Гранулометрический состав почвы

3. вопрос Гранулометрический состав почвы

Вся почва состоит из элементарных почвенных частиц (ЭПЧ). ЭПЧ – это наименьшие частицы твердой фазы почвы ее первооснова, которые трудно разрушить физическими (растиранием) и химическими (воздействие щелочей и кислот) методами, за что они и называются элементарными.

В почве представлены частицы совсем тонкие – илистые, а также крупные – гравий (1–3 мм). Между этими частицами расположена область пылеватых и песчаных частиц. Илистые, как правило, имеют размеры <0.001 мм. Эта целая область очень мелких, тонких частиц, куда входят и коллоиды (<0.0001 мм). Частицы, крупнее 3 мм называют каменистой частью. Выделенные по размерам диапазоны (ил, пыль, песок, гравий, каменистая часть) называют фракциями гранулометрических элементов, а относительное

содержание выделенных фракций – гранулометрическим составом почв.

Все элементарные почвенные частицы между илом и коллоидами разделяются на фракции.

В российской классификации выделяют следующие фракции ЭПЧ: <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. Частицы <0.01 мм объединены в более крупную группу - физической глины, а частицы >0.01 мм – во фракцию физического песка. Некоторые фракции имеют и свое название. Так, фракция крупной пыли носит название «лессовидной фракции», так как именно она

преобладает в лессах. Впрочем, справедливо и обратное: если в суглинке заметно преобладает именно эта, лессовидная фракция, то суглинок называют лессовидным.

Границей такого преобладания служит величина 40%: если в суглинке содержание крупной пыли >40%, то это лессовидный суглинок.

 Российскую классификацию частиц пофракциям разработал Н.А.Качинский, она носит его имя.

Итак, выделены определенные фракции ЭПЧ по размерам, и каждая фракция получила свое название. Определение фракций необходимо нам для классификации и оценки гранулометрического состава почв, так как гранулометрический состав почв – это относительное (в массовых процентах) содержание фракций элементарных почвенных частиц.

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);

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.

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 к заметному изменению свойств почвы в целом.

Напротив, для глинистых почв необходимо значительное количество физической глины,чтобы отличить глину легкую от глины средней.

Второй момент касается введения в классификацию типа почвообразования. Очень важным является то, что Н.А.Качинский выделил градации не просто по содержанию физической глины, но и с учетом типа почвообразования. Учитывая, что в зарубежных классификациях 3 фракции ЭПЧ, для определения гранулометрического состава почв используется так называемый “треугольник Ферре”.

Как уже указывалось, отечественная классификация – двухмерная, использует соотношение физической глины и физического песка. 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!).

Поэтому прямого перехода из одной классификации в другую не существует.

Элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) – обломки горных пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи и не поддаются разрушению общепринятыми методами пептизации.

Фракция элементарных почвенных частиц, или фракция гранулометрическая –элементарные почвенные частицы, объединенные по своим размерам в определенную группу. Выделяют фракции: 1-0.25мм (крупный песок), 0,25 - 0,05 мм  (мелкий песок), 0,05- 0,01 мм (лессовидная крупная пыль), 0,01 - 0.005 мм (средняя пыль), 0,005 - 0,001 мм (мелкая пыль) и меньше 0,001 мм (ил). По содержанию фракций определяют гранулометрический состав почв.

Под гранулометрическим (механическим – устаревшее, почвенной текстурой) составом почв и почвообразующих пород понимают относительное содержание в почве фракций элементарных почвенных частиц различного диаметра, независимо от их минералогического и химического состава. Гранулометрический состав выражается в виде массовых процентов фракций гранулометрических частиц различного размера.

Гранулометрический состав почв – фундаментальное, базовое свойство почвы, во многом определяющее другие ее свойства и характеристики.

Методы определения гранулометрического состава почв

Гранулометрический анализ почв состоит из двух этапов: 1) диспергация почвенной массы;

2) анализ содержания частиц  различного размера.

Основной задачей первого этапа гранулометрического анализа является отделение элементарных почвенных частиц друг от друга. 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 поглощающем комплексе ион Са, снимая агрегирующее воздействие последнего и оказывая диспергирующее влияние на почву.

Анион же пирофосфата предохраняет образовавшиеся частицы от коагуляции за счет формирования пленки фосфатов. Однако, даже если частицы и оказываются химически разделенными, для того чтобы между ними 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 виде ультразвукового воздействия, либо в виде кипячения суспензии.

