Поиск

Агрегатный состав почвогрунта
26.06.2015

Понятие

Все вышеизложенное, касающееся принципов механического анализа, использования его данных для установления гранулометрических показателей и для классификации почвогрунтов по механическому составу, может быть рациональным и действительно иметь прямое практическое значение только при условии, если самое понятие «механического состава» почвогрунта будет совершенно строго определенным.
Однако такая определенность имеет место фактически только в применении к более или менее чистым кварцевым пескам, в которых механические элементы представляют собой цельные зерна. Во всех других случаях наряду с такими элементарными зернами присутствует значительное количество сложных зерен, называемых «агрегатами». Образование агрегатов и их значение мы ниже и рассмотрим.
Факторы образования агрегатов

Выше мы установили, что некоторая часть продуктов выветривания и гумусообразования получается в коллоидальном состоянии. Эти тонкодисперсные частицы как правило не существуют в почве в раздельнозернистом состоянии, а в силу явлений коагуляции образуют более крупные сложные частицы, которые мы и называем агрегатами. С другой стороны, в почве всегда циркулируют растворы солей и разнообразные золи, которые при кристаллизации и выпадении в осадок механически захватывают и цементируют группы отдельных почвенных частичек, образуя таким образом вновь более крупные частицы, или агрегаты. В качестве таких цементирующих веществ в почвах выступают: органические вещества (гумус), золи полутороокисей и кремнекислоты, известь, гипс и вероятно ряд других веществ. Явлениями цементации захватываются и грубые элементы почвы, например частицы песка, когда к ним прочно приклеиваются более тонкие, коллоидные, частицы и возникает более крупная, но сложная частица. Таким образом в почвах происходит тремя путями как бы исчезновение отдельных,элементарных частичек и формирование частиц более крупных, агрегатов.
Прочность агрегатов и значение их для фильтрационной способности

Многочисленные специальные исследования почв и опыт обычных методов механического анализа показывают, что действительно раздельнозернистые минеральные массы встречаются очень редко. Примером их могут служить чистые отмытые пески. В громадном же большинстве обычных глинистых и суглинистых пород преобладают не элементарные частицы, а агрегаты их. Это в особенности справедливо по отношению ко всей фракции, определяемой в обычном механическом анализе, как частицы тоньше 0,01 мм. Здесь часто до 90% всех частиц фактически оказываются сложными агрегатами, или, как их называют, микроагрегатами.
Установив факт агрегатности действительного состава почвы, мы приходим к вопросу о том, что следует считать элементами механического состава почвы: эти ли агрегаты или же те элементарные частички, из которых эти агрегаты сложены. Формально этот вопрос может быть решен просто, — очевидно, что элементами механического состава следует считать те элементарные частицы, которые слагают собой агрегаты. Выделить эти элементарные частицы и определить их количество мы современными методами можем. Для этого мы должны однако разрушить все имеющиеся агрегаты путем удаления всех названных выше цементирующих веществ и факторов, вызывающих коагуляцию коллоидных частиц.
Таким образом можно определить действительные механические элементы почвы, но тогда возникает вопрос уже не формальный, а по существу: нужно ли было производить это разделение и определение, для чего оно пригодно и что характеризует. Механический состав нас интересует обычно не сам по себе, а лишь как серьезный показатель многих других свойств почвы и в частности ее водных свойств. Ho с этой точки зрения данные элементарного механического состава очевидно не могут быть нами непосредственно использованы, так как самих этих элементарных частичек в действительной почве не существует, они в той или иной своей части связаны в агрегаты. Агрегаты эти часто оказываются настолько прочными, что в отношении многих свойств почвы играют роль подлинных механических элементов аналогично элементарным частицам соответствующего размера.
Прочность почвенных агрегатов совершенно бесспорно доказывается всей обычной техникой механического анализа, применяющей для разрушения их такие приемы, как многочасовое кипячение (до 18 час.), длительное растирание или, в более современной модификации, обработка различными химическими реактивами.
На основании этого мы должны сделать вывод, что с точки зрения практической и с точки зрения получения в данных механического анализа показателей для других функциональных и, в частности, водных свойств почвы, мы должны за механический элемент принимать не элементарную частицу, а агрегат, и следовательно определять с помощью приемов механического анализа не действительный элементарный механический состав, а состав агрегатный.
Для иллюстрации правильности этого положения мы укажем один из случаев параллельного определения для одного и того же образца почвы его элементарного механического состава и состава агрегатного. Образец представляет собой засоленную почву Чapынского участка в долине р. Или (табл. 9).
Агрегатный состав почвогрунта

