Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

Отбор проб осуществляют с помощью специальной пипетки, конструкцию которой разрабатывали и усовершенствовали физики почв во многих странах мира. Поэтому она и носит название «Пипетка Качинского Робинсона Кёхня».

Впрочем, не обязательно отбирать пробы суспензии. Можно использоватьи другойпринцип:измерятьизменение плотностисуспензии по мере осаждения частиц разной крупности. Изменение плотности также будет подчиняться закону Стокса, так как сначала понижение плотности суспензии будет происходить за счет выпадения самых крупных частиц, затем все более мелких. Измерять плотность можно непрерывно на одной глубине с помощью ареометров либо с помощью специальных приборов для определения гранулометрического состава дисперсных тел седиграфов. Седиграфы используют принцип определения плотности суспензии по изменению интенсивного потока рентгеновского излучения, а в случае неокрашенных суспензий изменения интенсивности светового потока при изменении плотности суспензии. Отметим, что последний метод (по измерению ослабления проходящего через суспензию светового луча) малоприменим для почв, так как в почвах практически всегда присутствует растворимая органика различных оттенков, дающая трудно учитываемую погрешность. В любом из методов (с использованием пипетки, седиграфа, ареометра) расчет происходит с использованием формулы Стокса, которая была выведена с рядом допущений, поэтому имеет особенности в приложении к почвенным измерениям, о которых следует помнить. Уточним эти особенности.

Частицы осаждаются независимо друг от друга. Это условие накладывает особенность на концентрацию суспензии она не должна быть более 1.5 2%.

Частицы должны быть сферической формы, только в этом случае применимо уравнение Стокса. В почве имеются частицы самой разнообразной формы, вплоть до листоватой, пластинчатой. Поэтому в данном анализе мы определяем не реальный размер частиц, а так называемый «эффективный радиус» радиус, который имели бы частицы, если бы они были округлой формы и их падение в жидкости подчинялось закону Стокса.

Закон Стокса применим для определенного диапазона диаметров частиц: >0.0001 мм и <0.25 мм. Как известно, частицы менее 0.0001 мм уже подвержены броуновскому, тепловому, движению.

Их содержание определить по закону свободного падения Стокса невозможно. Кроме того, закон Стокса использует условие ламинарности движения частиц. Это накладывает условие определения частиц диаметром только менее 0.25 мм, так как более крупные, возможно, будут осаждаться с возникновением турбулентных явлений.

При падении частиц возникает трение, но это трение внутри жидкой фазы, а не на границе твердая частица жидкость. Соответственно используется вязкость раствора пирофосфата с поправкой натемпературу, при которой происходилоопределение.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Дисперсность свойство почвы, проявляющееся в различном содержании частиц разного размера (гранулометрический состав, текстура), а также в виде высокой удельной поверхности почвы. Экспериментальное исследование гранулометрического состава включает две стадии: (1) химико-механическое воздействиепоразделениюэлементарныхпочвенныхчастиц(пептизация) и (2) определение содержания каждой фракции (элементарныхпочвенныхчастиц,ЭПЧ,определенногоразмера) седиментометрическим методом.

2.Элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) это наименьшие частицы твердой фазы почвы, не поддающиеся распаду общепринятыми методами пептизации. ЭПЧ разного размера отличаютсяпоминералогическомусоставу,содержаниюорганического вещества и другим свойствам.

3.ЭПЧ в большинстве почв имеют размеры от 0.001 мм (ил) до 1 3 мм (гравий). Область размеров частиц от ила до гравия делитсянафракциипыли(трифракции мелкая,средняя,крупная) ипеска (такжетри фракции мелкий,средний, крупный). Отечественная классификация почвпо гранулометрии основана на соотношении содержания фракции физической глины (<0.01мм) и физического песка (>0.01мм). (Постараемся запомнить«центральныйобраз»:присодержаниифизическойглины 40 50% в почвах гумидной зоны и 45 60% в почвах аридной выделяют тяжелые суглинки, самые распространенные по гранулометрическому составу почвы; при меньшем содержании средние,легкиесуглинки,супесиипески,прибольшем глины).