После этапа разделения частиц осуществляется второй этап гранулометрического анализа: определение содержания частиц того или иного размера с помощью, например, пипет-метода, основанного на применении закона Стокса и использующего основные принципы седиментометрии .

При применении пипет-метода обязательно отбирают пробы суспензии. Впрочем, не обязательно отбирать пробы суспензии. Можно использовать и другой принцип, без отбора пипеткой суспензии: измерять изменение плотности суспензии по мере осаждения частиц разной крупности. Изменение плотности также будет подчиняться закону Стокса, т.к. 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. 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. гранулометрический состав – один из основных факторов почвенного плодородия. Поэтому неоднократно делались попытки связать гранулометрический состав с потенциальным плодородием. Одна из наиболее удачных попыток принадлежит Н.А.Качинскому, который оценил в балльной системе почвы по гранулометрическому составу. При этом дерново-подзолистые почвы имели наивысший балл для среднего или легкого суглинков, а вот черноземы – для тяжелых суглинков и глин. Структура оказывается специфическим и важнейшим почвенным агрофизическим фактором.

1 вопрос плотность

Элементарные почвенные частицы совместно представляют собой твердую фазу почвы. Для характеристики твердой фазы мы можем применить традиционные физические параметры, такие как плотность. Эта физическая величина определяется  массой вещества в единице объёма. В данном случае, для плотности твердой фазы почвы , это будет масса всех почвенных частиц , отнесенная к их объему.

Плотность твердой фазы почвы, измеряется г/см3. Твердая фаза почвы, представлена частицами различного происхождения и различной своей природной плотности. Например, органическое вещество имеет плотность 1.3-1.5 г/см3, а минералы, составляющих твердую фазу почв - 2,6 - 2,8 г/см3. Плотность же твердой фазы почвы является средневзвешенной величиной всех составляющих ее компонентов, - и органических веществ, и различных минералов. Поэтому плотность почвы существенно зависит от состава почвенной твердой фазы: для торфяных почв она близка к 1.4 г/см3, для пахотных горизонтов колеблется в пределах 2.4-2.7, а в горизонтах В и С достигать 2.65-2.75 г/см3 . Элементарные почвенные частицы объединены в микроагрегаты и агрегаты. Можно определить плотность и этих почвенных образований, плотность агрегата: это будет масса  единицы объема почвенного агрегата. Заметим, что масса в данном выражении – та же, что и для плотности твердой фазы: ведь массу агрегата составляют те же самые твердофазные элементарные почвенные частицы. Так как элементарные почвенные частицы, соединяясь в агрегат, образуют поры, то и плотность агрегата будет заметно ниже плотности почвы, составляя 1.3-1.8 г/см3. Зная плотность твердой фазы и плотность агрегата, можно рассчитать и порозность агрегата – объем пор агрегата, отнесенный к объему агрегата.

Так по величинам плотности твердой фазы и плотности агрегатов можно рассчитать порозность агрегатов.  Аналогично можно поступить и для почвенного образца. Для него тоже можно ввести понятие  плотности: это будет плотность почвы. Но в этом случае следует учесть, что в объем образца вошли свойственные естественной почве трещины, каверны и прочие пустоты. Поэтому плотность почвы– масса единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии:

Плотность почвы – одно из основных, фундаментальных свойств почвы. Без знания этой величины невозможны никакие расчеты, никакая количественная оценка почв. Поэтому данные по плотности и порозности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля. Как и для составляющего почву агрегата для почвы в целом также можно ввести понятие порозности, как отношение объема пор  к объему всего образца, и определить порозность через плотность почвы и твердой фазы почвы:

Мы переходим к оценке этих составляющих порового пространства, к рассмотрению плотности почвы, составляющих ее различных видов пористостей как важнейших агрофизических характеристик почвы, от которых зависит урожай растений и другие биосферные функции почв. Определения Плотность твердой фазы почв (rs) – масса твердых компонентов почвы в единице объема без учета пор.  Плотность почвы (rb) – масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы со всеми свойственными естественной почве пустотами. Порозность (синоним – пористость) почвы (e) – объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца [см3/см3, %]. Рассчитывается по данным о плотности почвы (ρb) и твердой фазы почвы (ρs): sb s rr e r − = [см3/см3].