Эти цифры показывают, что количество крупных частиц (крупнее 0,01 мм) в агрегатном анализе увеличилось на 20%, тогда как количество коллоидной фракции тоньше 0,001 мм уменьшилось с 11,40 до 1,4%, т. е. почти в 10 раз. Если по данным этих анализов рассчитать коэффициент фильтрации например по формуле Козени, то получаются величины
0,0000016 (по механическому составу) и 0,0000230 (по агрегатному составу), т. е. различающиеся между собой более чем в 14 раз. Определение коэффициента фильтрации для этой почвы в монолите дало следующие результаты: начальная фильтрация К - 0,0001, что несомненно должно быть связано с сильным коагулирующим действием воднорастворимых солей. Далее однако после некоторого выщелачивания солей и искусственного взмучивания поверхностного горизонта фильтрация установилась с коэффициентом К, равным 0,0000150. Очевидно, что это уже величина того же порядка, что и расчетная по агрегатному анализу.
Другой случай зависимости коэффициента фильтрации от агрегатного состава показан на чертеже 5.
Агрегатный состав почвогрунта

Итак следовательно нужно считать, что в основу характеристики механического состава почвы как показателя ее функциональных и в частности водных свойств следует положить определение соотношения не элементарных частиц, а их агрегатов, обладающих достаточной прочностью.
Однако определение агрегатного состояния почвы в момент ее исследования еще не решает полностью задачи познания ее свойств в силу того, что агрегатное, или дисперсное, состояние почвы не является константным, но в высокой степени динамичным.
Динамика дисперсного состояния почвогрунта

Нужно заметить, что элементарные частицы почвы, например зерна кварца, обломки минералов и все другие, не остаются постоянными во времени. Под воздействием общих факторов выветривания они изменяются в своих размерах. Однако эти изменения вообще протекают медленно, иногда они могут быть ощутимы лишь в разрезе геологических периодов времени, и потому практически элементарный механический состав мы можем принимать как состояние почвы более или менее постоянное, устойчивое.
В противоположность этому агрегатный состав изменяется весьма быстро, не только в пределах периодов времени, измеряемых целыми годами, но часто даже только месяцами, так что почва например какого-либо поля может несколько раз резко изменить свою дисперсность в течение одного сезона. В этом заключается принципиальное различие динамичности агрегатного состояния от изменчивости во времени механического состава.
Для иллюстрации наблюдающихся амплитуд колебаний дисперсности почвы приведем несколько примеров.
Проф. Егоров вел систематические наблюдения за состоянием дисперсности на ряде делянок в течение одного и непрерывно двух сезонов. Дисперсность определялась в каждый момент времени количеством частиц тоньше 0,001 мм, получающихся в водной суспензии. Эта величина названа коэффициентом дисперсности — КД. В одном из случаев наблюдений получился следующий ряд цифр:
Агрегатный состав почвогрунта

Мы видим, что в течение одного летнего сезона степень дисперсности почвы может выражаться относительными цифрами 18 и 1 230, т. е. различаться почти в 70 раз.
Другой очень демонстративный пример мы находим в исследованиях Гиссинка для голландских почв. Автор произвел механический (правильнее агрегатный) анализ одним и тем же методом, одного и того же образца почвы, но в два различных момента времени: один анализ сделан как только почва была принесена с поля и находилась еще в сыром состоянии, другой же анализ выполнен после того, как этот образец просох в лаборатории. Получились следующие цифры (в процентах):
Агрегатный состав почвогрунта

Мы видим, что анализы дали совершенно различные цифры, особенно в части наиболее тонкой фракции 0,002 мм: количество ее при высушивании упало с 42 до 25,5%. Эта разница рисует нам общий масштаб явления, но конечно не может быть принимаема как предел: вполне вероятно, что в полевой обстановке в различные моменты времени различия могут быть еще большими.
Наконец приведем данные одного из наших лабораторных экспериментов. Опыт состоял в том, что пробы одной и той же почвы ставились в различные условия, а именно: одна проба оставалась в воздушно-сухом состоянии, другая увлажнялась до степени, оптимальной для развития аэробных микробиологических процессов, и наконец третья увлажнялась избыточно таким образом, что условия для размокания частиц были здесь наилучшими, но аэробные микробиологические процессы развиваться не могли. По истечении некоторого периода времени во всех трех пробах определялась дисперсность путем учета количества тонких фракций в водной суспензии. Результаты одного из опытов следующие:
Агрегатный состав почвогрунта