4.Зарубежныеклассификацииучитываютсоотношениетрехфрак-

ций: глины (<0.002), пыли (0.002 0.05) и песка (0.05 2 мм),

а определение названия почвы по гранулометрии проводят с помощьютреугольникаФерре.

5.Гранулометрическийсостависпользуетсяпри:(1)названиипочвы по гранулометрическому составу; (2) прогнозе других почвенных свойств. Так, тяжелые суглинки или глины будут плохопроводитьвлагу,иметьвысокоесодержаниеводыпринизком содержаниивоздухаидолгопрогреваться(«холодные»почвы). Напротив, легкие почвы (супесь, песок связный и пр.) характеризуются быстрой фильтрацией влаги сквозь почву, малым количеством воды для растений, быстрым прогревом («теплые»почвы); (3)конструированиипочв,присозданииискусственных почв с заданными свойствами на основании смеси из различных гранулометрических фракций (песка, глины и пр.). Это очень интересная и быстро прогрессирующая отрасль физики почвы расчет и создание целевых почвенных конструкций (см. Ч. XVIII. Раздел «Конструирование почв») на основе знания физических свойств почвы, прежде всего ее гранулометрического состава.

Литература

Вадюнина А.Ф.,З.А.Корчагина.Методыисследованияфизических свойствпочв.М.:Агропромиздат,1986.

Качинский Н.А.ФизикапочвыЧ.1.М.,1965.

Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств почв/ Под ред.Е.В.Шеина.2001.

Р а с т в о р о в а О. Г. Физика почв. Практическое руководство. Л.: Изд-во Ленинг.ун-та,1983.196с.

Handbook of Soil Science. Ed. by Malcolm E.Summer. 2000. CRC Press.

Soil Survey Laboratory Methods Manual. Soil Survey Investigations Report No 42. Version 3.0. January 1996. USDA. NRCS. NSSC. 693 p.

По всей видимости, это воздействие должно быть более слабое, чем используемоепригранулометрическоманализе.Именнопоэтомупри микроагрегатном анализе применяют концентрацию пирофосфата натрия на порядок ниже (или его не используют вовсе) и очень слабое механическое воздействие. Эта физико-химическая диспергация позволяет разрушить макроагрегаты, но сохранить микроагрегаты.

Агрегаты (микроагрегаты <0.25мм и макроагрегаты >0.25 мм) это группа элементарных почвенных частиц, или микроагрегатов, которые соединяются друг с другом прочнее, чем с другими соседними почвенными частицами.

Почвенный пед термин во многом аналогичный агрегату. Однакотермин«почвенныйагрегат»чащевсегоприменяютдля зернистой, комковатой структуры гумусово-аккумулятивного и пахотного горизонтов, а «пед» для разнообразных структурированныхприродныхпочвенныхобразованийвразличныхгоризонтах почвы.

Почвенный комок, фрагмент термин аналогичный почвенному агрегату, но применяемый, как правило, к агрегатам размером >10 мм.

Стабильность (устойчивость) агрегатов способность со-

хранять пространственное распределение твердой фазы почвы и порового пространства при действии внешних сил. Это свойство, указывающее, насколько соединяющие внутриагрегатные силы способны противостоять внешним разрушающим силам.