Агрофизическое значение плотности почвы Плотность почвы во многом определяет урожай растений. Она оказывает влияние на рост корневой системы растений, так как уплотненная почва является существенной преградой для проникновения корней. В уплотненной почве, при высокой величине rb низка порозность почвы. Значит, в почве содержится мало воды. При выпадении же осадков поры быстро заполняются водой, и почва содержит мало воздуха, также необходимого для роста корней и развития растений. В случае же излишне рыхлой почвы поровое пространство столь велико, что корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. Это приводит к снижению урожая в разрыхленной почве. Необходимо применять приемы прикатывания почвы для создания оптимального диапазона ее плотности. Поэтому проблема создания пахотного слоя, оптимального по физическому состоянию, по плотности – одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы разрыхлить почву и не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. А это требует своевременного проведения агротехнических работ, обязательно связанными с распашкой почвы. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным.  Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное или подпочвенное уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение сказывается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно, – оно незаметно с поверхности почвы так, как видна, например, эрозия, или поверхностное уплотнение. Анализ и прогноз этого явления тесно связан с оценкой физико-механических свойств почв.  Таким образом, уплотнение как поверхностное, так и подпочвенное – весьма пагубные явления, неизменно сопровождающие интенсивное сельскохозяйственное производство. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно. С этим связан второй аспект проблемы – разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы не сложно. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями. Но вот разрыхлить агрегаты – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы.   Итак, не только повышенная, но и излишне низкая плотность почвы снижает урожай.

2 вопрос Структурный (макроагрегатный) состав почв 

 В физике почв, структуру почвы оценивают количественно на основании распределения содержания агрегатов (воздушно-сухих и в воде) по их размерам. Аналогично тому, как это делается в гранулометрическом и микроагрегатном анализах, структура выражается в содержании фракций агрегатов определенного размера (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. Как правило, используют сита с диаметрами отверстий 10, 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 высыпается предварительно взвешенный средний образец почвы, сита встряхивают, и агрегаты располагаются в ситах соответственно их размерам: 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. Содержание каждой фракции легко можно рассчитать как соотношение этой 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 – придают почвенной структуре ее уникальный вид в виде почвенных комочков 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 – структурная почва». Итак, содержание агрономически ценных агрегатов – один из важнейших показателей структурного состояния почвы. Другим показателем структуры является ее устойчивость к внешним воздействиям, среди которых наиболее существенным является воздействие воды. Почва должна сохранять свою уникальную комковатую зернистую структуру после обильных осадков и последующего легкого подсушивания, 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 иногда говорят, «расклинивают» – это расклинивающее давление водных пленок. Кроме того, при увлажнении агрегата в него быстро входит 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, «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 на верхнее сито (в данном случае – это сито с диаметром отверстий 5 мм, сита 10 и 7 мм не используются: такого размера водоустойчивых агрегатов в естественных почвах практически не наблюдается). После легкого покачивания набора сит в воде с каждого из них смывают водоустойчивые агрегаты и определяют их содержание. Как и в случае с ситовым анализом воздушно-сухих агрегатов – «сухого» просеивания, – получают распределение содержания водоустойчивых агрегатов по их размерам (диаметрам).  

 По содержанию агрономически ценных агрегатов, а также по содержанию водоустойчивых агрегатов с диаметрами >0.25 мм характеризуют агрегированность и водоустойчивость структуры почвы.  По содержанию агрономически ценных агрегатов, размером 10–0.25 мм выделяют: >60% – отличное агрегатное состояние 60–40 – хорошее <40% – неудовлетворительное .Оценку водоустойчивости структуры почвы проводят по агрегатному составу после «мокрого» просеивания. Например, по количеству агрегатов >0.25 мм. Чем больше таких агрегатов получено в результате просеивания почвы в воде, тем лучше водоустойчивость структуры. Приводим классификационные диапазоны для качественной характеристики водоустойчивости структуры по сумме агрегатов размерами >0.25 мм <30 % – неудовлетворительная 30–40  – удовлетворительная 40–75  – хорошая >75 % – избыточно высокая. Нередко требуется использовать данные ситового анализа в виде одного единственного показателя, а не в виде распределения агрегатов по фракциям. Так как распределение агрегатов по фракциям – это распределение, которое трудно описать единой математической зависимостью, используют следующие показатели в виде средневзвешенного диаметра агрегатов (СВД) и среднегеометрического диаметра (СГД) :

 Рассматривая структуру  почвы, ее поровое пространство безусловно необходимо отметить и такую почвенную характеристику, как способность почвенных частиц двигаться друг относительно друга, сопротивляться силам сдавливания, проникновению различных предметов внутрь почвы. Эту область традиционно называют почвенной механикой, - наукой, которая изучает физико-механические свойства почв.

3 вопрос Фильтрация

Остановимся, прежде всего, на движении воды в насыщенной почве - на процессе фильтрации. 