Из этой таблицы мы видим, что в той пробе, где развивались аэробные биологические процессы, дисперсность почвы увеличилась более чем в два раза по сравнению с исходной воздушно-сухой почвой. Наоборот, в пробе избыточно увлажненной, где могли развиваться только анаэробные процессы, дисперсность уменьшилась более чем в два раза. Таким образом в короткий период времени в данной почве легко созданы состояния дисперсности, отличающиеся в 5,7 раза. Необходимо здесь отметить, что из условий самой постановки опыта ясно вытекает, что причиной увеличения степени дисперсности является здесь не действие воды, не процесс размачивания почвы, а микробиологические процессы, которые в почве развиваются. Как последовательно во времени идет процесс нарастания дисперсности параллельно развитию аэробных микробиологических процессов, видно на чертеже 6.
Существенно отметить, что обычные водные вытяжки из сухой почвы фильтровались в течение 5—10 минут и давали фильтрат прозрачный. Наоборот, такая же вытяжка из почвы «активной») фильтровалась 1 1/2—2 часа, и фильтрат был при этом всегда мутный.
Агрегатный состав почвогрунта

Мы знаем, что в природной обстановке нет почвы, в которой не развивались бы микробиологические процессы аэробные или анаэробные, в зависимости от различных условий. Таким образом нужно признать, что этот фактор изменения дисперсности является всеобщим в природе и что следовательно действия только одного его уже достаточно для того, чтобы установить, что самое явление динамичности дисперсного состояния почв есть явление всеобщее в природе. Самый механизм воздействия микробиологических процессов на агрегаты почвы нужно усматривать в явлениях разрушения и образования такого мощного цемента почвенных частиц, каким является ее гумус.
В настоящее время известно, что кроме биологических процессов в природе имеется целый ряд других очень мощных факторов дисперсности, из которых мы назовем здесь следующие: соли почвы, состав поглощающего комплекса почвы, температурные воздействия, особенно процесс замораживания, степень влажности и вероятно ряд других.
Выше мы отмечали уже связь, существующую между водными свойствами почвы и ее механическим составом, именно в форме прямой зависимости коэффициента фильтрации от диаметра частиц почвы. Далее мы установили, что в качестве такой частицы мы должны принимать агрегат почвы, а не элементарные частицы, из которых этот агрегат сложен. Теперь мы выяснили, что эти агрегаты не являются элементами статическими, что вообще агрегатный состав почвы динамичен. Отсюда очевидно нужно сделать вывод, что следовательно должны быть динамичны и водные свойства, от него зависящие, и именно должен быть динамичен коэффициент фильтрации.
В настоящее время многочисленные исследования, произведенные в лаборатории Института гидротехники и мелиорации, полностью подтверждают это. Для иллюстрации приводим чертеж 7, на котором показаны различные случаи динамики коэффициента фильтрации.
Агрегатный состав почвогрунта

Опыты были поставлены таким образом, что через естественные монолиты почв, содержащие воднорастворимые натровые соли, длительно фильтровалась вода при постоянном неизменном капоре. В разные моменты фильтрации высчитаны коэффициенты К, которые и нанесены на чертеже сплошными линиями. Они показывают, что направление изменений коэффициента фильтрации может быть различным, он может и увеличиваться и уменьшаться и что амплитуда этих колебаний весьма значительна. Пунктирной линией нанесены концентрации бикарбоната натрия в фильтрующемся растворе. Соотношение двух кривых между собой показывает, что связь между ними очень резкая, но. обратная, т. е. повышение щелочности уменьшает фильтрацию и, наоборот, понижение щелочности увеличивает фильтрацию. Сущность этой связи между щелочностью и фильтрационной способностью заключается в том, что щелочность повышает дисперсность, а величина фильтрации обратно пропорциональна дисперсности. Интересные данные об изменении коэффициента фильтрации по сезонам в полевых условиях приведены в материалах проекта орошения Ферганы. Они показаны в таблице 12.
Агрегатный состав почвогрунта

