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.