Если рассмотреть кумулятивные кривые гранулометрического имикроагрегатногоанализов,можнозаметитьихнесовпадениекакв областитонкихчастиц,такивобластикрупных,песчаных(рис.III.1). Различие в содержании тонких частиц, в частности ила, указывает, какое количество ила из гранулометрии участвует в формировании микроагрегатов. Это область агрегированного ила (см. рис. III.1). Чем она больше, тем большее количество ила участвует в образова- нииустойчивыхмикроагрегатов,темлучшепочвенно-физическиеус- ловия.Напротив,вобластикрупныхпесчаныхчастицкриваямикроагрегатного анализа идет выше, количество микроагрегатов выше, чем гранулометрических частиц. Это вполне понятно: в случае микроагрегатногоанализамыопределяем частицы,которыеполучились агрегированием из более мелких гранулометрических частиц. Значит, чем шире эта область различия кривых микроагрегатного и гранулометрическогосоставов,тембольшекрупныхмикроагрегатов,тем

50

Рис. III.1. Пример кумулятивных кривых микроагрегатного и гранулометрического составов

лучше микроагрегирована почва. Именно на основании рассмотрения этих областей в гранулометрическом и микроагрегатном анализахпредложеныразличныехарактеристики(иликоэффициенты),позволяющиесудить обагрегированности почв,о наличиистабильных

микроагрегатов.

Рассмотрим эти показатели микроагрегированности почвы.

КоэффициентдисперсностипоКачинскому(Кд, %):

Кд Им 100%,

Иг

где Им и Иг содержание фракции ила (частицы <0.001 мм) при микроагрегатном и гранулометрическом составах. Чем выше этот коэф-

фициент, тем более дисперсна, легче пептизируется, менее микроагрегирована почва. Об этом говорит и само название коэффициента коэффициентдисперсности.Вотнекоторыеклассификационныеградациипочвенноймикроагрегированностипоэтомупоказателю:

где Пм и Пг содержания фракций песка (мелкого, среднего, крупного), т.е. частиц диаметром >0.05 мм при микроагрегатном и гранулометрическоманализах.Ноприиспользованииуказанногокоэффици-

ента следует помнить, что чем он выше, тем лучше агрегирована почва. Возможная классификация микрооструктуренности почв на

основаниипоказателяАг такова:

>90 очень высокая микроагрегированность 80–90 высокая 65–80 хорошая

50–65 удовлетворительная 35–50 слабая 20–35 весьма слабая <20 низкая

Приведенными показателями микроагрегированности можно пользоваться как при сравнении почвенных образцов, так и при характеристикемикроагрегатной устойчивостиконкретной почвы.

2. Понятие о структуре почвы как об ее агрегатном составе

В отличие от микроструктуры макроструктуру почвы, или собственноструктуру,можноанализироватьвизуально,таккаккней относятся почвенные агрегаты (или педы) размерами более 0.25 мм. В России и в ряде европейских стран принято следующее определение структуры почвы: «Это форма и размер структурных отдельностей(макроагрегатов),накоторыераспадаетсяпочва»(«Толковыйсловарьпопочвоведению»,1975г.). ВсловареАмериканскогообщества почвоведов дается следующая характеристика структуры почвы: «Структура почвы характеризуется формой и степенью оформленности структурных отдельностей, или педов». Что касается разделения структурных отдельностей по форме российская (по С.А.Захарову)идругиеклассификациивесьмасхожи.Выделяютвосновном6 типовструктур:

массивная (бесструктурная во влажном состоянии);зернистая;столбчатая;блочная;пластинчатая;призматическая.

По степени оформленности структурные отдельности (педы) разделяют на (1) бесструктурные, (2) слабо-, плохооформленные,

(3) средне-,хорошооформленныеи(4)прочныеструктурныеотдель- ности. Это подразделение отражает не только собственно форму педов, но и условия, в которых они существуют: чем более прочные и

крупные педы встречаются в почве, тем в большей мере этой почве свойственны трещины, крупные макропоры. Такая взаимосвязь размеровиформыпедовсналичиемвпочвекрупныхпроводящихпутей также может быть использована при характеристике почв и введена

всоответствующие уравнения почвенных процессов в виде числовых ранговых показателей. Это очень важно для количественного описания процессов, в которых структура играет весьма значительную роль при движении воды в почве, при механических деформациях почв и во многих других процессах. Когда необходимо внести фактор структуры в количественное описание изучаемого процесса, то поступают именно так: вводят морфологическую характеристику

ввиде числового индекса (рангового показателя) вмодели переноса влаги, деформации почв.