Фильтрация: движение воды в насыщенной влагой почве. Если все поровое пространство заполнено водой, то процесс движения влаги в такой двухфазной (только твердая и жидкая фазы) системе называют фильтрацией. При описании этого процесса считают, что по всем порам вода движется с одинаковой скоростью, формируя фильтрационный фронт в насыщенной водой почве. Такие условия в почве бывают нечасто и в основном характерны для движения грунтовых вод, верховодки, при весеннем снеготаянии. Именно фильтрация воды в почве является основой для понимания процессов движения воды в почве. Законом, описывающим движение в насыщенной почве, является закон Дарси.

Из этой схемы видно, что почвенная колонка, имеющая длину l и площадь поперечного сечения S, проводит воду с некоторой скоростью, характеризуемой потоком влаги qw. Этот поток равен количеству воды Q, прошедшему через сечение почвы S в единицу времени t: w Q q St = ⋅ . Он будет иметь размерность [см/сут, или м/сут], т.е. [длина/время], так как величина Q имеет размерность объема, S – площади, их отношение – размерность длины. Эта размерность потока влаги физически представляет столб воды, выраженный в см (или в мм, или в м) водного слоя, который проходит через почву за единицу времени. Поэтому все потоки воды в почве представляются величиной слоя воды в единицу времени. Анри Дарси, измеряя расходы воды, параметры почвенных образцов, а также высоту перепада воды в подающем и приемном сосудах (h1 – h2=∆h), впервые заметил, что при фильтрации воды соблюдается следующее соотношение:

w ф

h qK l ∆ = ,

где Кф – коэффициент фильтрации, а отношение h l ∆ называется гидравлическим градиентом, т.е. отношением гидравлического напора ∆h к длине колонки. Фактически гидравлический градиент – это потеря напора воды на единицу длины фильтрующей колонки.  Очень важно отметить, что Кф имеет ту же размерность, что и поток влаги, т.е. см/сут, м/сут и т.д., но лишь в том случае, если гидравлический градиент является величиной безразмерной, т.е. когда и перепад, и длина колонки выражены в одних и тех размерностях длины. Важно также, что коэффициент фильтрации равен потоку влаги при единичном градиенте. Поэтому нередко Кф называют скоростью фильтрации на единицу градиента. Кроме того  Кф является постоянной и характеристичной для данного почвенного объекта величиной. Он относится к фундаментальным, базовым почвенным свойствам.

 Следует считать, что если почвенный горизонт имеет коэффициент фильтрации ≤ 6 см/сут, то этот почвенный горизонт можно рассматривать как водоупорный, практически непроницаемый для воды вне зависимости от его гранулометрического состава и других свойств. Важно также отметить, коэффициент фильтрации – это свойство не только почвы, но и протекающей в почве жидкости, так как закон Дарси применим не только к воде, но и к другим жидкостям. И в этом случае поток этой жидкости будет определяться коэффициентом фильтрации жидкости, плотностью и вязкостью этой жидкости

Фильтрация – движение жидкости в насыщенной этой жидкостью почве (двухфазной системе: твердая и жидкая фазы). В отсутствие специальных указаний фильтрация - это движение воды в насыщенной влагой почве Закон Дарси это -поток влаги в насыщенной почве пропорционален коэффициенту фильтрации) и градиенту гидравлического напора.

Коэффициент фильтрации) – это способность почвы проводить насыщенный поток влаги под действием градиента гидравлического давления. Обычно, при градиенте давления, близком к единице. Приведенная запись уравнения Дарси свойственна для фильтрации влаги, когда линии тока направлены параллельно друг другу от поверхности почвы к её глубинным слоям. Однако могут быть случаи, когда влага течет по некоторому водосборнику по радиусу из окружающего почвенного пространства. Например, если в почве сделана вертикальная скважина, эта скважина углублена в грунтовые воды на величину Н. Из окружающей почвы в скважину фильтруется влага. Вода в скважине, фильтруясь через почву в монолите, постепенно будет заполнять дрену. В каждый момент времени можно регистрировать уровень воды в расположенной по оси монолита скважине

 Следует подчеркнуть, что закон Дарси как в радиальной, так и в линейной записи  выполняется лишь для установившейся, ламинарной, безнапорной (или малонапорной) фильтрации.  В большинстве случаев вода попадает на поверхность почвы, которая достаточно иссушена. В этом случае, вода сначала впитывается в не насыщенную влагой почву, насыщает ее, и лишь после насыщения будет наблюдаться процесс фильтрации. Процесс же начального впитывания влаги в почву называют водопроницаемостью.