5% , содержание частиц <0.05 мм 92.1%, а собственно фракции пыли (0.002 0.05)

– 61.6%. Теперь воспользуемся рис. II.6 (а) с треугольником гранулометрического состава. По левой стороне треугольника отложим 30.5%, проведем прямую параллельно основанию.

Рис. II.6. Треугольник Ферре для классификации почв по гранулометрическому составу (а) и упрощенная классификация (б), используемые в некоторых зарубежных классификациях

А на правой отметим точку 61.8% и проведем прямую, параллельнуюлевой сторонетреугольника. Этипрямые пересекутсяв области с названием «пылевато-глинистый суглинок». Таким образом, гор. А чернозема пылевато-глинистый суглинок.

Следовательно, переход из одной классификации в другую возможенлишьчерезпостроениекумулятивнойкривой,нахождениесодержания указанных трех фракций и определение классификационнойпринадлежностипочвыпотреугольникуФерре.Отметим,наконец, чтозарубежныеклассификации,построенныенапринципетреугольника Ферре, нередко различаются по градациям и классификационным площадям внутри треугольника. Поэтому в каждом конкретном случаенеобходимоуточнятьдетали(границыфракцийизонгранулометрических классов в треугольнике) построения соответствующей классификации.Общийпринциподинитотже этотрехчленнаяклассификациянаосноветреугольника.

Итак, к настоящему моменту разработаны классификации частицпоразмерам,выделяютразличныефракциигранулометрических элементов,а наосновании содержанияопределенных фракцийклассифицируютпочвынаградациипогранулометрическомусоставу.Название почвы по гранулометрии дается по ее поверхностному горизонту. Однако гранулометрический состав почвенных горизонтов может заметно различаться как за счет почвенных процессов, так и вследствие неоднородности материнских пород. Поэтому весьма важнопредставитьгранулометрическийсоставнетолькоповерхностного слоя, но и почвы в целом.

6. Гранулометрический состав почвенного профиля

В этом случае перед нами стоит задача охарактеризовать графически гранулометрический состав всего почвенного профиля, используя данные по гранулометрическому составу всех генетических горизонтов (слоев) почвенного профиля. Наилучшим способом представления и анализа профильных данных по гранулометрии яв-

ляется диаграмма гранулометрического состава почвы.

Диаграмма гранулометрического состава почвы послой-

ное (по горизонтам) представление данных по кумулятивному содержанию элементарных почвенных частиц в осях «процентноесодержание»– «глубина»,гдеось«процентноесодержание» имеет диапазон от 0 до 100%.

Для построения диаграммы гранулометрического состава почвы для каждого почвенного горизонта откладывают содержания гранулометрическихфракций,начинаясфракцииилаиприбавляякаждуюпоследующуюфракциюкпредыдущим,т.е.гранулометрическийсоставкаждого слоя представляют ввиде горизонтальногостолбикадиаграммыс координатами от 0 до 100%, указывая при этом внутри столбика и отдельные фракции. Для этого в каждом слое, для каждого почвенного горизонта, изображаемого горизонтальным столбиком диаграммы, на соответствующей ему глубине будем откладывать содержание частиц начиная с содержания ила, затем ил + мелкая пыль, затем ил + мелкая пыль + средняя пыль и т.д. вплоть до достижения 100% суммы всех фракций. Так поступают для каждого почвенно-генетического слоя. В результате образуется картина распределения содержания различных фракцийпопрофилюпочвы.Приэтомпоявляетсявозможностьанализа внутрипочвенныхпроцессов,приведшихкособенностямраспределения гранулометрическихфракцийпопрофилюпочвы(процессы лёссивирования,подзолообразования,выветриванияin situ ипр.).Рассмотримпостроение и использование диаграмм гранулометрического состава на примере тех же самых чернозема и дерново-подзолистой почвы, данныепогранулометриикоторыхмыиспользовалиранеедляпостроения кумулятивныхкривыхотдельныхгоризонтов,названияпочвпогранулометрии (табл. II.2). Эти почвы имеют следующие строения профилей: дерново-подзолистая почва: Ад АЕ ЕВ В ВС и чернозем: Апах А АВ В ВС,чтоиотразилосьнапрофильныхдиаграммахгранулометрического состава (рис. II.7).