Структура почвы это форма и размер структурных отдельностей в виде макроагрегатов (педов), на которые распадается почва. Структура почвы характеризуются формой и степенью оформленностиструктурныхотдельностей.

Однако указанные определения касаются прежде всего морфологии почвенных педов, они не количественные. Для того чтобы использовать количественные характеристики, необходимо применять уже специальные методы и устройства для количественной оценки почвеннойструктуры.

3. Оценка структуры. Ситовой анализ

В физике почв структуру почвы оценивают количественно наоснованиираспределениясодержанияагрегатов(воздушно-сухих и в воде) по их размерам. Аналогично тому как это делается в гранулометрическом и микроагрегатном анализах, структура выражается всодержаниифракцийагрегатовопределенногоразмера(диаметра). Первым количественным показателем структуры является содержание воздушно-сухих агрегатов различного размера. Получается этот показатель благодаря рассеву воздушно-сухого почвенного образца в лаборатории на ситах с различным диаметром отверстий. Какправило,используютситасдиаметрамиотверстий10,7,5,3,2,1, 0.5 и 0.25 мм, соединяя их в последовательный набор от большего диаметра к меньшему. На верхнее сито с диаметром 10 мм высыпаетсяпредварительновзвешенныйсреднийобразецпочвы,ситавстряхивают, и агрегаты располагаются в ситах соответственно их разме-

рам: на верхнем – >10 мм (фракция > 10 мм), на следующем с диаметром 7 мм фракция 7–10 мм, с диаметром 5 мм фракция 5–7 мм и т.д., а в остатке будут микроагрегаты и элементарные почвенные частицы диаметром <0.25 мм пылеватая часть почвы. Содержаниекаждойфракциилегкоможнорассчитатькаксоотношениеэтой фракции к взятой навеске. Естественно, что самые крупные агрегаты глыбы и самые мелкие пылеватая часть почвы указывают на неблагоприятное агрофизическое состояние почвенной структуры. А агрегаты размерами 10–0.25 мм самые важные, они придаютпочвеннойструктуреееуникальныйвидввидепочвенныхкомочков и определяют почвенное плодородие. Поэтому их и называют агрономически ценными. Содержание агрономически ценных агрегатов важнейший показатель ее состояния: чем выше их содержание, тем лучше почва. Недаром говорят: «Культурная почва структурнаяпочва».Итак,содержаниеагрономическиценныхагрегатов одиниз важнейшихпоказателейструктурного состоянияпочвы.

Другим показателем структуры является ее устойчивость к внешним воздействиям, среди которых наиболее существенным является воздействие воды. Это чрезвычайно важно, так как почва должна сохранять свою уникальную комковатую зернистую структуру послеобильныхосадковипоследующеголегкогоподсушивания,когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки, агрегаты. Это качество структуры называют водоустойчивостью. Как может вода воздействовать на структурные отдельности, за счет чего их разрушать? Прежде всего почвенные частицы смачиваются водой, вокруг них образуются пленки воды, которые их «раздвигают», или, как иногдаговорят,«расклинивают» эторасклинивающеедавлениеводныхпленок.Крометого,приувлажненииагрегатавнегобыстровходит вода, закупоривает в порах воздух, «защемляет» его. Так как вода всасывается почвой с огромной силой, с очень большим «всасывающим» давлением, то и в «защемленном» воздухе это давление весьма высоко. Он просто разрывает, или взрывает, почвенный агрегат. Такое взрывное воздействие защемленного воздуха наиболее часто встречается в природе при увлажнении сухой почвы. Противостоять этому воздействию могут лишь агрегаты, обладающие соответствующими связями между слагающими агрегат частицами, т.е. быть водоустойчивыми.

Характеризуют это качество структуры также с помощью рассева на ситах, но не на воздухе, а в стоячей воде. Для этого предварительно (капиллярно) увлажненный почвенный образец переносят