Итак следовательно для характеристики механического состава почвы как показателя ее водных свойств нам нужно знать не только наличный агрегатный состав, но и его динамику. Величина этой динамики может быть весьма различной в зависимости от действующего фактора дисперсности. Если мы хотим охарактеризовать почву полностью, то очевидно нам нужно изучить действие каждого из них. Естественно, что это задача сложная и не всегда необходимая в практических целях. В этом последнем, практическом, случае мы можем ограничиваться изучением действия только таких факторов дисперсности, которые могут иметь наибольшее значение в данной конкретной обстановке. Так например если мы предусматриваем, что почвогрунт будет подвергаться воздействию солей, мы должны будем изучить их эффект; в случае вероятного воздействия низких температур — нужно изучить действие на дисперсность замораживания и т. д. Однако нужно признать, что во всех случаях необходимо знать тот крайний предел дисперсации, который может осуществиться для данной почвы. Очевидно, что таким крайним пределом будет то состояние почвы, которое мы называем элементарным механическим составом. Следовательно элементарный механический состав характеризует нам возможный низший коэффициент фильтрации данной почвы.
Динамичность дисперсного состояния почвы определяет собой динамичность не только водных свойств почвы, но и ряда других, которые функционально связаны с размерностью частиц почвы. К таковым будут относиться в первую очередь плотность сложения массы почвы, порозность ее, связность и др.
Система механических анализов как метод характеристики почвы

На основании всего изложенного выше мы устанавливаем, что термин «механический состав почвы» включает в себя следующие понятия: 1) понятие об элементарных минеральных (и частью органических) частичках различных крупностей, которые образовались в результате общих процессов выветривания и которые являются первичными элементами всякого строения почвы и грунта; 2) понятие об агрегатах (макро- и микроагрегатах) как сложных зернышках различных размеров, образовавшихся из первичных элементарных частичек путем коагуляции или цементации и обладающих такой прочностью своего сложения, что они играют в отношении тех или иных свойств почвы такую же роль механических элементов, как и простые минеральные зерна того же размера, и наконец 3) понятие о динамичности дисперсного состояния почвы как о явлении непрерывного распада и возникновения агрегатов, осуществляющегося под влиянием воздействия на почву различных факторов физикохимического и биологического порядков.
Таким образом, когда мы ставим перед собой задачу охарактеризовать почву с точки зрения ее механического состава, мы должны дать характеристику всех трех названных элементов его, т. е. элементарного состава, агрегатного состава и динамичности этого последнего. Совершенно очевидно, что такую характеристику нельзя дать с помощью какого бы то ни было, но одного вида анализа. Здесь необходима система анализов, в которой каждый вид его дает характеристику какого-либо одного элемента общего понятия механического состава почвы. Такая система анализов на основании изложенного может быть представлена в следующем схематическом виде:
Агрегатный состав почвогрунта