Наоснованиипостроенныхдиаграммдостаточнохорошоможно представитьособенностипочвенногопрофиляпочвыипредположить тепроцессы,которыепроисходятвпочвенномпрофиле.Так,впрофиле чернозема обыкновенного (рис. II.7, а) нет никаких заметных максимумов ни для какой из гранулометрических фракций. Распределение весьмаравномерное,лишьвповерхностныхслояхнесколькоповышено содержание ила за счет, видимо, процесса гумусонакопления. На- против,вдерново-подзолистойпочве(рис. II.7, б)яснозаметныминимум содержания илистых и пылеватых частиц в элювиальных горизонтахАЕиЕВиихнакоплениевгоризонте В.

В этой почве произошли процессы, приведшие к передвижению тонких частиц из элювиального горизонта в горизонт иллювиальный, гдеэтичастицыпривеликобогащениюиллювиальногогоризонтатонкими фракциями. Ясно видна дифференциация профиля почвы по содержанию гранулометрических элементов. Такого вида почвы назы- ваютпочвамистекстурно-дифференцированнымпрофилем.

Рис. II.7 . Диаграммы гранулометрического состава профиля чернозема (а) и дерново-подзолистой почвы (б), см. табл.II.2

Остается еще одна проблема, методическая: как разделить почвунаотдельные ЭПЧ и определитьпроцентное содержание указанных фракций ЭПЧ? Эта процедура называется гранулометрическим анализом почв.

7. Гранулометрический анализ почв

Гранулометрическийанализсостоитиздвухэтапов:(1)диспергацияпочвенноймассыи(2)анализсодержаниячастицразличного размера. Основной задачей первого этапа гранулометрического анализа является отделение элементарных почвенных частиц друг от друга. Вспомним (рис. II.1), что почвенные частицы в почве соединены в микро- и макроагрегаты. Поэтому прежде всего важно разделитьих.Дляэтогонеобходимохимическимиифизическимиметодами разрушить тот природный «клей», который соединяет эти частицы. Такими природными «клеями», агрегирующими элементарные почвенные частицы, в почве, как правило, являются ионы Са2+, органические вещества, окислы Fe,Al. На первом этапе необходимо «нейтрализовать» их агрегирующее действие. Наилучшим методом в этом случае является применение пирофосфата натрия и последующее механическое воздействие (интенсивное растирание почвенной пасты, применение ультразвука). Механизм действия пирофосфата Na в этом случае таков: ион Na замещает в почвенном поглощающемкомплексеионСа,снимаяагрегирующеевоздействие последнегоиоказываядиспергирующеевлияниенапочву.Анионже пирофосфата предохраняет образовавшиеся частицы от коагуляции за счет формирования пленки фосфатов. Однако даже если частицы иоказываютсяхимическиразделенными,длятогочтобымеждуними образовывались заметные водные прослойки и они могли проявлять самостоятельно свои свойства, необходимо механическое воздействие. Это воздействие оказывают либо в виде механического растирания пасты в ступке пестиком с резиновым наконечником, либо в видеультразвуковоговоздействия,либоввидекипячениясуспензии.

Послеэтапаразделениячастицосуществляетсяопределениесодержания частиц того или иного размера с помощью, например, пи- пет-метода, основанного на применении закона Стокса и использующего основные принципы седиментометрии (А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина,1986).Этипринципытаковы.ИспользуетсязаконСтокса для равномерного движения шарообразных частиц в жидкости:

v 2 r2 g ( s w ) , 9

где v скорость падения твердофазных частиц в жидкости, r радиус частиц, g ускорение свободного падения, s и w плотности твердой фазы почвы и воды, h динамическая вязкость. Учитывая, что v = l/t, т.е. расстояние (l) на время (t) , можно точно рассчитать

глубину, на которой окажутся частицы определенного радиуса через определенное время (рис. II.8). Далее с этой глубины в расчетное время надо отобрать пробу суспензии с частицами меньше и равнымизаданномурадиусу.Попрошествиинекотороговременисэтойже глубины уже можно отобрать пробу с частицами еще меньших радиусов. Расчет разницы между концентрацией частиц в первой и второй пробах даст концентрацию частиц определенного диапазона радиусов (диаметров), т. е.концентрацию некоторой фракции гранулометрических элементов. Зная объем сосуда, в котором происходит осаждение, и объем пробы, по концентрации суспензии не представляет труда рассчитать и содержание фракции в навеске почвы. Задавая размеры частиц и глубины отбора проб, рассчитывая по формуле Стокса время отбора и отбирая пробы, как показано на рис. II.8, можно определить содержания заданных по диаметру частиц фракций ЭПЧ, т.е. определить гранулометрический состав почв.

Рис. II.8. Схема определения фракций гранулометрических элементов по осаждению в стоячей воде и отбору проб с помощью пипетки: а) равномерно перемешенная суспензия почвы; б) отбор пробы мелких частиц через определенный промежуток времени