В заключение отметим принципы методов анализа, удовлетворяющих данной схеме.
Все существующие методы механического анализа всегда слагаются из двух самостоятельных частей: первая — подготовка образца почвы к анализу, вторая — разделение подготовленной массы почвы на фракции различных крупностей. Эта вторая операция осуществляется разнообразными методами. Все они обладают большими или меньшими техническими удобствами, дают большую или меньшую степень точности, но принципиально имеют подчиненное значение в анализе, так как результат во всех случаях предопределяется предшествующей подготовкой почвы к анализу. В этой операции, в подготовке почвы, заключается основной элемент анализа и именно он не может быть стандартным, а должен отвечать в каждом случае конкретной задаче, которая стоит перед анализом. В этом смысле нужно сказать, что названная выше система механических анализов есть в первую очередь система подготовок почвы к механическому анализу.
В громадном большинстве случаев подготовка почвы к механическому анализу слагается из следующих операций: растирание сухой пробы в ступке мягким пестиком и просеивание ее через сита до 1 мм диаметром; в дальнейшем кипячение почвы с водой в течение того или иного периода времени (от 1 до 18 час.), и вновь растирание пальцем или резиновым пестиком. Все эти операции имеют своей целью разрушить агрегаты почвы и выделить составляющие их элементы. Следовательно эта методика, с точки зрения нашей схемы, имеет целью решить первую задачу, именно определить элементарный механический состав, однако по существу она должна быть признана неудовлетворительной. Причина этого заключается в том, что данные операции не поддаются количественной регламентации: кипятить, растирать можно больше или меньше, с большим или меньшим усилием, и соответственно этому будут получаться различные результаты. Здесь нет критерия, на основе которого можно было бы установить, все ли агрегаты разрушены или не все и, с другой стороны, не происходит ли уже разрушение в силу перетирания самих элементарных механических частичек, что, вообще говоря, легко осуществляется. Таким образом при этой методике неизбежно получаются некоторые неопределенные, колеблющиеся результаты, не поддающиеся объективной оценке. Вся существующая практика механических анализов подтверждает это.
Принципиально иная методика подготовки почвы к анализу заключается в следующем: прежде всего почва обрабатывается кислотой, которая полностью удаляет такие цементирующие вещества, как известь и гипс; после этого окислением перекисью водорода удаляется все органическое вещество, и наконец полученная минеральная масса диспергируется с помощью насыщения поглощающего комплекса натрием. Эта методика не может считаться окончательно проработанной, в ней есть еще ряд спорных моментов, однако она правильно подходит к решению задачи определения элементарного механического состава почвогрунта и следовательно на сегодня должна быть принята как основа данного вида механического анализа.
Иная методика должна быть применена для определения элементов агрегатного состава почвы. Прежде всего здесь приходится решить вопрос о том, агрегаты какой прочности мы должны определить. Известно, что почва может обладать в сухом состоянии очень резко выраженной агрегатностью, но не прочной, расплывающейся в воде. Далее некоторые агрегаты могут быть достаточно устойчивыми в неподвижной воде, но легко разрушаться даже в слабом потоке.
Выбор показателя прочности вообще не может быть сделан произвольно, а должен исходить из условий той конкретной обстановки, для которой делается самый анализ.
В мелиоративной практике агрегатный состав интересует нас главным образом с точки зрения характеристики водных свойств почвы. Отсюда следует, что нужно определять только те агрегаты, которые устойчивы в воде. Далее, учитывая характер передвижения воды в толще обычных суглинистых и глинистых почвогрунтов, мы можем принять, что здесь водный поток обычно, не достигает размывающих скоростей (за исключением движения по трещинам). Отсюда следует также, что мы можем поставить себе задачей определять все те агрегаты, которые устойчивы в неподвижной воде.
Соответственно этому принципы методики агрегатного анализа почвы заключаются в следующем: I) анализируемая почва не подвигается никаким механическим воздействиям (растирание, просеивание, кипячение и т. д.); 2) в качестве подготовки к анализу применяется лишь достаточно длительное (около суток) размачивание почвы в стоячей воде. После этого масса почвы может быть разделена в воде же на ситах на группы сохранившихся агрегатов разных крупностей. Всю массу фракций тоньше 0,25 мм далее наиболее удобно разделять обычным методом пипетки. В случае если почва содержит воднорастворимые соли, последние могут быть предварительно отмыты на фильтре.
Задача определения прочности агрегатов по отношению к размывающему действию воды чрезвычайно сложна для решения. В настоящее время намечено два приема для ее решения. Первый заключается в пропуске тока воды определенной скорости через колонку исследуемой почвы и регистрации степени разрушения агрегатов при этом. Второй возможный прием состоит в том, что почвенная суспензия определенной концентрации подвергается ротации (вращению) на машине с определенной скоростью в течение различных периодов времени. Сравнивая получающиеся при этом степени дисперсности с дисперсностью в исходном состоянии без ротации, мы можем получить представление о прочности агрегатов нашей почвы.
Количественное представление о крайних пределах возможной амплитуды динамики дисперсного состояния мы получаем из сопоставления величин, получающихся при элементарном и агрегатном анализах. Промежуточные величины можно получить, подвергая почву перед анализом воздействию тех факторов дисперсности, которые интересуют нас в каждом конкретном случае. Так для гумусных верхних горизонтов почвы представляет практический интерес выяснение зависимости дисперсности от рода биологических процессов, а получающиеся результаты могут иметь прямое значение для расчета элементов техники полива. Постановка такого эксперимента легко осуществима в лаборатории. Там, где грунт подвергается периодическому промораживанию, полезно определить экспериментально происходящее при этом изменение дисперсного состояния. Часто имеет место воздействие на почву солей и именно их катионов — кальция или натрия. В связи с этим может представлять существенный интерес определение степеней дисперсности, отвечающих различным степеням насыщенности почвы разными катионами. Для зон осушения на первое место выступает степень насыщенности поглощающего комплекса кальцием, для зон же орошения — доля участия в поглощающем комплексе натрия.
Таковы общие принципы аналитической методики, которые могут быть применены для характеристики различных степеней дисперсности почвогрунта. К сожалению, конкретные технически оформленные, методы этих анализов в настоящее время только намечены, но еще в далекой степени не проработаны. Тем не менее, нужно думать, что, став на этот путь новой дифференциальной характеристики механического состава почвы, мы скоро добьемся того, что данные механического анализа станут не только качественным, но и количественным показателем водных и других существенных свойств почвы.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *