/
Author: Вадюнина А.Ф. Корчагина З.А.
Tags: почвоведение почвенные исследования почвы агрономия агропромиздат почва издательство агропромиздат
Year: 1986
Text
УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ ВЫСШИХ
УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИИ
А ФВАД ЮН И НА, 3, А, КОРЧАГИНА
МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОЧВ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством высшего и
среднего специального образования СССР в
качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по специальности
«Агрохимия и почвоведение»
МОСКВА АГРОПРОМИЗДАТ 1986
ББК 40.3
В12
УДК 631.43(075.8)
В учебном пособии разделы «Структура почвы», «Плотность», «Физико-
механические свойства почв и грунтов», «Водопроницаемость почвы»
написаны 3. А. Корчагиной, а остальные разделы —Л. Ф. Вадюниной.
Рецензенты: академик ВАСХНИЛ Н. П. Панову кандидат
биологических наук М, В. Стратонович, доктор биологических наук Л. В. Колоскова,
кандидат биологических наук Г, Н. Велахчев.
Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. А.
В12 Методы исследования физических свойств почв.—
3-е изд., перераб. и доп.— М.: Агропромиздат, 1986.—
416 с, ил.— (Учебники и учеб. пособия для высш. учеб.
заведений).
В книге даны методы исследования физики твердой фазы почвы
(дисперсного, агрегатного состава, физических, физико-механических свойств),
определения влажности, изучения воздушного и температурного режима почв.
Рассказано об электрокинетических, магнитных и радиоактивных ее
свойствах. Третье издание (второе, 1973 г.) дополнено сведениями о новых
приборах, а также о радиоактивных методах измерения влажности и плотности
почвы.
Для студентов вузов по специальности агрохимия и почвоведение.
ш 3802020000—198
113—86 ББК 40.3
035(01)—86
© Издательство «Высшая школа», 1973
© ВО «Агропромиздат» 1986, с изменениями
ВВЕДЕНИЕ
В Продовольственной программе СССР на период до 1990 г.
подчеркивается, что ускоренное и устойчивое наращивание
производства зерна — ключевая проблема в сельском хозяйстве.
Основной путь ее решения — повсеместное повышение
урожайности.
Предлагаемое методическое руководство включает
определение основных физических свойств почв. При этом приводятся
оптимальные параметры их, которые обусловливают
эффективное использование жизненно важных факторов роста и
развития сельскохозяйственных культур при максимальном их
урожае и высоком качестве продукции.
После выпуска второго издания книги «Методы
исследования физических свойств почв и грунтов» появились новые
приборы, усовершенствованы некоторые существующие методы,
шире стали использоваться для характеристики почв
электрические и магнитные показатели, радиоактивные методы
измерения влажности, плотности. В настоящем издании это нашло
отражение.
В настоящее время используются методы съемки почв и
физических свойств ее с самолетов и спутников. Сравнение этих
данных и полученных обычными методами свидетельствует
о практически приемлемых результатах (Гридасов, 1983).
Однако аэросъемка пока не дает характеристик отдельных полей,
а наземная обычная съемка больших площадей очень
трудоемка. Разумное сочетание их повысит оперативность управления
физическими процессами почвы, поможет проектированному
планированию урожая.
В практике сельского хозяйства часто недооценивают
важность физических условий почвы и плодородие ее связывают
главным образом с наличием питательных элементов. Между
тем уже с середины XIX столетия было установлено, что нельзя
повысить плодородие почвы, не обеспечив растения
соответствующим количеством воды, воздуха и тепла.
В настоящее время изучению физических свойств почвы
уделяется большое внимание как в стационарных, так и в
экспедиционных условиях. При составлении крупно- и
мелкомасштабных почвенных карт колхозов и совхозов, территорий опытных
станций, при мелкомасштабных региональных почвенных
съемках необходимо давать характеристику основных почвенных
типов. Для изучения физических свойств почвы в полевых
3
Рис. 1. Схема почвенного разреза для изучения
физических свойств почв. Л, Bh В2, С\ — генетические
горизонты.
условиях применяется метод «ключей». Сущность этого метода
сводится к следующему: по имеющейся почвенной карте
выделяют основные генетические почвенные разности и их варианты
по механическому составу, затем на типичных для данного
района рельефе и почве выделяют опытную площадку-«ключ» —
ЮХЮ м или 100ХЮ0 м, закладывают на ней один-два
почвенных разреза глубиной до 2 м и более, проводят детальное
морфологическое описание почвы и затем уступами, являющимися
рабочими площадками (размером 1—1,5 м2), делают разрез
для изучения физических свойств почвы (рис. 1). Поверхность
площадки соответствует началу генетического горизонта почвы.
Для изучения почвы в лаборатории необходимо правильно
взять образцы в поле. Для определения механического состава,
водных, тепловых и других физических свойств почвы образцы
берут из середины генетического горизонта (массой около 1 кг)
и плотно упаковывают. Образцы, предназначенные для
микроскопического изучения структуры и. порозности почвы,
парафинируют и после охлаждения упаковывают.
Для определения плотности твердой фазы почвы в
лаборатории используют образцы, по которым была определена в поле
плотность скелета почвы. Все контрольные образцы одной
глубины соединяют в одну пробу, которую и доставляют в
лабораторию.
Для изучения в лаборатории коэффициента фильтрации и
других водных свойств, динамики липкости и твердости берут
монолиты. Эти работы выполняют специально оснащенные
экспедиционные отряды.
Третье издание учебного пособия, дополненного в
соответствии с новыми достижениями в области физики почв и
смежных наук, окажет помощь студентам вузов и специалистам
в глубоком изучении свойств почв.
ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ (МЕХАНИЧЕСКИЙ) СОСТАВ ПОЧВЫ
Твердая фаза почвы pi грунта, гетерогенная
полидисперсная система, состоит из минеральных, органо-мине-
ральиых и органических частиц разного размера-—от молекул
до крупных механических элементов — ила, пыли, песка и
камней. Для изучения почвы прежде всего необходимо определить
размеры составляющих почву частиц и содержание частиц
разной величины в ней. Количественное определение в почве
содержания элементарных механических частиц составляет главную
задачу механического или гранулометрического анализа.
Механический состав почв является важной генетической и
агрономической характеристикой. При генетической
классификации почв выделяют виды и разновидности изучаемого
почвенного типа по механическому составу, с которым в значительной
степени связано плодородие. Известно, например, что песчаные
и супесчаные почвы бедны элементами пищи для растений,
а глинистые и суглинистые содержат их в достаточном
количестве.
От механического состава зависят почти все физические
свойства почв; порозность, влагоемкость, водопроницаемость,
водоподъемная способность, воздушный и тепловой, режимы и
Другие.
Механический состав обусловливает и технологические
свойства почвы: твердость, прилипание к почвообрабатывающим
орудиям, крошение пласта при вспашке, а следовательно,
качество вспашки и пашни, удельное сопротивление почвы при
обработке.
Наличие глинистых частиц в почвах и грунтах придает им
пластичность, имеющую большое значение при обработке почв,
при использовании грунтов, например в гончарном
производстве, в формовочных цехах,
КЛАССИФИКАЦИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ
Для правильного проведения механического анализа важно
знать основы классификации механических элементов почвы.
Гранулой, или элементарной почвенной частицей, называют
обособленную минеральную, органо-минеральную или
органическую частицу кристаллического или аморфного строения, все
молекулы которой находятся в химической взаимосвязи. Разли-
б
чают первичные механические элементарные частицы почвы,
которые образуются в процессе выветривания, дробления горных
пород и минералов (под влиянием атмосферных факторов —
температуры, ветра и водных потоков), и вторичные,
образующиеся путем синтеза из конечных продуктов выветривания,
коагуляции, а также биологическим путем в результате
жизнедеятельности высших и низших растений.
Крупные фракции почвы (песчаные и пылеватые) обычно
состоят из первичных элементарных частиц, а мелкие (мелкая
пыль, ил)—из вторичных. Исследованиями ученых
установлено, что частицы почвы разного размера различаются
химико-минералогическим составом и физическими свойствами
(К. Д. Глинка, А. А. Аттерберг, А. А. Роде, Г. Дикий, G. С.
Морозов, П. Ф. Мельников, Е. И. Кочерина и др.). Это
обстоятельство и легло в основу классификации частиц.
Вопросами классификации механических элементов почвы
занимались многие исследователи.
А. А. Аттерберг на основании изучения свойств
элементарных частиц разного размера установил, что имеющие диаметр
>0,2 мм обладают хорошей водопроницаемостью. Поднятие
воды по капиллярам в них осуществляется быстро, но на малую
высоту. Частицы диаметром от 0,2 до 0,02 мм обеспечивают
хорошую водопроницаемость и водоподъемную способность почвы;
частицы диаметром <0,02—0,002 мм слабо водопроницаемы,
воду поднимают высоко, но очень медленно. Наихудшую
водопроницаемость и самый медленный капиллярный подъем имеют
почвы, сложенные из частиц диаметром <0,002 мм. Частицы
диаметром <0,02 мм способны коагулировать в солевых
растворах, более крупные не коагулируют; частицы диаметром
<0,002 мм подвержены броуновскому движению. Эти данные
стали основой Международной классификации механических
элементов почвы. Однако в нашей стране она не получила
широкого распространения.
Н. А. Качинский, используя отечественные данные по
группировке механических элементов и о свойствах фракций почвы
с частицами различного размера, предложил свою
классификацию механических элементов почвы, которая в настоящее время
широко применяется в почвенной практике. Согласно этой
классификации (табл. 1) выделяются каменистая часть, гравий,
песок разного размера, пыль и ил. Выделение фракции пыли и
ила основано на скорости падения частиц в воде, то есть их
гидравлической крупности, которая определяется по формуле
Стокса. При этом также учитывались химические, водные и
физико-химические свойства частиц.
Все частицы диаметром более 1 мм называются скелетной
частью почвы, менее 1 мм — мелкоземом.
Деление частиц на «физический» песок (частицы >0,01 мм)
и «физическую» глину (частицы <0,01 мм) введены еще
Н. М. Сибирцевым (1899), и эти понятия для классификации
6
1. Классификация гранулометрических элементов
почвы по Н. А. Качинекому
Эффективный диаметр
механических элементов
почвы, мм
Механический элемент
>3 Каменистая часть почвы
3—1 Гравий
1—0,5 Песок крупный
0,6—0,25 » средний
0,25—0,05 » мелкий
0,05—0,01 Пыль крупная (лессовидная фракция)
0,01—0,005 » средняя
0,005-0,001 » мелкая
<0,001 Ил
0,001—0,0005 » глинистый
0,0005—0,0001 » коллоидный
<0,0001 Коллоиды
>0,01 «Физический» песок
<0,01 «Физическая» глина
почв по механическому составу широко используются и в
настоящее время.
МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ
К ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ
Гранулометрические элементы, особенно мелкие, в
свободном состоянии встречаются только в почвах песчаных; в
суглинистых и глинистых они соединены в микроагрегаты и
структурные комочки, поэтому для количественного учета частиц разного
размера необходима специальная подготовка почвы.
Основная задача последней — расчленить агрегаты почвы на
составляющие их первичные механические элементы или
частицы. Это можно осуществить двумя методами: механическим,
или физическим, химическим.
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Разрушить почвенные агрегаты можно растиранием сухой и
влажной почвы, кипячением почвенной суспензии и
взбалтыванием.
Растирание влажной почвы. Метод предложен в 1902 г,
Г. Ф. Нефедовым; более детально разработан Р. X. Айдиняном
(1948) и в лаборатории физики почв МГУ В. Е. Кореневскои
(1953). Для диспергирования навеску почвы (10—20 г)
помещают в фарфоровую чашку, смачивают до тестообразного
состояния, что примерно отвечает влажности нижней границы
текучести. Затем в течение 10—15 мин растирают пестиком с
резиновым наконечником (во избежание разрушения механиче-
7.
ских элементов почвы), после чего производят анализ.
Описанный метод пригоден для подготовки дерново-подзолистых, серых
лесных почв, в,меньшей степени для невскипающих черноземов
и совсем неприменим для почв карбонатных и красноземов,
суспензии которых после растирания быстро коагулируют. Метод
широко применяется для выделения частиц различного размера
при изучении их минералогического, химического состава и
физических свойств.
Кипячение почвенной суспензии. С повышением температуры
при кипячении вследствие неодинакового расширения минералов
в разных направлениях и набухания почвенных частиц
увеличивается растрескивание и распадение агрегатов на механические
элементы, усиливается движение частиц почв и воздуха, что
вызывает перетирание почвенного цемента и распад
микроагрегатов. При нагревании увеличивается растворимость почвенных
солей, которые в зависимости от их химического состава
вызывают диспергацию или коагуляцию почвенной суспензии (чаще
всего наблюдается первое).
Кипячение производят обычно при определенных
соотношениях почвы и воды в зависимости от метода в колбах с
обратным холодильником. Рекомендуют различные сроки кипячения
почвенной суспензии. Чем длительнее кипячение, тем больше
диспергация. Так, показано Тищенко, что кипячение суспензии
в течение 30 мин и при анализе песчаной почвы по- Сабанииу
выход частиц диаметром <0,01 мм составляет 9,6 %, а при
кипячении в течение 2 ч— 13,8 %. У А. М. Васильева время
кипячения составляло от 8 мин до двух суток, С увеличением
продолжительности кипячения выход илистой фракции возрастал.
При определении фракции по методу Сабанина суспензию
кипятят 1 ч, по методу Земятченского и Охотина—12 ч; при
работе по методу Вильямса кипятят дважды: 6 ч для отделения
песка и крупной пыли и 42 ч для диспергации более мелких
частиц. Для проведения механического анализа по методу Ка-
чинского кипячение производят в течение одного часа.
Взбалтывание почвенной суспензии вручную или на
аппарате. В лабораторной практике для взбалтывания применяют
мешалку Вагнера (вращение вручную или с помощью мотора).
Наиболее совершенным аппаратом в настоящее время
считается мешалка Качинского для горизонтального взбалтывания.
Суспензия взбалтывается в стеклянных бутылях вместимостью
0,5 л, закрепляемых на каретке, качающейся между двумя
стойками. Стойка соединена с шатуном кривошипно-шатунного
механизма, приводимого в движение электродвигателем МУН —
80
через червячный редуктор с передаточным числом 16. Для более
плавной работы механизма в конструкции прибора
предусмотрен пружинный амортизатор. Электродвигатель с номинальной
частотой вращения 2000 мин"1 питается от сети однофазного
переменного тока напряжением 127 и 220 В. При 2000 мин-1
8
каретка делает 125 двойных ходов, при 1600 мин-1— 100. За
один двойной ход перемещение каретки составляет 100 мм.
Регулирование частоты вращения электродвигателя, а
следовательно, и двойных ходов каретки производится
автотрансформатором ЛАТР-27 путем изменения напряжения на зажимах
электродвигателя. На шкале ЛАТРа показаны напряжение и
соответствующее количество двойных ходов каретки.
По данным А. Ф. Макаровой, двухчасовое взбалтывание на
мешалке Качинского заменяет четырехчасовое, а для некоторых
почв — восьмичасовое взбалтывание на мешалке Вагнера.
Однако по сравнению с кипячением взбалтывание меньше
дезагрегирует почву. В черноземных почвах после подготовки по методу
Качинского при одночасовом кипячении выход ила на 7—11 %
и глины — на 2—7 % больше, чем при часовом взбалтывании.
В карбонатных почвах при кипячении прирост этих фракций
соответственно был не больше 3—4 %.
Подготовка почвы с помощью ультразвука. Впервые метод
обработки грунтов с помощью ультразвука был применен
А. А. Васильевой (1958 г.). В настоящее время промышленность
выпускает ультразвуковые приборы, которые можно
использовать для подготовки почв и грунтов к механическому анализу.
Установлено, что при обработке навески почвы в течение
60 мин процесс разрушения микроагрегатов заканчивается
(Степанов, Владимиров, 1961).
Однако этот метод находится еще в стадии разработки:
устанавливаются акустические параметры, возможные сочетания
акустического метода с химическими диспергаторами и др.
ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Для дезагрегации почвы применяется ряд химических
реагентов — кислоты и солевые растворы различных концентраций.
Химические приемы воздействия на почву обычно используют
совместно с механическими и физическими способами в
различных вариантах. К. К. Гедройц предложил диспергировать почву
путем замены поглощенного кальция на натрий при обработке
почвы нейтральным раствором NaCl. A. H. Соколовский
двухвалентные ионы в почве заменял на аммоний. Однако обработка
почвы нейтральной солью натрия или аммония представляет
собой операцию длительную, поэтому соли были заменены более
быстродействующей соляной кислотой (в различных
концентрациях). Наряду с другими реактивами она широко применяется
при подготовке почв для механического анализа.
Международный метод «А». Рекомендован конгрессом
почвоведов в Вашингтоне (1927) для всеобщего употребления.
Навеску почвы в 10 г помещают в стакан на 500 мл, приливают
50 мл 6 %-ного раствора Н2О2. Смесь перемешивают и
выдерживают на кипящей бане до прекращения вспенивания массы.
Реакция окисления гумуса длится около 12 ч. После охлажде-
9
ния суспензии для разрушения карбонатов в нее добавляют
такое количество НС1, чтобы в объеме 250 мл концентрация ее не
превысила 0,2 моля; в течение часа суспензию часто
взбалтывают, после чего кислоту отмывают. Почву через сито (диаметр
отверстий 0,25 мм) переносят в колбу вместимостью 750—
1000 мл и для диспергации и стабилизации прибавляют 50 мл
10 %-ного раствора NH4OH. Объем суспензии доводят до
500 мл и взбалтывают в течение 24 ч. Суспензию переносят
в цилиндр, доводят объем до литра и анализируют.
Метод «А» — громоздкий и длительный. Существенным
недостатком его является сжигание гумуса — наиболее важной
составной части почвы. Кроме того, стандартное количество дис-
пергатора NH4OH для всех почв создает неодинаковые условия,
так как у них неидентична емкость поглощения. Иногда
применяют NaOH, который лучше диспергирует почву.
Международный метод «А» в почвенной практике Советского Союза не
привился. Его можно рекомендовать только в тех случаях, когда
необходимо иметь данные механического состава безгумусных
почв.
В лаборатории физики почв МГУ при пользовании этим
методом вместо 50 мл 10 %-ного раствора NH4OH берут 4 мл
1 молярного NaOH (замена NH4OH на NaOH рекомендована
Международной конференцией по физике почв в Версале
в 1934 г.) и взбалтывают на мешалке Качинского в
течение 2 ч.
Метод Качинского. При подготовке карбонатной почвы для
механического анализа по методу Качинского ее декальцини-
руют: навеску (10—30 г для тяжелых почв и 20—30 г для
легких) обрабатывают 0,2 молярным раствором НС1 до
прекращения кипения, а затем, как и некарбонатную почву,
обрабатывают 0,05 молярным раствором НС1 до полного вытеснения
кальция. Для удаления хлора почву промывают водой, затем
переносят в колбу, куда прибавляют 250 мл воды и 1 молярного
раствора NaOH в количестве, эквивалентном емкости
поглощения данной почвы — 1 мл на 10 м • экв емкости поглощения.
В течение двух часов содержимое взбалтывают через каждые
15 мин, затем суспензию кипятят в течение 1 ч и приступают
к анализу.
В лаборатории физики почв МГУ было показано, что в
почвах, подготовленных по методу Качинского, наблюдается
наибольшая диспергация, и результаты механического анализа для
безгумусных почв примерно соответствуют данным анализа
почв, подготовленных по международному методу «А»; для почв
гумусных, подготовленных по методу Качинского, количество
ила больше за счет органического вещества.
Оксалатный способ диспергирования карбонатных почв по
Рыжову. Для приготовления раствора оксалата натрия берут
26,8 г соли на 1 л воды. При этом на каждый мг»экв емкости
обмена при 20 г навески необходимо взять 1 мл раствора.
10
Засоленную почву предварительно промывают водой. Для
этого навеску 40—50 г заливают водой и отмывают декантацией
от солей или переносят на воронку с фильтром и промывают до
исчезновения С1 и S04 в фильтрате (проба на Cl~— AgN03; на
SO4"* реактивом ВаС12). Почва доводится до воздушно-сухого
состояния и из нее берется навеска.
Метод подготовки разработай в основном для почв Средней
Азии, которые по емкости поглощения разделяют на сероземы
длительного и недавнего орошения, среднего и тяжелого
гранулометрического состава (емкость поглощения 6—15 мг»экв),
луговые давнего и нового орошения (9—12 мг-экв) и лугово-
болотные такого состава (емкость поглощения соответственно
9—12 и 12—16 мг-экв) (Зимина, 1963).
Пирофосфатный метод. К 10 г суглинистых и глинистых почв
добавляют 5 мл 4 % -ного раствора пирофосфата натрия (Na4P207)
для некарбонатиых, незасоленных, незагипсованных почв и 20 мл
для засоленных и загипсованных. Почвенную пасту на пирофос-
фате в фарфоровой чашке или ступке растирают без особого
нажима в течение 10 минут пестиком с резиновым наконечником.
После этого добавляют к пасте остаток неиспользованного дис-
пергатора. Дистиллированной водой пасту смывают в литровый
цилиндр через сито 0,25 мм и затем 0,1 мм, после чего методом
пипетки определяют разные фракции.
Гексаметафосфатный метод Братичевой предложен для
карбонатных почв. В реакцию с гексаметафосфатом (NaePeOie)
также как с оксалатом и пирофосфатом натрия, которые сейчас
начинают применять в почвенной практике, вступает как
поглощенный почвой кальций, так и кальций карбонатов почвы.
Образуются нерастворимые соли, в результате чего в почве
формируются новые механические элементы. Поэтому при
работе с этими реагентами иногда наблюдается увеличение
фракции пылеватых частиц и мелкого песка.
Оценка методов. По степени диспергации, теоретической
обоснованности отдельных операций следует на первое место
поставить кислотно-щелочной метод Качинского, который широко
используется и берется за эталон при разработке новых
методов. Высокой диспергирующей силой обладает способ
подготовки почвы щавелевокислым натрием, который широко
применяется на сероземах Средней Азии. Пирофосфатный метод
сейчас используется в агрохимических лабораториях, в проектных
и научно-исследовательских институтах мелиорации почв.
Реактив диспергирует карбонаты и гипс в почвах. В методе
Качинского эти вещества входят в потерю от обработки, однако
подготовка карбонатных и загипсованных почв по этому методу
в сравнении с пирофосфатным более длительная. В то же время
только с помощью метода Качинского можно получить данные
о диспергации минеральной алюмосиликатной части почвы
(А. Н. Розанов). Самая низкая диспергация почв получена при
применении гексаметафосфата натрия,
11
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
Для определения механического состава почв и грунтов
существует несколько методов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ВИЗУАЛЬНО
И НА ОЩУПЬ
Механический
состад
Морфология збразца при испытаниях
(Рид 8 плане)
При описании почвы в полевых условиях необходимо давать
характеристику гранулометрического состава, которая
используется при картировании для выделения почвенных разностей и
составления их производственной характеристики.
Обычно его определяют визуально и на ощупь в сухом и
влажном состоянии по следующим показателям: ощущение при
растирании почвы на ладони, вид под лупой или без нее,
состояние сухой и влажной почвы, отношение влажной почвы или
грунта к скатыванию (табл. 2).
Последний прием, нашедший широкое применение в полевой
практике, сводится к следующему: берут 3—4 г почвы и
увлажняют до рабочего
состояния (густой
пасты) ; вода при этом из
почвы не отжимается;
хорошо размятую и
перемешанную в руках
почву раскатывают на
ладони в шнур
толщиной около 3 мм и
затем сворачивают в
кольцо диаметром
примерно в 3 см. В
зависимости от
механического состава почвы шнур
при скатывании
принимает ' различный вид
(рис. 2).
Шнур не
образуется-
Зоштки шнура-
супесь
2
ся при распатыЛ
дании-
легкии суглинок
Шнур сплошной,
кнцеесл при свер-
тыЗонии-
ш суглинок
4
Шнур сплошной,
капьца с
трещинами-
тяжелый
суглинок,
о
кольцо стойкое-
глина
-««a^g^^WWfl&g»
«g^**^^^^
Рис. 2. Определение гранулометрического
состава почв в поле (метод раскатывания).
ПРОСЕИВАНИЕ ПОЧВЫ
НА СИТАХ
Этот метод в
настоящее время
применяется главным образом
для разделения частиц
>0,1 мм, чаще всего
для анализа скелетной
части песчаных и
каменистых почв. При
о,
>>
а
a_
- W
И
а й
я g
и а
<я ,
Я и
t*^
«
W
О
«)
i 2 «
и н
8 5?
W >»
«и W
§Я
к й
о 5
Ь О
О К
о
и
£ и
fr>»
! u а
i <u ^ 1
i Я е
5 Я
i От
Сост
поч
0J
а>
№
со
а>
\о
»
«
о
&
4
«
°
с
«
м
W
S«
5 =
к^к
к 2
ЯСй
«U « В2
Ер3
2S
Ef «
О^
>>
поз
PRO
па по
нтов
ячеек
:таву
в >*х о
t>» Оч ed cj
Рн^ X
Он
и
Я TO M CQ
1 в л
5 о Яг?« «gsSS
из ^ ^
* то о
|ЙО
ав-р
«serges! на
с с с
си 53
и н
то н '
ч о *.
ни ТО
со <3
S
о
tf С
S 5
Н то
£3- cD
Й и
ТО "
с
81
a 5 a,-
Я !
о
« «
ЕР
W
с
о
и
&
В и
Я S
а? и
ГЧ. f-H
3 8
и
s5
и
то
ч sie
§ то то о
р, П F В
3 В
I 5
5 5
£
О)
О) G
is
Я В1
о о
й. ° -г
О Я 53
lis
о то
^ У <Ь м
« э
н Й
О Он
то о
Сч О
то ш m
В У ин
О Он Л
OhRE
то
к
S
5
13
этом согласно рекомендации Конференции по физике почв в
Версале (1934 г.) для просеивания скелетной части почв
используют сита с круглыми отверстиями; мелкозем просеивают на
проволочных или шелковых ситах с квадратными отверстиями,
которые меньше забиваются почвой.
В полевых условиях берут среднюю пробу 1—2 кг. Почву
доводят до воздушно-сухого состояния, затем осторожно
измельчают в ступке пестиком с резиновым наконечником и
просеивают через сито с отверстиями диаметром в 1 мм. При этом из
почвы удаляют корни. Определяют процентное содержание
скелетной части и мелкозема. Скелетную часть почвы для
удаления приставших частиц замачивают водой из расчета 25 мл
воды на 1 г. Затем почву кипятят в течение 1 ч, промывают на
сите до просветления, высушивают, взвешивают и разделяют
с помощью набора сит с отверстиями диаметром 1, 3, 5, 7 и
10 мм на фракции. Отдельные фракции скелетной части почвы
взвешивают и вычисляют соответственно их процентное
содержание.
Механические элементы крупнее 10 мм представляют собой
обломки первоначальной массивной горной породы, из которой
образовалась почва. Частицы от 10 до 3 мм являются
промежуточными продуктами распада горной породы. Обычно это
крупинки полевого шпата, мусковита, биотита и т. д. Частицы от 3
до 0,05 мм состоят почти из чистого кварца.
После распределения скелетной части по фракциям почву
классифицируют по степени каменистости (валунная, галечни-
ковая, щебенчатая).
Мелкозем из данной пробы почвы собирают в склянку с
притертой пробкой и анализируют одним из методов, приведенных
ниже.
ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ГРАНУЛОМЕТРИИ
Электрическое сопротивление в гетерогенных системах
твердая фаза — жидкость изменяется от концентрации твердого
вещества. Максвел (1873 г.), изучая сопротивление смеси
сферических тел во вмещающей среде, установил, что
электросопротивление твердых взвесей рп в воде возрастает с увеличением
концентрации их по гиперболическому закону.
В конструируемых в настоящее время гранулометрах часто
используется принцип изменения pn=f(Cv). Так Coulter W. Н.
(1956) предложил счетчик для определения размера мелких
частиц (Cv)t преимущественно элементов крови. Мездряков
(1964) гранулометрический анализ порошков проводил с
помощью высоковольтного электрического поля между
электродами. Частицы переносят при этом заряд от одного электрода
к другому, величина которого пропорциональна поверхности
частиц. В счетном устройстве регистрируются количество и
величина импульсов электрического напряжения. В случае диэлек-
14
триков возможно создавать у частиц поверхностный
электрический слой.
Счетчик Культера — модель ТА. Французская
фирма «Культроникс Франс» («Coultronics France ТА»)
предложила гранулометр, модель ТА, который является последним
представителем новой серии этих приборов на принципе
счетчика Культера. Счетчик регистрирует частицы, взвешенные
в электропроводящей среде, диаметром от 0,4 до 800 мк, что
вполне укладывается в пределы гранулометрического
(механического) состава почв.
В сосуд с суспензией погружают трубу с отверстиями —
16-канальиый анализатор. С помощью насоса частицы
засасываются в калиброванные отверстия трубки, через которые
подается постоянный электрический ток. Частица, проходя через
отверстие, перемещает объем электролита, равный собственному
объему, тем самым изменяет силу тока в цепи, в которую
входят два электрода. Это вызывает электрический импульс,
амплитуда которого пропорциональна объему частиц.
Результаты распределения частиц показывают на
осциллографе и выдаются в форме интегральной и дифференциальной
кривой. Количество. частиц можно получить, если аппарат
дополнен комплектирующим оборудованием. Длительность
определения гранулометрического состава от 20 до 5 с, точность
Контроль за проведением анализа осуществляется с
помощью вычислительной машины, вмонтированной в схему прибора,
что обеспечивает большую маневренность и скорость расчетов.
Модель ТА широко используют при гранулометрическом
анализе порошков.
Гранулометрический анализ почв на приборе ТА проведен
в лаборатории физики почв Почвенного института имени В. В.
Докучаева (В. В. Рыбина). В работе использован шестиканальный
анализатор с отверстиями: 50, 100, 140, 200, 280, 560 мкм, что
соответствует диапазону частиц диаметром соответственно:
0,8—24; 1,4—42; 2,0—60; 2,7—80; 4—120; 8—240 мкм.
Исследования показали, что с помощью этого прибора можно
определить частицы диаметром от 1 до 60 мкм. Более крупные частицы
быстро оседают на дно сосуда.
Проведено сравнение результатов анализа частиц размером
от 0,05 до 0,001 мм на приборе ТА и методом пипетки при
разных методах подготовки почвы.
При этом содержание крупной пыли, установленное методом
пипетки, на 10—14 % превышало данные прибора ТА, а выход
средней и мелкой пыли, оказался меньше на 3—10%.
Показатель точности опыта на приборе ТА не превышал 10 %, на нем
довольно точно определяют микроагрегаты и элементарные
частицы размером 1—50 мкм (0,001—0,05 мм).
Приборы седиграф 5000 Д и счетчик Культера (модель ТА)
привлекают автоматикой и быстротой всего процесса анализа.
15
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ГРАНУЛОМЕТРИЯ
Почти все методы предполагают приготовление водных
суспензий. При этом диаметр частиц определяется в зависимости
от скорости падения в стоячей воде или вымывания их из
образца струей различной скорости. Однако осаждение частиц
в обоих случаях обусловлено не только размером, но и их
плотностью и формой. Частицы плитчатой формы осаждаются
ребром или плоскостью, причем в первом случае могут оказаться
в высоко дисперсной фракции и в более крупных фракциях, во
втором — при осаждении в плоскости. Во всех методах
определяются фракции одинаковой гидравлической ценности.
Гидравлическая ценность — способность частиц осаждаться
в стоячей воде или передвигаться со струей воды с одинаковой
скоростью. При этом в определенную фракцию
гранулометрического состава могут попадать частицы разных размеров, форм
и плотности. Так, содержащие гумус при большом диаметре
могут оказаться в мелких фракциях, а частицы с высоким
содержанием железистых минералов, плотностью >3 единиц,
несмотря на их малый диаметр могут быть в более крупной
фракции гранулометрического состава. В этом легко убедиться, если
просмотреть выделенные фракции в микроскоп с
окуляр-микрометром.
Все методы гранулометрического анализа можно разделить
на методы отмучивания движущимся потоком воды и анализ
в стоячей воде с использованием эмпирических скоростей
падения частиц, на основе закона Стокса.
Методы отмучивания частиц струей различной скорости (Не-
беля, Шене, Копецкого, Сабанина и др.). Почву к
механическому анализу подготавливают как обычно — растирают и
просеивают через сито в 1 мм. При определенном соотношении
воды и почвы суспензию кипятят. Затем ее пропускают через
сито 0,25 и 0,1 мм и отмучивают более мелкие частицы на
приборах вышеперечисленных авторов (Н. А. Качииский, 1965).
Скорость для отмучивания частиц разного размера
устанавливали эмпирически. Так, по формуле Шене диаметр частиц (D)
вычисляли из выражения D = 0,0314 • -\ПР (формула
ограничена величиной скорости V 0,1—12 мм/с). Диаметр частиц (0,1;
0,05; 0,01 мм), выделяемых на аппарате Шене, соответственно
пропорционален скоростям осаждения движущейся струей (7;
2; 0,2 мм/с).
При анализе выделяли (по разности) фракции 1—0,25 мм;
0,25—0,05; 0,05—0,01 и менее 0,01 мм.
Методы Шене и Копецкого используют в некоторых странах
для механического анализа легких по1 механическому составу
почв, в нашей же стране их не применяют.
Принцип отмучивания частиц струей может быть
использован для разработки методов определения эродируемое™
почв.
16
Разделение частиц в стоячей воде по методу Сабанина.
Существует несколько методов отмучиваиия частиц в стоячей
воде, наиболее известны методы Вильямса (1894 г.) и Сабанина
(1903 г.), основанные на зависимости скорости падения частиц
в воде от их размера. Приводим соответствующие данные
Сабанина.
Диаметр частиц^
мм
0,05
0,01
0,005
0,001
Скорость
падения, мм/с
2
0,2
0,046
0,0012
Время осаждения
частиц из столба
воды в 1 см
5 с
50 с
36 мин
2 ч 24 мин
Вследствие малой скорости падения высокодисперсных
частиц, а следовательно, длительного осаждения их и большого
расхода воды, для анализа глинистых почв оба метода не
применяются. Метод Сабанина можно рекомендовать для анализа
легких песчаных почв, когда фракции от крупного до мелкого
песка выделяют на ситах, а тонкий песок, крупную пыль и
физическую глину— отмучиванием.
Анализ проводится на приборе Сабанина (рис. 3). Навеска
почвы 4 г. Если почва карбонатная, то 10 г ее предварительно
декальцииируют по методу Качинского, и из бескарбоиатиой
почвы берут 4 г. Навеску почвы помещают в эрленмейеровскую
колбу (100 мл) и заливают
шестикратным количеством воды; колбу с
суспензией присоединяют к обратному
холодильнику и суспензию кипятят в
течение часа. После охлаждения пробу
переносят в большую фарфоровую
чашку через сито с диаметром
отверстий 0,25 и 0,1 мм. Осадок на ситах
(фракции менее 1 мм) протирают
пальцем до удаления глины. Частицы
менее 0,25 мм сначала разделяют
в фарфоровых чашках, а затем в
стеклянных стаканах или цилиндрах,
отчего метод и получил название
двойного отмучиваиия. Сначала
необходимо установить прибор в рабочее
состояние, проверить горизонтальность
верхней и нижней площадок штатива
(с помощью уровня) и исправность
сифона. Для этого на верхнюю площадку
ставят малый стакан с делениями от
2 до 4 см. Наливают в него воду,
опускают сифон на глубину 2 см от
поверхности воды и сливают верхний
слой воды. После проверки
приступают к анализу,
Рис. 3. Прибор Сабанина
для гранулометрического
анализа почв:
У — сифон; 2 — штатив; а —
большой градуированный ста.
кап; 4 •— мешалка; Л -
приемник вместимостью 0,6 л.
17
Суспензию в большой чашке взмучивают лопаточкой и через
30 с переносят в малую фарфоровую чашку. Из нее через 60 с
после взмучивания содержимое переносят в малый стакан,
а в чашки наливают дистиллированную воду. Из малого
стакана через 100 с после взмучивания сливают
двухсантиметровый слой суспензии. За это время частицы крупнее 0,01 мм,
имеющие скорость 0,2 мм/с, пройдут слой в 2 см, а частицы
менее 0,01 мм, падающие с меньшей скоростью, будут
находиться во взвешенном состоянии и удаляться. Отмучивание
суспензии через установленные сроки ведется до тех пор, пока
жидкость в чашках и в стакане (верхний двухсантиметровый
слой —2—4 см) станет прозрачной, причем после двух-трех
сливаний почву в чашке надо растирать надетым на палец
резиновым колпаком или каучуковым пестиком. В суспензии
приемника будут находиться частицы менее 0,01 мм.
После отмучивания суспензию из чашек переносят в стакан,
из которого делают один-два контрольных сливания и затем
почву переносят в большой стакан прибора Сабанина.
Устанавливают сифон в стакане на глубине 6 см от поверхности
суспензии и наливают воду до отметки 12 см. При такой установке
прибора проверяют отделение частиц менее 0,01 мм, для чего
суспензию взмучивают и наблюдают за просветлением. Если
через 300 с слой жидкости от 12 до 6 см будет прозрачным, то
указанные частицы отделены полиостью. В противном случае
отмучивание продолжают.
Частицы менее 0,01 мм, собранные в стакане, или разделяют
на фракции с помощью метода пипетки или выбрасывают, а
количество их в процентах определяют по разности между 100 %
и суммой определенных частиц.
Остаток в стакане состоит из мелкого песка (0,1—0,05 мм)
и крупной пыли (0,05—0,01 мм). Их разделяют отмучиванием
слоя от 12 до 6 см через 30 с. За это время частицы более
0,05 мм, падающие со скоростью 2 мм/с, пройдут слой
толщиной 6 см, а меньшие во взвешенном состоянии будут попадать
в приемник. Отмучивают до просветления слоя. Почву из
большого и малого стаканов переносят в сушильные стаканчики,
высушивают до постоянной массы и вычисляют в процентах
к абсолютно сухой массе.
Таким образом, по методу Сабанина выделяют частицы:
3—1 мм (гравий), 1—0,5 мм (песок крупный), 0,5—0,25 мм
(песок средний), 0,25—0,1 мм (песок мелкий), 0,1—0,05 мм
(песок тонкий), 0,05—0,01 мм (пыль крупная) и менее 0,01 мм
(физическая глина).
Метод Сабанина применяется для почв легкого
механического состава, в которых содержание физической глины не
превышает 10—15 %.
Свойства песчаных фракций изучены недостаточно.
Известно, что тонкий песок (0,1—0,05 мм) способствует
улучшению физических свойств песчаных почв. Пески и песчаные
18
почвы легко подвергаются дефляции — ветровой эрозии.
Интенсивность образования и перемещения эоловых взвесей зависит
от их диаметра и пропорциональна квадрату скорости ветра
(Арманд). Нанос слоем 0—20 см на расстоянии 150 м от очага
дефляции преимущественно (70—90 %) состоял из частиц 0,25—
0,05 мм (Гаель). Знание механического состава песчаных почв
и песков необходимо для физической, водно-физической
характеристики их, а также для разработки противодефляционных
мероприятий.
Ученые (А. Г. Гаель и др.) рекомендуют полиминеральиые
пески (Кызылкумы, Каракумы, сибирские реки)
классифицировать по Качиискому. Для мономинеральных кварцевых
бескарбонатных песков предлагается следующая классификация
в зависимости от содержания частиц (%) мельче 0,01 мм.
Песчаные <2,5
Слабоглинисто-песчаные 2,5—5,0
Глинисто-песчаные 5,0—7,0
Легкосупесчаные 7,0—12,0
Среднесупесчаные 12,0—15,0
Тяжелосупесчаные 15,0—20,0
Выделение из почв и грунтов частиц различного размера от-
мучиванием. Дезагрегацию почвы производят методом мокрого
растирания или химическим путем по методу Качинского.
Метод мокрого растирания применим к дерново-подзолистым,
серым лесным почвам и некарбонатным черноземам. Скорости
падения частиц почвы в воде рассчитывают по формуле Стокса
или берут из таблицы 7.
Для выделения частиц берут навеску почвы от 50 до 500 г
в зависимости от задачи. Для минералогического анализа
достаточно 50 г, для изучения физических свойств и химического
состава почвенных частиц берут большие навески.
Концентрация суспензии в сосуде для отмучивания должна быть не более
3 %. В случае сильно засоленных почв (солончаки) в отдельной
навеске 20 г путем промывки водой (до прекращения реакции
на С1~ и SO42"") определяют количество легкорастворимых
солей. По разности массы сухой почвы до и после промывки
определяют потерю массы за счет легкорастворимых солей.
Навеску почвы, увлажненную до состояния густой пасты,
растирают в течение 30 мин в фарфоровой ступке пестиком с
резиновым наконечником. Затем добавляют дистиллированную воду
(до жидкого состояния) и переносят почву на сито с диаметром
отверстий 0,25 мм. Собранную на сите фракцию 1—0,25 мм
отмывают (при легком растирании) от глинистых частиц до тех
пор, пока с сита будет идти совершенно прозрачная вода;
частицы почвы с сита помещают в стаканчик и высушивают. Так
собирают и определяют средний и крупный песок диаметром
1—0,25 мм.
Выделение частиц размером менее 0,001 мм.
После растирания влажной почвы в чашке в нее добавляют
19
дистиллированную воду, суспензию для отмучивания переносят
в цилиндр путем сливания. Перед каждым сливанием почву
в чашке растирают с небольшим количеством воды пестиком
с резиновым наконечником и оставляют на 10 мин.
После этого срока крупные частицы суспензии осядут на
дно. Суспензию со взвешенными частицами переносят в
цилиндр. Для отмучивания берут цилиндр высотой 35 см,
диаметром около 10 см, вместимостью 3,5 л; на сосуде делают отметку,
до которой впоследствии доливают воду. На 7 см ниже первой
отметки наносят вторую отметку, до которой сливают суспензию
при отмучивания частиц размером менее 0,001 мм. Сифон для
сливания суспензии должен иметь боковые отверстия для
всасывания, как в пипетке для механического анализа, или его
конец должен быть загнут кверху под углом 45°; для
погружения сифона на заданную глубину на него на расстоянии 7 см
от нижнего конца надевают резиновое кольцо.
Отстаивание суспензии при отмучивании частиц размером
<0,001 мм длится около суток. В начале, середине и в конце
срока отмечают температуру суспензии, для чего рядом ставят
цилиндр с термометром. Из трех отсчетов выводят среднюю
температуру и затем по таблице 6 устанавливают срок
сливания суспензии. При одном сливании получают около 500 мл ее.
Для полного удаления частиц ила требуется 10—20 сливаний
и более. После каждого цилиндр вновь доливают суспензией из
фарфоровой чашки до тех пор, пока в последней слой воды над
осадком не станет прозрачным. После этого содержимое чашки
переносят в цилиндр, где отмучивание продолжают до момента
просветления слоя от поверхности до 7 см. Для выделения
частиц <0,001 мм из воды собранную суспензию фильтруют через
воронку Бюхнера под вакуумом. На дно воронки помещают
прокладку из сатина, затем плотный фильтр (с синей лентой)
или бумагу для хроматографического анализа; воронку
вставляют в толстостенную колбу конической формы (колба Бун-
зена), к отростку которой присоединяют водоструйный насос,
создающий разрежение внутри колбы. При хорошей
герметичности вакуум держится несколько часов без работы насоса.
Первые мутные порции фильтрата возвращают снова на фильтр.
Когда фильтрация сильно замедляется вследствие накопления
осадка, последний снимают с воронки. Для этого колбу
отъединяют от насоса, фильтрат сливают, с воронки снимают фильтр
с осадком. Осадок переносят в фарфоровую чашку. В воронку
вставляют новый фильтр в случае разрушения старого и
фильтрацию продолжают. Во избежание смены фильтрата
накопившийся осадок можно периодически снимать ложечкой в
фарфоровую чашку. Осадок частиц размером <0,001 мм доводят до
воздушно-сухого состояния, растирают в фарфоровой ступке,
просеивают через сито с отверстиями диаметром 0,1 мм и
хранят в стеклянной банке, откуда и берут навески ила для
анализа.
20
Выделение частиц размером 0, 005 — 0,001 мм.
Оставшийся после выделения частиц ила (<0,001 м) осадок
в сосуде взмучивают, примерно через час (точное время
сливания устанавливают по температуре суспензии с помощью
таблицы 6) сливают слой суспензии в 10 см. После отмучивания
собранной суспензии вновь доливают в сосуд
дистиллированную воду до нужного уровня, взмучивают и сливают. Так
продолжают до просветления слоя в 10 см. Оставляют
отстаиваться, прозрачную воду сливают, осадок подсушивают.
Выделениечастицразмером 0, 01 — 0, 005 мм. От-
мучивание ведут в том же порядке. После удаления частиц
размером 0,005—0,001 мм осадок взмучивают и через 17 мин
сливают слой суспензии в 10 см. Точно срок сливания
устанавливают по температуре суспензии. После отстаивания слитой
суспензии слой прозрачной воды сливают. Собрав всю фракцию
в приемнике, осадок фильтруют и сушат на воздухе.
Выделение частиц размером 0,05 — 0,01 мм. Ход
работы такой же, как и при выделении предыдущих фракций.
Сливают слой суспензии в 25 см через 100 с. Точно срок
сливания устанавливают по таблице 6.
После отмучивания последней фракции в цилиндре
останутся частицы почвы размером 0,25—0,05 мм.
Таким образом, в результате описанных выше приемов
оказываются выделенными шесть фракций почвы размером 1—0,25;
0,25—0,05; 0,05—0,01; 0,01—0,005; 0,005—0,001; <0,001 мм.
Для изучения физических, физико-химических свойств,
химического и минералогического состава нужно иметь около
50—100 г каждой фракции почвы, а для одного последнего
достаточно 5—10 г.
Подготовка почвы для механического анализа методом
растирания применима не во всех случаях; для карбонатных и
гипсовых горизонтов почв и грунтов, для почв красноземного
типа с подвижными полуторными окислами требуется
химический метод подготовки. Наличие в этих почвах сильных
коагуляторов почти исключает возможность выделения мелких
фракций. В этих случаях используют метод химической обработки
почвы по Н. А. Качинскому.
При отмучивании ила и мелкой пыли накапливаются
большие объемы суспензий. Для выделения из них фракций в*
настоящее время применяют методы центрифугирования,
коагуляции и осаждения частиц постоянным электрическим током.
Осаждение ила коагуляцией. Выделение из
суспензии ила путем фильтрации — операция длительная. Для
некоторых определений минералогического состава,
теплоемкости и других ил из суспензии можно выделить электролитами.
Для этого после каждого сливания в суспензию добавляют 2—
3 капли крепкой НС1. Частицы почвы коагулируют.
Просветленную жидкость удаляют; следующее сливание делают в этот же
сосуд. После отмучивания ила осадок промывают дистиллиро-
21
/
Рис. 4. Ареометр для определения плотности почвенной
суспензии:
\J 1 — стержень; 2 —■ луковица.
ванной водой путем декантации до тех пор, пока гель
осадка не перейдет в золь (3—5 промываний). Затем
воду из осадка удаляют путем выпаривания на
водяной бане (до тестообразной массы). Осадок
досушивают на воздухе, растирают в ступке, просеивают
через сито с отверстиями диаметром 0,1 мм и хранят
в стеклянной банке с притертой пробкой.
Осаждение ила электрическим током.
2 В суспензию опускают два электрода на расстоянии
25—30 мм друг от друга. В качестве анода ( + )
используют пластину, покрытую свинцом или сплавом
его с сурьмой. В качестве катода берут медную сетку.
Напряжение источника тока 75—150 В. Для
регулировки напряжения тока используют селеновый
выпрямитель типа ВСА-5 или ВСА-6 через ЛАТР-1.
Сила тока в цепи 2,5—5 А. Площадь анода должна
быть такой, чтобы обеспечить плотность тока на его поверхности
от 5 до 10 мА/см2. Для регулировки параметров тока в цепь
включают амперметр и вольтметр. После пропускания тока
через суспензию в течение нескольких минут анод извлекают и
снимают с его поверхности ил. Анод опускают в сосуд несколько
раз — до просветления суспензии. По данным Н. В. Логвиненко
и А. А. Лазаренко (1962), за 6—8 мин работы при силе тока
в цепи 2,5—5 А и площади электрода 375 см2 выход ила
составил 20—30 г.
Вынос поглощенных катионов при электрофорезе идет очень
медленно и практически действие электрического тока не влияет
на качество ила.
АРЕОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Ареометрический метод механического анализа предложен
Г. Боуюкосом в 1927 г. Метод основан на измерении плотности
суспензии, изменяющейся во времени по мере оседания частиц.
Для определения плотности суспензии применяют стеклянный
ареометр конструкции Казагранда (рис. 4), на шкале которого
нанесены деления от 0,995 до 1,030 с точностью до 0,001;
отсчеты производят на глаз с точностью до 0,0001. Длина стержня
ареометра 14—15 см, диаметр —0,05 см; длина луковицы 15—
17 см, диаметр — 3 см. Градуируют ареометр при 20 °С.
Плотность воды при этой температуре приравнивается к
единице. Для удобства в работе и при расчетах берут
упрощенный отсчет: отбрасывают единицу, а запятую переносят на
три знака вправо, например отсчет 1,0262 записывают как
26,2 (Я).
22
3. Шкала поправок на температуру к отсчету ареометра
Температура
суспензии, СС
Поправка к отсчету
по ареометру
вычитается
Температура
суспензии, °С
Поправка к отсчету
по ареометру
прибавляется
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
1,2
1,2
1,2
1,1
1Д
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,6
0,6
0,5
0,4
0,3
0,3
0,2
0,1
0,0
20,0
20,5
21,0
21,5
22,0
22,5
23,0
23,5
24,0
24,5
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
28,0
28,5
29,0
29,5
30,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,3
1,4
1,5
1,6
1,8
1,9
2,1
2,2
2,3
Поправка на мениск (А/?). Ареометр градуируют по
нижнему мениску, но вследствие непрозрачности суспензии отсчеты
приходится производить по верхнему краю мениска. Поэтому
перед началом работы устанавливают поправку на мениск,
погружая ареометр в дистиллированную воду температурой 20 °С.
Берут отсчет по нижнему и верхнему мениску и разницу
умножают на 1000. Например, отсчет по нижнему краю мениска —
0,9990, по верхнему — 0,9986. Искомая поправка: 0,9990—
—0,9986=0,0004x1000 = 0,4. Вычисленная поправка на мениск
является постоянной для данного ареометра, и ее прибавляют
к каждому отсчету.
Поправка на температуру. На показания ареометра влияет
температура суспензии. Разница температур в 2 °С дает ошибку
в определении около 2 % ■ Поэтому необходимо весь анализ
вести при одной температуре или точно замерять ее, с тем
чтобы по таблице 3 определить поправку. При температуре
суспензии более 20 °С величину поправки прибавляют к
показанию ареометра, при температуре менее 20 °С — вычитают.
При измерении плотности суспензии ареометром необходимо
учитывать, что на луковице ареометра могут оседать частицы
почвы. Количество осадка зависит от времени нахождения его
в суспензии, от концентрации последней и в значительной
степени от характера почвы. Во избежание ошибки отсчет не
должен занимать более 5—10 с, а ареометр после отсчета
необходимо вынимать и очищать от осевших частиц грунта. Кроме
23
того, концентрация суспензии не должна превышать 30 г/л, и
опыты следует вести в цилиндрах диаметром не менее 6 см.
Ход анализа. Берут навеску почвы в 30 г. Подготовку почвы
к анализу проводят по методу Качинского или другим
принятым для данных почв методом. После кипячения суспензию
переносят в литровый цилиндр через сито (с отверстиями
диаметром 0,1 или 0,25 мм), доводят до температуры воздуха
лаборатории, взбалтывают в течение минуты и через 20 с в цилиндр
опускают ареометр, который должен свободно плавать. Через
10 с делают первый отсчет, а следующий через 2—3 мин, после
чего ареометр вынимают из суспензии и ополаскивают.
Дальнейшие замеры проводят через 5, 15, 30 и 60 мин, а затем
через 6, 24 и 47 ч. Ареометр опускают в цилиндр за 10—15 с до
начала отсчета, после отсчета вынимают и до следующего
замера держат в цилиндре с водой.
Ниже приведена форма записи при работе с ареометром.
очвы
1 с
но сухая
почвы, г
бсолют
авеска
< н
№
ft
гура с
Темпера
зии, °С
ал из а
и
СО
ачала
ремя н
PQ
о
а со
ремя, протек
ачала анализ
«и
чальные по-
ареометра
ервона
азания
Ей
is
Я 2
о *
S3
оказан
поправ
С +
+
*•* 5
о **
8-Я
SS
оказан
поправ
атуру
G+&
Я
с?
части
иаметр
ЬС |
1
а-м
*• s
со Л
«И
Определение диаметра и количества частиц
почвенной суспензии. При вычислении диаметра частиц
пользуются формулой Стокса
V-
D*
•981-
&х — d
где V — скорость падения частиц, см/с, £ —диаметр частиц, см; d[~
плотность твердой фазы почвы, ед. изм.; d — плотность воды; г\ — вязкость воды
в пуазах при данной температуре.
Выражая диаметр в мм, можем написать
D2^v Ч4-9-100
Принимая
(й —<*)-98Ь2
«П1800
(di —d)981
= Л,
получим
я
D = <^Av,
где и—— (Я —путь частиц, см; Г —время падения частиц, с),
24
Определение Диаметра частиц производят графически. Для
этой дели предложена номограмма (рис. 5), в которой
отдельные составляющие формулы Стокса представлены в виде
прямых:
1) подкоренное выражение А • 103; 2) температура (/°)
суспензии; 3) плотность (di) твердой фазы почвы; 4) диаметр (Ь)
*_ частиц почвы, мм; 5) скорость
(v) падения частиц, см/с;
6) интервал времени (Т)
отсчета по ареометру; 7) правая
сторона (R) — тысячные
деления ареометра, отмеченные
у поверхности суспензии, при
всех возможных погружениях
ареометра; левая сторона
(Hr) — расстояние, см, от по-
5
о
qooot Щ
#-7
Щ=.9
г-JF
з
[-100
EZ40
ЬгЗО
Ъг20
30-1
25 А
юоо-М
воо-Щ
600-Щг- 10
0,001^
ш:7
Ш9
Ofll-%
2
3
4
5
е
"Т" 100 JM
80Ц
Щ
304
20 4
*-7
9
VW
400
300
200-£
5
t-1000
-Ъ-80О
W-7
3~£
2
/Н
-J— 25
-400
'300
8 -I
-Еюо
•80
Y-30
-20
Т® •
h ®*
Ф:7
Wz9
Я-
3~
У®
6+
7-
8-
9±
10+-
12-
14-
16-
1в\
20+
25;
30-
35+
40+
©
-к* J~
+30
4-25
•$•20
■§■15
•4-ю
4+
5-
8?t
~f2>° 8±
-f 1$+0}001
4-21
-1-2,6
Ms
-2,9
-з,о
±3,1
<v<s
3=
Щ
9:+qoi
2lt
6-3-
7-r-
9zT°>f
Z7©
Рис. 5. Номограмма для определения размера частиц почвы с помощью
ареометра;
;— А • 103; 2 — температура в eC (t); 5 —плотность твердой фазы почвы {di)\ 4
—диаметр частиц в мм (Д); 5 —скорость в см/с; (V)', 6 — время в с (Я; 7 —: высота в см
от поверхности суспензии до центра водоизмещения (#д).
25
верхносгй суспейайй до центра водоизмещения, получающееся
при погружениях ареометра и соответствующее пути,
проходимому частицей от поверхности до центра ареометра.
Шкала R и соответствующая HR см вычисляются для
каждого ареометра отдельно и зависят от размеров его частей:
я*- ——+а~^г>
где #-— число тысячных делений ареометра, N=30; /? — число тысячных
делений на шкале ареометра от 1,000 до поверхности суспензий; / — длина
шкалы от нижнего деления ареометра, от 1,030 до 1,000 — величина,
постоянная для ареометра; а —расстояние от нижнего деления ареометра 1,030 до
центра; водоизмещение луковицы в см-—величина, постоянная для данного
ареометра; Vo— объем луковицы до деления 1,030 на шкале; F — площадь
сечения цилиндра, в котором производится анализ.
Определение величин, входящих в формулу, приведенную
выше, производят следующим образом. Объем луковицы
ареометра Vo определяют в градуированном цилиндре емкостью
1000 или 500 см3, высотой около 40 см, диаметром 6 см. Для
этого в цилиндр наливают 900 или 400 мл дистиллированной
воды (по нижнему мениску), имеющей £=20 °С. В цилиндр
опускают ареометр до деления 1,030 (по верхнему краю мениска),
отмечают увеличение объема, например 964—900=64 см3, что
и будет соответствовать формуле
-^=32 см3.
2
Определение величины а: ареометр вновь погружают в воду
до тех пор, пока объем воды, вытесненный ареометром, не
будет равен 32, тогда центр водоизмещения луковицы будет
находиться на поверхности и величина а будет равна расстоянию
от поверхности воды до нижнего деления ареометра 1,030,
которое замеряют с помощью линейки. Пусть а=9,5 см. Величина
/ — расстояние в см от верхнего деления ареометра 1,000 до
нижнего 1,030, измеряется непосредственно: /=10,15. Величина
N постоянная для данного ареометра и в нашем случае равна 30.
Площадь цилиндра f== ——— (где D — внутренний диаметр
4
цилиндра, равный 6 см) соответственно будет равна
Pss 3,14.36 ==2826 CM2.
4
Я — число переменное и соответствует количеству тысячных
долей по шкале ареометра от уровня суспензии до деления
1,000.
Пусть /?=29. Подставляя в формулу значения определенных
величин, получим
* 30 > -г ' 56i52
26
Взяв различные значения jR (от 1,000 до 1,030), определяем
соответствующие им величины HR пути, проходимые частицами
при любом погружении ареометра. Наносим на правую сторону
прямой 7 величины /?, а соответствующие им значения HR —
на левую сторону, получаем полностью прямую 7 для
номограммы.
Пользуются номограммой следующим образом. Примем, что
плотность твердой фазы почвы 2,75, температура суспензии
18 °С, время от начала опыта 30 мин, показание ареометра с
поправкой на температуру и мениск 20,35 (R). Для определения
диаметра частиц, не осевших через 30 мин, берут линейку и
накладывают на прямую 3 в точке 2,75 так, чтобы линейка
проходила через 18 °С на прямой 2 и пересекла прямую /. Точка
пересечения 11,0, что отвечает подкоренному значению А-103.
Для определения скорости падения частиц в см/с на прямой
7 отыскивают точку 20,35, накладывают на нее линейку так,
чтобы она прошла через прямую 6 в 30 мин, и тогда на
пересечении линейки с прямой 5 получим скорость падения частиц и=
= 0,0080 см/с. Соединяя эту точку с точкой на прямой /, равной
11,0, определяем диаметр частиц данного замера: 0,0110 мм по
прямой 4.
Вычисление процентного содержания фракций производится
по формуле
d\ — d m
где В — процентное содержание фракций менее данного размера; dx —
плотность твердой фазы почвы; с?— плотность воды; /п — абсолютно сухая
навеска (30 г); R — отсчет по ареометру с поправкой на мениск и
температуру.
ТТ 1 d\ 100 о Г,
Часть формулы —. является константой К и для
&\ — d ш
данного анализа почвы равна:
2,75 100
iC =
2,75 — 1 30
Тогда
В%= ## + 20,35.Д\
Сравнительное изучение ареометрического метода и метода
пипетки (по Качинскому) показало, что при определении с
помощью ареометра количество мелкого песка оказывается
завышенным вследствие оседания частиц на плечи ареометра.
Ареометр дает неточные показания при определении илистой
фракции, особенно при начальной плотности суспензии в 1 % •
Увеличение концентрации суспензии до 3 % повышает точность
определения мелких фракций и уменьшает крупных.
Удовлетворительно совпали данные, полученные этими двумя методами,
для почв тяжело- и среднесуглинистых; и значительно
расходились — для глин и супесей.
27
Ареометр неустойчив в суспензии. Погружение его через
различные интервалы времени нарушает состояние суспензии, что
влияет на результаты анализа. Однако по сравнению с методом
пипетки ареометрический метод менее трудоемок. Ввиду того
что подготовка почвы для анализа в этом методе
осуществляется по методу Качинского, при характеристике почв следует
пользоваться классификацией того же автора.
ГРАНУЛОМЕТРИЯ НА ОСНОВЕ ЗАКОНА СТОКСА
В основу современных методов гранулометрии, более точных,
чем методы отмучивания, положен закон Стокса. Формула
Стокса была принята для гранулометрического анализа почв на
втором международном конгрессе почвоведов в Москве
в 1930 году.
Падение твердых частиц в жидкости происходит медленнее,
чем в воздухе, вследствие уменьшения массы их на массу
вытесненной ими жидкости и сопротивления последней,
направленного в сторону, противоположную движению частиц. Скорость
падающей частицы некоторое время увеличивается, а затем
движение становится равномерным, с постоянной скоростью. Сила
тяжести (гравитации) частицы Р равна массе ее в воде:
р = -±-яг3.
3
Сопротивление жидкости падающей частицы R
пропорционально ее радиусу г, скорости падения v и вязкости жидкости г\
и дается в виде уравнения R — 6nr\rv. При постоянной скорости
падения, когда Р=Н, D — плотность частицы, d—плотность
воды, g — ускорение силы тяжести, можно написать: — Jtr3(D —
о
—d)g=6ttv]rv,
откуда
„„JL^JDz^L* (1)
9 Г]
Решаем уравнение в отношении
= _1_д/ 31_
JT V (D-d)t
(2)
- =Л — постоянная. Уравнение (2) принимает
Для данной системы величина
з
^2 V (D
И
удобный вид для расчета v. Так как t> = , где Я—путь,
пройденный частицей за время t, то
т-A+fE.. (З)
28
При выводе закона Стокса были сделаны допущения. Так,
частицы не должны подвергаться броуновскому движению,
которое наблюдается у частиц размером 1—2 мкм (10 см). В то
же время размер частиц для применения формулы Стокса
определяют из соотношения Аллеиа. Скорость частиц «должна быть
равна или меньше отношения -^—,
dr
где d — плотность воды, г — радиус, г\ — вязкость.
Расчет показывает, что уравнению Стокса подчиняются
частицы менее 0,005 мм. В настоящее время его применяют для
частиц с диаметром 0,05—0,001 мм (50—1 мк).
Стенки сосуда не должны оказывать влияния на скорость
падения частиц. Этому условию вполне отвечают цилиндры
диаметром 4—5 см, широко применяемые в практике дисперсного
анализа. При использовании цилиндров разного габарита
в уравнение Стокса вводится поправка Ladenburg'a:
o=JL^ &=£ ,
9 (i+2,B)(l + 31-JL)n
где г—радиус сосуда, h — высота слоя жидкости в нем.
Концентрация суспензий не должна быть высокой, с тем
чтобы падающие частицы не сталкивались друг с другом. Oden
экспериментально показал, что концентрация не должна
превышать 1 %.
Другое требование закона Стокса — гладкая твердая
сферическая поверхность частиц. Почвенные же частицы имеют
разнообразную форму, (кварцевые — сферическую, слюдяные —
пластинчатую и т. д.). Скорость падения нешаровидных частиц
будет зависеть от ориентации их и может изменяться за период
седиментации Например, частица пластинчатой формы будет
быстрее падать при ориентации ее ребром вниз, чем плоскостью.
Вследствие этого частицы, падающие с одинаковой скоростью,
могут быть различной формы и размера. Диаметр частиц,
рассчитанный из основной формулы закона Стокса при одинаковой
средней скорости падения, принято называть эффективным.
Движение частиц должно быть ламинарным, а скорость
падения постоянной в течение всего времени наблюдения.
Последнее условие осуществляется довольно быстро. Так, кварцевые
частицы диаметром 0,1 мм при температуре воды 20 °С и
вязкости воды 0,01 пуаза имеют постоянную скорость падения через
0,032—0,027 с. На скорость седиментации оказывают большое
влияние специфические особенности суспензий и внешние
условия.
Суспензия должна быть устойчивой без пузырьков воздуха,
движение которых обычно направлено в сторону,
противоположную оседающим частицам, не коагулировать в процессе ана-
№
4. Вязкость воды и скорость падения частиц размером 0,001 мм
при различной температуре
Температура, °С
Вязкость воды, см-1/**""1
Скорость падения
частиц, мм/с
10 0,01301 0,00070
15 0,01138 0,00081
20 0,01006 0,00092
25 0,00895 0,00103
лиза. Дисперсионная среда в процессе седиментации должна
оставаться в состоянии покоя при постоянной температуре,
изменение которой влияет на скорость частиц (табл. 4), на
вязкость среды и может вызвать конвекционные токи в суспензии.
Следует иметь в виду возможность возникновения последних
вследствие различного нагрева стенок сосуда и суспензии.
Оседающие частицы должны быть с одинаковой пластичностью, без
толстых защитных слоев стабилизаторов и сольватных слоев.
Путь длиной в 7 см частицы размером более 0,001 мм
проходят при температуре среды 10 °С за 27 ч 46 мин 40 с, а при
температуре 25 °С — за 18 ч 52 мин 41 с. Это показывает
важность температурного фактора при изучении явлений
седиментации и использовании их в дисперсном анализе. При
построении кривой седиментации начальный участок соответствует
осаждению самых крупных частиц, а конечный, почти
параллельный оси абсцисс, — оседанию самых тонких фракций. После
полного осаждения дисперсной фазы кривая переходит в
прямую линию, параллельную оси абсцисс.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
НА СЕДИГРАФЕ
Седиграф 5000 Д —один из последних вариантов грануло-
метров, выпускаемых в США фирмой МИКРОМЕРИТИКС.
Прибор измеряет концентрацию суспензии на разных уровнях
с помощью тонкого пучка рентгеновских лучей. Интенсивность
луча преобразовывается и записывается в виде интегральной
кривой на полулогарифмическом бланке. Ось у показывает
относительную плотность суспензии (от 0 до 100%), ось х—
эквивалентный сферический диаметр частиц. Камера с суспензией
в течение опыта находится в • непрерывном движении, которое
синхронизировано с осью х самописца для непосредственного
определения соответствующего эквивалентного диаметра частиц
за прошедший период времени.
Образец диспергируется ультразвуковой установкой с
частотой 80 кГц, вмонтированной в прибор. Суспензия готовится на
растворе пирофосфата концентрации 0,1—0,05 % для
карбонатных почв. При анализе бескарбонатной почвы подготовку можно
вести по методу Качинского — декальцинированием образца.
30
Перед анализом устанавливается нулевая плотность по чистой
воде, пропускаемой через ячейку, 100%-пая плотность
определяется по интенсивности рентгеновских лучей, проходящих через
ячейку, непрерывно промываемую суспензией рабочей
концентрации 2—3 % по массе. При определении положения
кумулятивной кривой относительно осей координат надо выбрать
стартовый диаметр (DCT) и связанную с ним скорость (v)f
используя формулу Стокса и учитывая особенности прибора.
Преимуществом анализа на седиграфе являются быстрота,
точность, автоматизация, отсутствие оператора.
Воспроизводимость анализа —1 %.
Этот метод испытан на кафедре физики и мелиорации почв
МГУ (Березин, Воронин, 1981). Установлено, что для полной
диспергации ультразвуком дерново-подзолистой почвы
требуется 2—6 мин, чернозема —9—11 мин, ферралитных—15 мин.
При анализе на седиграфе в типичном черноземе оказывается
на 9—16% больше ила и до 5% средней и мелкой пыли по
сравнению с пипет-методом Качинского, Согласно
классификации почв, по механическому составу анализ на седиграфе
утяжеляет почву на одну градацию. Например, тяжелый суглинок
по седиграфу соответствует среднему суглинку по методу
Качинского. Различие можно объяснить субъективными
особенностями аналитика, работающего пипет-методом, которые
исключены в сравниваемом методе. Увеличение фракции ила в методе
седиграфа может быть связано с большим дроблением крупных
частиц ультразвуком по сравнению с более мягкой подготовкой
почвы в методе Качинского. Известно, что частицы разной
величины неодинаково реагируют на продолжительность
обработки ультразвуком (Рассказов и др., 1977). Следует отметить,
что данных гранулометрического состава почв, полученных на
седиграфе, очень мало, что затрудняет оценку его для
использования в почвоведении.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
ПО СРЕДНЕЙ ПРОБЕ В СТОЯЧЕЙ ВОДЕ
МЕТОД ПИПЕТКИ
Принцип метода основан на взятии пробы суспензии с
определенной глубины через известные промежутки времени.
Впервые подобный метод был предложен в 1912 году В. Г. Глушко-
вым. Им был сконструирован прибор, который состоит из
стеклянной трубки длиной 10—15 см и диаметром 10—15 мм. Дно
трубки закрывается диском, укрепленным на стержне,
проходящем через трубку. Сверху на стержень навинчивают гайку; при
нажиме на нее отодвигается нижний диск трубки и суспензия
заполняет ее, затем трубку закрывают, пробу переносят в
сушильный стаканчик, выпаривают, высушивают и определяют
ее массу.
3)
Через 10 лет (1922 г.) аналогичные методы были
опубликованы за рубежом (Г. Робинзон, Г. Краус, М. Томас и В.
Гарднер). Для взятия проб суспензии Робинзон предложил обычную
пипетку объемом 20—25 мл; подготовка почвы автором
осуществлялась по международному методу «А».
Метод пипетки был принят и рекомендован
международными конгрессами почвоведов в 1927 и 1930 годах как
стандартный для массовых определений механического состава почв, что
содействовало его распространению.
Рядом исследователей этот метод разработан и уточнен
(П. А. Земятченский, В. В. Охотин, Н. П. Карпинский, С. И.
Долгов, Н. А. Качинский и др.). Заслуживает внимания
предложение Г. Ф. Богданова и П. Ф. Мельникова заменить выпаривание
и высушивание проб определением плотности суспензии с
помощью специальной пипетки,
В Советском Союзе широко применяется метод пипетки в
варианте Н. А. Качинского. Почву диспергируют путем кислотно-
щелочной обработки. Содержание фракций различного размера
определяют методом отбора средней пробы — методом пипетки.
Ниже приведена техника анализа*. Из коробочного образца
берут среднюю пробу воздушно-сухой почвы 100—150 г для
подготовки к анализу. Небольшими порциями ее переносят в
фарфоровую ступку, растирают пестиком с резиновым
наконечником, просеивают через сито с отверстиями в 1 мм и рассыпают
тонким слоем на стекле или глянцевой бумаге. Делят на 10
квадратных участков и роговой ложечкой или совочком
равномерно из каждого квадрата берут почву для составления
средних проб. Для анализа готовят 3 навески:
ТЯЖеЛОСуГЛИНИ- Глтесп
стая и суглиии- w"^*»
стая почва
и пески
Для определения гигроскопической
воды 4—5 г 10 г
Для определения потери от
обработки НС1 10—15 г 20—30 г
Для приготовления анализируемой
суспензии 10—15 г 20—30 г
Чем легче почва по механическому составу, тем большую
навеску нужно брать.
Пробы для анализа отвешивают на часовом стекле, а затем
переносят в фарфоровые чашки. Взвешивают на аналитических
весах с точностью до 0,0001 г, если точность работы принята до
0,01 %. При точности анализа до 0,1 %, что вполне достаточно,
можно взвешивать с точностью до 0,001 г.
Для ускорения процесса предварительное взвешивание
производится на весах ВЛТК-500.
* Дан в описании автора.
32
Перед анализом испытывают почву на карбонатность. На
почву в чашке капают 10 %-ную НС1. О присутствии карбонатов
свидетельствует выделение пузырьков С02. Далее карбонатные
почвы обрабатывают 0,2 молярной НС! до прекращения
выделения пузырьков С02.
В случае сильнокарбонатных почв в результате
нейтрализации кислоты последующие порции ее разжижаются и
вскипания может не быть даже при наличии карбонатов. В таком
случае первые порции раствора из чашки нужно переносить на
фильтр и снова действовать на оставшуюся в чашке основную
массу почвы 0,2 молярной НС1.
После разрушения карбонатов почва постепенно переносится
0,05 молярной НС1 на фильтр в воронке, причем пробы для
определения потери от промывания помещают на заранее
взвешенный фильтр. На фильтре почву промывают 0,05 молярной
НС1 до исчезновения реакции на Са2+. Для этого собирают
немного фильтрата в пробирку, нейтрализуют его аммиаком
(10%), добавляя последний до появления запаха, подкисляют
несколькими каплями уксусной кислоты (10%), добавляют
щавелевокислого аммония (4 %-ный раствор — насыщенный) и
нагревают жидкость до кипения. Наличие кальция будет отмечено
по кристаллическому осадку СаСгС^ после охлаждения пробы.
Затем почву промывают дистиллированной водой до
исчезновения реакции на С1~ (воздействуя на фильтрат 5%-ным
раствором AgN03 в подкисленной 10%-ным раствором HN03 среде).
В случае появления мути в фильтрате (прохождение
коллоидов через фильтр) промывание прекращают даже при наличии
реакции на С1~.
Почвы, не вскипающие от НС1, смачивают в чашке 0,05
молярной НС1. Этим же раствором кислоты их переносят на
фильтры и промывают на последних, как было описано выше, до
исчезновения реакции на Са2+, а потом на СГ~. По окончании
промывания пробы почвы с невзвешенных фильтров поступают для
анализа. Почву с фильтра смывают промывалкой в фарфоровую
чашку слабой струей дистиллированной воды, сам же фильтр
во второй, чистой, чашке очищают от приставших частиц почвы
стеклянной палочкой и отжимают. Если из фильтра выжимается
прозрачная вода, то это указывает на отсутствие в нем
иловатых частиц почвы.
Из обеих фарфоровых чашек суспензию почвы переносят
через воронку в коническую колбу вместимостью 750 см3.
В колбу доливают дистиллированную воду до 250 см3 и
прибавляют молярный раствор NaOH, исходя из емкости
поглощения почвы (1 мл на 10 молей емкости поглощения). Средняя
норма NaOH для типичных почв приведена в таблице 5.
Колбы с содержимым оставляют на 2 ч, через 15 мин
встряхивая вручную круговым движением. После этого кипятят
суспензию с обратным холодильником в течение часа. Кипячение не
должно быть бурным. По охлаждении суспензии почву перено-
33
5. Количество вводимого в суспензию молярного раствора щелочи
для различных типов почв
Почва
Черноземы тучные
Черноземы обыкновенные
Черноземы южные (маломощные)
Каштановые почвы
Бурые почвы
Серые лесные почвы
Сероземы
Подзолистые почвы тяжелые:
горизонты Ах и А2
подгоризонты Blf В2, В3
Подзолистые почвы легкие
Солонцы и солонцеватые почвы в зависимости от их
типа и зоны
Красноземы, горизонт А*
Остальные
NaOH (мл)
6
5
4,5
3,5
3
3
2
1
2
0,5
От 2 до 5
2
1,5
сят в цилиндр через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм.
Сито устанавливают на стеклянную воронку, а последнюю на
литровый цилиндр (диаметр цилиндра 6—8 см). Сито струей
дистиллированной воды тщательно промывают, причем почву
слегка протирают рукой. Оставшиеся на сите частицы почвы
более 0,25 мм струей воды из промывалки смывают в чашку и,
если нужно, разделяют с помощью сит с отверстиями 0,5 и
0,25 мм на фракции 1—0,5; 0,5—0,25 мм. Фракции переносят
в предварительно взвешенные стаканчики; воду из пробы
выпаривают на песчаной или террофузеритовой бане (до полного
высыхания почвы), почву высушивают в термостате при 105 °С
до постоянной массы.
Суспензию в цилиндре доливают дистиллированной водой до
одного литра и анализируют, принимая во внимание скорости
падения частиц в воде согласно закону Стокса.
Практически удобными и оправдавшими себя можно считать
следующие глубины погружения пипетки для выделения
фракций различной крупности: для частиц <0,050 мм —25 см;
<0,010 мм— 10 см; <0,005 мм— 10 см; <0,001 мм —7 см.
Сроки взятия проб с различных глубин, считая с момента
взмучивания суспензии, варьируют в зависимости от
температуры и плотности твердой фазы почвы.
Анализ нужно проводить в помещении с наименьшими
колебаниями температуры. Цилиндры с суспензией при отстаивании
в течение часа или суток следует накрывать картонными
цилиндрическими колпаками, которые будут ослаблять колебания
температуры суспензии и броуновское движение мелких частиц,
а также предохранять суспензию от запыления.
Для измерения температуры во время анализа термометр
помещают в такой же цилиндр с водой, в каком отстаивается
суспензия, причем его также защищают от колебания температуры.
34
6. Плотность твердой фазы различных почв
Я m
5 Ч
ц
со Р*
а я
•я ' я
£ и и
О) СП {*
со о к
Ой
« g я
ЛЯ <U
я
2
<и
о а
5 и
&й
я
я я
я .
S я а
л аа л
о Й н
м « Я
cj Si С.
S.&3
Солонцы
0-20 2,60 —
2,65 2,60
20—40 2,65 2,65
40—100 2,65 2,70
>100 2,65 2,70
Величины брать
по типу той почвы,
в зоне которой они
залегают
2,40 2,55 2,60 2,65 2,60
2,50 2,60 2,65 2,70 2,65
2,65 2,65 2,70 2,70 2,75
2,70 2,70 2,75 2,75 2,80
Поскольку интервал времени между взбалтыванием суспензии
и взятием пробы для определения содержания частиц <0,05,
<0,01 и <0,005 мм невелик, температуру можно измерить один
раз. При учете частиц <0,001 мм температуру следует измерить
трижды: после взбалтывания суспензии, в середине интервала
отстаивания суспензии и перед пипетированием. Из трех
отсчетов вычисляют среднюю температуру воды, которую и
принимают во внимание при выборе скоростей падения механических
элементов почвы в воде.
Что касается плотности твердой фазы почвы, то
рекомендуется брать точную величину плотности данной почвы, тем более
что этот анализ стал почти обычным при характеристике
физических свойств почвы. Для облегчения работы можно
воспользоваться некоторыми рекомендациями на тот случай, когда не
будет конкретных величии плотности анализируемой почвы или
близкого к ней почвенного типа:
1. Считаем возможным ограничить дифференциацию
плотности твердой фазы почвы для целей механического анализа
применительно к следующим глубинам: 0—20 см (пахотный
слой); 20—40; 40—100; глубже 100 см.
2. Можно использовать средние данные по плотности
твердой фазы различных зональных почв для вышеозначенных
глубин (табл. 6). Величины рекомендуем как приблизительные
на основании массовых анализов, имеющихся в нашем
распоряжении, сознательно округляя их до 0,05.
Для почв целинных нужно особо выделять плотность слоя
0—5 см, который сильно варьирует в зависимости от гумусности
почвы и развития дернины, но чаще составляет 2,20—2,50.
В таблице 7 приведены сроки взятия проб суспензии при
анализе с различных глубин в соответствии со скоростями
падения почвенных частиц в воде по Стоксу при различных
температурах и различной плотности твердой фазы почвы.
Расчет скоростей падения произведен по формуле Стокса:
9 т)
где г — радиус падающей частицы; d\—плотность падающей частицы; d —
плотность жидкости, в которой ведется анализ; g — ускорение силы тяжести
при свободном падении тела, равное 981 см/с; г\ — вязкость жидкости.
35
7. Интервалы времени взятия проб при механическом анализе в
Диаметр
частиц (мм)
меньше
Плотность
частиц.
d
Глубина
взятия
проб,
см
Темпера
0,05
0,01
0,0*05
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
0,05
0,01
0,005
0,001
2,40
—
.—
—
2,45
—
—
—
2,50
—
—
—
2,55
—
—
—
2,60
—
—
—
2,65
—
—
—
2,70
L-
—
—
2,75
—
—
—
2,80
—
—
—
25
10
10
7
25
10
10
7
25
10
10
7
25
10
10
7
25
10
10
7
25
10
10
7
25
10
10
7"
25
10
10
7
25
10
10
7
159"
26'ЗГ
1 ч 46,05"
30 ч 5646"
154"
25'36"
1 ч 42'23"
29 ч 52'23"
148"
2445"
1 ч 38'58"
28 ч 55'30"
144"
23'57"
1 ч 3547"
27 ч 5644"
139"
23'12"
1 ч 3248"
27 ч 04'12"
135""
22'30"
1 ч 30f00"
26 ч 15'05"
131"
21' 50"
1 ч 2Г21"
25 ч 28'51"
127"
2Г13"
1 ч 24'52"
24 ч 45'04"
124"
20'39"
2 ч 22'30"
24 ч 03'54"
149"
24'5Г
1 ч 39'27"
29 ч ОО'ОО"
144"
24'00"
1 ч Зб'ОО"
28 ч ОО'Об"
139"
2342"
1 ч 3248"
27 ч 03'59"
135"
22'27"
1 ч 2948"
26 ч 1141"
130"
2145"
1 ч 26'59"
25 ч 22'28"
127"
21'06"
1 ч24'21"
24 ч 36'25"
123"
20'28"
1 ч 2Г54"
23 ч 53'05"
119"
19'53"
1 ч 19'33"
23 ч 12'02" ,
116"
19'20"
1 ч 17'20"
22 ч 33'26"
140",
23'20"
1 н 3349"
27 ч 12'51"
135"
22'ЗГ
1 ч 30' 05"
26 ч 16'35"
131"
2146"
1 ч 27'05"
25 ч 26'04"
127"
2Г04"
1 ч2446"
24 ч Зб'Зб"
122"
20'25"
1 ч 21'37"
23 ч 4841"
119"
1948"
1 ч 19'08"
23 ч 05'26"
115"
1943"
1 ч 16'50"
22 ч 2442"
112"
1840"
1 ч 14'38"
21 4 4649"
109"
18'09"
1 ч 12'34"
21 ч 07'03"
Плотность и вязкость воды в зависимости от температуры
приведены в табл. 8.
Установка для взятия пробы суспензии представлена на
рис. 6 (общий вид). Она состоит из следующих частей:
штатива D\ пипетки А\ колбы С с дистиллированной водой для
промывания пипетки и аспиратора В для засасывания суспензии.
Колба и пипетка закрепляются на штативе с помощью шайб
с винтами. На штативе имеется еще третья шайба К. Она
служит для регулировки погружения пипетки в суспензию на
заданную глубину.
Пипетка длиной 26 см имеет овальную форму, что дает
возможность лучше промывать ее водой. Верхняя часть ее
снабжена жестким развилком в виде двух параллельных трубок. На
36
зависимости от температуры и плотности твердой фазы почвы
тура, °С
20
22,5
25
27,5
30
132"
2Г59"
1 ч 27'54"
25 ч 28'20"
127"
21'13"
1 ч 24'53"
24 ч 45' 15"
123"
20'31"
1 ч 22'0Г
23 ч 55'43"
119"
19'51"
1 ч 19'24"
23 ч 09'23"
Ц5"
19' 14"
1 ч 16'55"
22 ч 25'57"
112"
18'39"
1 ч 14'34"
21 ч 45'09"
109"
18'06"
1 ч 12'24"
21 ч"06'44"
105"'
17'35"
1 ч10'19"
21 ч 30'32"
103"
17'06"
1 ч 08'22"
19 ч 56'28"
124"
2041"
1 ч 2'45"
24 ч 23"
120"
19'59"
1 ч 19'54"
23 ч 18'28"
116"
19'19"
1 ч 17'14"
22ч31'52"
111"
18'41"
1 ч 14'44"
21ч 48' 13"
109"
18' 14"
1 ч 12'24"
21 ч07'17"
105"
17'33"
1 ч 10'12"
20 ч 28'59"
102"
17'02"
1 ч08'10"
19 ч 52'47"
99"
16'33"
1 ч 0643"
19 ч 18'40"
97"
16'06"
1 ч 04'23"
18 ч 40'34"
117"
19'33"
1 ч 18' 13"
22 ч 48'31"
113"
18'53"
1 ч 15'31"
22 ч 01' 15"
109"
18'15"
1 ч 12'58"
21 ч 17'17"
106"
17'39"
1 ч 10'37"
20 ч Зб'ОО"
103"
17'06"
1 ч 08'25"
19 ч 57'26"
100"
16'35"
1 ч06'21"
19 ч 21'13"
97"
16'06"
1 ч 04'24"
18 ч 48'40"
94"
15'38"
1 ч 02'34"
18 ч 14'51"
91"
15'12"
1 ч ЗО'бО"
17 ч 44'23"
111"
18'27"
1 ч 18'49"
21 ч ЗГ48"
107"
17'49"
1 ч 11'15*
20 ч 47'14"
103"
17'13"
1 ч 08'52"
20 ч 05'36"
100"
1640*
1 ч 06'40"
19 ч 26'47"
97"
16'09"
1 ч 04'34"
18 ч 50'16"
94"
15'39"
1 ч 02'38"
18 ч 16'05"
91"
15'12"
1 ч 00'47"
17 ч 43'48"
89"
14'46"
59'04"
17 ч 13'27"
86"
14'21"
57'25"
16 ч 44'42"
105"
17'28"
1 ч 09'55"
20 ч 23'И"
101"
16'52"
1 ч 07'29"
19ч41'05"
98"
16'19"
1 ч05'14"
19 ч 01'40"
95"
15'47"
1 ч 03'08"
18 ч 24'54"
92"
15'17"
1 чОПО"
17 ч 50'20"
89"
14'50"
59'19"
17 ч 1Г52"
86"
14'23"
57'34"
16 ч 47'24"
84"
13' 59"
55'56"
16 ч 18'35"
82"
13'35"
54'22"
15 ч 51'22"
рисунке (слева) эта часть пипетки дана в увеличенном виде.
В верхней части конца пипетки, соединенной с колбой для воды,
впаяна капиллярная трубочка, снабженная в нижней части
отверстиями по окружности. Благодаря этому приспособлению
вода «веером» разбрызгивается на стенки трубки пипетки и
омывает ее. После закрытия крана Y этот же капилляр
препятствует стеканию в пипетку капель воды из каучуковой трубки,
ведущей к колбе.
Конец пипетки запаян, в нем сделаны четыре отверстия по
окружности, через которые засасывается суспензия.
На трубке пипетки тонкими резиновыми кольцами
отмечаются границы для погружения пипетки на глубину 7, 10
и 25 см.
37
Известно, что взять пипеткой
строго определенный (25 см3) объем
суспензии трудно. Для устранения
этого в анализе отмечаем на
пипетке объемы 24; 24,5; 25,0; 25,5; 26 см3,
что позволяет, не изменяя взятого
при анализе объема суспензии при
закрывании крана, рассчитать
результаты анализа исходя из
фактически взятого объема. В пипетке
Васильева после засасывания
суспензии кран закрывается, а
избыток суспензии сливается. Объем
взятой суспензии соответствует
объему пипетки.
В пипетке имеются два крана:
одноходовой Y, позволяющий
регулировать подачу воды из колбы
в пипетку, и двухходовой N для
засасывания суспензии и спуска ее
в стаканчик.
Взятие пробы суспензии
осуществляется следующим образом.
Штатив придвигают к цилиндру.
Передвигая шайбу с пипеткой по
стержню штатива, находят
положение держателя Z, при котором
пипетка может быть погружена в
цилиндр на заданную глубину. После
этого под держатель подводят шайбу К, которую закрепляют
наглухо. Суспензию в цилиндре взбалтывают с помощью
мешалки* быстро повторяющимися (вверх и вниз) движениями —
60 ударов в одну сторону в течение одной минуты.
8. Плотность и вязкость воды в зависимости
от температуры
Рис. 6. Установка для
определения гранулометрического
состава почвы методом
пипетки:
Д — штатив; А — пипетка; С —
колба; В — аспиратор; К — шайба;
У — кран одноходовой; N — кран
двухходовой; Z — держатель.
Температура, °С
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
Плотность воды d
0,999727
0,999466
0,999126
0,998713
0,998230
0,997682
0,997071
0,996400
0,995673
Вязкость водып
0,01301
0,01219
0,01138
0,01072
0,01006
0,009501
0,008948
0,008473
0,007998
* Мешалка — резиновый круг с отверстиями, закрепленный на конце
стеклянной палочкой. Длина палочки 60 см; диаметр 8 мм; диаметр
резинового круга 5 см; диаметр отверстия круга 3 мм.
38
По истечении срока, необходимого для взятия частиц
заданной крупности, с помощью аспиратора в пипетку берут пробу
суспензии. Для этого необходимо пипетку по штативу поднять
вверх, ввести ее внутрь цилиндра, стремясь попасть в центр его
поперечного сечения, и снова (осторожно) опустить до
соприкосновения держателя Z с шайбой К- Затем открывают кран N,
ориентируя изогнутое отверстие в нем в направлении
соединения пипетки с аспиратором.
Пробу в пипетку засасывают медленно: 25 мл суспензии при
определении фракций <0,005 мм — 30 с; фракций <0,01 мм—
25 с и фракций <0,05 мм — 20 с.
Так как время взятия фракции <0,05 мм может значительно
сказаться на точности ее учета, следует начать забор фракции
через 113 с после взбалтывания дисперсии и закончить его
через 133 с.
Аспиратор для засасывания суспензии (см. рис. 6) соединен
тремя каучуковыми трубками с пипеткой, краном, подающим
воду, и водосливом. До анализа бутыль аспиратора наполняют
водой и плотно закрывают пробкой. Перед взятием и во время
взятия проб зажим на сливной трубке слегка приоткрывают для
слабого постоянного оттока воды из аспиратора. По окончании
взятия проб сливную трубку закрывают зажимом.
Взяв пробу (до черты выше резервуара пипетки), поворотом
влево крана выключают аспиратор, вынимают пипетку из
цилиндра и сливают суспензию в тарированный сушильный
стаканчик или тигель, для чего кран снова поворачивают, но уже
на атмосферу. В пипетку поступает воздух. Открыв кран F,
обмывают пипетку дистиллированной водой, которую собирают
в тот же сушильный стакан или тигель. Пробу выпаривают на
бане с песком или террофузеритом и сушат в течение 4 ч при
105 qC до постоянной массы в термостате. Зная массу тары,
находим массу учитываемой фракции.
Почву на воронке с взвешенным фильтром, взятую для
определения потери от обработки НС1, после удаления кальция из
почвы путем обработки 0,05 мольной НО и последующей
отмывки хлора переносят в заранее взвешенный сушильный
стаканчик, высушивают при 105 °С, взвешивают.
Вычисление содержания фракций в % ведется по формуле
v а-1000*100
где X—искомая фракция, °/о, меньше какого-то нужного нам размера
(например, <0,05 мм; <0,01 мм и т. д.); а—масса фракций, г, меньше^йско-
мого размера, найденная при анализе; Ь — объем пипетки, мл; т — Масса
абсолютно сухой навески, взятой для анализа, г.
Массу фракций определенного размера (0,05—0,01 мм; 0,01—
0,05 мм; 0,005—0,001 мм и <0,001 мм) находят путем
вычитания из массы (или процентного содержания) предыдущей
фракции массы (или процентного содержания) последующей. •
39
Пример вычисления:
1 — абсолютно сухая навеска почвы, равная 9,4105 г.
2 — масса фракции (на сите) размером 1—0,25 мм, равная
0,0226 г.
3 —потеря при обработке почвы НС1, равная 0,2832 г.
4 — масса фракций в 25 см3 суспензии (а):
Размер фракций» мм Масса фракций, г
<0,05 0,2121
<0,01 0,1461
<0,005 0,1210
<0,001 0,0770
5. Фракции в % от массы сухой почвы:
Размер фракций, мм Фракция, %
,_0,25 0.0226-100^ 4
9,4106
<0,05 0,2121.100-1000
9,4106-25
Размер фракций, мм Фракция, %
0,1461-1000.100 „Л 1Л
<0,01 г, ,1/чл »g " =* 62'10
9,4106-25
0,1210-1000-100 ^ ^ft
<0-005 9,4106-25 в 5М8
ЛЛЛ, 0,0770-1000.100 ЛЛГ7П
<0'°01 9,4106-25 -32'73
6. Масса фракций в % от массы сухой почвы:
Размер фракций, мм Фракция, %
1—0,25 0,24
0,05-0,01 28,05 = 90,15—62,10
0,01—0,005 10,67 = 62,10—51,48
0,005-0,001 18,75 = 51,48—32,73
< 0,001 31,13 = 32,73—1,6
В суспензию внесено 4 мл мольного раствора NaOH, что
войдет в ил и составит 1,6 % от массы почвы. Истинное содержание
ила будет равно 32,73—1,6 = 31,13.
7. Потеря от обработки почвы НС1: °'2832>1QQ =3,01%.
9,4106
8. Фракция размером 0,25—0,05 мм в % от массы сухой
почвы вычисляется по разности:
100-(0,24+28,05+10,67+18,75 + 31,13 + 3,01)-8,15.
Если в почве имеется фракция гравия 1—3 мм (А), то ее
вводят в 100%, и в таком случае вычисленное содержание
фракций умножается на коэффициент
К = т~А
100
40
При анализе почв легкого механического состава фракцию
на сите разделяют на более дробные. Так, при использовании
сита 0,1 мм с помощью сит с диаметром отверстий 0,5 и 0,25 мм
выделяют частицы 1—0,5; 0,5—0,25; 0,25—0,10 мм. Вычисляется
содержание их в почве в процентах. Сумма их складывается
с фракциями, полученными при пипетировании, и вычитается из
100% для получения фракции 0,1—0,05 мм в процентах. Таким
образом, можно получить детальную количественную
характеристику песчаных фракций легких почв
Тот же расчет можно произвести и иначе: вначале
вычислить массу всех фракций (0,05—0,01 мм и др.) в граммах,
а затем в процентах к сухой навеске.
В почвах карбонатных «потерю» следует выделить особой
графой «сборная фракция», включая ее в 100 % механического
состава почвы.
В почвах, не насыщенных основаниями, потеря от обработки,
обычно не превышающая нескольких процентов, состоит в
основном из несиликатных форм железа и алюминия. В этом
случае ее целесообразно прибавить к илистой фракции.
Принято проводить анализ с использованием литровых
мерных цилиндров. В наших лабораториях изучено влияние
габаритов цилиндров на результаты анализа (Е. И. Кочерина,
В. Е. Кореневская). Доказана допустимость использования для
механического анализа методом пипетки мерных цилиндров на
500 мм при диаметре их не менее 4 см. Использование таких
цилиндров влечет за собой: а) уменьшение анализируемой
навески и реактивов для обработки ее, а отчасти и требуемого для
этого времени; б) уменьшение количества дистиллированной
воды для анализа; в) возможность применения для анализа
массово изготовляемых дюаровских сосудов в 500 мл, хорошо
сохраняющих заданную температуру. Недостатком последних
является более резкое снижение в них уровня жидкости при
отборе проб, о чем следует помнить в случае необходимости
повторных проб.
Ультрамеханический анализ с помощью центрифугирования.
Ил является самой активной фракцией, определяющей
физические и физико-химические свойства почв. Изучению
вещественного состава и дисперсности1 его уделяется большое внимание.
Н. А. Качииский разделяет ил на глинистый — размер частиц
1—0,5 мкм, коллоидный — 0,5—0,1 и коллоиды—<0Д мкм.
Иногда из ила выделяют частицы от 1 до 0,2 мкм — предколло-
идиую фракцию и <0,2 мкм — коллоидную. Коллоидами
считают частицы <0,1 или <0,2 мкм. Разделение ила методом
седиментации — операция очень длительная и трудная. Так,
частицы <0,2 мкм при оседании проходят путь в 10 см в течение
25—30 суток. Для отмучиваиия их надо сделать 10—20
сливаний. При этом достигнуть полного просветления суспензии не
удается.
41
В последнее время для ультрамеханического анализа стали
применять метод центрифугирования (В. А. Чернов и др., 1959;
Р. X. Айдинян и др., 1966), что увеличивает скорость анализа.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
2,4 V 1,0 0,7
0,25 0,05 Ц01 0.005
Диаметр частиц
О lg dux
0,001 ймк
Рис.
ций
Полученные данные механического анализа обычно дают
в виде таблицы, в которой наряду с фракциями приводят
гигроскопическую влажность и потери от обработки почвы НС1
(табл. 9).
По гигроскопической влажности можно приблизительно
проконтролировать данные гранулометрического анализа; что
касается потери от обработки почв НС1, то она имеет
самостоятельное значение. Величина ее
характеризует наличие в почве
легкорастворимых солей и
карбонатов.
Цифровой материал
оформляют графически в виде
интегральной и дифференциальной
кривых, циклограммы,
профильной диаграммы.
Интегральная
кривая (рис. 7, I). По оси
абсцисс откладывают величины
диаметра частиц или их
логарифмы, по оси ординат
вначале откладывают процентное
содержание самой крупной
фракции, затем сумму из
процентного содержания каждой
последующей и предыдущей
фракций. Последнее
слагаемое фракций составит 100%.
На одном графике можно
разместить 3—4 кривых
распределения механических
элементов.
Дифференциальная
кривая (рис. 7, II). По оси
абсцисс откладывают
величины размера частиц или
логарифмы диаметра этих частиц;
по оси ординат — процентное
содержание фракций.
Циклограммы.
Величины процентного содержания
фракций различного размера
7. Кривые распределения фрак-
различного размера в
горизонте А\ солонца:
интегральная (I) и
дифференциальная (II).
| Потеря при обработке XZZATIbWb средне
ЕИЗ Песок средний Ш^Оьтьнцлкан
Ектд Песок мелкий ШЩ и л
Ш&Пшр крупная
Рис. 8. Профильная диаграмма.
42
9. Пример записи данных механического анализа методом пипбткй
(в % массы сухой почвы)
Почва
Горизонт
Глубина взятия 1
образца, см
Гигроскопическая
влажность, % |
Потеря от
обработки 0,05 моль HCI
Фракции, мм
1—0,25
8
о
X
CN
О
0,05-0,01
0,01—0,005
0,005—0,001
о
о
о"
V
Сумма
частиц
размером, мм
о
О
V
о
о
Л
Солонец Л 0—5 1,18 1,03 14,88 48,03 10,54 9,73 14,59 34,86 65,14
столбца0" ft Bl 8"~18 4'60 2'13 °'10 7,7° 31'42 5'45 10,05 43'15 58>ШЗ 41'35
тяжелосугли- вз 20—30 3,33 10,14 7,50 37,25 2,48 9,52 23,11 45,11 54,89
нистый, ило- d 50—60 3,02 19,35 11,34 30,53 4,33 7,63 26,82 38,78 61,22
вато-крупно-
пылеватый
вписывают в круг. При этом длину окружности принимают за
100%. Следовательно, длина дуги, отвечающая углу 3,6°,
соответствует 1 % фракции данного размера.
Профильная диаграмма. Ее составляют при
наличии данных анализа почвы или грунта по глубинам (рис. 8). По
оси ординат откладывают величины глубины. По оси абсцисс
наносят процентное содержание фракций, причем каждую
последующую величину откладывают от предыдущей, Такой
способ изображения широко используется в аналитической
почвенной практике, так как дает наглядное представление о
гранулометрическом составе почвы на всю изучаемую глубину.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЧВ И ГРУНТОВ
ПО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
По данным механического анализа определяют группу почвы
по механическому составу (Н. Н. Сибирцев, С. А. Захаров,
А. Н. Сабанин, В. В. Охотин, Н. А. Качинский). Существует ряд
классификаций почв по механическому составу. Здесь мы
рассмотрим классификацию Н. А. Качинского (1958) и В. В. Охо-
тина (1933) для грунтов.
Классификация Н. А. Качинского. Название почвы по
гранулометрическому составу определяется на основании
количественного содержания физического песка и глины (табл.
10) и по преобладающим фракциям: гравелистой 1—3 мм,
песчаной 1—0,05 мм, крупнопылеватой 0,01—0,05 мм, пылеватой
0,01—0,001 мм и иловатой <0,001 мм.
Классификация разработана в настоящее время для трех
видов почвообразования: подзолистого, степного вместе с
почвами красноземного типа и солонцового.
Если анализируемый солонец содержит физической глины
50%, ила 30%, пыли 20%, крупной пыли 25% и 25%
приходится на остальные фракции, то по табл. 10 на основании содер-
43
10. Классификация почв по гранулометрическому составу
по Н. А. Качи некому
Содержание физической
глины (частиц < 0,01 мм),
%
Почва
5 к
5 R
того
азов.
a р.
я\о
ч 2
° 2
гп Я
еС:г
о о
R R
К
я
типа
азов:
мы и
ы
О Л<и 2
£о (*i 4»
ооо«
степн<
почво
краен
желтс
но-
А
5£
^ »
3 си
Ef С*
Я R 3
ООП
о о о
о и С
! Содержание физического
песка (частиц > 0,01 мм),
%
Почва
R*
5 к
Ей
того
азовг
о а
яо
ч о
о о
СО И
о о
с с
ия,
R
типа
азов;
мы и
ы
го n <u
о о о д
Я О Я! О
с m а Й
S 2! 2 S
а r ж *
но-
А
ч
и си,
атые
i-i W
А си
"«
ж к Я
о о и
ч ч з*
о о о
О О С
Краткое название почвы
по механическому
составу
0—5 0—5 0—5 100—95 100—95 100—95 Песок рыхлый (Пр)
5-Ю 5—10 5-10 95—90 95-90 95-90 Песок связанный (Псв)
10—20 10—20 10—15 90—80 90-80 90-85 Супесь (С)
20—30 20—30 15—20 80—70 80—70 85—80 Суглинок легкий (Сл)
30—40 30—45 20—30 70—60 70—55 80—70 Суглинок средний (Сср)
40—50 46—60 30—40 60—50 55—40 70—60 Суглинок тяжелый (Ст)
50—65 60—75 40—50 50—35 40—25 60—50 Глина легкая (Гл)
65—80 75—85 50—65 35—20 25—15 50-35 Глина средняя (Гср)
>80 >85 >65 <20 <15 <35 Глина тяжелая (Гт)
Примечание. Для почп, не насыщенных основаниями, потерю при обработке
почвы 0,05 мольной НС1 приплюсовывают к «физической» глине; для почв,
насыщенных основаниями, ее приплюсовывают к «физическому» песку; при наличии в почве
гравия (1—3 мм) его включают в 100 %, причисляя к песку. Вторая цифра в
подразделениях таблицы всюду дана «включительно». Название почвы по механическому составу
дается по данным анализа для пахотного слоя (0—30 см).
жания физической глины определяют группу механического
состава, в данном случае — глина легкая. Из преобладающих
фракций выделяют ил и затем пыль крупную. Полное название
солонца будет -г- солонец легкоглинистый крупнопылевато-ило-
ватый.
При анализе чернозема установлено: содержание физической
глины 70 %, ила 45 %, пыли 25 %, пыли крупной 20 % и песка
10 %. Преобладающая фракция— ил, затем —пыль. Полное
название почвы— чернозем среднеглинистый пылевато-иловатый
и т. д.
При определении почвы по гранулометрическому составу
удобно пользоваться диаграммой, предложенной Н. А. Качин-
ским, на которой по оси ординат откладывают процент
физической глины, по оси абсцисс — группы почв по механическому
составу. Три кривые соответствуют основным типам
почвообразования. Зная содержание физической глины, легко определить по
графику группу почвы по механическому составу.
Каменистые почвы автор классифицирует по мелкозему, так
же как и некаменистые, кроме того, дает классификацию почв
по каменистости (табл. 11).
Классификация В. В. Охотина. В грунтоведении широко
используется трехчленная классификация В. В. Охотина. По но-
44
U. Классификация почв по каменистости по Н. Л. Качинскому
Содержание частиц
>3 мм, %
<0,5
0,5-5
5—10
>Ю
Название почвы
по каменистости
Некамепистая
Слабокамениста я
Средпекаменистая
Сильнокаменистая
Тип каменистости
Устанавливается по
характеру скелетной части:
почвы валунные, галеч-
никовые, щебенчатые
12. Классификация грунтов по гранулометрическому составу
В. В. Охотина
Название грунтов
Тяжелая глина
Глина
Пыл ев а та я глина
Тяжелый суглинок
Пылеватый средний
глинок
Средний суглинок
Пылеватый средний
глинок
Легкий суглинок
Пылеватый легкий
глинок
Супесь тяжелая
Пылеватая тяжелая
песь
Легкая супесь
Пылеватая легкая
песь
Песок
Пылеватый песок
су-
су-
су-
су-
су-
<0,005 мм,
глина
>60
60—30
>30
30-20
30-20
20—15
20—15
15—10
15—10
10—6
10—6
6—3
6-3
3
3
Содержание частиц, %
1 0,005—0,25 мм,
пыль
—
Больше, чем
каждая из двух
других фракций
грунта
—
Больше, чем
песчаных
—
Больше, чем
песчаных
—
Больше, чем
песчаных
—
Больше, чем
песчаных
—
Больше, чем
песчаных
—
Больше, чем
песчаных
0,25—2,0 мм
песок
—
Больше, чем
леватых
—
Больше, чем
леватых
—
Больше, чем
леватых
—
Больше, чем
леватых
—
Больше, чем
леватых
_
Больше, чем
леватых
—
,
пы-
пы-
пы-
пы-
пы-
пы-
меиклатуре автора учитываются частицы: <0,005 мм — глина;
0,005—0,25 мм —пыль и 0,25—2,0 мм — песок (табл. 12).
Бонитировка почв по плодородию на основе
гранулометрического состава по Н. А. Качинскому. Сопоставляя
многочисленные данные по гранулометрическому составу, плодородию почв
и урожаю сельскохозяйственных культур, Н. А. Качинский
разработал десятибалльную систему для оценки основных типов и
45
13. Примерная бонитировка почв европейской части СССР
по гранулометрическому составу с учетом запаса в них
питательных веществ, водного, воздушного и теплового режимов,
степени и трудности окультуривания для зерновых культур
(по десятибалльной системе)
Зона
ПОДЗОЛ И СП) Я
Серая лесная
Черноземная
Черноземная
Каштановая
Бурая
Сероземы
Красноземы,
желтоземы
и желтозем но -
подзолистые
Подзона
Подзол и сто -глеевые
почвы
Собственно
подзолистые почвы
Дерново-подзолистые почвы
Для всех подзон
Черноземы тучные,
мощные и
обыкновенные
Черноземы южные
(маломощные) и
провинции
черноземов
приазовских и предкав-
казских
Темно-каштановые
почвы
Каштановые и
светло-каштановые
почвы
Для всех подзон
То же
Красноземы и
желтоземы
Желтоземно-подзолистые почвы
0)
г
о
«
К
Ч
С
4
5
6
8
10
9
8
7
7
8
10
8
Гранулометрический
О)
Я
А я
S я
8s
В! >>
Ь* О
6
6
7
10
9
10
10
9
8
10
9
9
о
3
Ен
О
, S
к я
&Ч
ш и
о-;*
о о
8
8
10
9
8
8
9
10
10
9
7
10
<и
а
н
о
н
■ Н
О Я
т ч
и и
2 >»
Ч О
10
10
8
7
6
7
7
8
7
7
6
9
(U
а
ей
и
К
^
О
8
7
6
6
4
5
6
6
5
5
4
6
состав
аГ"
Я 3
. я 5
s&S
sss
р * и
о Ч a
<и а} р
с Я о
5
5
4
4
3
3
3
3
2
3
—
4
я £
« я
ач
<и ф И
p. R <[>
о >»Я
SJ ^
к « о
3
3
2
2
1
1
1
1
1
2
—
2
подтипов почв. Так, в подзолистых почвах оптимальный
физический и химический режим наблюдается в средне- и
легкосуглинистых, а в глеевых — в супесчаных (табл. 13).
Для черноземов, для основных их подтипов, наивысший
бонитет-—8—10 баллов. Плодородие глинистых и
тяжелосуглинистых почв оценивается 9—10 баллами. Высокое содержание ила,
гумуса, элементов пищи и хорошая структура обусловливают
высокий урожай сельскохозяйственных культур. Самые низкие
баллы (1—2, редко 3) у черноземов на крупнозернистых,
рыхлых песках.
На основе данных гранулометрического состава вычисляют
коэффициенты потенциального структурообразования.
В мелиоративной практике при осушении заболоченных
земель на основе гранулометрического состава рассчитывают рас-
46
стояние между дренами. Так, при содержании физической глины
90—70% оно изменяется от 13 до 19 м (Зайдельман, 1981,
и др.).
УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПОЧВЫ
Поверхность частиц является важной геометрической и
физической характеристикой почвы. Диспергация или дробление
минеральной части почвы означает переход ее в более активное
состояние, так как увеличивается поверхность твердой фазы
в единице массы или объема ее, а вместе с тем возрастает и
поверхностная энергия. С величиной поверхности частиц связаны
явления поглощения минеральных зольных веществ, паров и
газов, передвижение в почве воды и воздуха и ряд других ее
физических и технологических свойств.
Общую поверхность единицы объема почвы (1 см3 или 1 г)
в квадратных сантиметрах или метрах называют удельной
поверхностью. В последней выделяют внешнюю, или, по
терминологии Б. В. Дерягина, «кинетическую поверхность» дисперсного
вещества, и внутреннюю — внутри элементарной почвенной
частицы тупиковых микропор, трещин и т. п. Зная общую и
внешнюю удельную поверхность, можно вычислить внутреннюю, а по
общей и внутренней рассчитать внешнюю.
Поверхность почвенной частицы имеет свой сложный
микрорельеф, отдельные участки которого энергетически
неравноценны. Особо активные места обычно находятся на выпуклых
элементах частиц. Активность поверхности вещества
характеризуют теплотой смачивания, дифференциальной теплотой
адсорбции, поверхностной проводимостью.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Визуальный микроскопический метод. Известно, что среднее
значение площади проекции любой формы во всевозможных
ориентациях равно половине ее общей поверхности. Если
фигура не содержит входящих углов, то средняя площадь
проекции составит четверть общей поверхности фигуры. Поэтому
несколько частиц данной фракции помещают на предметное стекло
и под микроскопом определяют их количество. Затем
проецируют микрофотограмму с линейным увеличением 400—500.
Контуры частиц обводят и площадь их измеряют планиметром.
Если площадь проекции одной частицы равна 6- 10™Б см2, то
общая поверхность частицы будет равна 6 • 10~б * 4 = 24 • 10~6 см2.
Геометрический метод определения. Исследуемый образец
почвы разделяют на фракции, вычисляют процентное
содержание их, определяют средний диаметр частиц (d). На основании
этих данных вычисляют количество частиц в пробе (N).
Принимая форму частиц за куб или шар, вычисляют поверхность дан-
47
ной геометрической фигуры (S). Умножая значения S на JV,
получают величину общей поверхности в данном образце.
Приведем пример вычисления 5 для фракций 0,25—0,05 мм.
Масса пробы почвы т=2,5 г; средний диаметр частиц фракции
<2=0,15; плотность частиц di = 2,7. При условии шарообразной
формы количество частиц в навеске будет равно JV = ——,
dxV
где V—объем шара —— •
о
Подставляя числовые значения, получим
#= htl =524.
2,7.3,14-0,153
Площадь поверхности шара S=4jtr2=jtd2=3Д4 • 0,152 см2 =
= ~ 0,07065 см2. Внешняя поверхность почвенной пробы 5П=
= 0,07065-524-37,01.
Удельная поверхность
5==:j7i0l__ =14g 2/
2,5
Расчет общей удельной поверхности почвы:
Фракции, 1—0,25 0,25—0,5 0,05—0,01 0,01—0,005 0,005—0,001 <0,01
мм
Содержание рл р2 Ръ р4 Ръ Рв
фракций,
%
Поверх- а Ъ с d e f
ность, см2
о Pia + P2b + Psc+ . . . +Pef
5общ - — ,
Подобный расчет возможен, если поверхность частиц
гладкая и отсутствует внутренняя порозность в них, как это имеет
место в песках.
Адсорбция паров воды. По Митчерлиху, количество воды,
поглощаемое почвой из насыщенного пространства, когда
прекращается выделение теплоты смачивания, соответствует
максимальной гигроскопической влажности, при которой почвенная
частица обволакивается слоем воды в 10 молекул (по Эрен-
бургу). Принимая диаметр молекулы воды в 2,5 А, автор
предложил формулу для расчета удельной поверхности почвы по
величине максимальной гигроскопической влажности (WM. г):
q _ _7ы. г . 25М0 = U7M г. 40 000 см2 = WM. г • 4 м2.
100 100-1000 000.10
Величины удельной поверхности почвы, полученные по этой
формуле, значительно ниже полученных другими
адсорбционными методами.
48
Метод БЭТ (Брунауера, Эмметта и Теллера). Авторы
метода, анализируя 5-образную изотерму адсорбции, выделили на
ней точку В, соответствующую плотному мономолекулярному
покрытию поверхности адсорбента, и дали следующее уравнение
изотермы адсорбции:
Р ^ 1 С — 1 Р
W(PQ-P) WmC + WmC * Р0 '
где W— общее количество адсорбированного вещества; Р — давление пара
в опыте; Ро — давление пара воды, насыщающего данное пространство при
температуре опыта; Wm — количество вещества, необходимое для покрытия
поверхности плотным мономолекулярным слоем; С — константа,
характеризующая среднюю теплоту адсорбции монослоя.
Р 1 и С—1 и
W(PQ-P) "' WmC WmC
и =я
Ро
и подставить их в уравнение, то оно примет вид y~b + k-x.
Р
Откладывая по оси ординат =у, а по оси абсцисс
W (Pq — Р)
=#, получим прямую, тангенс угла наклона которой даст
Ро
величину я = , а отрезок по оси ординат— &= —■.
Решая два уравнения с двумя неизвестными, определяем
величину Wm и С. Общая поверхность
WmNW,
S =
м
где ЛГ — число Авогадро (6,02380-1023); Wo — площадь, занятая одной
молекулой воды на поверхности адсорбента, по последним данным, №о—Ю,8 А2;
М — относительная молекулярная масса воды.
Для построения прямой необходимо иметь минимум две
экспериментальные точки. По данным авторов, точка b
мономолекулярной адсорбции определяется при в пределе значений
0,1—0,3. Для насыщения почвы при постоянной упругости пара
пользуются насыщенными растворами различных солей (табл.
14), набор которых дает возможность определить изотерму ад-
р
сорбции в пределе отношений ,равном 0,1—1. Для опреде-
Ро
ления удельной поверхности почвы устанавливают величину ад-
Р
сорбированного вещества Wm при отношении-—«=0,1 и 0,3 ис-
Ро
пользуют при этом насыщенные растворы солей ZnCl2-—-Н20
и СаС12-6Н20.
В сушильные стеклянные стаканчики (бюксы) берут навески
почвы по 5—10 г, просеянные через сито с диаметром отверстий
1 мм, и высушивают в эксикаторе над Р2О5. Для каждой пробы
49
14. Упругость паров над насыщенными растворами различных
электролитов при 20 °С
Электролиты
ZnCI2-JL.H20
2
ZnCl2-H20
СаС12'6Н20
К2С03.2Н20
Ca(N03)2-4H20
NH4N03
NaCl
NH4C1
KC1
Na2COr10H2O
K2S04
Давление {Р
мм рт, ст.
1,75
2,63
5,66
7,89
9,64
11,39
13,15
13,88
15,08
16,13
17,18
паров воды
кПа
0,23
0,35
0,75
1,05
1,28
1,51
1,75
1,85
2,01
2,15
2,28
Р*
Р0
0,10
0,15
0,323
0,450
0,550
0,650
0,750
0,792
0,860
0,920
0,980
Примечание. Р*~ упругость паров над водой [при той же температуре;
Ро— 17,535 мм рт. ст. или 2,3 кПа.
берут двойной или тройной контроль. Термическое высушивание
образца не рекомендуется, так как при этом может уменьшиться
общая поверхность почвы. После сушки открытые стаканчики
с образцами помещают в эксикаторы, на дне которых в одном
находится насыщенный раствор ZnCb • V2H2O, в другом
СаСЬ-бНгО. Из эксикаторов насосом откачивают воздух до
давления 13,3—20,0 кПа. Эксикаторы устанавливают в темное
место, где поддерживается постоянная температура в 20 °С.
Через каждые 3—5 дней пробы взвешивают, насыщение ведется
до постоянной массы, на что требуется 2—4 недели. После
насыщения почву высушивают до постоянной массы и определяют
общее количество адсорбированных
паров воды (W) и навеску почвы в
граммах (&i). Для одного почвенного
образца получают два значения, соответст-
р
вующих разным , взятым в опыте.
Строят график, откладывая по оси ор-
динат значения , а по оси аб«
р W(P0-P)
сцисс— (рис. 9).
Пример вычисления: 1^1 = 0,0389 г на
1 г адсорбента —влажность, которую
приобрел адсорбент, находясь в атмо-
Р
с относительным давлением — =
Горба™ ?о°ТуРравнению "°>1 /наД насыщенным раствором
БЭТ (ПОн1ш )Д' В0Р°" ZnC12--~H20V, W2 = 0,0644 г ня 1 г ад-
сфере
= 0,1
ZnCl»
50
сорбента — влажность, приобретенная адсорбентом,
находившимся в атмосфере с относительным давлением 0,323 (над
насыщенным раствором CaCla). При относительном давлении
— =0,1, когда Р=1,75,
У £_ * >'5 п ос
Ul W (Ро — Р) " 0,0389(17,54—1,75) ~~ ' *
где 17,54 —давление пара при полном насыщении.
Величину 2,85 откладывают иа прямой, параллельной оси
ординат и проходящей через точку 0,1 на оси абсцисс (рис. 9,
точка А).
Аналогичным образом определяют значение
5,66 п А
у _. ! =7,4.
Ji 0,0644(17,54 — 5,66)
Значение у2 также откладывают на прямой, параллельной
оси ординат и проходящей через точку 0,323 иа оси абсцисс, —
точку В. Проводят через эти точки прямую АВ до пересечения
с ординатой. Эта прямая отсечет иа оси ординат отрезок ОМ =
= 0,7, следовательно, Ь = = 0,7; а по оси абсцисс отрезок 0,1.
WmC
Величина наклона (К) прямой АВ к оси абсцисс будет равна
К— ЛС — BD 2,1 6,72 =21
МС ~ MD ~~ 0,1 """ 0,32 ""
Q 1
Выражение /<"= можно представить как (С —
W т
= (С — 1).0,7=21; 0,7С = 21+0,7; С = -^-=31.
Зная константу С, можно вычислить и Wm. Из уравнения
= 0,7 вытекает, что Ц7= ^0,046 г на 1 г адсорбента.
ГтС ' 0,7-31
Если принять, что при гексагональной упаковке молекул
воды площадь, приходящаяся на одну молекулу воды, равна
10 • 8 А2, то S м2/г - **£!*-, выражение -^- =
м v м
= .бв0110-^8_10-!_=3614, а значит, S м^/г = Wm-3614 =
18
= 0,046-3614=166,14 м2/г. Величина 10-20/перевод А2 в м2.
51
Константа С позволяет определить чистую
дифференциальную теплоту адсорбции, то есть такую величину, по которой
можно судить об активности поверхности:
Ех~Ег
С = е *т ,
где £z — теплота конденсации, Е\—дифференциальная теплота адсорбции
первого слоя, R — газовая константа, Т — абсолютная температура,
е—основание натуральных логарифмов.
Из формулы следует Ег—£z=#nnC = 2,303#rigC==2,303x
X 1,9871-273,16-1,4914«20000,93 кал/моль (где 2,303 —модуль
перехода к десятичному логарифму, 7?== 1,98719 кал/град-моль,
7=273,16, lgC=lg31 = 1,4914).
Метод Кутелика (по Фацеку, 1969). Навески сухой
почвы по 3—5 г помещают в эксикатор с относительной упру-
Р
гостью пара— = 0,2, которая создается над 58 %-ным раство-
ром серной кислоты при 20 °С или над насыщенным раствором
ацетата калия. В эксикаторе создают вакуум, ставят в темное
место. Через 2—3 дня пробы почвы взвешивают, а раствор
H2SO4 сменяют. Пробы выдерживают до того момента, когда
масса почвы при последующем ее взвешивании не изменяется.
Удельная поверхность
S ма/г = 3614- v*~Vl ,
Vi-~V0
где Уг —масса почвы с бюксом после насыщения в пространстве с
относительной упругостью пара 0,2; Vi — масса почвы с бюксом после сушки
при 105 °С; Уо —масса бюкса;
qci/I— Nwo Ю23-10,8 А2-Ю-20
где ЛГ —число Авогадро, №о ■—площадь, занимаемая одной молекулой,
количество воды, г, адсорбированное 1 г почвы.
Определение внешней поверхности с
помощью аполярных жидкостей. Молекулы воды при
сорбции проникают в самые узкие поры и в межпакетные
пространства кристаллической решетки. Крупные молекулы
газообразных аполярных веществ сорбируются главным образом на
поверхности почвы. Митчерлих для определения внешней
поверхности предложил насыщать почву парами бензола. Разница
в удельной поверхности почвы, определенная по сорбции воды
и бензола, даст величину внутренней поверхности.
В методе Дайела—Гендрикса (1950) используется
этиленгликоль. Навеску почвы в 1—2 г высушивают в бюксе,
помещенном в эксикатор над Р2О5. Из эксикатора эвакуируют
воздух до 0,013 кПа. Для такого разрежения берут специальные
металлические эксикаторы (анаэростаты). Затем сухую почву
52
смачивают 1 мл перегнанного этиленгликоля. На дно
эксикатора помещают 500 г безводного СаСЬ для поглощения
оставшегося после насыщения почвы этиленгликоля. В нем создают
вакуум, образцы выдерживают в течение 16 ч. Затем образцы
взвешивают и снова помещают в эксикатор на 7 ч. Если
разница в массе не превышает 0,02 г, то опыт считается
законченным.
Вычисления ведут по формуле
S м2/г= ft"Pl - (^ —Pi)-1Q4
а-3.10-4 '"'" а.3
где рг — масса почвы в бюксс после насыщения этиленглнколем; р[ — масса
сухого образца почвы с бюксом; а —навеска сухой почвы.
Установлено, что для покрытия 1 м2 одномолекулярным
слоем требуется 3,10-10~4 г этиленгликоля.
Из всех описанных методов теоретически и
экспериментально наиболее разработан метод БЭТ. Удельная поверхность
возрастает от легких по механическому составу почв к
тяжелым, от крупных частиц к мелким. Так, при размере частиц
(мм) 0,1—0,01; 0,01—0,005; 0,005—0,001; <0,001 5 м2/г
составляет соответственно ~2; 17,3; 54,0; 183.
СТРУКТУРА ПОЧВЫ
Под структурой почвы понимают совокупность отдельностей,
или агрегатов, различных по величине, форме, прочности и
связности. Структурная отдельность — агрегат — состоит из
первичных частиц (механических элементов), или микроагрегатов,
соединенных друг с другом в результате коагуляции коллоидов,
склеивания, слипания.
Агрегаты, образованные из первичных механических
элементов, относят к первому порядку. Силами остаточных
валентностей, а также путем склеивания и слипания могут образоваться
агрегаты второго, третьего и т. д. порядка.
По мере увеличения размера агрегата связь между
отдельными составляющими его ослабевает, а следовательно,
уменьшаются связность и прочность.
Способность почвы распадаться на структурные отдельности,
или агрегаты, называют ее структурностью.
Различают два понятия структуры почвы: морфологическое и
агрономическое, В морфологическом понимании хорошей будет
всякая четко выраженная структура: ореховатая, столбчатая,
призмовидная, пластинчатая и т. п. Каждой генетически
различной почве, а внутри ее отдельным горизонтам присуща своя,
характерная структура. Ее формирование тесно связано с
условиями образования данного почвенного типа.
Агрономически ценной является только такая структура,
которая обеспечивает плодородие почвы. Оптимальные условия
53
водного и воздушного режимов создаются в почвах с
мелкокомковатой и зернистой структурой.
В настоящее время почвенную структуру по размерам
агрегатов подразделяют следующим образом: глыбистая (агрегаты
>10 мм); комковато-зернистая, или макроструктура (агрегаты
10—0,25 мм); микроструктура (агрегаты <0,25 мм).
П. А. Костычевым было предложено классифицировать
структуру почвы на водопрочную (агрономически ценную) и
неводопрочную.
Позднее, развивая это положение, В. Р. Вильяме предложил
различать два свойства почвенных агрегатов: связность и
прочность. Под связностью понимается способность агрегата
противостоять механической силе воздействия, а под прочностью —
способность агрегата длительно противостоять размывающему
действию воды.
Связность почвы зависит от количества иловатых и особенно
коллоидных частиц. Прочность агрегата зависит только от
качества перегноя, она обусловлена цементацией механических
элементов свежеосажденным перегноем.
Комочек почвы может быть связным, но непрочным:
например, комочек сухой глины трудно разрушить рукой, но в воде он
быстро распадается на составляющие его механические
элементы.
Агрономически ценной считается водопрочная с высокой по-
розностью структура, создание которой и является задачей
агротехнических приемов и мероприятий, направленных на ост-
руктуривание почвы. Но не всякая водопрочная структура
является агрономически ценной. Водопрочность структуры имеет
двоякую природу: она может быть обусловлена стойким
химическим и физико-химическим закреплением коллоидов
(необратимая коагуляция коллоидов). Агрегаты также могут быть во-
допрочны вследствие их неводопроницаемости, связанной с
наличием в основном тонких неактивных пор. Хорошая структура
должна быть также механически прочной, не разрушающейся
при обработке почвы сельскохозяйственными орудиями.
Структура почвы является одним из главнейших факторов ее
плодородия. В структурной почве создаются оптимальные
условия водного, воздушного и теплового режимов, что, в свою
очередь, обусловливает развитие микробиологической
деятельности, мобилизацию и доступность питательных веществ для
растений.
Структурная почва имеет высокую порозиость и влагоем-
кость. Благодаря хорошей водопроницаемости она глубоко
промачивается водой, выпадающие осадки полностью впитываются.
Поэтому отсутствует поверхностный сток, а следовательно,
исключены эрозионные процессы. Во влажной структурной почве
благодаря наличию капиллярных пор внутри агрегатов и нор
аэрации между ними одновременно совмещаются анаэробные и
аэробные процессы. Внутри агрегатов, когда капиллярные поры
54
заняты водой, протекают анаэробные процессы,
сопровождающиеся образованием ульминовой кислоты. В это же время в
порах аэрации, на поверхности комков, идут процессы в аэробных
условиях с образованием гуминовой кислоты и минеральных
соединений, нужных для питания растений.
В бесструктурной распыленной почве тяжелого
механического состава складывается неблагоприятный физический
режим. Вода и воздух в ней являются антагонистами. Порозность
и влагоемкость представлены малыми величинами. Вследствие
плохой водопроницаемости бесструктурная почва плохо
впитывает воду, сток ее по поверхности приводит к эрозии. Плохая
водопроницаемость, малая влагоемкость не обеспечивают
достаточных запасов воды. Весной и осенью поры в такой почве
бывают заполнены водой, а воздух в них отсутствует. С
повышением же температуры благодаря тонкопористому сложению
происходит интенсивное испарение воды и просушивание почвы на
большую глубину. Растения в этот период страдают от засухи.
После дождя или полива поверхность бесструктурной почвы
заплывает, резко повышается липкость. При высыхании такая
почва сильно уплотняется, на поверхности поля образуется
плотная корка, что затрудняет рост и развитие растений. При
сильном просушивании образуются глубокие трещины и при этом
корни растений могут быть порваны. Требуются повторные
рыхления после дождя и поливов. Распыленные почвы легко
подвергаются ветровой эрозии.
Борьба за структуру (в агрономическом смысле) в пахотном
слое — борьба за повышение урожая сельскохозяйственных
культур. Поэтому внимание исследователей направлено на
изучение и закрепление естественной структуры, а также
разработку приемов создания агрономически ценной искусственной.
Для создания структуры используют биологические,
химические, физико-химические, физические и механические методы.
В последние годы расширены поисковые исследования по
искусственному оструктуриваиию почв с помощью полимерных
соединений. Рекомендуемый структор должен отвечать следующим
требованиям: быстро и на длительный срок оказывать острукту-
ривающее действие, не быть токсичным для растений,
микрофлоры и фауны. Получены положительные результаты по
действию полимеров как структоров, но пока применение их из-за
высокой стоимости ограничено культурами — чаем,
цитрусовыми, хлопчатником.
Большое внимание в исследованиях уделяется разработке и
усовершенствованию методов определения качества структуры.
Существующие методы можно подразделить на группы:
1) морфологическое описание структуры; 2) изучение качества
структуры: водопрочности и механической прочности; 3)
выяснение природы водопрочное™ и механической прочности
почвенного агрегата путем изучения его строения и причин,
обусловливающих связь между отдельными первичными частицами.
55
15. Классификация структурных элементов по С. А. Захарову
Тип I. Кубовидная — равномерное развитие по трем осям
РОД
Размеры,
мм
Грани и ребра плохо
выражены;
I. Глыбистая —
неправильная форма и неровная
поверхность
II. Комковатая —
неправильная форма,
неровные, округлые и
шероховатые поверхности
Грани и ребра хорошо
выражены:
III. Ореховатая — более или
менее правильная форма,
поверхность граней
сравнительно ровная, грани
и ребра острые
IV. Зернистая — более или
менее правильная
форма, иногда округлая
с гранями то
шероховатыми и матовыми, то
гладкими и блестящими
1. Крупноглыбистая >100
2, Мелко глыбистая 100—50
50—30
1. Крупнокомковатая 30—10
2. Комковатая 10—0,5
3. Мелкокомковатая <0,5
4. Пылеватая
1. Крупноореховатая >10
2. Ореховатая 10—7
3. Мелкоореховатая 7—5
1. Крупнозернистая (горохо- 5—3
ватая)
2. Зернистая (крупитчатая) 3—1
3. Мелкозернистая (пороши. 1—0,5
стая)
Тип II. Призмовидная — развитие преимущественно
по вертикальной оси
Род
Длина
горизонтальной оси —
поперечный
диаметр,
мм
Грани и ребра плохо
выражены:
V. Столбовидная —
неправильной формы со слабо
выраженными неровными
гранями и округлыми
ребрами
Грани и ребра хорошо
выражены:
VI. Столбчатая —
правильной формы, с довольно
хорошо выраженными
гладкими боковыми
вертикальными гранями,
с округлым верхним
основанием («головкой»)
и плоским — нижним
VII. Призматическая — с
ровными, часто
глянцевитыми поверхностями,
с острыми ребрами
1. Крупностолбовидная >50
2. Столбовидная 50—30
3. Мелкостолбовидная <30
1. Крупностолбчатая >50
2. Столбчатая 50—30
3. Мелкостолбчатая <30
1. Крупнопризматическая >50
2. Призматическая 50—30
3. Мелкопризматическая <30
4. Карандашная — при дли- <10
не отдельностей >50 мм
56
Продолжение
Тип III. П л и т о в и д и а я — развитие преимущественно
по двум горизонтальным осям
Род
Вид
Длина
горизонтальной оси —
поперечный
диаметр,
мм
VIII. Плитчатая ■— слоеватая 1. Сланцеватая >50
с более или менее разви- 2. Плитчатая 5—3
тыми «плоскостями спай- 3. Пластинчатая 3—-1
ности», часто различно 4. Листоватая <1
окрашенными и разного
характера поверхностями
IX. Чешуйчатая — с срав- 1. Скорлуповатая >3
иительно небольшими, 2. Грубочешуйчатая 3—1
отчасти изогнутыми го- 3. Мелкочешуйчатая <1
ризонтальиыми
плоскостями спайности и часто
острыми ребрами
(некоторое сходство с чешуей
рыбы)
При проведении исследований структуры почвы следует
иметь в виду следующее.
Анализ структуры с целью ее агрономической оценки
проводят обычно для пахотного и подпахотного горизонтов, причем
первый характеризуют по всей глубине образцами по 10 см (0—
10, 10—20 и т. д.). Образцы берут с помощью лопаты. Можно
также использовать образцы, взятые цилиндрами большого
объема (500 или 1000 см3) для определения плотности скелета
почвы.
На каждой делянке следует брать образцы из пяти точек.
Затем из них составляют смешанный образец или проводят
определение для каждого отдельного образца. В последнем случае
полученные результаты, математически обработанные, покажут
более четкую картину. Образец почвы для анализа, взятый
в поле, должен быть сохранен в ненарушенном состоянии.
Структура почвы верхних горизонтов динамична во времени, и
результаты анализов образцов, взятых в разные сроки, будут
неидентичны, поэтому учитывать ее нужно периодически в
течение года или вегетационного периода.
Существуют различные мнения о том, в каком состоянии
влажности следует анализировать образец. Многие
исследователи считают, что сухие образцы анализировать нельзя, так как
это отступление от естественных условий; в природе в редких
случаях и только с самой поверхности почва может просыхать
до воздушно-сухого состояния. Кроме того, экспериментально
доказано, что водопрочность зависит от влажности. Сухие
агрегаты менее водопрочны, и объясняется это разрушающим
действием защемленного воздуха при погружении агрегата в воду.
Поэтому перед определением водопрочности рекомендуется
57
Рис. 10. Типы почвенной структуры (по С. А. Захарову):
I — кубовидный (/--крупнокомковатая; 2 — комковатая; 3 — мелкокомковатая; 4—пы-
леватая; 5 —крупноореховатая; 6 — ореховатая; 7 — мелкоореховатая; 8 —
крупнозернистая; 9 — зернистая; 10 — порошистая; Л — структурные отдельности, нанизанные на
корни); II — призмовидный (12 — столбчатая; 13 — столбовидная; 14 —
крупнопризматическая, 15 — призматическая; 16 — мелколризматическая; 17 — тонкопризматическая);
III — плитовидный (18 — сланцевая; 19 — пластинчатая; 20 — листоватая; 21 —
чешуйчатая; 22 — мелкочешуйчатая).
насыщать агрегаты водой до капиллярной влагоемкости. Более
правильно анализировать структуру при естественной
влажности, но при этом необходимо учитывать, что влажность
образцов, взятых в различные сроки, бывает различной, поэтому
сравнивать результаты затруднительно и даже невозможно.
В каждом отдельном случае в выборе методики следует
исходить из цели и условий. Принятый метод должен быть
использован в продолжение всего периода наблюдений.
МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ
Первая характеристика оструктуренности почвы, типа
структуры и в некоторой мере ее агрономической ценности дается при
визуальном описании почвенного профиля или пахотного
горизонта.
Полная классификация структурных элементов для
морфологического описания дана С. А. Захаровым, которой и следует
руководствоваться в работе (рис. 10, табл. 15).
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ
Аналитически структурность почвы определяется методом
рассеивания на ситах. Для этой цели берут большие образцы
(2,5—5 кг) и небольшими порциями осторожно рассеивают
в наборе сит. Каждую фракцию собирают, взвешивают и
рассчитывают содержание ее в % к массе взятой почвы.
Для получения сравнимых результатов образцы следует
анализировать, доведя их до воздушно-сухого состояния. Кроме
того, сырая почва забивает сита, что сильно затрудняет работу.
58
О качестве структуры судят по ее водопрочиости,
механической прочности, порозиости. Методы определения
водопрочиости можно подразделить на две группы: прямые и
косвенные.
Прямыми методами непосредственно определяется
количество водопрочных и неводопрочных агрегатов. К ним можно
отнести: микроагрегатный анализ (по Качинскому, Астапову),
макроагрегатиый — методы фракционирования почвы на ситах
в воде (по Саввинову, Вершинину и Ревуту, Бекаревичу);
макроагрегатиый методом качания сит (в приборе Бакшеева, на
гидроклассификаторе); метод размокаиия агрегатов в стоячей
воде и др.
К косвенным относятся такие методы, когда о водопрочиости
судят по другому показателю, например, по изменению
водопроницаемости (метод и прибор Фадеева—Вильямса); по
количеству воды, пошедшей на размывание агрегатов (капельный
метод Виленского) и др.
О природе водопрочиости почвенных агрегатов можно
судить по порозности их. Для определения порозности
разработаны методы: парафинирования, керосиновый, метод шлифов
(микроскопический).
Водопрочность почвенных агрегатов обусловлена различной
природой «клеящих» веществ, участвующих в структурообразо-
вании, их связью с механическими элементами.
Для изучения роли отдельных «клеев» разрабатываются
физико-химические методы. Наиболее известный из них —
«анатомирование» агрегата (Антипов-Каратаев, Келлерман, Хан,
1948; Кузнецова, 1966).
МИКРОАГРЕГАТНЫЙ АНАЛИЗ
Благоприятный физический режим в почве создается
благодаря наличию не только макро-, но и микроструктуры. В
последнее время все большее значение придается
микроагрегатному состоянию почвы. Поэтому лля агрономической оценки
почвы важно знать как степень оструктуренности, так и
качество макро- и микроагрегатов в ней. Характеризуя
микроструктуру, можно дать оценку и макроструктуры.
Микроагрегатный анализ рекомендуется проводить для
пахотных и подпахотных горизонтов параллельно с
гранулометрическим, чтобы потом по результатам этих анализов оценивать
оструктуренность и распыленность почв и судить о
потенциальной способности почв к оструктуриванию.
Микроагрегатный анализ почвы по методу Качинского. Из
коробочного образца почвы, доведенного до воздушно-сухого
состояния, берут среднюю пробу 100—150 г, отбирают корни,
осторожно растирают в фарфоровой ступке пестиком с
резиновым наконечником и просеивают через сито с отверстиями
диаметром 1 мм. Из подготовленной почвы берут навески: для
59
определения микроагрегатного состава— 10—15 г и для
определения гигроскопической влажности — 4—5 г.
Подобно гранулометрическому, микроагрегатный анализ
состоит из двух операций: подготовки образца к анализу и
количественного определения фракций микроагрегатов. При
подготовке образца применяют слабое механическое воздействие,
исключающее разрушение микроагрегатов.
Навеску почвы для микроагрегатного анализа переносят
в широкогорлую бутыль 500 см3. В нее наливают 250 см3
дистиллированной воды и оставляют почву *на 24 ч для размо-
кания. После этого бутыль, закрытую резиновой пробкой,
помещают на мешалку и в течение 2 ч встряхивают
горизонтальными толчками (90 двойных ударов). Содержание бутыли через
сито с отверстиями диаметром 0,25 мм переносят в литровый
цилиндр, доливают дистиллированной водой до 1000 см3.
Оставшуюся на сите фракцию переносят в сушильный стаканчик,
упаривают на бане, высушивают в сушильном шкафу при
температуре 105 °С до постоянной массы и рассчитывают содержание ее
в процентах к абсолютно сухой почве, взятой для анализа. Из
приготовленной суспензии в цилиндре пипеткой берут пробы.
Операции по взятию проб суспензии, дальнейшей их обработки,
расчет фракции в процентах проводят так же, как при
гранулометрическом анализе (см. метод Н. А. Качинского).
При микроагрегатном анализе почв засоленных — сильно
солонцеватых, солонцов и солончаков —вместо дистиллированной
воды используют водную вытяжку из данной почвы. Ее
получают при отношении почвы к воде, равном 1:25. 40 г почвы,
пропущенной через сито с диаметром отверстий в 1 мм,
помещают в бутыль вместимостью несколько больше литра,
заливают навеску почвы 1000 см3 воды и выдерживают 24 ч. Затем
встряхивают в течение 5 мин и отфильтровывают. Полученная
вытяжка заменяет дистиллированную воду во всех процессах
анализа: размачивание почвы, перенос из бутыли в цилиндр,
доливание цилиндра (несколько см3 жидкости, недостающих
в цилиндре до литра, восполняют дистиллированной водой).
Следует иметь в виду, что в результате микроагрегатиого
анализа почва бывает несколько переутяжелена, так как
скорость падения в воде микроагрегатов принимают в соответствии
с законом Стокса такой же, как и для механических элементов.
На самом же деле микроагрегаты того же размера, что и
механические элементы, падают медленнее, так как они более
рыхлого сложения и, следовательно, имеют меньшую массу.
С. В. Астапов предлагает вводить в формулу Стокса при
расчете результатов микроагрегатного анализа коэффициент
0,13 (вместо 0,22). Тогда
у= о.1з^-^о) ,gcM/C)
буквенные обозначения те же, что и в формуле Стокса.
60
На практике это не всегда применимо. Вместе с
микроагрегатами падают и первичные механические элементы, для
которых коэффициент 0,22, а определить их количественное
соотношение трудно, поэтому и в микроагрегатном анализе в формуле
Стокса используется плотность твердой фазы.
КОЭФФИЦИЕНТ ДИСПЕРСНОСТИ И СТРУКТУРНОСТИ
Коэффициенты дисперсности и структурности почвы
вычисляют по данным микроагрегатного и гранулометрического
анализов почвы. Предложено несколько формул для вычисления.
Фактор дисперсности К, по Н. А. Качинскому,
характеризует степень разрушения микроагрегатов в воде и
выражается процентным отношением ила (частиц :<0,001 мм) «мик-
роагрегатиого» к илу «гранулометрическому»
K=_iL.100,
ь
где а — содержание ила в % при микроагрегатном и Ь — при
гранулометрическом анализах.
Например, если а=5°/о, а & = 25%, то фактор дисперсности
будет равен
#= _L_.Ю0 = 20%.
25
Чем выше фактор дисперсности, тем менее прочна
микроструктура почвы. Для обыкновенного глинистого чернозема
фактор дисперсности не превышает 10%, а для столбчатого
горизонта солонца может быть равен 80 %.
Фактор структурности Кс, по Фагелеру,
характеризует водоустойчивость агрегатов. Рассчитывается по формуле
Кс =.±=£..100,
О
где а — содержание ила в % при микроагрегатном и Ь — при
гранулометрическом анализах.
Так, если а=5 %, a 6=25 %, то
к 25-5 .1QQ = 8Q0/
25
Как видно из приведенных примеров, сумма количественных
выражений фактора дисперсности и фактора структурности
равна 100%. Таким образом, зная величину одного фактора,
легко рассчитать другой.
Степень агрегат и ост и К& по Бейверу и Роадесу:
tfa=-^^.100,
а
где а — количество необратимых микроагрегатов >0,05 мм при
микроагрегатном анализе; Ъ — количество механических элементов>0,05 мм при
гранулометрическом анализе.
61
Повышение степени агрегатности означает улучшение водо-
прочности структуры.
В формулах, рассмотренных выше, используются данные
двух анализов — микроагрегатиого и гранулометрического.
А. Ф. Вадюниной предложена формула расчета
«гранулометрического показателя структурности»
(Р) по результатам только гранулометрического анализа.
Механические элементы при этом разделяются на активные,
обладающие цементирующей способностью и принимающие
участие в коагуляции, и пассивные, участвующие в структурообра-
зовании как пассивный материал.
В гумусных почвах активное участие в коагуляции
принимают ил и большая часть мелкой пыли. В почвах малогумус-
ных, например подзолистых, активной частью является только
ил.
Исходя из этого, формулы расчета «гранулометрического
показателя структурности» имеют следующий вид:
для гумусных почв
Рс= -«±L.i00,
с
для малогумусных почв
Р = —— . 100,
Ь + с
где а — количество ила, %; b — количество мелкой пыли, %; с — количество
средней и крупной пыли, %.
Чем выше «гранулометрический показатель структурности»,
тем больше потенциальная способность почвы к оструктури-
ванию.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОПРОЧНОСТИ
МАКРОСТРУКТУРЫ
Метод Н. И. Саввинова. Разработан на основе методов
Г. И. Павлова и А. Ф. Тюлина и является в настоящее время
одним из распространенных в почвенной практике. Состоит из
двух частей: фракционирования почвы на ситах в воздушно-
сухом состоянии (сухое просеивание) и фракционирования иа
ситах в воде (мокрое просеивание). В первом случае
фиксируется количество агрегатов того или иного размера в почве, во
втором — определяется количество водопрочных агрегатов, то
есть дается качественная оценка структуры по водопрочное™.
Фракционирование почвы в воздушно-сухом
состоянии (сухое просеивание). Из образца почвы,
доведенного в лаборатории до воздушно-сухого состояния, берут
среднюю пробу до 2,5 кг (минимально допустимая навеска
0,5 кг) и рассеивают на ситах с диаметрами отверстий 10; 7; 5;
3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм. Набор сит должен иметь поддон, в котором
62
собирается фракция <0,25 мм, и крышку для предохранения
от распыления почвы при просеивании.
Анализируемую почву небольшими порциями помещают на
верхнее, самое крупное, сито и осторожными наклонами всего
набора сит рассеивают. Не следует сита сильно встряхивать.
При разъединении каждое сито еще раз встряхивают
осторожным постукиванием по его ребру ладонью руки, для того чтобы
освободить из отверстий застрявшие в них агрегаты. Сухим
просеиванием почва разделяется на фракции: >10, 10—7, 7—5,
5—3, 3—2, 2—1, 1—0,5, 0,5—0,25 и <0,25 мм.
Каждую фракцию агрегатов отдельно собирают, взвешивают
и рассчитывают ее процентное содержание. Фракцию <0,25 мм
рассчитывают по разности между взятой для анализа почвой
и суммой фракции >0,25 мм. За 100 % принимается вся взятая
для анализа навеска. Полученные данные оформляют в виде
таблицы и графически.
По данным сухого просеивания рассчитывают коэффициент
структурности:
где К—коэффициент структурности; А — сумма макроагрегатов размером от
0,25 до 10 мм, %; Б — сумма агрегатов<0,25 и комков>10 мм,%.
Чем выше К, тем почва лучше оструктурена.
Фракционирование почвы в воде, или
определение водопрочиости агрегатов (мокрое
просеивание). Для определения водопрочиости составляют
среднюю пробу в 50 г из всех фракций агрегатов, полученных при
сухом просеивании, пропорционально их процентному
содержанию: берут каждую фракцию в количестве, равном в граммах
половине процентного содержания ее в данной почве.
Например, если в почве содержание фракции 5—3 мм составляет
22%, то для средней пробы ее берут в количестве 11 г; при
содержании фракции 3—2 мм 15 % —соответственно 7,5 гит. д.
В среднюю пробу не включают фракцию <0,25 мм, в таком
случае навеска получится меньше 50 г, но при расчете
содержание водопрочных фракций в процентах учитывают на массу
50 г.
Среднюю пробу осторожно высыпают в литровый цилиндр,
наполненный на 2/з объема водой. Цилиндры употребляются
такие же, как и для гранулометрического анализа (высота
около 45 см, диаметр 7 см). Удобно работать с цилиндром
без носика и с притертым верхним краем.
Погруженную в цилиндр с водой почвенную пробу остав*
ляют в покое на 10 мин. Это необходимо для того, чтобы из
почвы вышел весь воздух, находящийся в агрегатах и между
ними. Для ускорения вытеснения воздуха через 1—2 мин после
переноса почвы в цилиндр его закрывают стеклом или
пробкой, осторожно наклоняют до горизонтального положения и
63
Рис. 11. Установка для
фракционирования
почвы на ситах в воде.
опять ставят вертикально. Эту
процедуру повторяют дважды.
Через 10 мин цилиндр доливают
водой до самого верха, покрывают стеклом
или закрывают пробкой и
переворачивают вверх дном, удерживая в таком
положении несколько секунд, пока
основная масса агрегатов не упадет вниз,
затем цилиндр возвращают в
первоначальное положение и выжидают, пока почва
не достигнет дна. После десяти оборотов
закрытый цилиндр опрокидывают над
набором сит, стоящих в воде в широкой
цилиндрической ванне (рис. 11).
Для мокрого просеивания используют
сита диаметром 20 см и высотой борта
3 см. Набор составляют из сит с
диаметром отверстий 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм,
скрепленных металлическими
пластинками или проволочными дужками. Слой
воды в ванне должен быть на 5—6 см
выше борта верхнего сита.
Опрокинутый в воду цилиндр быстро открывают и
плавными движениями цилиндра, не касаясь его краем дна сита и
не отрывая его от воды, распределяют почву по поверхности
сита. Через 50—60 с, когда все отдельности крупнее 0,25 мм
упадут на сито, цилиндр в воде закрывают и вынимают.
Оставшуюся в цилиндре часть фракции <0,25 мм не сохраняют, так
как она рассчитывается в дальнейшем по разности.
Перенесенную на сита почву просеивают; сита за ручки медленно
поднимают на 5—6 см, не обнажая комков почвы на верхнем сите,
и быстро опускают вниз на 3—4 см, выжидают 2—3 с, пока
комочки почвы, поднявшиеся по инерции во время опускания,
не упадут на дно сита. Затем опять медленно поднимают на
3—4 см и быстро опускают на ту же глубину. Так повторяют
10 раз, затем снимают сита с отверстиями диаметром больше
1 мм, не вынимая всего набора из воды, а остальные
встряхивают еще 5 раз и вынимают из воды.
Оставшиеся на сите агрегаты смывают струей воды из про-
мывалки (или слабой струей из шланга, соединенного с
водопроводным краном) сначала в большую фарфоровую чашку,
из нее после удаления воды декантацией в чашку среднего
размера (диаметром 15 см), и, наконец, во взвешенную малую
фарфоровую чашку или алюминиевый сушильный стаканчик.
После отстаивания воду из чашки или стакана сливают,
оставшуюся часть воды выпаривают на песчаной бане или
электроплитке.
Содержание фракций рассчитывают на воздушно-сухую или
абсолютно сухую навеску. В первом случае чашки или стакан-
64
чики с фракциями после подсушивания иа бане или плитке
оставляют открытыми на воздухе и периодически взвешивают до
получения постоянной массы. Если расчет ведут на абсолютно-
сухую почву, то фракции в стаканчиках с крышками
высушивают в сушильном шкафу в течение 6 ч и затем еще 2 ч для
контроля. При этом необходимо знать влажность почвы,
взятой для анализа, для чего одновременно со взятием навески
для просеивания берут средние пробы этой почвы для
определения влажности.
Для сбора и подсушивания водопрочных фракций
рекомендуют использовать фильтры диаметром 12,5 см. В таком
случае фракции с сит переносят в фарфоровые чашки, а затем иа
фильтры, помещенные в воронки. Предварительно каждый
фильтр должен быть взвешен и подписан (простым
карандашом) с указанием номера почвенного разреза, горизонта и
глубины взятия образца, размера фракции, массы фильтра.
Подсушенные иа воронках фильтры с агрегатами одного
почвенного образца «нанизывают» на одну нитку и развешивают для
просушки иа воздухе до постоянной массы. Сначала их можно
взвешивать все вместе, а по достижении постоянной массы
каждый отдельно. Расчет в данном случае ведется на
воздушно-сухую навеску.
Так как для определения водопрочности берут среднюю
пробу в 50 г (половину процентного содержания фракций,
полученных при сухом просеивании), то при расчете массу
каждой фракции в граммах умножают на 2 и получают процентное
содержание соответствующих водопрочных агрегатов в почве.
Фракцию меньше 0,25 мм рассчитывают по разности
(Ю0'%—2 всех фракций >0,25 мм в %).
Наличие в почве механических элементов крупнее 0,25 мм
(крупный песок, гравий и т. п.) искажает результаты
агрегатного анализа. В таком случае поступают следующим образом:
после взвешивания фракцию помещают в фарфоровую чашку,
заливают водой и растирают резиновой пробкой. Разрушив
агрегаты, отмывают мелкозем, а оставшиеся механические
элементы в этой же чашке или перенеся их в сушильный
стаканчик высушивают до воздушно-сухого или абсолютно сухого
состояния и взвешивают.
Вычитая из массы фракции массу механических элементов
этого размера, получают массу агрегатов. Затем следует
вычесть из навески, взятой для анализа (50 г), сумму
механических элементов, оставшихся на ситах с отверстиями
диаметром более 0,25 мм.
Содержание фракций в процентах рассчитать по формуле
У_ а-100
р
где X—содержание агрегатов какого-то размера, %; а— масса агрегатов
(без механического элемента), г; р — навеска (без механических элементов),
взятая для анализа.
65
Cf
a.
1
to
CO
CO
00
*1 й я
2 о ш
Й о S
§
Для каждого исследуемого образца
определения следует проводить с
тройным, а в некоторых случаях и с
большим контролем.
Данные, полученные при
фракционировании почвы в воздушно-сухом
состоянии и в воде, оформляют в виде таблицы
(табл. 16) и графика.
При построении графика по оси
абсцисс откладывают размер фракций,
начиная с более крупной, по оси ординат —
содержание фракций в процентах.
Сотрудниками Агрофизического
института предложена формула для
расчета критерия водопрочиости:
А =
•100,
где А — критерий водопрочиости, в %; С —
содержание структурных фракций в почве
размером от 1 до 0,25 мм, полученных при сухом
просеивании, в %; Сип — содержание водопрочных
агрегатов размером от 1 до 0,25 мм, %.
Вариант структурного анализа
Вершинина и Ревута. Сухое рассеивание на
ситах и составление средней навески в
50 г проводят по методу Саввииова.
Затем навеску для мокрого просеивания
переносят на верхнее сито, закрытое
фильтровальной бумагой. Набор сит с
почвой устанавливают в сосуд для
встряхивания, осторожно наливают воду
так, чтобы над верхним ситом был слой
10 см. Почву выдерживают в воде один
час, после чего осторожно ссыпают с
бумаги на сито и просеивают в воде (как
это было описано выше). В этом
варианте исключается замачивание и
взбалтывание почвы в цилиндре.
Для определения
водопрочиости при полевой влажности
берут образец почвы 50—100 г (без
рассеивания на ситах) и анализ проводят
по принятой методике. Чтобы иметь
суждение о водопрочиости структуры в
зависимости от влажности, для каждой
почвы можно провести анализы на во-
допрочность при разных степенях
увлажнения и на основании полученных
данных построить график: по оси ординат
66
откладывают количества
водопрочных агрегатов, по оси абсцисс —
влажность почвы в процентах.
Макроагрегатный анализ почв
методом качания сит. По этому
методу навеска почвы также
рассеивается в воде. В отличие от
метода Саввинова ручное
встряхивание заменено механическим
качанием сит с помощью электромотора,
что устраняет элемент
субъективности в производстве анализа.
Метод разработан И. М. Бакшеевым
под руководством М. Г.
Чижевского. Ими был предложен и прибор,
впоследствии усовершенствованный рпс, \2. Прибор Бакшеева
А. Н. Киселевым и В. П. Некра- для агрегатного анализа,
совым.
Описание прибора (рис. 12). На полой стойке,
укрепленной на металлической подставке, имеются два круглых
гнезда, в каждое из которых вставлен металлический цилиндр.
В верху стойки смонтирован моторчик на 120 или 220 В.
В нижней ее части имеется штепсельная розетка для
подключения прибора в электрическую сеть и кнопка для включения.
Гнезда для цилиндров подвижные и посредством шатуна и
шестеренок связаны с мотором. С включением мотора цилиндры
начинают совершать качательиое движение в ту и другую
стороны под углом 45°. Прибор может работать на двух
скоростях: одно и два качания в минуту. Для перевода с одной
скорости на другую имеются две шестеренки разных диаметров.
Обычно анализируют при скорости одно качание в минуту.
Дно цилиндра конусообразной формы, в центре имеет
отводную трубку—«хоботок» — из небьющегося стекла,
градуированную на миллиметровые деления. Нижнее отверстие
«хоботка» закрывают резиновой пробкой. В процессе анализа
в «хоботок» оседают частицы почвы размером менее 0,25 мм.
Сверху цилиндр герметически закрывают навинчивающейся
крышкой с резиновой или асбестовой прокладкой для
предохранения от просачивания воды при работе прибора. В центре
крышки два отверстия, закрывающиеся общим
навинчивающимся колпачком: одно служит для выхода воздуха из
цилиндра при наполнении его водой; через второе наливают воду.
В цилиндр вставляют набор сит (d=10—12 см) с
отверстиями диаметром 5; 3; 1; 0,5 и 0,25 мм. Сита скреплены между
собой, верхнее из них имеет ручку. Взяв за'эту ручку и
поворачивая против часовой стрелки, набор сит вводят в цилиндр
или вынимают из него.
Для того чтобы поместить почву в цилиндры или вынуть
после окончания анализа, их вынимают из гнезда прибора и
67
устанавливают в гнезда деревянных подставок или реек,
применяемых для установки воронок при фильтровании.
Наличие в приборе двух цилиндров дает возможность
работать сразу с двумя образцами. Перед началом анализа
необходимо проверить работу прибора.
Ход анализа. Среднюю пробу почвы 1—2 кг,
доведенную до воздушно-сухого состояния, предварительно
рассеивают на ситах с отверстиями диаметром 5; 3; 1; 0,5 и 0,25 мм.
Из полученных структурных фракций по принципу,
предложенному Саввиновым, составляют навеску для анализа 25 г.
Частицы почвы меньше 0,25 мм в навеску не берут, но при
расчете в сумму 25 г они включаются. Одновременно
приготовляют две средних навески для повторных определений.
Проверяют работу прибора и после этого цилиндры вынимают из
гнезд и устанавливают на подставки. Свинчивают крышки,
снимают с них колпачки. В цилиндры наливают воду до
половины высоты бортика верхнего сита. Поворачивая набор сит
в цилиндре против часовой стрелки, удаляют воздух, который
может оставаться под мелкими ситами.
После этого переносят навеску почвы на верхнее сито.
Цилиндр закрывают крышкой, в отверстие крышки наливают воду
до полного заполнения цилиндра и закрывают отверстия
колпачком. Цилиндры вставляют в гнезда прибора, включают
мотор и замечают время начала качания. Продолжительность
качаний установлена в 12 мин. По окончании качаний прибор
выключают, цилиндры вынимают и устанавливают на
подставке. Под каждый цилиндр подставляют сосуд. Вынимают
пробку из «хоботка» цилиндра и воду с находящимися в ней
частицами почвы <0,25 мм сливают и собирают в
подставленный сосуд.
Если требуется определить содержание частиц <0,25 мм,
то собранную суспензию переносят в мерный литровый цилиндр
и производят микроагрегатный анализ методом пипетки *.
С цилиндров прибора свинчивают крышки и вынимают
сита, для чего следует ручкой повернуть весь набор против
часовой стрелки. Набор сит разбирают и почву с каждого сита
смывают в отдельные фарфоровые чашки или алюминиевые
стаканчики промывалкой или резиновым шлангом,
соединенным с водопроводным краном. Не следует смывать сильной
струей воды.
Для сбора фракции можно использовать плотные фильтры.
Фильтр (диаметром 12,5 см) помещают в воронку и
предварительно смачивают водой. Под воронку с фильтром ставят
стакан или другой сосуд, а над воронкой помещают большую ши-
рокогорлую воронку, через которую и переносят фракцию
с сита на фильтр. Фракцию высушивают до воздушно-сухого
* В таком случае при составлении навески для мокрого просеивания
в нее нужно включить фракцию <0,25 мм.
68
или абсолютно сухого состояния и рассчитывают содержание
ее в процентах так же, как в методе Саввинова.
Полученные результаты оформляют в виде таблицы и
графика по образцу, приведенному в описании метода Саввинова.
Сумма водопрочных агре- _
гатов > о;25 мм. % Оценка водопрочпости
<ю
10—20
20—30
30—40
40—60
60—75
Более 75—80
Отсутствует
Неудовлетворительная
Недостаточно удовлетворительна я
Удовл етво рител ьна я
Хорошая
Отличная
Избыточно высокая
Научно-производственным объединением «Агроприбор»
сконструирована установка под индексом УОВ-1, которая
предназначается для лабораторий агрохимической и почвенной служб
в целях стандартизации методов определения водопрочности
почвенной структуры.
В основу положен метод Саввинова, но процессы
механизированы, что исключает субъективное воздействие работающего
и ускоряет выполнение анализа.
Установка состоит из двух самостоятельных приборов:
классификатора— для разделения на фракции почвенного образца
в воздушно-сухом состоянии (сухое просеивание) и
гидроклассификатора— для рассеивания навески почвы в воде —
определение водопрочности (мокрое просеивание).
Классификатор состоит из колонки сит, закрепляемых на
платформе и приводимых в колебательное движение от мотора.
Гидроклассификатор позволяет также механически просеивать
в воде одновременно четыре образца при определенных
условиях: постоянной амплитуде и частоте колебаний колонок сит
и постоянном времени просеивания.
Навеска для мокрого просеивания в 25 г составляется по
методу Саввинова (lU процентного содержания в граммах).
Метод Бекаревича. Этим методом рекомендуется определять
водопрочность структуры плотных коркующихся почв, для
которых метод Саввинова не дает удовлетворительных
результатов. Водопрочность структуры этих почв обусловлена тонкока-
пилляриым сложением их. Особо это относится к крупным
агрегатам, внутрь которых вода проникает медленно.
Дополнительное затруднение в них создается за счет набухания
поверхностного слоя.
При обработке плотных почв образуются в основном
крупные отдельности (глыбы), а так как по методу Саввинова
навески для мокрого просеивания составляют пропорционально
процентному содержанию каждой фракции, то основную массу
составят агрегаты крупных размеров. В результате
водопрочность будет охарактеризована высокими показателями вопреки
69
действительности. Поэтому следует определять водопрочность
отдельно каждой фракции.
Сухим просеиванием на ситах почвенная масса разделяется
на структурные фракции*: >10; 10—7; 7—5; 5—3; 3—2; 2—1;
1—0,5; 0,5—0,25 и <0,25 мм. 50 г агрегатов данной фракции
помещают в фарфоровую чашку с водой и после часового
увлажнения переносят на набор сит, установленных в ванне
с водой (температура воды 20 °С).
Для мокрого просеивания берут сита с отверстиями
диаметром 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм. Производят 15 встряхиваний набора
сит под водой (поднимают на 10 см и опускают). После этого
сита вынимают из воды, оставшуюся на сите фракцию
переносят в сушильный стаканчик или на фильтр, высушивают,
взвешивают и рассчитывают ее содержание в процентах к сухой
или воздушно-сухой массе.
Наиболее достоверным показателем агрофизических свойств
почвы является содержание в ней фракции размером 0,5—
0,25 мм. Малый размер фракций обеспечивает их быстрое и
полное смачивание даже в плотных почвах.
Определение водопрочности почвенных агрегатов в стоячей
воде. Метод основан на учете количества расплывшихся
почвенных агрегатов в стоячей воде в определенные интервалы
времени. Предложен П. И. Андриановым, но в настоящее время
значительно переработан профессором И. А. Качинским;
усовершенствована методика анализа и дан совершенно новый
принцип расчета.
Ход работы. Образец почвы в воздушно-сухом состоянии
просеивают на ситах для разделения на фракции по крупности
(как было описано выше). Для определения водопрочности
берут агрегаты одного, обычно среднего, размера (3—5 мм).
В кристаллизатор помещают сито (Д = 20 см) с отверстиями
диаметром 2 или 3 мм. Сито закрывают кружком
фильтровальной бумаги, разграфленной на клетки (1 см2). По линии клеток
иглой делают отверстия. Чтобы избежать поднятия бумаги во
время смачивания водой, на нее накладывают прижимное
кольцо из листа нержавеющего металла толщиной 1,5—2 мм.
Диаметр кольца равен внутреннему диаметру сита, ширина
обода 5—6 мм. К центру кольца сходятся четыре радиальные
планочки, делящие площадь кольца на четыре сектора.
Для испытания на водопрочность берут 50 или 100
агрегатов, которые раскладывают правильными рядами, по одному
в квадратик (рис. 13). В кристаллизатор наливают воду
сначала в небольшом количестве, чтобы лишь смочить бумагу.
Агрегаты насыщают капиллярно в течение 3 мин. Затем
осторожно доливают воду, чтобы уровень ее был приблизительно
на 0,5 см выше агрегатов. Используют воду комнатной темпе-
* Для сухого просеивания нужно взять столько почвы, чтобы получить
50 г каждой фракции для одного определения.
70
Рис. 13. Приспособления для
определения водопрочности
структуры почвы в стоячей
воде.
ратуры. Для удобства подсчетов
расплывшихся агрегатов в
рабочей тетради делают такую же
сетку, как и на фильтровальной
бумаге, и в клетках отмечают время
расплывания агрегата
соответствующего номера. Можно также на
кристаллизатор наложить стекло
с нанесенной сеткой и восковым
карандашом отмечать
распавшиеся агрегаты. Каждую минуту
подсчитывают число агрегатов,
совершенно распавшихся.
Общий срок наблюдений 10 мин. При последнем отсчете, то
есть в десятую минуту наблюдения, учитывают количество
совершенно распавшихся и полураспавшихся агрегатов.
За число агрегатов, совершенно распавшихся в последнюю
минуту наблюдения, принимают сумму совершенно
распавшихся и половину количества агрегатов, затронутых процессом
распада. Так как распад агрегатов в воде происходит в
различное время и это характеризует степень их водопрочности, то
в расчет вводится поправочный коэффициент, который
означает водопрочность агрегатов в процентах для каждой минуты
отсчета; поправочный коэффициент для каждой минуты равен:
Для 1-й минуты — 5 • Для 6-й минуты — 55
» 2-й » — 15 » 7-й » — 65
» 3-й » —25 » 8-й » —75
4-й
5-й
»
»
— 35
— 45
»
»
»
9-й
10-й
11-й
»
»
»
— 85
— 95
— 100
Коэффициент водопрочности агрегатов, не распавшихся за
10 мин, равен 100 %.
Водопрочность структуры оценивают по показателю
водопрочности (К) у выраженному в процентах. 100% соответствуют
наилучшей водопрочности. Водопрочность менее стойких
агрегатов находится в интервале от 5 до 100 %.
Показатель водопрочности рассчитывают по формуле
jf=(g-fei)+(6-fr)+ - • .+(л-*л)-100у
где а, Ь, п — количество агрегатов, распавшихся в минуту; ku /г2, ..., kn —
поправочный коэффициент; А— общее количество агрегатов, взятых для
анализа.
Приведем пример расчета:
1. Если при определении водопрочности все агрегаты
(Л—50) распались в первую минуту, то показатель
водопрочности (К) будет равен
■— (a-*i) 5-5» 10
tf =
А
50
5%.
7]
17. Водопроч
Время
отсчета,
мин
Поправочный
коэффициент
Почва № 1
количество
распавшихся
агрегатов
показатель водопрочности
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
И
5
15
25
35
45
55
65
75
85
95
100
15
1
0
4
0
6
8
2
3
11
0
К-
(75+15+0+140+0+330+
+520+150+25+1045)
50
= 50,6%
2. Все агрегаты сохранились целыми в течение 10 мин:
50
Данные анализа заносят в таблицу 17.
Примеры, приведенные в таблице, наглядно показывают, что
величина показателя водопрочности зависит от времени
распада агрегатов.
В почвах № 1 и 2 все 50 агрегатов распались за 10 мин, но
показатели водопрочности их различны, так как в первом
случае разрушение их происходило постепенно, а во втором —
агрегаты распались в первые же минуты воздействия на них
воды.
Изменения в методе анализа и расчета результатов
повысили точность работы. В методе Андрианова расхождения
в данных контрольных определений объяснялись тем, что при
смачивании водой бумага местами вспучивалась, что приводило
к неодновременному смачиванию агрегатов водой. Этот
недостаток устраняется с помощью прижимного кольца.
КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВОДОПРОЧНОСТИ АГРЕГАТОВ
Метод Фадеева — Вильямса основан на учете количества
воды, прошедшей через колонку почвы в единицу времени.
Определения ведут в специальном приборе (рис. 14),
который состоит из двух цилиндрических сосудов — большого 1 и
малого J?, соединенных между собой трубкой 5. В сосуд /
помещают исследуемую почву, через сосуд 2 подают воду.
72
ность почвы
1 «
чество
авшихс
гатов
Э и <"
ч и а
О ее и
а ля
Почва № 2
показатель водопрочиости
«
С1ВО
шихс
гов
*S2
g И си
Ч U О,
О со U
W О^со
Почва № 3
показатель водопрочиости
33
10
2 #-, (165+150+Ю0+70+45)
1 50
0 =10,6%
о
о
о
о
Сосуд / в верхней части имеет сливную трубку, отходящую
от него под прямым углом. Диаметр этой трубки в 2 раза
больше диаметра трубки 5. Сверху сосуд при работе остается
открытым *.
Сосуд 2 имеет изогнутую трубку 3, один конец которой
выходит через боковую стенку наружу. Трубка служит для сброса
излишка воды и установления постоянного уровня ее в этом
сосуде. Сосуд 2 приподнят над сосудом / с таким расчетом,
чтобы расстояние между верхним концом его водоотводной
трубки и поверхностью почвы в сосуде 1 соответствовало
задаваемому напору воды при анализе (5 или 10 см). Благодаря
этому вода из сосуда 2 подается в сосуд 1 под постоянным
давлением. В сосуд 2 вода поступает из водопроводного крана или
бутылки. Весь прибор укреплен на деревянном штативе.
Подготовка прибора к работе. На дно сосуда 1
кладут кусочек сетки с диаметром отверстий 0,5—1 мм. На
сетку насыпают гравий (или битое стекло) слоем 4—5 см для
создания равномерного тока воды, вновь накладывают кусок
сетки и на него помещают исследуемый образец почвы слоем
в 10 см.
Для определения водопрочиости берут структурную
фракцию одного размера, полученную сухим просеиванием
на-ситах**. Сверху почвы накладывают еще одну сетку, насыпают
.* В приборе Фадеева — Вильямса сосуд / закрывается сверху пробкой
с водоотводной трубкой. Однако при работе под пробкой образуется
воздушный пузырь, который мешает нормальному току воды; дополнительным
неудобством является и то, что для создания герметичности пробку
приходится заливать парафином.
** В учебных целях целесообразно анализировать различные по размерам
фракции одной почвы или фракции одного размера, но разных почв.
О
2
0
0 v (30+45+195+380+4000)
■ *-—»—
3 =93%
0
0
4
40
7Д
слой гравия (или битое
стекло) до водоотводной трубки 4
и закрывают сеткой. Под
водоотводную трубку сосуда 1
подставляют мерный цилиндр.
Определение в о д о -
прочности. ' Когда прибор
заряжен, через него
пропускают струю воды. Вода из
сосуда 2 под определенным
напором, создаваемым
разностью высот сосудов, по
трубке 5 поступает в сосуд /;
пройдя через слой гравия и почвы
изливается через
водоотводную трубку и собирается
в мерный цилиндр.
Количество просочившейся воды
учитывают за определенные
интервалы времени: каждые
10 мин в течение первого часа,
каждые 30 мин в течение
второго и третьего часов и затем
за каждый час до
установления равномерной фильтрации.
Интервалы определяются
задачами исследования.
По мере разрушения агрегатов количество воды,
просачивающейся сквозь почву, будет уменьшаться. По изменению
водопроницаемости судят о водопрочности почвенных агрегатов.
Чем менее прочна структура, тем быстрее она будет
расплываться и тем быстрее затухает кривая водопроницаемости.
Водопрочность выражают или количеством просочившейся
воды за интервал времени, или скоростью фильтрации,
Рис. 14. Прибор Фадеева—Вильямса
для определения водопрочности
почвенных агрегатов:
/ — большой сосуд; 2 — малый сосуд;
3 — изогнутая трубка; 4 — сливная
трубка; 5 — соединительная трубка.
V =
t
где v — скорость фильтрации в единице объема за единицу времени, см3/мин,
см8/ч; Q — количество просочившейся воды в единице объема; t — время
просачивания, мин или ч.
Результаты анализа оформляют в виде таблицы и графика.
На графике по оси абсцисс откладывают время наблюдения,
по оси ординат — количество воды в единицах объема (см3)
или скорость фильтрации.
Определение водопрочности структуры почвы в образцах
ненарушенного сложения. Н. И. Саввинов, а позже Н. Д. Пусто-
войтов, сохраняя принцип определения водопрочности
структуры по учету фильтрации воды сквозь определенную толщу
почвы (по методу Фадеева — Вильямса), предложили свой
74
метод и прибор для определения
водопрочности структуры почвы
в образцах ненарушенного
сложения. На кафедре физики и
мелиорации почв факультета
почвоведения МГУ конструкция
прибора усовершенствована.
Прибор (рис. 15) состоит из
специального литого штатива {1)
с цилиндром для почвы (2),
напорного стакана (3), через
который подается вода. На штативе
имеются два кольца, служащие
«гнездом» для цилиндра. На
нижнем конце укреплено дно,
имеющее в центре отверстие с
отводной трубкой, оканчивающейся
трехходовым краном (5) и
соединяющей стакан с почвой с
напорным стаканом. Последний путём
поднятия и опускания
устанавливают на заданной высоте, что
обеспечивает задаваемый напор
воды. Подачу воды в прибор
можно осуществлять под напором
50, 100, 150, 200 мм. Чаще всего
применяют напор 50 мм.
Напорный стакан имеет сливную трубку
(4) для сброса воды сверх
установленного напора. В верхнее кольцо вделано второе кольцо
с винтовой нарезкой, на которое навинчивается массивная
крышка с водоотводной трубкой и трехходовым краном для
выхода воды, прошедшей через колонку почвы.
В приборе два цилиндра: внешний с сетчатым дном и
внутренний— сменный для образца почвы. Цилиндр для образца
почвы должен быть изготовлен из нержавеющего материала
(сталь, латунь) и иметь хорошо пригнанные крышки. Высота
цилиндра 85 мм, диаметр 80 мм, толщина стенки 1—1,5 мм.
К прибору следует иметь несколько цилиндров. Для удобства
транспортировки их устанавливают в ящик с гнездами.
Взятие образца почвы для анализа. Образцы
почвы для анализа могут быть взяты с любой глубины. Для
этого подготавливают площадку. С цилиндра снимают крышки и
слегка смазывают наружную и внутреннюю стенки вазелином.
Погружение цилиндров в почву производят с помощью иаправи-
теля (подобно взятию образца для определения плотности скелета
почвы по Н. А, Качинскому); в рыхлую почву цилиндр можно
погружать, надавливая рукой. Образец очень твердой почвы
предварительно увлажняют, вырезают ножом монолит и посте-
Рис. 15. Прибор для определения-
водопрочности структуры почвы
ненарушенного сложения:
/ — литой штатив; 2 — цилиндр для
почвы; 3 — напорный стакан; 4 —
сливная трубка; 5 — трехходовой кран.
75
пенно надвигают на него цилиндр. Нельзя допускать, чтобы
между образцом почвы и стенкой цилиндра оставалась щель
(в крайнем случае ее нужно засыпать образцом того же
горизонта). Заполнив цилиндр, вынимают его вместе с почвой,
удаляют ее излишки и закрывают крышками. Для сохранения
в образце естественной влажности (в случаях
продолжительного хранения) в лаборатории цилиндр покрывают тонким
слоем парафина (тщательно закрытый цилиндр быстро
перекатывают в ванне с расплавленным парафином). При
транспортировке образцов на далекое расстояние их необходимо
упаковывать в небольшие ящики, перекладывая бумагой или сеном.
Такая упаковка, помимо сохранения целостности образца,
предохранит от резких колебаний температуры, что могло бы
привести в случаях высокой влажности почв к выпотеванию воды
на стенках цилиндра.
Ход определения водопрочности структуры.
Перед анализом с цилиндра снимают крышки. На дно гнезда
штатива накладывают сетку с отверстиями диаметром 0,5—
0,25 мм. Цилиндр устанавливают в «гнездо», сверху
накладывают также сетку и закрывают крышкой прибора, которую
крепко завинчивают.
Напорный стакан устанавливают на заданный
гидростатический напор и соединяют с источником воды (бутыль, кран
водопроводный). Открывают верхний и нижний краны
прибора. Вода поступает в цилиндр через нижний кран, проходит
колонку почвы и поступает через верхнюю отводную трубку
в мерный цилиндр. Записывают время появления первой капли
и с этого момента ведут учет количества просочившейся воды
за каждые 10 мин (6 отсчетов), потом за каждые 30 мин
(4 отсчета) и, наконец, за каждый час до установления
постоянной скорости. Первые отсчеты можно производить через
более короткие промежутки времени — 5 мин. Периодически
замеряют температуру воды, поступающей в почву. Результаты
наблюдений с поправкой на температуру выражают в мм/мин,
мм/ч, мм/сут, см/с. Полученные данные оформляют в виде
таблицы и графиков. На графике по оси ординат откладывают
коэффициент или скорость фильтрации, по оси абсцисс —
время в секундах, минутах, часах или сутках.
С помощью описанного прибора можно изучать водопроч-
ность структуры почвы нарушенного сложения, а также
отдельных структурных фракций.
Капельный метод Виленского. Этим методом определяют
водоустойчивость отдельного агрегата путем действия на него
капель воды (дождя). Д. Г. Вилеиский сконструировал
специальный прибор, представленный на рис. 16.
Описание прибора. На массивном основании
поставлены в два ряда по две стойки-штатива. На задних штативах
закреплен в горизонтальном положении стеклянный сосуд 1
с отверстием для заполнения его водой и краном для спуска
76
Рис. 16. Прибор Внленского для
определения водоустойчивости
почвенных агрегатов:
1 и 2 — стеклянные сосуды; S-
ночка; 4 — мерный цилиндр.
• воро-
воды. На передних штативах
расположен также
горизонтально стеклянный сосуд 2
меньшего объема, который
имеет отверстие для воздуха и
десять боковых отводов
с двумя кранами каждый.
Верхним краном регулируют
скорость подачи воды, нижним
перекрывают подачу ее. Под
кранами в гнездах
установлены мерные цилиндры 4 на
100 мл. Нижний конец
цилиндра имеет форму воронки и
перекрывается краном.
После определения вода из
цилиндра может быть удалена
через кран в сточное
отверстие в основании.
На верхний край цилиндра
надета вороночка 3}
представляющая собой спираль из
тонкой нержавеющей проволоки
с расстоянием между витками в 1 мм.
Ход анализа. В сосуды большой и малый наливают
дистиллированную воду до определенного уровня. По
секундомеру верхним краном устанавливают скорость вытекания
капель воды: 2 капли в секунду при объеме капель 0,03 мл.
Для испытания на водоустойчивость отбирают 50 агрегатов
определенного размера. Рекомендуется брать среднюю по
размерам фракцию 3—5 мм. Испытуемый агрегат помещают на
дно спиральной воронки. Расстояние между кончиком крана и
агрегатом должно быть 5 см (путь капли). Воду,
использованную для размывания каждого агрегата, собирают в мерный
цилиндр и учитывают. Размывание заканчивают, когда все
частицы почвы пройдут через миллиметровое отверстие между
витками. Водоустойчивость определяют количеством воды в см3,
затраченным на полное размывание одного агрегата. Из
данных по 50 агрегатам выводится средняя величина
водоустойчивости фракции данного размера. Суспензия, собранная в
цилиндры, может быть проанализирована далее методом
фракционирования на ситах и методом пипетки.
Полученные результаты позволят судить о степени
разрушения агрегатов при размывании.
В случае отсутствия прибора вышеописанной конструкции
можно в лабораторных условиях изготовить подобную
установку.
Две стеклянные трубки диаметром около 10 мм соединяют
металлическими обоймами (проволокой) так, чтобы щель
77
между ними была точно 1 мм и закрепляют их на штативе.
Над трубками устанавливают бюретки для подачи воды, а под
ними цилиндры для сбора ее. Скорость, объем капель, высота
падения точно такие, как выше описано. Исследуемые агрегаты
раскладывают над щелью между трубками и размывают
каплями воды из бюреток до полного разрушения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
АГРЕГАТОВ
Механическую прочность или связность агрегата можно
измерить и выразить нагрузкой, которая потребуется для его
разрушения. Для определения связности агрегата удобны метод
и прибор, предложенные Д. Г. Виленским.
Описание прибора (рис. 17). Прибор представляет
собой неравноплечие весы. На короткое плечо 2 надето
приспособление из серег 1. Нижняя серьга может подниматься или
опускаться с помощью винта. Верхняя серьга подвижно
подвешена к рычагу весов. На длинном плече помещается ползунок
5, который тросиком из шелковой нити 4, переброшенным через
блок 5, соединен с моторчиком 6.
Ход работы. Испытуемый агрегат помещают на
пластинку верхней серьги, нижнюю серьгу опускают до
соприкосновения с агрегатом. Включают моторчик, и трос натягивает
ползунок. В момент разрушения агрегата стрелка весов 7
отклоняется, нарушается контакт. Моторчик останавливается, и
ползунок автоматически регистрирует нагрузку; нужную для
разрушения агрегата. Для 50 агрегатов рассчитывают среднюю
величину механической прочности в граммах.
Tilijililiiiiijinniiii^rjrpjpp.
^^
1
Рис. 17. Прибор Виленского для определения механической
прочности (связности) почвенных агрегатов:
J — серьги; 2 — короткое плечо; 3 — ползунок; 4 — шелковая нить; 5 — блок-
6 — моторчик; 7 — стрелка. '
78
На приборе можно определить сопротивление агрегата
раздавливанию и расклиниванию. Для расклинивания на
пластинке серег закрепляют равностороннюю стальную призму.
В лаборатории, где нет такого прибора, для определения
механической прочности почвенных агрегатов можно
приспособить технохимические весы. Для этого правую чашку весов
заменить равным ей по массе и диаметру диском (из
пластмассы или алюминия), над диском к платформе весов
прикрепить металлическую скобу. Сверху в центре скобы и над
центром нижнего диска пропустить винт с нарезкой, на нижнем
конце которого закрепить пластмассовый диск диаметром 2—
3 см. Поверхности нижнего и верхнего диска должны быть
строго параллельны. Агрегат помещают на нижний диск,
а верхний с помощью винта опускают до соприкосновения с
агрегатом. Открывают весы и на противоположную чашку их
ставят гири или насыпают песок до разрушения агрегата.
Определяют механическую прочность 50 агрегатов и из
контрольных определений рассчитывают среднюю величину нагрузки,
под действием которой агрегат разрушается.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОЗИОСТИ АГРЕГАТОВ
Порозность агрегатов важна для агрономической
характеристики структурных элементов почвы. Ее можно
охарактеризовать количественно (методы парафинирования, керосиновый)
и качественно-количественно (метод микроскопирования).
Метод парафинирования. Метод фиксирования почвенных
образцов парафином известен давно и его применяли в своих
исследованиях многие ученые. Однако методика,
использовавшаяся ими, имела существенный недостаток. Образцы
фиксировали в парафине густой консистенции, в результате чего на
их поверхности при застывании образовывалась толстая пленка
из парафина, которую необходимо было учитывать при расчете
объема агрегата.
В лабораториях физики почв МГУ и Почвенного института
им. В. В. Докучаева проведены работы по усовершенствованию
техники парафинирования и разработке методики анализа.
Предложено использовать перегретый парафин, который
благодаря жидкому состоянию может, вытесняя воздух, проникать
внутрь агрегата и при охлаждении не дает пленки на
поверхности образца.
Рядом исследователей (А. Ф. Тюлин, С. Н. Рыжов, Н. А. Ка-
чинский, М. Н. Польский) установлена зависимость порозиости
агрегата от его размера: с уменьшением размера агрегата
уменьшается его порозность. Соответственно этому
рекомендуется определять порозность крупных и мелких агрегатов. В
настоящее время используют методику определения порозиости
агрегата, детально разработанную М. Н. Польским и Н. А. Ка-
чииским (1949).
79
Фиксация крупных агрегатов. Из воздушно-сухой почвы
отбирают 5 агрегатов диаметром около 10 мм. Одновременно берут
навеску почвы для определения влажности. Каждый
агрегат обвязывают крест-накрест тонкой (d=0,l мм) медной
проволокой определенной массы (нарезают одинаковые куски
проволоки длиной около 25 см, взвешивают все вместе, а затем
рассчитывают среднюю массу каждой). На другом конце
проволоки делают петлю.
Обвязанные проволокой агрегаты взвешивают на
аналитических весах с точностью до 0,001 г (pi). Взвешивают и хранят
иезапарафинированные и запарафинированиые агрегаты
обязательно в подвешенном положении под своими номерами (при
взвешивании номера снимают).
Вычитая массу проволоки и учитывая процент влажности,
находят массу абсолютно сухого агрегата (р).
Агрегаты фиксируют в парафине в четыре приема. Сначала
подвешенные за проволочку на стеклянной или металлической
перекладине образцы погружают в стакан (или чашку) с
расплавленным парафином температурой 90—100 °С и
выдерживают в нем до прекращения выделения пузырьков воздуха (1—
3 ч). Затем агрегаты переносят во второй стакан с парафином,
нагретым до 150—170 °С, на несколько минут (15-—20) для
удаления остатков воздуха; расплавленный пар'афии входит
в тонкие поры агрегата.
Агрегаты переносят в третий стакан с парафином,
остуженным до 50—60 °С. Здесь они охлаждаются, парафин в них
сжимается и в поры втягивается дополнительное количество
парафина. Этим достигается более совершенная закупорка пор.
Через 15—20 мин агрегаты извлекают из парафина и
охлаждают на воздухе. Охлажденные агрегаты ополаскивают во
втором стакане (в парафине при температуре 150—170 °С) для
удаления с поверхности агрегата пленки парафина (каждый
агрегат отдельно опускают и быстро вынимают). Каплю
парафина, образовавшуюся снизу агрегата, снимают
фильтровальной бумагой После этого агрегаты должны иметь вид свежей
(слегка увлажненной) почвы. Зафиксированные образцы
взвешивают сначала на воздухе (рг), а затем в этиловом спирте (рз).
Взвешивание в спирте производят следующим образом: над
чашкой весов устанавливают специальный столик так, чтобы
он не касался чашки. На столик ставят стакан со спиртом,
в который погружают взвешиваемый агрегат, подвешенный на
крючке чашки весов (рис. 18).
Спирт применяют потому, что он хорошо смачивает
парафин, почти не растворяя его. Вода не смачивает парафин,
поэтому на поверхности агрегата остаются пузырьки воздуха,
искажающие результаты взвешивания.
Определив спиртомером концентрацию (крепость) спирта,
по таблице (справочник физических констант) находят "его
плотность.
80
Потеря массы агрегата при
взвешивании на воздухе и в спирте [р%—р3)
равна массе спирта в объеме агрегата.
Рассчитывают объем спирта (объем
агрегата):
затем плотность агрегата:
V у
где р—масса сухого агрегата; V — объем агрегата.
Порозность агрегата (Ра) вычисляют
по формуле
ра= ',d~dv .100,
или
"-О-^г)-100-
где dvj— плотность агрегата; d—-плотность
твердой фазы почвы; р — масса сухого агрегата;
V— объем агрегата.
Рис. 18.
Приспособление для определения
порозности агрегатов
гидростатическим
взвешиванием:
/ — чашка весов; 2 —
треногий столик; 3 —стакан со
спиртом; 4 — стаканчик для
взвешивания агрегатов; 5 —
агрегаты; 5 —тонкая
металлическая проволока
(0,1 мм), 7 —дно
стаканчика из шелка или сетки.
Рассчитывают порозность каждого агрегата, а затем
среднюю из повторностей. Характеризуя порозность агрегатов
данного генетического горизонта или образца, следует оценить ее
не только по среднему значению, но показать и пределы
варьирования.
Фиксация мелких агрегатов (5—0,5 мм). Из отсеянной
фракции отбирают 10—20 агрегатов, все вместе взвешивают и
раскладывают в коробочке из фильтровальной бумаги, в дне
которой проделаны (иголкой) небольшие отверстия.
Коробочку с агрегатами устанавливают на металлическую
сетку и опускают в широкую чашку с расплавленным
парафином, нагретым примерно до 100 °С. Сначала сетка лишь
касается поверхности парафина и агрегаты насыщаются
капиллярно; после удаления большой части воздуха из пор агрегатов
сетку погружают в парафин. При прекращении выделения
пузырьков воздуха парафин охлаждают до 70—80 °С и коробочку
с агрегатами извлекают из парафина.
Остывшие агрегаты отделяют от дна коробочки вместе с
парафиновой корочкой и переносят на теплую этернитовую
плитку, покрытую фильтровальной бумагой. Здесь агрегаты
осторожно перекатывают по бумаге стеклянной палочкой с
резиновым наконечником, заостренным наподобие пера, до
удаления с их поверхности парафиновой пленки.
81
Правильно зафиксированные агрегаты не должны иметь
незаполненных пор и парафиновой пленки на поверхности. Запа-
рафинированные агрегаты взвешивают сначала на воздухе, а
затем в этиловом спирте. Взвешивание агрегатов в спирте
производят в специальном стаканчике. Стаканчик имеет суженное
дно, обтянутое батистом или тонкой металлической сеткой,
для того чтобы спирт свободно входил в стакан. В верхней
части стаканчика имеются крючочки, за которые на проволочке
его подвешивают над чашкой весов. Сначала взвешивают
в спирте пустой стаканчик, а затем с агрегатами. Стаканчик
с агрегатами полностью погружают в стакан со спиртом,
установленный на столике, как было описано выше. Он не должен
касаться стенок и дна большого стакана и выходить за пределы
поверхности спирта при поднятии.
Порядок расчета порозности мелких агрегатов такой же,
как для агрегатов крупных. Полученные данные вносят в
таблицу по форме, приведенной ниже *.
Форма записи при определении порозности агрегата
очвы
а
№
еа
PQ
со
со
д
2
со*
К
, глуби
о
со
ft
о
U
1
:гата
«U
£
и
со
ft
о
К
ата
грег
СО
о
и
■cyxi
ушно-
со
со
«J
V
со
<•** 1
влажность,
ую навеску
05 О
о ?
ВЗ
о о
о ~,
о. 2
к ve
*-!* 1
тата
агре
хого
лютно су;
°
СО
СО
о
со
%ъ.\
Масса
запарафини-
рованиого
агрегата
£
(духе
о
и
и
«S
<U
ь
ft
Я
и
и
а
!
о!
гата
агре
V
о
о
со
2
в
к
ft
CU
о
с
пирта
а
и
о
с
ft
tf
со
спирт
!°
У
О
и
о
ч
С
t
G.
Q
1
гата
(О
s
3
\о
О
в*
1
II
СО
агреп
л
о
X
о
ч
с
i
ь
гата
агре
00*
л —•
о
о ь.
Я *у
2 1
° J
ft *ч
о
тз
_с L
Определение порозности агрегатов методом насыщения
их неполярной жидкостью — керосином (П. И. Андрианов,
М. В. Рассель, И. А. Лытаев).
Этот метод рекомендуется для обработки
микроагрегатов, так как после фиксации парафином очень трудно сиять
с их поверхности пленку. Приводим описание метода в
модификации кафедры физики и мелиорации почвы МГУ (Е. А.
Дмитриев, А. С. Манучаров).
Предварительно почву рассеивают на ситах по фракциям.
Берут 5—10 агрегатов** соответствующего размера, взвеши-
* В расчет принимается суммарная масса агрегатов данного образца.
** Большее количество агрегатов брать не рекомендуется, так как это
увеличит время на обкатку их после насыщения и может привести к
искажению результатов за счет испарения керосина.
82
вают на аналитических весах и помещают в коробочку из
фильтровальной бумаги. Одновременно в бюксы берут
навеску из агрегатов 5—6 г для определения гигроскопической
влажности. Коробочку с агрегатами осторожно опускают
в кристаллизатор с керосином. После того как агрегаты
капиллярно пропитаются, их полностью погружают в керосин
и помещают на 15—30 мин в вакуумный эксикатор или
вакуумный шкаф, где создается по возможности максимальное
разрежение. Затем коробочку с агрегатами вынимают из
керосина, агрегаты переносят на фильтровальную бумагу,
обкатывают до исчезновения жирного блеска и появления
матового оттенка, собирают на часовое стекло и взвешивают.
Плотность агрегатов рассчитывают по следующей
формуле:
а _ £п
dn dK
где dv — плотность агрегата; wr — объем гигроскопической воды; ра — масса
сухих агрегатов; dn — плотность твердой фазы почвы;-— объем твердой
dn
фазы агрегатов; рк — масса керосина в агрегатах; dK — плотность керосина;
л объем керосина в агрегатах.
dm
Зная плотность, рассчитывают порозность агрегатов в
процентах объема:
dn-dv <100>
а
dn
Этот метод по сравнению с методом парафинирования
более быстрый, так как здесь исключается гидростатическое
взвешивание.
Метод микроскопирования. Данный прием в исследовании
почвенного агрегата позволяет, помимо прямого подсчета
количества пор, дать качественную оценку порозности внутри
агрегата. Для этой цели из почвенных агрегатов готовят
тонкие шлифы. Под микроскопом с помощью микрометра в них
можно определить размеры пор и подсчитать общую их
площадь, зарисовкой или фотографированием зафиксировать
конфигурацию пор. Шлифы можно использовать также для
определения минералогического состава образца.
На рис. 19 приведена зарисовка шлифа почвенного
агрегата под микроскопом (горизонт А дериово-подзолистой
почвы).
Изготовление шлифа*. Прежде чем приступить
к подготовке шлифа, агрегат закрепляют (фиксируют), для
* Изготовление шлифов требует определенного технического навыка.
Существуют специальные шлифовальные мастерские с опытными специалистами.
Ниже приводится методика, которой можно воспользоваться в учебных целях,'
83
МасштаЙ, мм
0 D;Z Dfi 0,6 0,8 1 1,2 1fi 16
Толщина шлифа q оз мм
Рис. 19. Шлиф почвенного агрегата
(дерново-подзолистая почва,
горизонт А):
/ — поры; 2 — твердая фаза почвы; 3—
4 — минералы.
этого его проваривают в
фиксаторе. В качестве
фиксирующих веществ применяют
канифоль, бакелитовый лак,
некоторые пластмассы. Иногда,
чтобы не изменить
нагреванием исследуемый материал,
применяют холодные
цементы: гипс, зубной цемент. Для
наклейки зафиксированного
агрегата на стекло
используют -бальзамы: пихтовый,
канадский.
Шлифы можно готовить из
крупных и мелких агрегатов.
В -последнем случае
фиксируют несколько агрегатов
вместе. При работе с
расплавленными фиксаторами
следует строго соблюдать
осторожность: работать в
вытяжном шкафу и иметь вблизи
противопожарные средства.
Изготовление шлифа из
крупных агрегатов. Агрегаты берут размером 10—12 мм.
Чтобы сохранить их целостность, особенно в случае рыхлого
сложения, перед проваркой то отдельности или все вместе
обвязывают марлей (батистом).
Чаще всего в качестве фиксатора применяют канифоль.
Чтобы получить жидкую консистенцию, ее растворяют в
органическом растворителе: ксилоле (лучше), бензоле, толуоле.
Для этого твердую канифоль мелко измельчают, заливают
растворителем и через некоторое время осторожно подогревают на
малом огне до полного растворения.
Погружение агрегатов в расплавленный фиксатор следует
производить постепенно, давая возможность фиксатору
заполнить капилляры. Затем образцы полностью погружают в
раствор и проваривают в нем до полного прекращения
выделения пузырьков воздуха. Время проваривания определяется
консистенцией фиксатора и порозностью агрегата. Для
проваривания тонкопористых агрегатов требуется фиксатор
жидкой консистенции. Проваренные образцы вынимают из
фиксатора, охлаждают, отделяют от марли и шлифуют на
шлифовальном станке при скорости вращения диска 500—
600 мин^1. Первое шлифование производят грубым
корундовым порошком (№ 170—180). Порошок подают на диск
разведенным водой или глицерином до жидкой кашицы. Сначала
образец готовят для наклейки на стекло, поэтому шлифуют
пока одной стороной до получения ровной поверхности. После
84
этого отшлифованную поверхность отмывают щеткой в
глицерине, насухо протирают и снова проваривают в фиксаторе
в сушильном шкафу или на этернитовой плитке. Вновь
шлифуют на шлифовальном станке, но уже с тонким порошком
(28-минутником).
Эти операции повторяют до тех пор, пока агрегат
полностью не зацементируется.
После цементации отшлифованную поверхность агрегата
выравнивают на толстом матовом (отшлифованном) стекле
еще более тонким порошком корунда (14—10-минутником),
чисто промывают и просушивают.
Подготовленный таким образом агрегат наклеивают
отшлифованной стороной на предметное стекло. Для этого
чистое и сухое предметное стекло кладут на подогретый
металлический столик, намазывают твердым пихтовым или
канадским бальзамом и подогретым накладывают на отшлифованную
поверхность агрегата, тщательно притирают, чтобы удалить
пузырьки воздуха. После закрепления агрегата на стекле
шлифуют другую его сторону на шлифовальном станке
сначала грубым корундовым порошком (№ 170—180), затем
более тонким — 28-минутником и, наконец, на стекле порошком
14—10-минутником доводят до толщины 0,02—0,03 мм.
Контроль за толщиной шлифа ведут с помощью
поляризационного микроскопа по окраске кварца. При толщине шлифа
в 0,02—0,03 мм интерференционная окраска кварца при
скрещенных николях бледно-серая.
Шлиф накрывают таким же способом чистым и сухим
покровным стеклом. Двигая и слегка прижимая стекло
к шлифу, удаляют пузырьки воздуха и излишки
бальзама. После затвердевания эти излишки снимают подогретой
бритвой. Шлиф промывают спиртом или ксилолом со щеткой. На
этом приготовление шлифа заканчивается, и его используют
для микроскопического изучения строения почвенного
агрегата.
Изготовление шлифа из мелких агрегатов. Берут отрезки
стеклянной трубки диаметром и высотой 10 мм и помещают
на подогретый металлический столик. После нагревания
трубочек в них наливают разогретый фиксатор жидкой
консистенции и опускают несколько мелких агрегатов, распределяя
их по всему диаметру трубки. Нагрев прекращают. Трубочки
с содержимым охлаждают и после полного затвердевания
фиксатора их легко отбивают от столика. Получают
маленький монолит, заключенный в стеклянную оправу. Сначала
шлифуют и выравнивают поверхность одного конца моноли-
тика до снятия части поверхности агрегатов. После наклейки
на стекло шлифуют другой конец —до получения шлифа
толщиной 0,02—0,03 мм.
Приемы шлифования, наклейки и покрытия шлифа такие
же, как при изготовлении шлифов из крупных агрегатов.
85
Техника подсчета площади порового
пространства в шлифах под микроскопом.
Микроскопическим методом возможен учет видимой порозности, то есть
пор, которые значительно превосходят толщину шлифа или
расположены вертикально по отношению к его поверхности.
Существует несколько методов подсчета площадей:
планиметрический, линейный, точечный, суммарного фотоэффекта.
Для дробного учета пор в шлифах наиболее удобен
планиметрический метод, который может быть применен в
различных вариантах (клеточный, зарисовки, увеличенных
фотографий, проекции шлифа).
Клеточный метод. С помощью квадратно-сетчатого окуляр-
микрометра подсчитывают количество клеток (квадратов),
накладывающихся на просматриваемый объект. Поры
просматривают при малом увеличении (не болееХ120). Сначала
подсчитывают общую площадь шлифа, а затем площадь пор.
Принимая первую за 100 %, рассчитывают площадь пор
в процентах. Одновременно отмечают крупные поры. Вычитая
из общей порозности агрегата площадь крупных пор,
рассчитывают площадь остальных пор.
Метод зарисовки можно использовать для определения
размеров пор. С помощью рисовального аппарата РА-1 при
малом увеличении микроскопа воспроизводят строение шлифа.
Планиметром измеряют площадь пор на рисунке и, зная
степень увеличения, рассчитывают их размер в агрегате.
Метод фотографирования в сочетании с проекционным
методом является одним из наилучших примеров подсчета пор.
Он заключается в следующем: при помощи
микрофотографической камеры фотографируют несколько участков шлифа на
соответствующее количество кадров кинопленки. После
проявления пленки каждый кадр проецируют на квадратно-
клеточный экран. Подсчитывают общую площадь порового
пространства шлифа и определяют размеры и характер
пор.
Коллоидно-химический и микроскопический анализ
почвенных агрегатов. Для выяснения природы почвенных агрегатов,
характера связи механических элементов в них предложен
коллоидно-химический метод анализа, или метод
«анатомирования» почвенного агрегата (И. Н. Антипов-Каратаев,
В. В. Келлерман, Д. В. Хан, 1948).
Метод основан на последовательном нарушении связей
между механическими элементами, образующими агрегат,
с помощью химических реагентов с постепенно
увеличивающейся силой воздействия. Обработку агрегата проводят в 4
стадии. В качестве реагентов применяют буферный раствор
0,1 молярного NaOH + 0,1 молярного Na2C204, реактив Тамма
и гипобромид натрия. Параллельно на разных стадиях
обработки ведут микроскопическое изучение с зарисовкой и
микрофотографированием исследуемых агрегатов.
86
Выше описанный метод дает возможность определить лишь
качественный состав агрегатов, получаемых после действия
используемого реактива.
И. В. Кузнецовой (1966 г.) разработан вариант этого
метода, который позволяет оценить количественно влияние на
водопрочность агрегатов отдельно того или иного «клеящего»
вещества. Внесены изменения в методику и технику
выполнения исследований; после обработки соответствующим
реактивом образец рассеивают на ситах в воде.
Для анализа берут структурную фракцию размером 3—
5 мм (после сухого просеивания). Воздушно-сухие агрегаты
предварительно насыщают водой в течение двух часов и
просеивают на ситах в воде. Оставшуюся после этого
водопрочную фракцию размером 3—5 мм обрабатывают различными
реактивами. Предполагается четыре обработки: водой, 0,1
молярной щелочью (NaOH), гипобромидом натрия, раствором
Тамма.
Каждую порцию агрегатов обрабатывают определенными
реактивами отдельно и определяют степень разрушения их
после удаления «клеящего» вещества.
10 г водопрочных агрегатов помещают в чашку Петри.
Раствор соответствующего реактива подается на агрегаты
сверху, капиллярно по фитилю из фильтровальной бумаги,
а по другому фитилю отводится вниз в приемник. Такое
приспособление сохраняет агрегаты от механического разрушения
при подаче и отборе раствора, кроме того, в течение всей
обработки они находятся в проточном растворе. Обработка
продолжается до прекращения качественной реакции на
содержание «клеящего» вещества, разрушаемого применяемым
в данном случае реактивом. Затем агрегаты без высушивания
просеивают через сита в воде. Фракцию >0,25 мм собирают
с сит, высушивают, взвешивают и рассчитывают в процентах
количество водопрочных агрегатов, на которые распался
исходный материал. Суспензию после мокрого просеивания
каждой пробы, содержащую фракции <0,25 мм, отстаивают,
просветленный слой жидкости сливают, а осадок переносят
в мерный цилиндр (на 500 или 1000 см3). Цилиндр доливают
водой до нужного объема и пипеткой берут средние пробы для
определения микроагрегатного состава после обработки
определенным реактивом.
Для изучения природы микроагрегатов А. Ф. Тюлиным
предложен метод дробной пептизации. Описание его приведено
в методическом руководстве по изучению почвенной
структуры (под редакцией И. Б. Ревута и А. А. Роде, 1969).
Порозность агрегата свыше 50 % считается наилучшей,
50—40— хорошей, 45—40 — удовлетворительной и меньше
40%—неудовлетворительной (Н. А. Качинский, 1965).
Агрегаты черноземной почвы имеют наилучшую и хорошую
порозность, даже в иллювиальном горизонте она не бывает
87
ниже 40%. В подзолистой почве порозность в агрегатах
горизонта А не поднимается выше удовлетворительной, а в
иллювиальном горизонте она неудовлетворительная. Агрегаты
солонца имеют порозность неудовлетворительную.
Н. А. Качинский выделяет также поры по их размерам:
микропоры диаметром <30 мк, мезопоры 30—100 мк и
макропоры > 100 мк. Микро- и мезопоры в агрегате и в общей
массе почвы являются водоудерживающими.
При этом следует учитывать, что активность пор по
отношению к воде связана с адсорбционной способностью почвы.
Чем она выше, тем больший объем пор неактивных. Поры
одинакового диаметра могут быть неактивными в почвах
глинистых и активными в супесчаных и песчаных почвах.
ПЛОТНОСТЬ И ПОРОЗНОСТЬ ПОЧВЫ
Почва представляет собой сложное тело, состоящее в
основном из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В
зависимости от того, в каком сочетании производят определение,
различают три понятия: плотность твердой фазы почвы
(твердая фаза) d\ плотность скелета, или объемная масса (твердая
и газообразная фазы) dy\ плотность почвы в естественном ее
состоянии (твердая, жидкая и газообразная фазы) dn.
ПЛОТНОСТЬ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ
И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Под плотностью твердой фазы почвы понимают отношение
массы твердой части почвы (почвы без скважин) к единице
объема.
Наглядно это можно представить следующим образом.
Если взять кусочек сухой почвы и спрессовать его так, чтобы не
было скважин, то отношение массы взятой почвы к
полученному объему и будет плотностью твердой фазы.
Зависит она от химического, минералогического состава
и определяется средней плотностью веществ, составляющих
данную почву, и их относительным содержанием.
В состав минеральной части почвы в качестве основных
минералов входят кварц, полевые шпаты, глинные минералы,
имеющие плотность в пределах 2,40—2,80 (табл. 18). Реже
встречаются железосодержащие минералы плотностью до 4.
Плотность гумуса 1,20—1,40. Поэтому в почвах малогумус-
ных и в нижних горизонтах гумусных почв плотность
колеблется в пределах 2,60—2,80 и до 3,00 — в красноземных почвах.
Чем богаче гумусом почва или горизонт, тем меньше плотность
твердой фазы (2,40—2,50).
Таким образом, плотность твердой фазы косвенно
характеризует химический состав почвы,
88
18. Состав и плотность некоторых минералов
Название минерала
Кварц
Ортоклаз
Плагиоклазы:
альбит
анортит
микроклин
Каолинит
Мусковит
Биотит
Роговые обманки
Авгит
Лимонит
Кальцит
Гипс
Монтмориллонит
Нонтронит
Состав
Si02
KAlSi808
NaAiSi808
CaAl2SiaOe
KAlSi308
AWOHeKSiAel
KA12(0H, Fe)2[AlSi3O10]
K[Fe, Mg]3(OH, Fe)2[Al, Si30Jo]
Состав изменчив
(Ca, Na)(Mg, Fe*', Al, Fe"/)[(A1, Si)2Oe]
Fe203-nH20
СаСОз
CaS04-2H20
Al2(OH)2[Si4Oi0]'rtH2O
Fe2(OH)2[Si40ly].nH20
Плотность,
г/см3
2,65—2,66
2,50—2,62
2,62—2,65
2,74—2,76
2,54—2,57
2,60—2,63
2,76—3,00
2,70—3,10
3,00—3,50
3,30—3,60
3,40—4,00
2,60—2,80
2,31—2,33
около 2,00
2,27—2,29
Знание ее необходимо для расчета порозности почвы,
а также при механическом анализе для расчета скорости
падения частиц по формуле Стокса.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ
Плотность твердой фазы почвы чаще всего определяется
с помощью пикнометра. Принцип пикнометрического метода
заключается в определении объема воды или инертной
жидкости, соответствующего объему почвы, взятой для анализа.
Пикнометр — мерный сосуд, позволяющий учитывать объем
жидкости с большой точностью. Примером грубого пикнометра
может служить простая мерная колба.
На рис. 20 представлены наиболее распространенные
в .практике типы пикнометров. Обычно используют
пикнометры объемом 100 и 50 см3; в геологической практике при
определении плотности редких минералов используют
микропикнометры.
Наиболее удобным мы считаем пикнометр а объемом
100 см3 при высоте 8 см и диаметре 4 см. Хорошо притертая
массивная пробка имеет тоикокапиллярное отверстие, через
которое удаляется избыток жидкости при наполнении сосуда.
Этим обеспечивается точность в работе.
При определении плотности твердой фазы незасоленных
почв используют дистиллированную воду без воздуха,
засоленных, содержащих легкорастворимых солей свыше 0,5%,—
иеполярные жидкости (бензол, бензин, толуол, ксилол,
керосин).
Ряд исследователей считают, что плотность твердой фазы
почв вообще следует определять не в воде, а в неполярных
89
Э) жидкостях, так как с водой по-
|4 лучают завышенные результа-
а ты вследствие сжатия системы
(I почва—вода. Жидкости адсор-
Jl бируются гидрофильными
noil рошками (к которым отно-
]|£ь. сится и почва) прямо пропор-
1 ill дионально их диэлектрикееской
fjp постоянной. Вода, диэлектри-
_^&0 ческая постоянная которой
а 5 в равна 81, сильнее
адсорбируется почвой, чем непол5*рные
Рис. 20. Пикнометры для определе- жидкости, имеющие диэлек-
япя плотности твердой фазы почвы. трическую постоянную,
равную 2. Адсорбируясь, вода
сжимает почвенную частицу, следовательно, уплотняет ее, в
результате уменьшается объем, занимаемый почвой.
Аналогичные исследования, проведенные в лаборатории
кафедры физики и мелиорации почв МГУ, также показали
завышение результатов при применении воды. Влияние
применяемых жидкостей сказывается на почвах тяжелого
механического состава и гумусных и не сказывается на песчаных.
Несмотря на это, использование неполярных жидкостей
для определения плотности твердой фазы вообще не
рекомендуется, так как это будет отступлением от естественных
условий.
Приводимая ниже методика определения плотности
твердой фазы почвы, разработанная профессором Н. А. Качин-
ским, наиболее часто применяется на практике.
Анализ состоит из определения объема пикнометра,
подготовки почвы к анализу и определения плотности твердой
фазы.
Определение объема пикнометра. Пикнометр чисто моют,
ополаскивают дистиллированной водой и высушивают в
сушильном шкафу при температуре не выше 60 °С. А&ожно
также ополоснуть его этиловым спиртом или эфиром и
просушить с помощью воздуходувки или резиновой груши. Сухой
пикнометр вместе с пробкой взвешивают с точностью до
0,001 г. Воду для анализа готовят заранее. В колбе емкостью
2—3 л дистиллированную воду кипятят в течение 2 ч. В
горячем состоянии ее переливают в прогретые склянки (доверху)
и закрывают пробками с хлоркальциевыми трубками,
наполненными натронной известью. Хранить прокипяченную воду
удобнее в склянках большого объема (2—3 л), а при работе
использовать склянки меньшего объема (500 см3). Этой водой
наполняют и капельницу.
Пикнометр следует держать в кристаллизаторе или в
деревянном лотке с гнездами и меньше касаться его руками. Если
90
необходимо взять пикнометр, нужно завернуть его в полотенце
и брать двумя пальцами сверху.
Для определения объема пикнометр наполняют
прокипяченной дистиллированной водой доверху, так, чтобы при
закрытии пробкой из капилляра вышло 1—2 капли воды,
закрывают пикнометр пробкой, которая тщательно притирается. Под
пробкой и в капилляре не должно быть пузырьков воздуха.
Записывают температуру воды.
Пикнометр тщательно вытирают сухим полотенцем, ставят
в сухой кристаллизатор и переносят в весовую комнату. Через
20—25 мин взвешивают на аналитических весах с точностью
до 0,001 г. Объем пикнометра рассчитывают по формуле
т/ — си — а
v _,
где V — объем пикнометра в см3; а\—масса пикнометра с водой; а — масса
сухого пикнометра; D — плотность воды при данной температуре.
Наполнение пикнометра и расчет объема необходимо
повторить 2—3 раза и за окончательный результат принимать
среднее из всех определений. Средний объем затем
используют в последующей работе.
После определения объема воду из пикнометра выливают,
его высушивают, как было описано выше, и используют для
определения плотности твердой фазы почвы. Так как при
высушивании пикнометр не доводят до постоянной массы, то
нужно получить его среднюю массу или взвешивать его перед
каждым определением.
Подготовка почвы для анализа. Из коробочного образца
воздушно-сухой почвы берут среднюю пробу 150—200 г. Из
почвы удаляют сор, крупные корни отбирают и сохраняют.
Ортштейны, журавчики и прочие закономерно встречающиеся
включения оставляют в ней. Пробу растирают в ступке и
просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм.
Измельчение в ступке и просеивание следует повторять до
тех пор, пока вся проба почвы не пройдет сквозь сито. Если
на сите остается гравий (частицы размером 1—3 мм), его
измельчают в металлической ступке и смешивают с мелкоземом.
Отобранные крупные корни режут ножницами на мелкие
кусочки (2—3 мм) и также смешивают с мелкоземом.
Подготовленный таким образом образец тщательно перемешивают и
сохраняют в закрытой стеклянной банке, картонной коробке
или пакетике с соответствующей этикеткой.
Определение плотности твердой фазы незаселенных почв.
Из подготовленного образца почвы берут средние пробы: в
пикнометры для определения плотности твердой фазы — 8—10 г
и в сушильные стаканчики для определения влажности —4—
5 г. После взвешивания сушильные стаканчики с почвой
91
помещают в сушильный шкаф pi высушивают почву при
температуре 105 °С до постоянной массы. Рассчитывают
гигроскопическую влажность в процентах, и эти данные используют
при расчете абсолютно сухой навески, взятой для анализа.
Навеску для определения плотности следует отвесить
прежде на технохимических весах (на стекле или кальке),
а затем через воронку с длинным носиком осторожно
перенести в пикнометр.
Пикнометры с почвой взвешивают на аналитических весах
с точностью до 0,001, наливают в них дистиллированную воду
в таком количестве, чтобы после смачивания почва была
покрыта слоем воды в 3—5 мм. Осторожно перемешивают почву
с водой (не размазывая по стенкам пикнометра). Пикнометры
оставляют открытыми на 10—12 ч. Чем лучше будет смочена
почва, тем меньше адсорбированного воздуха останется на
поверхности ее частиц, тем, следовательно, точнее будут
результаты. С этой же целью производится и последующая
операция: через 10—12 ч пикнометры открытыми ставят в пустой
эксикатор с тубусом, из которого с помощью насоса
откачивают воздух до внутреннего давления 160 мм рт. ст.
(2,12-104 кПа). При использовании стеклянных эксикаторов
необходимо строго соблюдать следующие правила: эксикатор
помещать в чехол из плотной ткани; работать в защитных
очках, не создавать разрежения внутри эксикатора ниже
установленного. В металлических эксикаторах можно создавать
полный вакуум. В разреженном эксикаторе пикнометры
выдерживают в течение часа. За это время воздух из воды и
почвы почти весь удаляется. Через час в эксикатор впускают
воздух (открыть кран), пикнометры вынимают и доливают
доверху дистиллированной водой без воздуха.
Постукивая пальцем или карандашом по стенкам
пикнометра, удаляют остатки воздуха из почвы. Пузырьки,
застрявшие в горле пикнометра, разбивают тонкой стеклянной
палочкой или металлической проволочкой, а сохранившиеся и после
этого пузырьки удаляют прибавлением 1—2 капель эфира.
Всплывшие корешки быстрым вращением тонкой стеклянной
палочки или проволочки ввинчивают внутрь жидкости.
Пикнометр закрывают пробкой, обтирают сухим полотенцем. В
кристаллизаторе или в специальном лотке с гнездами переносят
в весовую комнату и через 20—25 мин взвешивают. При
заполнении пикнометра обязательно записывают температуру
воды.
При отсутствии вакуумной установки для удаления воздуха
применяют часовое кипячение (с момента начала кипения).
В таком случае после 10—12-часового смачивания почвы
в пикнометр наливают дистиллированную воду до 7г объема
и ставят его на песчаную баню или этернитовую плитку. При
этом необходимо следить за пикнометрами и не допускать
бурного кипения.
92
После часового кипячения пикнометр и его содержимое
охлаждают и доливают водой доверху. Дальнейшие операции
те же, что и в случае применения разрежения.
Расчет плотности твердой фазы почвы производят по
формул - рг 100
d =
р
(100+ГГ).У V
где d — плотность твердой фазы почвы; pi— масса воздушно-сухой почвы
в пикнометре, г; р— масса абсолютно сухой почвы, г; V—объем почвы
в пикнометре, см3; Wv — влажность образца почвы, %.
Для наглядности приведем ход расчета:
Масса пикнометра а
Масса пикнометра + масса воздушно-сухой
почвы а Л" Pi
Масса воздушно-сухой почвы в пикнометре . pi = (а + рг)—о
Гигроскопическая влажность, % Wr
Масса абсолютно сухой почвы в пикнометре . . р = ——
100 + Wr
Масса пикнометра + масса абсолютно сухой
почвы . . . р2 = а + р
Масса пикнометра + масса почвы + масса воды рз
Масса долитой воды рз—р*
Температура долитой воды t °C
Плотность долитой воды D
Объем долитой воды Vi = ——^—
Объем пикнометра У2
Объем почвы в пикнометре V = V2—Vi
Плотность твердой фазы почвы d= ——
Расчет производят с точностью до 0,01.
Для верхних почвенных горизонтов определение плотности
твердой фазы повторяют 3 раза, а при наличии большого
количества корней — 5 раз. Для нижних горизонтов допускается
2 раза. Расхождение в контрольных определениях не должно
превышать 0,02.
Определение плотности твердой фазы засоленных почв.
При определении плотности твердой фазы засоленных почв
применяют инертные жидкости.
Образец не- должен содержать воду, поэтому его
предварительно высушивают в течение 10 ч в сушильном шкафу при
температуре 105 °С. Затем из сушильного стаканчика образец
через воронку с длинной трубкой (доходящей до дна
пикнометра) быстро переносят в пикнометр, закрывают пробкой
и взвешивают. Почву заливают инертной жидкостью слоем
в 5—10 мм и оставляют на 10—12 ч для вытеснения воздуха.
Затем помещают на 1 ч в вакуум и после этого пикнометр
заполняют жидкостью доверху, закрывают пробкой, вытирают
полотенцем и немедленно взвешивают. Все операции по
наполнению пикнометра жидкостью производят в весовой
комнате, где хранится и жидкость. Это ускоряет процесс работы,
93
а следовательно, повышает точность, так как органические
жидкости быстро испаряются.
Применяемая жидкость должна быть чистой. Необходимо
учитывать изменение плотности ее в соответствии с
изменением температуры.
В случае отсутствия данных по плотности жидкости ее
определяют. Для этого пикнометр наполняют данной
жидкостью и взвешивают. Разделив массу жидкости на объем
пикнометра, вычисляют плотность жидкости при данной
температуре. Вычисление плотности почвы при работе с инертной
жидкостью производят так же, как и при работе с водой.
Ниже приводятся форма записи и порядок вычисления
при определении плотности твердой фазы почвы.
Определение плотности твердой фазы заболоченных и
торфяных почв. Исследованиями Ф. Р. Зайдельмана установлено,
что для почв торфяных и заболоченных тяжелого
механического состава величина плотности твердой фазы почвы
различна в зависимости от того, в каком состоянии увлажнения
образца она определялась. Плотность твердой фазы почвы
после предварительного насыщения оказывается меньше, чем
для той же почвы в воздушно-сухом ее состоянии.
Форма записи определения объема пикнометра
етра
£
пикнс
*
етра
1ИКНОМ
Масса ]
Масса
пикнометра с водой*
взвешивания
1
2
3
Масса воды
в пикнометре
взвешивания
1
2
3
Температура
воды
при
взвешивании
1
2
3
Объем воды или
объем пикнометра
повториость
1
2
3
пик-
бъем
с
Средний
нометра
Форма записи определения плотности твердой фазы
пункт
Си
>.
«г
Почв
W
га"
ЕС
ё
5
н
а?
со
а,
о
1
13
га*
о,
5
s
о
к
ы
в
я
о
га
1
га
К
1
СО
О
PQ
+
га
о.
3
О
В -.
* ?■
£ в
о
1 В
к
в
я
1 2
я
о
в
*в
о
о 1
3 11
8&
1
2S
"и
ь
о
о
с
о
о
(X
и
я
1-4
1
о
*
В
аз
3
Я
Р*
о
в
о
I*
с?
и
+
о
о
S II
8 8.
£ 3
1
к
&
о
Я
9
ч
я
га
+
га
а
3
о.
«5 га
1
В.
га
о
Я
+
га
я
о
В
+
га
н
си
S
о
ж
W
я
в
га
о
о
га
1
«5!
i
о.
»я
О
X
X
га
«
Я
а
в
a
о
я
«
о
Я
ч
&
га
о
о
га
|
!>,
Н
га
Си
<и
В
Я
а>
н
•Я
о
к
S3
га
W
Я
в
о
я
л
и
о
X
fig.
1
t
о.'
i
1
1
я
8
ч
a
Js
*
о
1
га
си
О)
S
о
№
Я
Я
В
«а
О
О
II
СУ
&
я
а
в
в
Я
я
я
сг
°
в
си
«в
ю
О
1
II
Я
я
о
В
Я
со
га
«а
&
Он
QJ
Я
н
д
н
о
о
Е
о
к
Поэтому для практического использования величии
плотности твердой фазы сильно гидрофильных почв, находящихся
длительное время в состоянии увлажнения, необходимо
определение ее как в воздушно-сухих, так и в предварительно
увлажненных образцах. И в том и в другом случае определяют
с помощью пикнометра по общепринятой методике. Но для почв
увлажненных изменена подготовка образца к анализу. В
частности, среднюю пробу исследуемой почвы 30—35 г помещают
в алюминиевый или стеклянный бюкс и смачивают водой до
пастообразного состояния. В закрытых крышками бюксах
почву выдерживают 6—8 дней. Затем из этого образца берут
навеску 12—15 г на часовом стекле и через воронку переносят
в пикнометр. Дальнейший ход работы по вышеописанной
методике.
Оставшуюся в бюксах почву высушивают для определения
влажности, которую используют при расчетах массы сухой
почвы, взятой в пикнометр.
ПЛОТНОСТЬ СКЕЛЕТА ПОЧВЫ
Под плотностью скелета почвы понимают отношение массы
сухой почвы ненарушенного сложения к единице объема
и рассчитывают по формуле
А Р
V у
где dv—плотность скелета почвы (г/см3, кг/м3); Р — масса сухой почвы
ненарушенного сложения в определенном объеме; V — объем почвы.
Раньше эта величина именовалась как удельный вес
скелета почвы или объемный вес, в некоторых руководствах
последних лет —объемной массой, плотностью сухой почвы.
Размерность плотности скелета г/см3, кг/м3. Она
характеризует плотность сложения.
Это одна из важнейших физических характеристик,
сказывающаяся на водном, воздушном, тепловом режимах. Знать
плотность скелета или плотность сухой почвы ненарушенного
сложения необходимо для решения целого ряда практических
задач: вычисления порозности, вычисления на заданной
площади массы почвенных напластований, запасов воды,
питательных веществ, гумуса, микроэлементов, норм полива при
орошении и др. По плотности сложения верхних горизонтов
судят об окультуреиности почв (табл. 19). Сильно уплотненная
в сухом состоянии почва оказывает большое сопротивление
развитию корневой системы растений, при обработке ее
требуются дополнительные затраты. В переувлажненной плотной
почве создаются неблагоприятные условия для растений
вследствие занятости почти всего объема пор водой и недостатка
пор аэрация. Плотная почва плохо или совсем не фильтрует
95
19. Оценка плотности скелета почвы
(по Н. А. Качинскому)
Плотность скелета
почвы
Оценка почвы суглинистого и глинистого гранулометрического
состава
<1 Почва вспушена или богата органическим веществом,
например, дернина в полевых и лесных почвах, мерзлая
сырая почва в пахотном слое
1,0—1,1 Типичные величины для культурной свежевспаханной
пашни
1,2 Пашня уплотнена
1,3—1,4 Пашня сильно уплотнена
1,4—1,6 Типичная величина для подпахотных горизонтов
различных почв
1,6—lf8 Сильно уплотненные иллювиальные горизонты,
преимущественно подзолистых почв и солодей; горизонт
краснозема
Для песчаных полевых почв характерны величины
1}3—1,5; в дерновом горизонте садовых и лесных
песчаных почв может быть 1,2—1,3
воду. Поступающая на поверхность вода не проникает внутрь,
а стекает, вызывая процессы эрозии.
Плотность сухой почвы ненарушенного сложения зависит
от гранулометрического состава, структуры, ее водопрочности
и механической прочности, порозности, влажности. Она
изменяется в пространстве и во времени, особенно в верхних
горизонтах, подвергающихся постоянному воздействию
климатических, биологических и антропогенных факторов.
Пахотный слой, рыхлый после обработки (вспашки,
культивации), постепенно уплотняется и через некоторое время,
которое определяется как внешними факторами, так и
свойствами данной почвы (степенью оструктуренности,
механической прочностью и водопрочностью структуры), достигает
определенной плотности, мало изменяющейся во времени.
Такую постоянную плотность называют «равновесной».
Учитывая динамичность плотности сухой почвы ненарушенного
сложения во времени, следует определять ее в обрабатываемом
слое несколько раз за вегетационный период и для расчетов
запасов влаги, питательных веществ и т. д. в данный отрезок
времени использовать соответствующую этому времени
величину. В профиле почвы с глубиной плотность скелета почвы
увеличивается, но практически длительное время остается
постоянной для данного горизонта или слоя. Различие ее по
генетическим горизонтам при однородном гранулометрическом
составе обусловливается характером почвообразовательного
процесса.
Определение плотности сухой почвы ненарушенного
сложения нужно обязательно проводить по генетическим горизонтам.
Пахотный слой характеризуется более подробно (по всей
глубине)—с поверхности, 10 и 20 см. При большой мощности
96
нижележащих горизонтов определение следует проводить
также по двум или нескольким глубинам.
Из пахотного слоя по каждой глубине образцы должны
быть взяты в пятикратной повториости, для нижних
горизонтов можно допустить трехкратную.
Для определения плотности скелета почвы предложено
несколько методов и приборов, в основу которых положены
разные принципы. Наиболее известны буровой, фиксажный,
вазелиновый, песчаный методы, а также определение с помощью
жидкостей.
Буровой метод основан на взятии образца почвы
ненарушенного сложения с помощью цилиндра-бура определенного
объема. В настоящее время существует много вариантов
буров. Некоторые из них имеют целевое назначение: для взятия
образцов торфяных почв, лесной подстилки и т. п.
Фиксажный метод основан на применении различных
веществ (парафин, спермацет, бакелит, некоторые смолы
и т. п.), фиксирующих взятый образец почвы. Объем
зафиксированного образца определяется количеством вытесненной им
жидкости или гидростатическим взвешиванием.
Методы вазелиновый и песчаный основаны на измерении
объема взятой почвы с помощью сыпучих или жидких
веществ. Образец почвы при этом берут буром или ножом без
сохранения его естественного сложения. Массу взятого образца
определяют взвешиванием, а объем — заполнением
образовавшейся пустоты после взятия образца сыпучим или жидким
веществами.
В настоящее время разработаны методы и серийно
выпускаются приборы — плотномеры, основанные на
радиоактивном излучении и взаимодействии гамма-лучей с почвой.
Описание методов & приборов приведено в главе
«Радиоизотопные измерения».
Определение плотности скелета почвы буровым методом.
Наиболее распространены метод и прибор, разработанные
Н. А. Качинским.
Прибор (рис. 21) состоит из стальных цилиндров-буров
объемом около 100 см3 (1) я около 500 см3 (2) для взятия
образца; направителя 10 для вертикального погружения
цилиндра (малого) в почву; шомпола 8 для вдавливания цилиндра
в почву; молотка 3 для забивания цилиндра в случае взятия
образца из уплотненного горизонта; ножа Р, лопаточки 7
и совка 6 для выемки цилиндра с почвой и удаления
излишков почвы, алюминиевых банок с крышками 4, 5 для
хранения взятого почвенного образца.
Цилиндры-буры для взятия образца почвы в данном
приборе низкие, но широкие. Диаметр режущей части цилиндра
делается на 1 мм меньше остальной его части. То и другое
обеспечивает взятие образца без прессования. Примерные
размеры цилиндров бура малого: высота 40 мм, диаметр режущей
97
Рис. 21. Прибор Качинского для определения плотности скелета почвы:
/ и 2 —цилиндры-буры; 3 —молоток; 4 и 5 — алюминиевые банки с крышками; 5 —
совок; 7 —лопаточка; 8 — шомпол; 5 — нож; /0—иаправитель.
части 56 мм, диаметр остальной части 57 мм. При
объеме цилиндра-бура около 500 см3 соответствующие параметры
80, 87, 88 мм.
Большим цилиндром-буром берут образцы из рыхлого
пахотного горизонта, а малым — из уплотненных горизонтов. Можно
использовать малый бур по всем горизонтам, в таком случае
необходимо увеличить контроль в работе.
Направитель представляет собой колодку из прочного
дерева с цилиндрическим отверстием в середине такой же
высоты, как и цилиндрическая часть шомпола. Шомпол имеет
диаметр, равный внешнему диаметру цилиндра. Изготовляют
его из крепкого дерева; для прочности его цилиндрическую
часть заключают в металлическую оправу.
ТЕХНИКА РАБОТЫ
Взятие проб почвы из пахотного слоя. Недалеко от разреза
выделяют незатоптанную площадку (1X1 м2), на которой
в углах и в середине берут пять проб большим цилиндром.
С места взятия проб срезают растения, а поверхность почвы
выравнивают. На подготовленную таким образом поверхность
ставят цилиндр, закрывают его сверху небольшой квадратной
доской (10X10 см) и, надавливая рукой, погружают в почву.
Цилиндр должен полностью заполниться почвой без ее уплот-
98
нения. Доску снимают, закрывают цилиндр крышкой,
окапывают вокруг ножом или лопаточкой и вынимают. Затем
перевертывают, срезают излишки почвы ножом вровень с краем
цилиндра, очищают боковые стенки. Закрывают нижней
крышкой, перевернув и отняв верхнюю крышку, пересыпают почву
в сухой полиэтиленовый пакет и вкладывают этикетку.
Взятые образцы сохраняют от нагревания и намокания, поэтому
удобно складывать их в ящик или ведро и закрывать сверху
клеенкой, полотенцем или мешковиной.
Рядом с первой подготавливают площадку на глубину
10 см, а первую углубляют до 20 см и в том же порядке
берут пробы. Если на этих глубинах почва окажется плотной,
то используются малые цилиндры. Контроль для всех глубин
пахотного слоя пятикратный.
При взятии пробы необходимо следить, чтобы цилиндр
погружался в почву строго вертикально. При перекосе
образуется зазор между стенкой цилиндра и почвой и объем взятой
почвы не соответствует объему цилиндра. В таком случае
этот образец нужно забраковать и взять другой.
Взятие проб почвы из уплотненных горизонтов. При этом
используется цилиндр малого объема (около 100 см3). В
соответствии с намеченной глубиной (середина горизонта) надо
хорошо выровнять площадку (не менее 50x50 см). Во
избежание перекоса при погружении малого цилиндра в плотный
горизонт используют направитель. В отверстие его
вкладывают цилиндр, стенки которого предварительно слегка
смазывают вазелином. Надавливая рукой на шомпол, цилиндр
погружают в почву. Как только шомпол войдет в отверстие
направителя до плечика, цилиндр будет погружен в почву на
полную глубину. В тех случаях, когда образец берут на
сухих и плотных почвах, по головке шомпола ударяют
деревянным молотком (следует избегать резких ударов).
Направитель снимают и, закрыв цилиндр шомполом,
окапывают почву вокруг него ножом или лопаточкой. Затем
почву под цилиндром подрезают таким образом, чтобы
оставался некоторый излишек ее.
Не отнимая шомпола, цилиндр поднимают, переворачивают
и острым ножом обрезают почву вровень с нижним краем его.
Цилиндр с наружной стороны очищают от приставшей
почвы, ставят верхним (более широким) краем над банкой.
Почву выталкивают с помощью ножа или специального
шомпола, приставшую к стенке почву соскабливают и тоже
ссыпают в банку. Почву из цилиндра в банку следует переносить
над листом чистой бумаги или на совочке. Упавшие на них
частицы ссыпают в банку. Совок рекомендуется делать узким,
но высоким, чтобы защищать почву от распыления при
переносе ее.
Банку плотно закрывают крышкой и устанавливают в
специальный ящик с гнездами. Одновременно со взятием образца
99
для определения плотности отсюда же берут в сушильный
стаканчик почву для определения влажности. Пробу почвы
на влажность можно взять и после взвешивания образцов
в лаборатории. Для этого содержимое банок высыпают на
бумагу и быстро берут средний образец 15—20 г в сушильный
стаканчик.
В рабочей тетради записывают горизонт и глубину взятия
образца, номера банок и сушильных стаканчиков.
Пробу на влажность из верхних горизонтов берут в три
стаканчика, из нижних — в два.
Банку с почвой взвешивают с точностью до 0,01 г, затем
почву можно использовать для определения плотности
твердой фазы, максимальной гигроскопичности, а также для учета
корней и т. д.
Зная массу банки с почвой и массу банки пустой, по
разности находят массу почвы при данной влажности.
Определив влажность в процентах, рассчитывают массу абсолютно
сухой почвы. Делением массы абсолютно сухой почвы на ее
объем (объем цилиндра) * получают плотность сухой почвы
ненарушенного сложения, или плотность скелета почвы.
Все записи оформляют в виде таблиц по форме,
приведенной ниже.
Форма записи и вычисления плотности сухой почвы
ненарушенного сложения
По средним значениям плотности горизонтов строится
профильный график.
Определение плотности скелета почвы с помощью
жидкостей. Сущность этих методов заключается в определении
объема жидкости, вытесненной погруженным в нее образцом.
Предложенные для этой цели приборы — волюметры или объе-
мометры — представляют собой мерные сосуды различного
объема и формы, устроенные по двум принципам:
* Объем почвы рассчитывают по цилиндру: площадь режущей части
умножается на высоту цилиндра.
юо
при погружении образца
сохраняется -постоянный
уровень жидкости в сосуде, но
изменяется ее количество
путем сливания (А. М. Панков,
PL А. Димо и др.);
при погружении образца
сохраняется постоянным
количество жидкости, но
изменяется ее уровень в сосуде
(Фростериус, Виленский, Кро-
хина, Димо и др.).
В качестве жидкости в
волюметрах используют ртуть,
воду. При использовании
ртути исследуемые образцы не
покрывают непроницаемой
пленкой, в случае же
применения в качестве
вытесняемой жидкости воды образец
должен быть покрыт такой
пленкой.
Вещество, применяемое
для покрытия, должно давать
тонкую, быстро подсыхающую,
водонепроницаемую и
нерастворимую в воде пленку.
Применяют резиновый клей,
коллодий, растворы различных смол, лаки, а также парафин и
парафин в смеси с другими веществами, например
нафталином. В случае образования на поверхности образца
парафиновой пленки значительной толщины при расчете необходимо
учитывать ее объем.
Достоинством данных методов является быстрота в работе,
а также возможность определения объема образца различной
формы и размера — от монолитика до мелких агрегатов. Они
применимы для связных почв и не годятся для почв
легкого механического состава, скелетных, а также рыхлого
сложения.
Для определения объема ненарушенного образца более
удобны объемомеры, в которых в качестве жидкости
используют ртуть. Известно несколько их видов.
Волюметр Виленского (рис. 22, А) предназначен для
определения объема агрегатов. Волюметр представляет собой два
стеклянных цилиндрических сосудика объемом 15—20 см3
каждый, соединенных между собой тонкой градуированной
(одно деление равно 0,01 си:]) трубкой Г-образной формы.
Сосудики закрывают хорошо притертыми пробками. Возможны
два варианта пробок; в дно пробки вставлен стеклянный
Рис. 22. Ртутный иолюметр
Виленского (А) и объемомер Крохниой
(Б):
1 — стеклянные цилиндрические
сосудики; 2 — градуированная трубка; 3, 4 —
пробки.
101
фильтр, не пропускающий ртуть, или через пробку проходит
очень тонкая капиллярная трубка, закрывающаяся краном.
В сосудик наливают ртуть так, чтобы заполнилась и часть
градуированной трубки. Уровень ее отмечают по шкале и
записывают. При заполнении сосудика волюметра ртутью
воздух из него вытесняется через пористое дно или капилляр
трубки. В сосуд с ртутью помещают исследуемый агрегат
(размером 5—3 или 2—3 мм), предварительно взвешенный,
и закрывают сосуд пробкой. Агрегат вытесняет часть ртути,
уровень ее в градуированной трубке изменяется. Разность
уровней, ртути до и после погружения агрегата есть объем
ртути, соответствующий объему агрегата. Зная массу
агрегата и его объем, рассчитывают плотность агрегата, а затем
его порозность.
Объемомер Крохиной (рис. 22,5). Прибор состоит из
двух строго одинаковых по объему колб, соединенных между
собой градуированной трубкой (каждое деление равно
0,1 см3). Верхняя колба имеет пришлифованную пробку.
В нижнюю колбу налита ртуть до метки в трубке. Сняв
пробку с верхней колбы, помещают в нее измеряемый
образец и закрывают плотно пробкой. Пробку нужно хорошо
закрепить или поддерживать рукой. Переворачивают прибор
так, чтобы верхняя колба оказалась внизу, а нижняя —
наверху. Ртуть перетечет из одной колбы в другую, и так как
часть объема в этой колбе занята образцом, то она заполнит
некоторый объем градуированной трубки, что будет
соответствовать общему образца. Прибор переворачивают в исходное
положение и вынимают из него образец, который высушивают
до постоянной массы и взвешивают. Делением массы
абсолютно сухого образца на его объем получают плотность сухой
почвы ненарушенного сложения или скелета.
Можно также взвесить образец до определения его объема
при естественной влажности. Принимая в расчетах эту массу,
получают плотность почвы в естественном состоянии.
Песчаный метод определения плотности скелета почвы.
Метод основан на том, что из почвы вынимают некоторый
объем ее, а образовавшееся при этом углубление заполняют
отсеянным сухим песком, объем которого строго учитывают.
Метод прост, не требует специального оборудования. Может
быть рекомендован для определения плотности каменистых
почв. Подробно техника песчаного метода применительно
к каменистым почвам разработана Ф. Р. Зайдельманом,
которая и приводится ниже.
Ход анализа. Площадку, предназначенную для взятия
образцов, выравнивают. Выступающую на поверхность часть
каменистых отдельностей тщательно очищают от мелкозема
и на нее наносят метку по линии касания с дневной
поверхностью. На подготовленной площадке делают углубления на
8—12 и 15—17 см; чем тяжелее материал, переслаивающий
102
каменистые отдельности, тем глубже делают выемку.
Извлекаемую (совком, ножом) из углубления пробу каменистой
почвы тщательно собирают и взвешивают. Выемку заполняют
просеянным сухим песком, объем которого строго учитывают.
Из пробы отделяют мелкоземистую часть (частицы <3 мм)
промывкой почвы на сите с отверстиями диаметром 3 мм
в текучей воде.
Промытые каменистые отдельности сушат до
воздушно-сухого состояния и определяют их общую массу. По разности
между общей массой пробы и массой каменистой фракции
определяют массу воздушно-сухого мелкозема; зная влажность,
находят массу абсолютно сухого мелкозема. В результате
рассчитывают общую массу образца сухой каменистой почвы (g)
(масса абсолютно сухого мелкозема + масса воздушно-сухих
каменистых отдельностей).
Затем определяют объем каменистых отдельностей и
общий объем извлеченного образца. Сначала определяют объем
той части каменистых отдельностей, которая выступает над
дневной поверхностью. Для этого каждую из них отдельно
погружают в цилиндр с водой до метки, нанесенной на
поверхность при выемке. Объем воды, вытесненный погружением
выступающих частей каменистых отдельностей, измеряют. Сумма
этого объема и объема песка, употребленного на заполнение
выемки, составляют общий объем извлеченного образца
каменистой почвы в естественном сложении (V).
Суммарный объем каменистых фракций определяют
погружением их в наполненный водой большой цилиндр. Объем
вытесненной воды соответствует объему каменистых фракций (V8).
Плотность скелета почвы или сухой почвы ненарушенного
сложения в данном случае рассчитывают по следующим
формулам:
общая плотность каменистых почв
плотность мелкозема, заполняющего пространства между
каменистыми отдельностями
где g— масса сухой почвы; ga — масса каменистых отдельностей.
В качестве заполнителя выемки после извлечения образца
из почвы применяют также вазелин (метод предложен
С. И. Тюремновым и в дальнейшем разработан К. С.
Кириченко). Но данный метод более сложен и продолжителен,
поэтому не может быть рекомендован для массовых
определений.
Расчетный метод определения плотности и порозности. Для
водонасыщенных глубинных горизонтов (слоев) почв и грунтов,
103
а также затопленных почв, когда прямые методы
определения плотности использовать не представляется возможным,
предложен косвенный способ оценки величины и
последующего расчета порозности (Л. Б. Боровинская, Е. А. Дмитриев,
1967).
Допуская, что в водонасыщенном слое почвы или грунта
все поры заняты водой, можно рассчитать плотность и по-
розность исходя из величин абсолютной влажности и
плотности твердой фазы. Образцы для получения этих характеристик
берут бурами (разных конструкций) без сохранения их
естественного сложения.
Предлагая такой способ, авторы исходят из следующего.
В каждой единице объема водонасыщеиной почвы часть
объема занята твердой фазой, а остальная — водой.
При абсолютной влажности почвы (грунта), равной W
весовых процентов и плотности твердой фазы d г/см3, на
каждые d г почвы будет приходиться WdjlOO г воды. Если d г
твердой фазы почвы занимает объем 1 см3, а вода, принимая
плотность ее близкой к единице, Wd/100 см3, то объем,
занимаемый d г абсолютно сухой почвы и Wd/ЮО г воды, будет
равен {\ + Wdl\00) см3.
Зная плотность твердой фазы почвы d и рассчитав ее
объем с учетом пор, занятых водой (l + WdjlOO) см3,
определяют плотность скелета dv-
dv=—^- =d m
v' i + WdllQO 100 + Wd
По величинам плотности твердой фазы d и плотности
скелета почвы dv рассчитывают общую порозность в объемных
процентах:
d-d !«L_
d d \ 100 + WdJ
Пример расчета:
Абсолютная влажность №=30%; плотность твердой фазы
d-2,75;
dv = 2,76 ^ = 2,75 -0,54=1,48;
v 9 100 +(30.2,75) '
р=1 Ш ЮО = (1—0,54) • 100 == 46%.
100+(30-2,75) v '
Расчетный метод может несколько завысить плотность
и соответственно уменьшить порозность. Это обусловлено тем,
что допускается полная водонасыщенность, в то время как
некоторый объем пор может быть занят воздухом. Кроме того,
это может быть связано и с трудностью взятия проб из
горизонтов, насыщенных водой.
104
ПЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ В ЕСТЕСТВЕННОМ СОСТОЯНИИ
Плотность почвы в естественном состоянии (ранее
абсолютный вес почвы) есть масса почвы включая все ее фазы
(твердую, жидкую, газообразную) в единице объема. Выражается
в г/см3, кг/м3, т/м3 и определяется чаще всего буровым
методом, хотя можно применять и песчаный. Образец почвы,
взятый при естественной влажности, взвешивается, и • масса
делится на объем. Плотность изменяется во времени, что
связано с динамикой влажности, а также с уплотнением почвы
вследствие усадки.
Величина плотности почвы в естественном состоянии
используется для расчета объема земляных работ, расчета
энергетических затрат при обработке почвы.
ПОРОЗНОСТЬ ПОЧВЫ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Отдельные механические элементы и структурные
отдельности в почве неплотно прилегают друг к другу. Между ними
образуются промежутки, различные по величине и форме,
которые принято называть порами. Совокупность этих пор
составляет порозность почвы. Ее выражают в % объема
и рассчитывают по формуле
Робщ=^^--100,
а
где Робщ — порозность общая; d— плотность твердой фазы почвы; dv—
плотность скелета почвы (объемная масса).
Общую порозность выражают также коэффициентом по-
розности или приведенной порозностыо
Р -_Jjl_
Утв, ф. п
где Рп. р — порозность приведенная, или коэффициент порозности; Vn —
общий объем порозности; Утл. ф. п — объем твердой фазы почвы.
Порозность, размер и форма пор зависят от
гранулометрического состава — величины и формы механических элементов,
структуры почвы — количества, величины и формы
структурных отдельностей, а также от расположения их относительно
друг друга. Поэтому порозность различных почв и внутри
почвы по генетическим горизонтам неодинаковая.
В почвах бесструктурных она обусловливается крупностью
механических элементов и их сложением. Наиболее высокая
и агрономически ценная порозность в структурной почве.
Складывается она из порозности внутри агрегатов и между
ними. При этом возможно несколько комбинаций сложения:
рыхлые (плотные) агрегаты уложены между собой рыхло или
плотно. Различные комбинации укладки (сложения) дают
105
различное количественное и качественное выражение порозио-
сти.
В отличие от гранулометрического состава, который
длительное время остается без изменения, структура почвы
изменяется во времени, что связано с ее прочностью и
связностью. С изменением структурного состояния изменяется и по-
розность почвы.
До недавнего времени выделяли общую порозность почвы,
которая представляет общий объем пор, и подразделяли ее на
капиллярную и некапиллярную.
Подобная классификация не могла характеризовать
истинное соотношение воды и воздуха в почве. Поэтому в
последнее время А. П. Дояренко, Н. А. Качинский и другие пришли
к необходимости дифференцировать поры в почве,
подразделяя их в отношении передвижения воды на активные и
неактивные. Под активными понимают поры, внутри которых
возможно передвижение свободной воды под действием
менисковых и гидравлических сил. Неактивные поры —тонкие,
при увлажнении сплошь заполняются связанной водой,
удерживаемой молекулярными силами и недоступной растениям.
В таких порах свободная вода передвигаться не может, они
агрономически неценны.
Крупные поры в почве большую часть времени заняты
воздухом и лишь при сильном увлажнении служат каналами
для транзитного тока воды. Это поры аэрации.
Н. А. Качинский порозность в почве дифференцирует по
занятости пор различными категориями воды: объем пор,
занятый прочно связанной (максимально гигроскопической)
водой; объем, занятый рыхло связанной (пленочной) водой; объем
пор, занятый капиллярной водой (активная порозность); объем
пор, занятый воздухом. Кроме того, им выделяется порозность
отдельного агрегата; порозность агрегатная (суммарная)
и межагрегатная.
А. Д. Воронин классифицирует поры по выполняемым ими
функциям. Им выделяются поры инфильтрации, аэрации или
легко дренируемые, влагопроводящие, влагосохраияющие.
Пределы диаметра пор каждой категории различны в
почвах разного типа и в основном зависят от
гранулометрического состава, структуры.
Наибольшую агрономическую значимость имеют поры
активные, занятые капиллярной водой, и поры аэрации,
причем последние должны составлять не менее 20—25 % общей
порозности.
Порозность — одно из важнейших свойств почвы,
обусловливающее в основном водный и воздушный режимы. От
величины пор зависит передвижение воды в почве,
водопроницаемость и водоподъемная способность, мобильность воды.
С порозностыо связаны влагоемкость и воздухоемкость почв.
Особо важное значение имеет порозность в орошаемых
106
почвах, обусловливая глубину просачивания воды,
капиллярный подъем грунтовых вод и процессы испарения.
Знание порозиости почв и грунтов важно и в
строительстве. Высокая порозность вызывает деформации, усадку
основания. И если в агрономических целях усилия направлены на
увеличение порозиости, то грунтоведение решает вопросы
снижения ее до минимальных пределов.
Для выявления пор капиллярных и некапиллярных,
активных и неактивных предложено несколько методов, которые
можно разбить на две группы: определение порозиости с
помощью приборов и путем расчетов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОЗИОСТИ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРОВ
Методы изучения дифференциальной порозиости с
использованием приборов (капилляриметров и вакуум-капилляри-
метров) основаны на установлении усилия, которое требуется
для удаления воды из почвы. Из насыщенного водой образца
ее удаляют под воздействием отрицательного давления,
изменяемого в определенных пределах. Вода в капилляре
удерживается силой натяжения мениска или отрицательным
давлением непосредственно под ним. Следовательно, для
извлечения воды из капилляра нужно приложить силу, равную
силе мениска, но противоположную по направлению. В
зависимости от прилагаемого давления будет извлекаться вода
из пор определенного размера и объем ее будет
соответствовать объему этих пор. Водоудерживающую силу капилляров
определяют по формуле Жюрена:
где Я — капиллярное натяжение, которое измеряется высотой в мм (см)
поднятия воды в капилляре; а — поверхностное натяжение воды; г —радиус
капилляра, мм (см); а — плотность воды; g — ускорение силы тяжести
(981 см/с2).
Исходя из формулы, рассчитывают радиус или диаметр
капилляра:
г= 2а
Hdg *
В формуле Жюрена принят диаметр цилиндрического
капилляра. В почве же поры в основном неправильной и
разнообразной формы. Поэтому введено понятие эффективного или
эквивалентного диаметра — диаметра такого цилиндрического
капилляра, в котором водоудерживающая сила соответствует
диаметру пор почвы при данном ее сложении.
Капиллярное натяжение Н выражают в сантиметрах
водного столба (диаметр пор в мм) или в долях атмосферы
(диаметр пор в мк). На зависимости между всасывающим на-
107
Рис. 23. Вакуум-капилляриметр ВНИИГиМ (О. В. Шаповаловой):
/ — бюретки; 2 — воронки; 3 — вакуум-сосуд; 4 и 5 — манометры; 6 — трехходовой
кран; 7—часос.
пряжением и эквивалентным диаметром пор построены
существующие капилляриметры и вакуум-капилл^риметры
(Л. А. Ричарде, Ф. Секера, А. Г. Дояренко, О. В.
Шаповалова, И. И. Судницын, А. Д. Воронин).
Вакуум-капилляриметр ВНИИГиМ (рис. 23). В приборе,
предложенном О. В. Шаповаловой, отсасывание воды
происходит вследствие разрежения, которое создается насосом
и измеряется манометрами.
Прибор состоит из фарфоровых (бюхнеровских)
воронок 2, на сетчатое дно которых накладывают тоикопористые
мембраны (бактериологические ультрафильтры). Воронки
соединены с бюретками 1 вместимостью 50 см3, в которые
собирается вода, отсасываемая из почвы. Верхние отводы бюретки
соединены с вакуум-сосудом 3, а через него — с
насосом 7 и манометрами: водяным 5 — при малом разрежении
и ртутным 4 — при большом.
Между вакуум-сосудом и насосом имеется трехходовой
кран 6 для включения и выключения системы.
Вся система должна быть строго герметична. Во избежание
скопления капель на нижней поверхности мембраны
рекомендуется в горлышко воронки вставлять рыхлый жгут из
фильтровальной бумаги, касающийся верхним концом мембраны,
а нижним — стенки бюретки.
Техника определения. Образец почвы ненарушенного
сложения берут буром объемом около 100 см3 (высота и
диаметр около 5 см). Насыщают водой капиллярно до постоянной
массы.
108
20. Эквивалентные размеры пор в зависимости от разрежений
Разрежение, кПа
Эквивалентный диаметр пор, мкм
0,51
1,01
3,03
9,62
>60-10-°
(60—30)-10-8
(30—10)-10-е
(10—3)-10—°
Разрежение, кПа
Эквивалентный диаметр
пор, мм
Объем пор (водоотдача)
",. объема
Перед тем как поместить образец на воронку, создают
соответствующее всасывающее напряжение в системе, для чего на
мембрану наливают тонкий слой воды, включают насос. Когда
разница уровней ртути в трубках манометра достигает 37 мм
(0,5 кПа) насос отключают. Записывают уровни
просачивающейся воды в бюретках.
Насыщенные образцы взвешивают и помещают нижними
срезами на мембраны. Воронки закрывают специальными
крышками для предохранения от испарения. Каждый час
учитывают количество воды, поступающей в бюретки. После того
как уровень воды в них при данном разрежении установится,
создают следующую степень разрежения и также учитывают
уровень воды. По разности исходных и конечных результатов при
данном разрежении находят объем пор соответствующего
эквивалентного диаметра.
В вакуум-капилляриметре определяется размер
эквивалентных пор диаметром больше 3 • 10"6 мкм.
Для определения эквивалентных пор диаметром меньше 3 мк
образцы вынимают из воронки, взвешивают и высушивают в
сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы.
Потеря воды после высушивания будет соответствовать общему
объему пор <3 • 10~6 мкм.
Если взять объем почвенной пробы равным 100 см3, то
полученный объем каждой категории почвенных пор в см3
составит их процентное отношение к объему почвы. Объем пор
определенного эквивалентного размера выражают в процентах
общей порозиости.
Объем почвенных пор после отсасывания воды под
определенным разрежением можно определять также взвешиванием
образца, то есть [учитывая потерю воды в образце. Для этого
после прекращения выделения воды (определяется визуально)
воронку с образцом взвешивают (на весах нужно сделать
специальное приспособление для подвешивания воронки).
Различные ступени разрежения пересчитывают на
эквивалентный диаметр пор (табл. 20).
109
Полученные данные оформляют таблично и графически.
При построении графиков по оси ординат откладывают
количество пор эквивалентного размера в процентах от объема
почвы, а по оси абсцисс — эквивалентные диаметры пор,
соответствующие принятым значениям разрежения.
Некоторые исследователи предлагают также определять
дифференциальную порозность почв «методом вытеснения»,
основанным на вытеснении из почвы одной жидкости,
заполняющей поры, другой жидкостью, не смешивающейся с первой
(например, вода — бензол), под прогрессивно возрастающим
давлением.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПОРОЗНОСТИ
МЕТОДОМ РАСЧЕТА ПО КАЧИНСКОМУ
Для расчета порозности необходимо знать основные
характеристики почвы: плотность твердой фазы, плотность скелета
почвы, максимальную гигроскопическую влажность, влагу завя-
дания, общую влагоемкость.
Н. А. Качинский выделяет 9 категорий порозности:
1. Порозность общая (Робщ)
Ровщв.±^!_.10о,
а
где d — плотность твердой фазы почвы; dv — плотность скелета.
2. Порозность агрегата (Ра)
Раe(i_JL).i00f или Pa=-^L.100,
где р — масса сухого агрегата; V — объем агрегата; d — плотность твердой
фазы почвы; dv — плотность агрегата.
3. Порозность агрегатная (суммарная) (Р^агр)
р _ Ра (100 -Робщ)
где Ра— порозность агрегата*; Робщ —порозность общая.
4. Порозность межагрегатная (Рм. агр)
* м. агр :=z * общ ■* 5J агр-
5. Объем пор, занимаемый прочно связанной (максимально
гигроскопической) водой (Рм.г.):
РМ>Г = (МГА):1,5,
где МГ — максимальная гигроскопичность в % от массы; dv — плотность
скелета; 1,5 — плотность воды максимально гигроскопической.
* При наличии величин порозности агрегатов разной крупности за Ра
принимают среднее значение.
ПО
6. Объем пор, занятых рыхло связанной водой (Pp.с.в),
Рр.с. = [(ВЗ—Л!Г).<М:1,2б,
где ВЗ — влажность завядаиия растений в % от массы; 1,25—-плотность
рыхло связанной воды.
7. Объем пор, занятых капиллярной водой (Рк)«
PK = (0B-B3)-dv>
где ОВ — влагоемкость общая (полевая) при поливе водой сверху,
8. Объем пор, занятых водой всех категорий (Pw)-
PypZ= Рм p-J-i-'p с в_|-/->к,
9. Объем пор, занятых воздухом,— пор аэрации (Раэр)
•Роэр ==: (-Робщ—Pw)*
Приведенный выше порядок вычислений агрегатной и
межагрегатной порозности может быть применим лишь к хорошо
оструктуренным почвам (целииам и залежам), где весь объем
пор приходится на поры внутри агрегатов и между ними. Для
почв, распыленных в той или иной мере, для расчета
агрегатной порозности необходимо знать, помимо порозности агрегата,
их долю в общем объеме почвы. Например, в пахотном слое
•РобЩ=60%; порозность отдельных агрегатов Ра«:55%; доля
агрегатов по объему к пахотному слою равна 80%.
Тогда
Р2арр = 56%-0,8 = 44%; Рм,агр = 60—44= 16% .
Расчет доли агрегатов в % к объему взятой
почвы. Буром берут определенный объем почвы Vn> например
500 см3. Определяют влажность (взятием добавочного образца)
и плотность скелета почвы dy. Рассыпают взятый образец на
стекле или бумаге и вручную отбирают крупные комки.
Остальную часть почвы просеивают через сито с отверстиями
диаметром 0,5 мм. Отсеянную пыль взвешивают. Зная массу пыли
в воздушно-сухом состоянии или при естественной влажности и
ее влажность, находят массу абсолютно сухой пыли р. По массе
пыли и плотности скелета почвы находят объем пыли:
у = _£_.
dy
Затем вычисляют долю пыли к объему взятой почвы (в
данном случае к 500 см3):
Уп—ЮО У-100 0/
X = = /О •
V—х Vn
По разности находят долю агрегатов в почве % к объему
взятой почвы:
юо_-Ы^ = »/„.
111
03
£
О
Объем пор, занятых
ихэои
-waoJBira иэнтро otf
уоЯоя наьои иинэп1
-иэвн ndu wox/Ctfeoa
водой
Порозность
Плотность j
ojaoa
ионЗкичгииви
ион
-нвсияэ oirxiqd
ион
-нвекаэ onbodu
ввнхвлэйлвжэю
KBHdewwXo
XBicaad
«jb хгаичкэИхо а
ИВП190
iqahou вхэ1:э>10
nahou
гаевф Hotfdaax
Горизонт,
глубина, см
Почва, угодье, пункт
LOUD <N i—i CO
(N^wcqq
сосвоГо"^
<N -и CO CN н -
-Ф 00 "Ф CO CO
оГю'ю'сгГю
CO COCN CN CN
12,81
15,69
11,30
15,45
8,20
СОЮ н -чНСП
I>- "Ф СО Г-. СЛ
(Niq-^o eft
сгГ-ГоГоГо
16,45
15,79
7,63
4,81
41,04
41,87
42,94
35,03
49,12
49,72
46,49
36,80
a> со cot"- <ф
юююю со
Ю00ЮС7) 1>
O^C^Ol^
С^ СО 00-ч г-н
■^ т^ ■"Ф СО СО
of of of of of
1 II 1 1
&2g§8
«♦ С и н я
Чернозем выщелоченный,
легкоглинистый, пылевато-
иловатый
Стерня ржи. Свердловская
обл., с. Пульниково
Ю О) О *-♦
о^о^о^
ь-Г со* аГ со*
ю wooers
а? со о" о"
СО "^ TfCO
ю со ню
асГсГ^ю
CN COCN -ч
*чЮОО
О СО I4- "«f
CO^ СУ^ ^ CO^
ОЪЮ •-•
оГсГаГ 1
CNCNCN
tCoTcT I
CNCN CN
38,31
37,15
28,92
oo coo
f>-CN CO "#
О CO^CO Ю
CO гНСО t^
of of of of
o2S|
Солонец ореховато-глыби-
стый, легкоглинистый,
кру пнопылевато-илов атый.
Целина, Свердловская обл.,
с. Куваево
41,74
33,36
18,43
22,93
17,65
33,94
35,52
37,76
29,14
32,17
25,30
29,68
31,38
19,99
15,28
■*05 О) СО СО
О^г-н СО"ФСО
со" of of со со"
ОЮ ОЭСМ СО
т^сО 0)^10
ю'со сою" о"
»—1
29,16
12,38
22,68
46,52
43,81
27,14
65,67
50,00
35,10
75,68
68,88
56,19
52,07
49,82
0,54
0,75
1,14
1,27
1,37
CN<h О Ю СО
CN^ «ЭСО^
of of со* of of
Tffnf
©4- о «з,1
w~^ С<ОД ^
Дерново-подзолистая,
тяжелосуглинистая,* иловато-пы-
леватая почва,
подстилаемая элювием песчаника.
Лес смешанный, Свердлов-
- екая обл., с. Подгорное
112
N4 Выщелоченный легквглинис-
шская область Степной запо-
Шш. Стрелещая степь,
м'2 солонец
ореховато-глыбистый, легкоглинистый
крупному Среднеподзолистая,
глинистая, лесчано-лшедатая почби
Шскобская область Собаки но.
многолетняя
О 20 40 60 60 100%,
20 40 ВО 80 100%
Порозность отдельных агрегатод
АЫ0-Ю)Аг(20'ЗдВ3№-М см
фаза пачбы
Порозность
□ Порозность
с
1 Поры, занятые
I прочна
связанной бодай.
1 Порозность
порозность I 1 аэрации
Рис. 24. Графическое изображение дифференциальной
почвы (в % объема).
ШШ рыхло
обязанной бодой,
Шметгрегат-
ная порозность
порозности
Данные по дифференциальной порозности почвы заносят
в таблицу (табл. 21) и изображают графически (рис. 24).
Для оценки порозности почвы И. А. Качинский дает
следующую примерную шкалу.
Оценка
Порозность, %
55—65
Свыше 70
50—55
<50
25—40
Культурный пахотный слой
Почва вспушена
Удовлетворительная для пахотного слоя
Неудовлетворительная для пахотного слоя
Характерна для уплотненных иллювиальных
горизонтов
Порозность культурной песчаной почвы 45—50%. Поры,
занятые воздухом, должны составлять не менее 20—25 % общей
порозности.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
И ГРУНТОВ
К физико-механическим свойствам почвы относят
пластичность, набухание, липкость, твердость или сопротивление
сдавливанию и расклиниванию, сопротивление сдвигу, трения и др.,
113
определяющие в основном технологические свойства. Знание
их необходимо для правильного конструирования
сельскохозяйственных орудий и машин, расчетов сопротивления почвы
при обработке и перекатывании машин по ней.
Физико-механические свойства почвы определяют износ соприкасающихся
с ней отдельных частей орудий обработки и коэффициент их
полезного действия. Этими же свойствами обусловливаются
качество обработки и характер деформации почвы при работе
сельскохозяйственных машин. Подобно картограммам по
содержанию питательных веществ необходимо иметь
картограммы по удельному сопротивлению или по отдельным
физико-механическим свойствам — твердости, липкости и др., что
должно учитываться при районировании технических средств
для обработки и уборки, а также конструкторами
сельскохозяйственной техники.
Очень большое значение имеет знание
физико-механических свойств почв и грунтов при строительных работах,
а также в керамической промышленности. Эти свойства
оказывают также большое влияние на корневые системы
растений. Все перечисленное выше делает понятным тот интерес,
который проявляют исследователи к этому вопросу.
Проявляются физико-механические свойства почвы в
определенных пределах влажности и при воздействии внешних
нагрузок.
Соотношение твердой и жидкой фаз почвы называют
консистенцией, и ею определяется подвижность почвы. В
отдельные периоды года она увлажнена в различной степени и,
следовательно, находится в различной степени подвижности:
текучей, пластичной, хрупкой, твердой. В связи с этим
изменяются условия обработки, противоэрозионная устойчивость
почв и т. д.
При изучении системы почва — вода при разных
соотношениях были выделены следующие константы (Аттерберг, 1900):
верхняя граница текучести — смесь глины с водой течет, как
вода; нижняя граница текучести или верхняя граница
пластичности— сырая почва, будучи помещена в фарфоровую
чашку и разделена на две половины шпателем, при ударе
о внешнюю поверхность чашки рукой вновь сливается в
единую массу; граница клейкости — влажность, при которой почва
перестает прилипать к другим предметам; граница скатывания
в шнур или нижняя граница пластичности — при
раскатывании почва распадается на отдельные кусочки.
ПЛАСТИЧНОСТЬ
Способность почвы и грунта деформироваться и
принимать приданную им во влажном состоянии форму без
образования трещин и сохранять ее после прекращения внешнего
воздействия называют пластичностью. Переувлажненные и су-
114
хие почвы ие обладают пластичностью. Она
проявляется в определенном пределе
увлажнения. Пластичность зависит от
механического, химического и минералогического
состава, а также от формы частиц, слагающих
почву или грунт.
Верхним пределом пластичности почвы
является влажность нижней границы
текучести, нижним — влажность границы
раскатывания почвы в шнур. Величину пластичности
измеряют числом пластичности, представляю- Рис< 25. Прибор
щим разницу в содержании воды в процентах для определения
при нижней границе текучести и границе ска- нижней границы
тывания в шнур. В этом интервале почва де- текуклли.
* Jir r о ,. / —- металлическая
формируется С Сохранением ПрИДаННОИ ей чашка; 2 — внешний
формы, максимально набухает, обладает ела- цилиндр; з-ручка,
бым сопротивлением при внешнем
механическом воздействии, при перекатывании по ней машин
образуются колеи по ходу колес.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ПЛАСТИЧНОСТИ [W,]
Метод Аттерберга. Почву подготавливают обычным
способом: отбирают корни, растирают ее в ступке пестиком с
резиновым наконечником, просеивают через сито с отверстиями
диаметром 1 мм. Около 20—30 г почвы помещают в
фарфоровую или латунную чашку (d=12 см), замачивают водой и,
тщательно перемешивая шпателем, доводят до состояния
густой пасты. Для полного смачивания оставляют на сутки,
поместив чашки с почвой в эксикатор над водой. Затем еще раз
перемешивают, разравнивают слоем толщиной в 1 см по
центру чашки и разрезают почвенную массу У-образным
шпателем на две равные части так, чтобы между ними образовалась
щель шириной по дну чашки 1—1,5 мм и на поверхности
почвы — 2—3 мм. Затем по дну чашки ударяют 3 раза рукой
или сбрасывают ее трижды с высоты 6 см. Лучше эту
операцию проводить на специальных приборах.
Прибор типа Охотина (рис. 25). В этом приборе
металлическую чашку / закрепляют на стержне, который с
помощью ручки 3, вставленной в просвет внешнего цилиндра 2,
свободно поднимают и опускают в цилиндре. Высота падения
чашки равна 7,5 см. Если после трех падений обе части почвы
в чашке начнут сливаться так, что заполнят щель между
ними на высоту 1 мм и длину 1,5—2 см, то данное увлажнение
соответствует нижнему пределу текучести. Если слияния нет,
то к почве добавляют немного воды и повторяют те же
операции. При избытке воды слияние почвенной массы отмечают
уже после первого или второго удара. В этих случаях в
исследуемый образец добавляют немного сухой почвы или подсу-
118
Рис. 26. Балансирный конус
Васильева:
/ — конус; 2 ■— металлические шары;
3 — ручка; 4 — деревянная подставка;
5 — металлический стаканчик.
шивают его на воздухе и
продолжают испытание. Когда
требуемая консистенция почвы
достигнута, из чашки в сушильный
стаканчик отбирают пробу почвы
в 10—15 г, взвешивают, а затем
высушивают и рассчитывают
содержание воды, которое и
соответствует верхнему пределу
пластичности. Запись при
определении влажности производят по
форме, приведенной ниже.
Б а л а н с и р н ы й к о н у с
Васильева (рис. 26).
Полированный металлический конус 1
изготовлен из нержавеющей
стали с углом при вершине 30° и
высотой 25 мм. На высоте 10 мм
от вершины конуса нанесена круговая метка. При основании
его смонтировано балансирное устройство, состоящее из двух
металлических шаров 2, укрепленных на концах стальной
проволоки, согнутой в полукруг. Общая масса конуса 76 г. Центр
основания его имеет ручку 5. Для прибора изготовляют
деревянную подставку 4, в которую вставляют металлический
стаканчик 5 диаметром 4 см и высотой 2 см. В стаканчик
загружают почву или грунт, замешанные с водой до рабочего
состояния. Поверхность ее тщательно заглаживают, на нее
устанавливают конус, смазанный тонким слоем вазелина. Погружение
его на глубину 10 мм за 5 с свидетельствует о том, что запас
влаги в почве соответствует нижнему пределу текучести или
верхнему пределу пластичности. При меньшем погружении
в почву добавляют воды; при большем — сухой почвы или
подсушивают образец почвы, добиваясь указанной глубины
погружения конуса. После этого отбирают в сушильный стаканчик
пробу почвы и определяют ее влажность, как описано выше.
Повторность определения двух-трехкратная.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ПЛАСТИЧНОСТИ [W2]
Нижнюю границу пластичности W2 определяют следующим
образом: почвенную массу после определения верхней границы
пластичности подсушивают перемешиванием или добавлением
сухой почвы. Из нее скатывают шарик диаметром 1 см и
раскатывают его на бумаге в шнур толщиной 3 мм. Если при
раскатывании шнур не распадается, то почву вновь собирают
в шарик и раскатывают. Эту операцию повторяют до тех пор,
пока вследствие потери избытка влаги шнур начнет
распадаться на мелкие кусочки (8—10 мм), которые быстро
собирают в сушильный стаканчик. Набрав 5—10 г почвы, опреде-
116
ляют ее влажность. Повториость определения двух-трехкрат-
иая, по этим данным выводят среднее значение влажности,
соответствующей нижней границе пластичности. Для многих
почв и грунтов нижняя граница пластичности или граница
раскатывания в шпур соответствует примерно максимальной
молекулярной влагоемкости, определяемой методом
пленочного равновесия по Лебедеву.
Число пластичности W равно разнице содержания
влажности при нижней границе текучести и границе раскатывания
в шнур
W = Wx—Wt.
Допустим, установлено, что влажность нижней границы
текучести равна 36%, границы скатывания—18%. Тогда число
пластичности W=36—18 = 18 %.
По числу пластичности судят о гранулометрическом составе
почвогрунта (0 — песок, 0—7— супесь, 7—17 — суглинок,
более 17 —глина).
В практике полевых почвенных исследований пластичность
используют при визуальном определении гранулометрического
состава.
По показателям пластичности и естественной влажности
рассчитывают показатель консистенции или число
консистенции:
где Wqgi — естественная влажность, %; W2 — нижний предел пластичности;
W—число пластичности.
Предложена следующая классификация связных почво-
грунтов по показателям консистенции:
Супеси:
твердые <0
пластичные 0—1
текучие >1
Суглинки и глины:
твердые <0
полутвердые 0—0,25
тугопластичные 0,25—0,6
мягкопластичные .... 0,5—0,75
текучепластичные .... 0,75—1
текучие >1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
КОНИЧЕСКИМ ПЛАСТОМЕТРОМ РЕБИНДЕРА
В лаборатории коллоидной химии химического факультета
МГУ разработана конструкция конического пластометра (пла-
стометр Ребиндера), используемого для характеристики струк-
117
Мп
Рис. 27. Конический пластометр Ребиндера:
/ — подъемный столик; 2 — противовес; 3 — конус; 4 — стойка
с рычагом; 5 — винт.
турно-механических свойств, в частности пластической
прочности структурных коллоидных и дисперсных систем.
Описание пластометра (рис. 27). Прибор состоит
из основания, на котором укреплены подъемный столик для
исследуемого образца 1 и стойка с рычагом 4. На одном конце
рычага имеется подвижная обойма в с чашечкой для груза
W, на другом — регулируемый противовес 2. Посредством
рычажной системы к рычагу присоединен стержень, который
может с малым трением перемещаться по вертикали. На нижний
конец стержня навинчен сменный конус 5, а верхний конец
связан с отсчетным устройством — циферблатом со стрелкой-
указателем, для фиксирования перемещения стержня по
вертикали (в мм). Винт 3 является арретиром.
Выполнение работы. Устанавливают основание
прибора горизонтально арретирующим винтом 3, закрепляют
рычаг так, чтобы стрелка указателя стояла на нулевом делении
шкалы (для облегчения установки рекомендуется на чашку
ставить небольшой груз 10—20 г). Испытуемый образец
в виде пасты загружают в сосуд на подъемном столике.
Выравнивают поверхность образца и вершину конуса приводят
в соприкосновение с ней. На чашечку помещают груз,
обеспечивающий погружение конуса не менее чем на 4 мм. После
того как погружение конуса закончится, записывают глубину
(hm) при данной нагрузке. Вводят арретир и увеличивают
нагрузку на чашечку. Так определяют глубину погружения
конуса при трех-четырех нагрузках. Конус должен погружаться
в чашечку в одно и то же место.
118
Пластическая прочность pm рассчитывается по формуле
И.-Я.4-
где Т7-—величина груза, hm—глубина погружения конуса, #а— константа,
равная —cos2 а, Где а —угол при вершине конуса. При углах 30,
я
45, 60, 90° константы конуса соответственно 1,108; 0,658; 0,413; 0,159.
Сила F, действующая на конус, определяется из
соотношения
W __ аб t р_ ав ,у-7
F ав у аб
Пластометр Ребиидера можно использовать для выявления
типов структурных связей и их прочности, а также для
получения косвенной характеристики пластического состояния
вязких материалов.
НАБУХАНИЕ
Набухание — увеличение объема почвы и грунта в
процессе-смачивания. В результате гидратации почвенных частиц
и образования на поверхности их оболочек рыхло связанной
воды уменьшаются силы сцепления между ними, происходит
отдаление их друг от друга, что приводит к увеличению
общего объема почвы. Способность почвенных частиц к
набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и
химическим составом, а также с начальными плотностью и
влажностью их.
О природе процесса набухания существует несколько
теорий. Капиллярная объясняет набухание действием
капиллярных сил внутри и на поверхности смачиваемого образца. В
основе теории сольватных оболочек представление о двойном
электрическом слое как конденсаторе, у которого одна
обкладка находится в твердой фазе, другая —в жидкой.
Осмотическая теория объясняет процесс набухания
разностью концентраций растворов. Если концентрация раствора
в поровом пространстве выше, чем концентрация
окружающего раствора, то происходит набухание, а если ниже
—наблюдается сжатие. Эта теория в настоящее время
поддерживается многими исследователями.
Способность почв и грунтов к набуханию можно
охарактеризовать степенью, влажностью и давлением набухания.
119
Рю
4
•—Pn
vHd
hK
-hH
1. Степень, или деформация набухания, определяется
изменением объема массы или высоты образца:
%р = Р*ГГР* . ЮО;
Rh = ilZ!tL . ЮО,
Лн
где Rv, Rp, Rh — степень набухания по объему, массе и высоте образца, %;
ViU vk — первоначальный и конечный объемы образца, г/см3; рп, /?к —-
первоначальная и конечная массы образца, г; hiU hK — первоначальная и
конечная высота образца, мм; d — плотность воды, г/см3.
2. Влажность набухания — влажность, при которой
прекращается поглощение жидкости образцом почвы или грунта, %.
Рс
где Wn —- влажность набухания, %; рк— масса полностью набухшего
образца, г; ра — масса сухого образца, г.
3. Давление набухания — давление, которое развивается
в процессе набухания при отсутствии объемных деформаций,
Р - F~
где Рп — давление набухания, кг/см2; F — сила набухания, кг; S — площадь
испытуемого образца, см2.
Из методов определения степени набухания наиболее
распространен метод Васильева. При этом испытуемый образец
почвы или грунта помещают в металлическое кольцо между
перфорированными пластинками, степень набухания точно
фиксируется, индикатором (мессурой). Автором метода
сконструирован также прибор, принцип устройства которого
положен в основу позже предложенных приборов, В настоящее
время промышленностью выпускается серийно прибор ПНГ.
Ниже приводим его описание и порядок работы (рис. 28).
Прибор состоит из металлического кольца 3 с насадкой 4,
диска с перфорированным донцем / и винтами 2, 8, индика-
тора-мессуры 7, соединительной скобы 6, перфорированного
поршня 5, ванночки Р, крышки к кольцу 10.
Кольцо и насадка с одной стороны заточены под углом 60°,
с другой — имеют выступ для скрепления их. Высота кольца
10 мм. На верхней части диска имеется перфорированное
углубление—донце, которое служит основанием для кольца
с насадкой. На диске винтами закрепляется соединительная
скоба, предназначенная для удержания в фиксированном
положении кольца с насадкой, и служит опорой для индикатора
120
(мессуры). Ножка индикатора
касается перфорированного поршня.
Собранный прибор устанавливают
в ванночку.
Ход анализа. Перед
началом работы прибор разбирают. В
кольцо с насадкой берут пробу
почвы или грунта из монолита;
для этого кольцо острым краем
насадки устанавливают на
горизонтальную поверхность монолита
и, постепенно вдавливая
(используя крышку 10), заполняют
образцом с некоторым излишком.
Кольцо с образцом вынимают
ножом, срезают излишки и
зачищают торцовые поверхности.
Осторожно отделяют от кольца
насадку, а образец аккуратно срезают
по плоскости вровень с краями
кольца. Кольцо с образцом
взвешивают и, надев вновь насадку,
устанавливают на
перфорированное донце диска, покрытое
кружком фильтровальной бумаги.
Поверхность образца сверху также покрывают фильтром и
опускают на нее поршень. Закрепив винтами скобу,
устанавливают индикатор так, чтобы ножка его касалась головки
поршня.
Собранный прибор помещают в ванночку. Записывают
показания индикатора до опыта по большому и малому
циферблату. Целесообразно начинать с нуля. В ванночку наливают
воду, полностью наполнив донце: образец должен насыщаться
капиллярно. Отмечают время заливки воды, а затем
фиксируют показания индикатора через определенные интервалы
времени до прекращения набухания образца (вначале
минутные, затем часовые и в конце суточные сроки наблюдения).
Процесс набухания можно считать законченным, если
показания индикатора за последние двое суток не превышают
0,01 мм.
Вода, используемая в опыте, должна по составу
соответствовать природной или следует применять дистиллированную
воду.
Закончив опыт, прибор разбирают, кольцо с набухшим
образцом помещают в фарфоровую чашку, взвешивают и
высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при
температуре 100—105 °С.
Степень и влажность набухания рассчитывают по
приведенным выше формулам.
Рис. 28. Прибор для
определения набухания почв и грунтов:
/ — диск с перфорированным
дойдем; 2, в —винты; 5
—металлическое кольцо; 4 <— насадка; 5 —
поршень; 6 — соединительная скоба;
7 — ипднкатор-мессура; 9 —
ванночка; 10 — крышка к кольцу.
121
Кинетику набухания можно изобразить графически,
откладывая по оси ординат степени набухания в процентах, по оси
абсцисс — время в минутах, часах, сутках.
В зависимости от состояния первоначального образца
(воздушно-сухой или влажный) различают полное набухание WB
или фактическое набухание W$.
Одновременно с замером объемного набухания можно
взвесить кольцо с почвенным образцом, а после опыта высушить
образец до постоянной массы и рассчитать изменение
влажности почвы в процессе набухания.
Результаты опытов представляют графически. По массе
образца в сухом состоянии и его плотности можно также дать
кривую изменения пористости почвы в процессе набухания.
УСАДКА
Под усадкой почвы или грунта понимают уменьшение
объема их при высыхании. Предел усадки соответствует полному
удалению воды из почвы и переходу из полутвердой в
твердую консистенцию. Усадка зависит от тех же факторов, что
и набухание и прямо коррелирует с ним.
Усадку определяют по величине линейной или объемной
усадки и по влажности, при которой прекращается усадка
(предел усадки).
Определение усадки. Воздушно-сухой образец почвы
измельчают в ступке пестиком с резиновым наконечником и
просеивают через сито с отверстиями диаметром 0,5 или 1 мм.
Подготовленный образец смешивают с водой до консистенции,
соответствующей верхней границе пластичности, и
выдерживают сутки в закрытом сосуде над водой (для полного
набухания). Проверив конусом Васильева соответствие
увлажнения верхней границе пластичности, сырую почву помещают
в металлическую или из органического стекла прямоугольную
формочку размером 5x3x2 см, предварительно смазав стенки
тонким слоем вазелина. При отсутствии специальных
формочек можно использовать крышки от алюминиевых бюксов.
Поверхность почвы в формочке тщательно выравнивают и
делают диагональные неглубокие бороздки. После этого
высушивают на воздухе. Подсыхая, почва сжимается и отстает от
стенок формочки, откуда ее вынимают, осторожно
фильтровальной бумагой снимают с поверхности вазелин, помещают
в сушильный шкаф и высушивают при температуре 105 °С до
постоянной массы.
Измеряют объем и длину диагоналей формочки, что
соответствует сырому образцу, длину диагоналей сухого образца
почвы. Объем образца определяют методом гидростатического
взвешивания.
122
Усадку рассчитывают по формулам
/у = Anil . ЮО; Vy = Vl~V* • 100;
h Vi
где /у —линейная усадка, %; Vy — объемная усадка, %; Wv — влажность
усадки, %; U—длина диагоналей сырой почвы (диагоналей формочки), см;
h — длина диагоналей почвы после усадки, см; ^ — первоначальный объем
почвы (объем формочки), см3; У2 — объем почвы после усадки, см3; W{ —
влажность, соответствующая верхней границе пластичности, %; р — масса
сухой почвы после усадки.
Определение предела усадки, как и пределов пластичности,
имеет важное значение в почвенной технологии для
установления пределов влажности обработки почвы. G усадкой
связано образование трещин.
ЛИПКОСТЬ
Липкость — способность почвы прилипать к
соприкасающимся с нею предметам: рабочим частям и колесам
почвообрабатывающих орудий и машин. Проявляется она тогда, когда
сцепление между почвенными частицами меньше, чем между
почвой и соприкасающимися с ней предметами. Прилипание
почвы к рабочим частям сельскохозяйственных орудий
вызывает часто настолько значительное сопротивление, что работа
протекает с большой затратой энергии.
Липкость измеряется усилием в г на 1 см2, требующимся
для отрыва от почвы прилипшего к ней диска или пластины:
где т—-липкость, кПа; Р — усилие, затраченное на отрыв диска от почвы,
Н; 5 — площадь диска, см2.
Липкость почвы зависит от ее гранулометрического,
химического и минералогического состава, от структуры и влажности.
Почвы глинистые и бесструктурные сильнее прилипают, чем
легкие по гранулометрическому составу или структурные
глинистые. С повышением влажности до определенного предела
липкость увеличивается, а далее уменьшается, так как
нарушается сцепление между частицами почвы. В почвах
структурных, например в черноземах, липкость начинает
проявляться в пределах 60—80 % общей влагоемкости.
Бесструктурные почвы начинают прилипать при более низкой влажности.
Появление липкости связано с вертикальным давлением.
Поэтому для характеристики липкости и практического
использования данных следует изучать ее в динамике влажности,
начиная от наименьшей и кончая полным насыщением. При
исследовании использовать диски из такого же материала, что
123
Рис. 29. Прибор Качннского для определения липкости почвы:
/ — арретир; 2 — колонка; 3 — стрелка; 4 — правая чашка весов; 5 — стаканчик; 6 —
тарировочиый груз; 7—коромысло; 8 — серьги; £—- винтовое крепление; /0 — стержень;
// — диск; 12 — формочки; /3 — диски; 14, 15 — гири; 16 — песочница.
и предмет, соприкасающийся с почвой; применять
вертикальные нагрузки, соответствующие естественным.
Для определения липкости пользуются приборами В. В.
Охотина, Н. А. Качииского и других.
В лабораториях грунтоведения чаще всего используют
прибор В. В. Охотина, а почвенных — прибор конструкции
Н. А. Качннского.
Прибор Качннского (рис. 29) представляет собой
видоизмененные технохимические весы, правая чашка которых
заменена специальным подвесным стержнем 10,
заканчивающимся диском 11 площадью 10'см. Диск и стержень
уравновешиваются правой чашкой весов 4 и алюминиевым
стаканчиком определенной массы 5. Подвесной стержень имеет
винтовое крепление 9, что позволяет изменять его длину. Коромысло
прибора поставлено на неподвижную колонку 2,
укрепленную на металлическом основании, и, таким образом, имеет
постоянную высоту. Опорой для призм коромысла служит
стальная «подушка» верхней части колонки. Тяга внутри
колонки поднимает и опускает арретир 1.
В нерабочем положении коромысло лежит на стойках
приподнятого арретира. При работе арретир опускают, и
опорная призма коромысла ложится на «подушку». Чашки и
стержень с диском подвешены на коромысло 7 на серьгах 8, На
124
концах коромысла помещены тарировочные грузы б, а в центре
укреплена стрелка 3, с помощью которой производят отсчет
по шкале, расположенной у основания колонки. Прибор
установлен на тяжелой металлической плите. В комплект входит
несколько дисков 13: стальной, латунный, деревянный,
резиновый, используемые в зависимости от поставленной задачи.
Для определения липкости почвы при ее обработке плугом
употребляют стальной диск, при пневматических колесах
машин— резиновый. К прибору прилагаются гири 14, 15 для
дополнения массы диска со стержнем) до 200 г, до 500 г.
Формочки 12 для образца почвы имеют сетчатое дно и
заостренный верхний край (чтобы легче врезать их в почву).
Определение можно проводить на образцах нарушенного и
ненарушенного сложения. Так как липкость почвы проявляется
в определенном интервале влажности, то для установления
начала и конца прилипания исследования начинают с
влажности, соответствующей общей влагоемкости, и продолжают
подсушивать почву.
Ход работы. Образец почвы или грунта, подлежащий
исследованию, помещают в формочку, па сетчатое дно
которой положен кружок из фильтровальной бумаги. В случае
исследования липкости в поле в формочку берут образец
ненарушенного сложения. При взятии моиолитика формочку
устанавливают на поверхности почвы и надавливанием руки или
при помощи специального шомпола погружают до полного
наполнения. Затем ее окапывают ножом и вынимают с
некоторым запасом почвы. Излишек почвы срезают острым ножом
вровень с краями формочки. При определении липкости почвы
нарушенного сложения в формочку насыпают образец,
пропущенный через сито с отверстиями диаметром 1—3 мм.
Формочку с образцом почвы устанавливают в ванну с водой для
насыщения до общей влагоемкости, после чего переносят на
плиту прибора со стороны диска. На коромысло подвешивают
диск и уравновешивают его с чашкой. Удлиняя или
укорачивая подвесной стержень, приводят в полное соприкосновение
диска с почвой. Сверху на диск кладут гирю (выбор нагрузки
определяется задачей исследования — предварительно следует
рассчитать давление, которое будет оказывать проходящее
орудие или машина). Опускают арретир и выдерживают груз
30 с. Диск прилипает к почве. Придерживая рукой стержень,
снимают груз. В стаканчик на левой чашке весов из
песочницы 16 сыплют тонкой струей чистый кварцевый песок до
отрыва диска от почвы. Песок взвешивают. Передвинув
формочку и вытер ев диск, повторяют определение на новом месте.
На одном образце производят пять определений, среднее из
которых служит окончательным результатом. По отношению
массы песка к площади диска рассчитывают липкость почвы
в г/см2. После' определения липкости с поверхности образца
почвы берут пробу на влажность, Через определенный проме-
125
жуток времени на этом же образце повторяют определения до
прекращения прилипания почвы к диску.
На основании полученных материалов составляют таблицу
и график динамики липкости почвы в зависимости от ее
влажности. По оси ординат откладывают липкость в г/см2 (кПа),
оси абсцисс — относительную влажность.
Н. А. Качинский классифицирует почвы по величине
липкости (кПа) при капиллярном увлажнении на предельно
вязкие (>15); сильно вязкие (1,5—0,5); средне вязкие (0,5—
0,2); слабо вязкие (0,2—0,05); рассыпчатые (<0,05).
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
Трение металл — почва можно определить как силу
сопротивления скольжению металла по почве. Величина
коэффициента трения зависит от силы взаимного молекулярного
притяжения частиц поверхностей металла и почвы. Подтверждением
этому служат опыты, показавшие уменьшение трения в
процессе вспашки при пропускании через отвалы лемеха
постоянного тока, одноименного заряду почвы. Возникающая при
этом благодаря электроосмосу водная пленка на рабочих
частях плуга уменьшает притяжение между трущимися
поверхностями (снижает трение). Шероховатость поверхности
металла увеличивает сопротивление скольжению. При этом
происходит вклинивание выступов металлической поверхности
в почву и возникают добавочные силы сопротивления почвы.
В практике определяют коэффициент трения из уравнения
Кулона:
где Р — тангенциальное усилие, необходимое для перемещения металла по
отношению к почве; Q — нормальная нагрузка; f — коэффициент внешнего
трения.
Из этого уравнения следует
' Q
Коэффициент трения — важная технологическая
характеристика почвы, его используют в расчетах тяговых
сопротивлений— в формуле Горячкина, Щучкина и др.
Величина коэффициента трения возрастает с увеличением
влажности до появления липкости. Она выше на глинистых и
бесструктурных почвах, ниже — на песках. Определение
величины коэффициента трения f H. В. Щучкин производил с
помощью сконструированной им горки с металлической
шлифованной поверхностью, угол наклона которой в момент начала
скольжения по ней почвы характеризовал величину
коэффициента трения. Для этих же целей используют прибор Си-
неокова.
126
А 77 10
Б
Рис. 30. Прибор Синеокова для определения коэффициента трения (А) и
кривая записи (Б). Прибор:
/ — шкив; 2 — диск; 3, 6 — шкивы; 4 — самопишущее устройство; б — держатель; 7 —
подвижная рама; 8 —пружина динамометра; 9 — грузопротивовес; J0 — ножки; /J —
ручка. Кривая: 1{ — линейное перемещение обода колеса; Л — сжатие пружины; «S —
площадь.
Прибор Синеокова (рис. 30 А) состоит из деревянного
диска 2 с неподвижным шкивом / и ободом из шлифованной
стали, пружины динамометра 8 на подвижной раме 7,
самопишущего устройства 4 и системы передач.
Диск укреплен в металлической раме и легко вращается
вокруг своей оси на шарикоподшипниках. Рама подвижно
скреплена с остовом (неподвижной рамы прибора) и имеет
металлическую пластину-хвост, на которой подвешивают
грузопротивовес колесу 9. Остов прибора имеет три заостренные
ножки 10 с упорами. При работе прибор заякоривают
ножками в почву на глубину упоров. С помощью крученого шнура
шкив 1 диска соединен со шкивами 3 и 6, что позволяет
передавать сдвигающее усилие на динамометр. К подвижной раме
динамометра прикреплен откидной держатель 5 для
карандаша. Ручка прибора // через систему передач (шестерен)
соединяет диск, динамометр и барабан самописца, на котором
закреплена бумага для записи.
Масса диска с ободом 12 кг; подвешивая груз на хвост
рамы, вертикальное давление массы диска важно уменьшить
до 4 или 8 кг, что необходимо при работе на рыхлых почвах.
Удельное давление колеса на почву q вычисляют по формуле
Q
где Q — масса колеса, равная 12 кг; t — длина хорды следа обода на почве,
см; b — ширина обода, равная 8 см.
127
Ножки прибора вдавливают в почву, диск ставит на
выровненную площадку почвы, затем при помощи рукоятки //
поворачивают колесо на Уз длины его окружности в течение 25—
30 с. Усилие, затраченное на перемещение колеса,
регистрирует самописец на барабане. Измеряют на отпечатке колеса
хорду для расчета q и берут пробу почвы в сушильный
стаканчик для определения влажности. Для вычисления
коэффициента трения перед работой градуируют пружину при разных
нагрузках. При этом по оси ординат откладывают величину
сжатия пружин в мм, по оси абсцисс — нагрузку в кг.
Пусть h — масштаб сжатия пружины в кг/мм. На записи
самопишущего устройства (рис. 30 Б) по оси абсцисс
фиксируют линейное перемещение обода колеса /ь по оси ординат —
сжатие пружины h в мм. Планиметром определяют площадь 5
в мм^ или см2. Измерив линейкой длину 1Х основания площади,
вычисляют среднее значение величины сжатия пружины
в опыте:
/г= мм.
к
Тангенциальное (сдвигающее) усилие
D%
где Di — диаметр шкива; D2 — диаметр диска с ободом; п — нагрузка,
вызывающая сжатие пружины на 1 мм.
Отсюда коэффициент трения f:
f = р — h'n'Di
Q Q-D2 '
где Q — масса колес с ободом, равная 12 кг.
Пусть диаметр шкива 1 равен 356 мм, а диаметр диска
с ободом равен 400 мм, тогда формула примет вид
р /t'rt-356
12-400
Повторность определения тройная.
Прибором описанной конструкции можно определять
коэффициент трения металла по почве, стерне, культурной и сорной
растительности.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЧВ И ГРУНТОВ СДВИГУ
Под сдвигом почвы понимают смещение одной части ее по
отношению к другой в результате бокового (тангенциального)
давления.
При сдвиге внутри почвы или грунта площадки по
отношению ко всей массе почвы сопротивление сдвигающим
(касательным) усилиям складывается из сцепления, обусловленного
128
молекулярными и капиллярными силами, и сил внутреннего
трения. Напряжение сдвигающих усилий, превышающих
сопротивление сдвигу, вызывает разрыв (срез) в почве и
скольжение по плоскостям среза, которому противодействует трение.
Силы сцепления не зависят от нормальной нагрузки, тогда
как трение в известной мере пропорционально ей.
Установлено, что тангенциальное усилие Р (кПа) при
перемещении одного пласта почвы (грунта) по отношению к
другому, нормальное давление Q(H) и сцепление частиц С(Н)
связаны уравнением
P = C + Qtg(p,
где tgq> — угловой коэффициент, он же коэффициент внутреннего трения.
Если обозначить tg<p через jf, то уравнение прямой,
показывающей зависимость сопротивления почвы сдвигу, примет вид
P~C+Qf.
Сопротивление почв и грунта сдвигу зависит от
гранулометрического, химического и минералогического состава,
плотности сложения, влажности, а также прилагаемой внешней
нагрузки. В песчаных почвах и песках силы сцепления между
частицами отсутствуют, поэтому сопротивление сдвигу в них
равно сопротивлению внутреннего трения (Р — Qf) и
пропорционально вертикальной нагрузке.
Сопротивление почв и грунтов сдвигу имеет большое
практическое значение. Определяемые при этом углы и
коэффициенты внутреннего трения и сцепления принимаются в основу
расчетов устойчивости оснований при 'проектировании зданий
и гидротехнических сооружений, а также используются в
некоторых формулах расчета тяговых сопротивлений
сельскохозяйственных машин.
Испытание почв и грунтов на сдвиг проводят как на
образцах ненарушенного, так и нарушенного строения при
естественной и создаваемой влажности, с предварительным
уплотнением и без него.
Для определения сопротивления почв и грунтов сдвигу
в лабораторных условиях используют приборы конструкции
Савельева, Захарьева, Маслова-Враского, Литвинова (П10-С)
и учреждений Гидропроекта и ЦНИИМПСа. Последний
прибор наиболее точный, но сложный и распространен мало.
В практике лаборатории грунтоведения широкое применение
получил прибор Гидропроекта, а в почвенных лабораториях —
прибор конструкции И. М. Литвинова.
Прибор Литвинова (рис. 31) позволяет определять
сопротивление почвы сдвигу в образцах нарушенного и
естественного сложения.
Прибор состоит из основной части, включающей основание,
подвижную каретку с нижним дренажным диском, разрезную
гильзу, верхний направляющий цилиндр и верхний дреиаж-
129
Рис. 31. Прибор Литвинова для испытания почв и грунтов на сдвиг
(общий вид).
ный поршень; приспособления для замачивания образцов и
приспособления для перемещения образцов грунта из
компрессионных гильз в прибор рычага для горизонтальной нагрузки
с подвеской и грузами; двух индикаторов часового типа ИЧ-10
с пределом измерения от 0 до 10 мм и ценой деления 0,01 мм;
зажимного устройства для крепления опоры загрузочного узла;
телескопической рычажной системы для вертикальной
нагрузки, которая дает 26-кратное увеличение нагрузки для
штока прибора и б-кратное уменьшение при загрузке
противовеса.
Прибор монтируют на столе или на консолях из толстых
досок, или двутавровых балках.
В почвенной практике сопротивление почвы сдвигу
определяют обычно на образцах пахотного и подпахотного
горизонтов с естественным сложением, взятых непосредственно в поле
или из монолита.
Ход работы. Образцы почвы ненарушенного сложения
берут в компрессионные гильзы цилиндрической формы
диаметром 56 мм и высотой 20 мм.
При испытании образцов во влажном состоянии их
предварительно увлажняют в специальном приспособлении. Для
этого компрессионные гильзы с образцами покрывают с обеих
сторон кружками из фильтровальной бумаги и помещают
в станину для замачивания между двумя дренажными
дисками. Станину с гильзами свинчивают и помещают в сосуд
с водой до полного насыщения образцов.
130
Перед началом испытания устанавливают прибор в
следующем порядке. При помощи крепежного устройства нижнюю
часть прибора прочно прикрепляют к столу. Отвинтив
зажимные гайки стоек, снимают направляющий цилиндр с траверсой
и поршнем. Горизонтальные упорные винты, находящиеся
у основания прибора и фиксирующие неподвижность каретки,
завинчивают до отказа.
Гильзу с исследуемым образцом почвы устанавливают
в верхней части разрезной гильзы прибора режущим краем
вверх. На верхнюю и нижнюю плоскости образца накладывают
листки фильтровальной бумаги. Надевают направляющий
цилиндр и при помощи поршня-выталкивателя образец почвы
осторожно перемещают в прибор. Почвозаборную гильзу,
освобожденную от образца, снимают, устанавливают на место
верхнюю часть прибора, плотно прижимают к поверхности почвы
дренажный поршень и закрепляют его винтом.
В соответствующих гнездах закрепляют два индикатора:
один —для замера деформаций сжатия, другой —для
деформаций сдвига. При этом подвижные части ножек индикаторов
должны быть выдвинуты на 7—8 мм свободного хода, после
чего поворртиые шкалы их устанавливают на нулевые
деления. Укрепляют телескопический рычаг для вертикальной
нагрузки и рычаг для горизонтальной нагрузки. Уравновешивают
телескопический рычаг и опускают зажимной винт поршня.
К образцу прикладывают сначала вертикальную,
сжимающую нагрузку, а потом горизонтальную, сдвигающую.
Если определяется только сдвиг, то заданную расчетную
величину вертикальной прикладывают к испытуемому образцу
сразу, в один прием, независимо от ее величины.
Если же одновременно изучают компрессионные свойства
грунта, нагрузку дают ступенями.
Каждую ступень вертикальной нагрузки выдерживают для
песчаных образцов грунта не менее 5 мин, для глинистых —
не менее 30 мин (конечную — до стабилизации деформации
сжатию).
За условную стабилизацию деформации принимают
величину сжатия, не превышающую 0,01 мм: для песчаных
грунтов—за 30 мин, для супесей —за 3 ч, для суглинков и глин —
за 12 ч.
Нагрузку, прикладываемую в один прием, выдерживают до
условной стабилизации деформации.
После того как деформация при вертикальной нагрузке
стабилизируется, отвинчивают горизонтальные упорные винты
каретки и к испытуемому образцу начинают ступенями
прикладывать горизонтальную нагрузку. Величину ступени в
первой стадии, пока общая величина нагрузки не превысит 0,5—
0,6 от ожидаемой предельной нагрузки сдвига, принимают
равной 0,2—0,5 кг/см2 и во второй стадии, когда общая
величина нагрузки будет больше 0,5—0,6 от ожидаемой предельной
131
нагрузки сдвига, принимают равной 0,05—0,1 кг/см2 в
зависимости от величин предельной нагрузки.
При этом каждую ступень горизонтальной нагрузки
выдерживают до условной стабилизации деформации сдвига, за
которую принимают скорость сдвига, не превышающую 0,01 мм
в 1 мин.
За сдвигающую нагрузку принимают такую, при которой
показания индикатора отмечают резкое нарастание нестабили-
зирующейся деформации сдвига.
При подсчете величины сдвигающей нагрузки нужно
учитывать массу рычага с подвеской для горизонтальной
нагрузки, которая создает дополнительное сдвигающее усилие,
равное 0,11 кг/см2.
Для каждого исследуемого объекта испытывают по три
параллельных образца при разных вертикальных нагрузках.
Испытание сопротивления почвы сдвигу рекомендуется проводить
при нагрузках 0; 0,5; 1,0; максимум 1,5—3 кг/см2. Это будет
соответствовать удельным давлениям на почву, которые могут
оказывать сельскохозяйственные машины и орудия. Опыты без
нормальной нагрузки проводят для определения сцепления
почвы.
На основе полученных данных вычисляют:
сопротивление сдвигу Р (кПа) —отношение общего
сопротивления к площади поперечного сечения испытуемого образца
коэффициент сдвига
коэффициент внутреннего трения почвы
где Ti и %2 — сдвигающие усилия, кПа; Nx и N2 — вертикальные нагрузки, Н;
Ф — угол внутреннего трения;
сцепление почвы
С = Хх—Ыг tg ф = т2—N2 tg ф
Коэффициент внутреннего трения и сцепления можно
определить графически (рис. 32), где по оси абсцисс откладывают
вертикальные нагрузки Ру а по оси ординат — соответствующие
им величины сдвигающих усилий т. Прямая АСВ, проведенная
через точки, соответствующие результатам параллельно
испытанных образцов, представляет собой линию сдвигающих
напряжений. Угол наклона прямой к горизонтальной оси обра-
зует угол внутреннего трения <р, величина тангенса угла (tgcp)
представляет собой коэффициент внутреннего трения /, а ОТ*
132
Т,кг/см2
2,5
Р
ДО!
#1
А
С
4-4-4
...
/9
0-0-#
г w
*
Чг/см*
(О 2,0 j,0 fiti/fffi
кг
кг
60
40
20
0
и
2
4
б
А
8
10
см
/40
120
100
80
60
40
20
0
2 4 б 8 см
6
Рис. 32. График зави- Рис. 33. Кривые сдвига на мяг-
симости между давле- ких (А) и твердых (Б) почвам,
ннем и сопротивлением
сдвига.
резок, отсекаемый прямой сдвига па оси ординат,— величину
сцепления С.
В полевых условиях для определения сдвига почвы можно
использовать твердомеры Горячкина или ВИСХОМа. Для этого
изготовляют две рамы 15x15X30 см с площадью
соответственно 450 см2. На месте определения окапывают монолит почвы
такого же размера, как и ящик, но большей высотой (на 5 см),
На почвенный монолит надевают рамы, причем верхняя
вместит в себя слой почвы толщиной 5 см; его-то и будут
сдвигать по отношению к первому монолиту. Естественно, что
сдвигать можно слой любой толщины, сообразуясь с
поставленной задачей.
Перед монолитом в горизонтальном положении
устанавливают прибор Горячкина или ВИСХОМа, железной станиной
нижний монолит прикрепляют к основанию прибора, плунжер
(тупой) устанавливают в центр сдвигаемого ящика. На верх
этого ящика кладут доску соответствующего размера с грузом,
обеспечивающим задаваемое давление 5—10 кг. Сдвигают
верхний ящик по отношению к нижнему, самописцем
твердомера записывается кривая изменения сдвигающего усилия.
На мягких почвах (рис. 33 А) кривая имеет максимум
в момент разрыва образца и затем идет почти параллельно
оси абсцисс. Последняя часть кривой соответствует усилию
Q/, максимум кривой — общему тангенциальному усилию Р.
Следовательно, С = Р—Qf.
Расчет С и f можно произвести графически, как описано
выше, для чего проводят два-три определения с разными
нагрузками.
На почвах с высоким сцеплением кривая имеет другой
характер вследствие сильных пружин (рис. 33 Б) р дает только
133
суммарное сдвигающее усилие Р, на основании которого
вычисляют коэффициент сдвига:
с—р-
с_ s '
где S — площадь исследуемого образца.
Коэффициент сцепления резко изменяется в зависимости от
культурного состояния почвы, например на целине
обыкновенного чернозема он в 20 раз больше, чем на пару.
В практике при изучении сдвига иногда бывает трудно
расчленрггь силы сцепления и внутреннего трения. Тогда
определяют общую величину сдвигающего усилия и вычисляют
коэффициент сдвига.
ТВЕРДОСТЬ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Твердость почвы есть сопротивление ее вертикально
приложенной силе при разрезании, расклинивании или
сдавливании*.
Высокая твердость почвы часто снижает всхожесть семян,
оказывает механическое сопротивление развивающейся
корневой системе растений, влияет на развитие растений, изменяя
водный, воздушный и тепловой режимы почвы. Твердость —
важная технологическая характеристика почвы. При работе
плуга подрезание пласта почвы осуществляют в вертикальном
направлении ножом и в горизонтальном — лемехом.
Моделируя работу плуга в почве, определяют сопротивление
расклиниванию или разрезанию в вертикальном и горизонтальном
направлениях и выражают расклинивающее сопротивление
в кГТа, используя в качестве датчиков в твердомерах
заостренные наконечники — плунжеры в виде конуса, клина или
цилиндра с малой площадью. Чем выше твердость почвы, тем
большее сопротивление оказывает она расклиниванию.
На поверхности почвы перекатывают машины и орудия.
Твердость почвы при этом проявляется в сопротивлении
сжатию или сдавливанию и оказывает большое влияние на
тяговое сопротивление: чем больше твердость, тем меньше тяговые
усилия при перекатывании. Сопротивление почвы сдавливанию
определяют цилиндрическими плунжерами и выражают в кПа.
Установлена тесная зависимость между тяговым
сопротивлением почвы при обработке и перекатывании машин и
твердостью почвы (Н. А. Качинский, Г. Б. Николаев, Н. В. Щуч-
кин, А. Ф. Вадюнина, П. У. Бахтин и др.). Расчеты тяговых
усилий производят по соответствующим формулам.
Понятие «твердость» не следует смешивать с понятием «плотносп
Под плотностью понимают сложение почвы (рыхлое, плотное и т. д.), опт
деляемое укладкой механических элементов или агрегатов; количествен
плотность выражают величиной плотности скелета.
134
Для определения твердости почвы предложено непшльк()
конструкций приборов: твердомеры I орячыша, 1ши\има
(Высоцкого), Качинского, Голубева, Ревякнпа, Алексеева илр.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПРИБОРАМИ
РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Твердомер ВИСХОМа. В основу прибора положен принцип
твердомера Горячкина — сжатие пружины под влиянием
сопротивления, оказываемого почвой погружаемому плунжеру. С
помощью этого прибора можно определить твердость почвенного
слоя до глубины 30 см, регистрируя ее по неси глубине
самопишущим приспособлением.
Описание прибора. Прибор (рис. 34) состоит из трех
основных частей: трубчатой стойки, подвижной каретки, ленто-
протягивающего механизма. Металлическая трубчатая стойка
1 укреплена на деревянной платформе. Червячный винт внутри
стойки связан через конические шестерни 4 с рукояткой дли
вращения 3. На внешней стенке стойка нанесены деления от 0
до 30 см для определения глубины погружения плунжера
в почву. На стойке расположены передвигающаяся
направляющая втулка 7 и подвижная каретка 5 с двумя опорами,^ между
которыми заключены две силовые пружины в и #. Каретка
соединена с лентопротягивающим ме-
ханизмом 2 и штоком 9. С помощью t
роликов каретка перекатывается по
стойке при погружении плунжера
в почву. Лентопротягивающий
механизм состоит из двух валиков и
барабана, укрепленных на диске, который,
в свою очередь, идет на вертикальный
неподвижный валик, имеющий
винтовой паз. Перемещение ленты с
записью осуществляется по пути
перемещения плунжера с уменьшением
в 3 раза. Пишущий штифт соединен
с втулкой. Запись производят
серебряным карандашом на меловой
бумаге. Шток оканчивается винтовой
нарезкой для навинчивания
плунжера 10.
Плунжеры, используемые при
работе, различны по форме и размерам
площади поперечного сечения
Рис. 34. Твердомер конструкции ВИСХОМа:
/ — стойка; 2 — лентопротягивающий механизм; 3 —
рукоятка; 4 — шестерни; б —каретка; 6 -— пружина;
7»—втулка; 5 —пружина; 9 — шток; /0 —плунжер.
135
Рис. 35. Плунжеры:
Л 2, 8, 9 — конические; 4 — трехгранный; 5, в, 7, 8 — цилиндрические.
(рис. 35). По форме они бывают цилиндрические,
шарообразные (на сдавливание), конические и в виде трехгранного клина
(на расклинивание), по размерам площади поперечного
сечения—в 1; 2; 2,8 и более см2. К твердомеру прилагают три пары
сменных пружин (25, 50 и 100 кг). На основании тарировочных
данных отдельных пружин работающему необходимо построить
тарировочную кривую твердомера для соответствующей пары
пружин и в процессе эксплуатации прибора периодически
производить проверку их.
По способу, предложенному автором прибора,
тарировочную кривую твердомера строят на основании двух
тарировочных кривых, построенных отдельно для верхней и нижней
пружин. На графике по оси абсцисс откладывают деформацию
пружин в см, а по оси ординат — усилие (нагрузку) в кг. При
построении кривых могут быть два случая:
1. Жесткость пружины верхней (g\) и нижней (gj)
постоянна на различных ступенях нагрузки, и тарировочиые
кривые той и другой пружин представлены прямыми линиями.
В таком случае жесткость из двух предварительно сжатых
пружин определяют как g=gi+g2- По значению g строят
тарировочную кривую, которую затем используют при обработке
результатов измерений.
2. Жесткость обеих пружин или одной из них непостоянна,
и тарировочиые кривые имеют вид изогнутых линий. В таком
случае сначала вычерчивают тарировочиые кривые отдельно
для верхней и нижней пружин. Замеряют длину пружин в
свободном состоянии (длина свободной верхней /Св. в, свободной
нижней /св. н) и длину их после установки в твердомер и
проведения нулевой линии на ленте с записью (длина сжатой
верхней пружины /Сж. в, нижней — /сж.н). Вычисляют величину
предварительного сжатия пружин ft0' и ho":
flQ = /св> в /еж. в»
Ло = *св. н — /еж. н»
На тарировочных кривых пружин (рис. 36) по оси абсцисс
откладывают значения V и А0", по оси ординат — нагрузки до
136
полного сжатия пружин.
На пересечении
перпендикуляров, соответствующих
максимальному сжатию и
нагрузке (а7*и а"), строят
новую систему координат.
Для верхней пружины эти
оси проводят для зоны
кривой от 0 до а', так как эта
пружина при работе
твердомера разжимается, а для
нижней пружины — в зоне
кривой от а" до максимума,
так как эта пружина при
работе сжимается.
На новых координатах
по осям абсцисс
откладывают участки Аь h2y Лз
и т. д. и соответственно им
по масштабу определяют
ординаты Р\у Р2 и т. д. и
Р/, Р2" и т. д.
На основании кривых
для отдельных пружин
(рис. 36, Л и Б) строят тарировочиую кривую твердомера
(рис. 36, В) путем суммирования ординат, полученных для
каждого участка сжатия по обеим пружинам:
p1==pJ4-Pi для Ai = 5 мм;
P2 = P2-f-P2 ДЛЯ fl2~lQ MM И Т. Д.
По оси абсцисс откладывают деформацию силовой части
Я, по оси ординат — усилия на плунжере Р. Построенная
кривая твердомера имеет вид прямой, ее используют при
обработке данных, снятых при измерении твердости почвы.
Ход работы. Прибор устанавливают на подготовленную
площадку. Два человека встают на деревянную платформу для
того, чтобы придать прибору большую устойчивость и
избежать подъема его. Вращением рукоятки прибора (со скоростью
одного оборота в секунду) погружают плунжер в почву на
задаваемую глубину. Для извлечения плунжера из почвы
рукоятку вращают в обратную сторону.
Твердость почвы этим твердомером следует определять не
менее чем с пятикратной повторностью на площади 1 м2,
размещая точки по углам и в центре квадрата или по прямой
линии на типичной площадке через каждый метр. На
полученной записи ставят соответствующий номер, дату определения,
почву, угодье и пункт,
5 W 15 2025ЗОН404550Нмп
В
Рис. 36. Тарировочные кривые:
А — для верхней и В — для нижней
пружины; В — общая для твердомера.
137
Рис. 37. Кривые твердости почвы, полученные на приборе
ВИСХОМа.
Расшифровка записи твердомера и расчет
твердости почвы. Схематично кривая твердости почвы
имеет вид, приведенный на рис. 37.
От начала движения плунжера вниз по пути S0 до момента
соприкосновения его с почвой и совмещения стрелки с нулевой
отметкой (риской) на шкале на ленте запишется кривая на
участке S0 с отклонением от первоначального положения на
величину 2/, что соответствует величине всех сил трения,
возникающих в приборе. На кривых получают участки Ки К2 и др.,
которые при обработке кривой соединяют линией, принимаемой
за нулевую. Таким образом, учитывают массу подвижных
частей прибора, действующих на силовые пружины, а также силу
трения.
С помощью планиметра определяют площадь диаграммы,
принимая за основание нулевую линию, затем находят
среднюю величину напряжения по оси ординат.
Среднюю твердость почвы в кг/см2 вычисляют по формуле
где /i — величина средней ординаты, вычисленной по диаграмме (можно
также для этого взять h на любой глубине погружения плунжера 5—10—
15 см и т. д.), см; п — масштаб пружины, кг/см; S — площадь поперечного
сечения плунжера, см2.
В случае работы с цилиндрическим плунжером расчет
средней твердости ведут на единицу объема скважины:
где V— объем скважины (площадь плунжера, умноженная на глубину
погружения в почву).
В последней конструкции прибора записывающая система
заменена интегрирующей. Это дает возможность сразу
получать усредненные значения твердости.
Твердомер Качинского (рис. 38). Прибор Качинского
устроен по револьверному принципу; силой разжатия пружины
138
плунжер погружается в почву и потому показания прибора
не зависят от силы работающего. Прибор портативен,
несложен в обращении, его используют для определения твердости
при исследовании физико-механических свойств почвы в
полевых и лабораторных условиях. Им удобно пользоваться для
определения твердости почвы по генетическим горизонтам при
морфологическом описании почвенного профиля. Определение
твердости этим твердомером можно проводить в стенке
почвенного разреза и по горизонтам — на рабочих площадках,
подготовленных для определения других физических свойств
почвы.
Описание прибора. Прибор состоит из
цилиндрического металлического корпуса 1 длиной 22,5 см при
внутреннем диаметре 3 см и толщине стенки 3 мм. Снизу корпус
закрыт навинчивающимся опорным диском 10 диаметром 6 см
с отверстием для плунжера. Сверху на корпус надета головка
1, закрепляемая байоиитными замками и винтом. Внутри
головки имеется винт 2, по нарезке которого двигаются шайбы
Рис. 38. Твердомер Качинского:
/ — головка; Я*—винт; 3 — шайба; 4 — шайба; 5— корпус; б — поршень; 7— пружина;
S— кольцо-указатель; 9 — кнопка; 10 — диск; 11 — плунжер; 12 — винт, 13 — ключ; 14 —
глухой наконечник.
139
Внутри корпуса помещены свободно скользящий поршень в
и пружина 7, опирающаяся нижним концом на головку поршня,
а верхним — на направляющую шайбу 3. На нижний конец
поршня навинчивают плунжер 11 длиной 60 мм с площадью
поперечного сечения 0,2 см2. В зависимости от цели работы
используют плунжер цилиндрической или конической формы.
В нерабочем состоянии вместо опорного кольца навинчивается
глухой наконечник 14,
На корпусе твердомера нанесена шкала с миллиметровыми
делениями от 0 до 60. Длина 60 мм соответствует
максимальному ходу плунжера. Отсчет делений по шкале производят
с помощью подвижного кольца-указателя 5. В нем сделаны
прорези, которыми оно ложится на специальные винты 12,
имеющиеся в верхней части поршня и выходящие наружу
через боковые прорези в корпусе твердомера. Двигаясь вверх,
поршень двигает и кольцо-указатель. Поднимаясь вверх до
предела, поршень сжимает пружину и в этом положении
удерживается пружинной защелкой с кнопкой 9. Нажатием на
кнопку защелку выводят из зацепления, и пружина
выталкивает поршень вперед.
В зависимости от сопротивления почвы усилие на плунжер
можно менять перестановкой пружин. В комплекте твердомера
имеются пружины, создающие при максимальной деформации
усилия на плунжер в 0,6; 2; 3; 4; 6; 8; 12; 16; 18 кг.
Прибор отградуирован для каждой из прилагаемых
пружин и в комплект его входит тарировочная таблица с ценой
каждого миллиметрового деления на шкале корпуса. В
процессе использования твердомера цена деления может меняться,
поэтому необходимо периодически проверять тарировочные
данные.
При тарировке твердомера для работы с ним на
горизонтальных площадках необходимо учитывать и вносить в тари-
ровочную шкалу поправку на массу прибора. При работе
с прибором записывают показания по шкале прибора, а затем
по тарировочной таблице находят соответствующее значение
сопротивления почвы. Умножая на коэффициент 5,
сопротивление приводят к площади на 1 см2.
Ход работы. Перед началом работы в корпус
твердомера вставляют соответствующую пружину и в рабочей
тетради записывают ее номер. Пружина, опираясь нижним
концом на головку поршня, верхним должна вплотную, но без
сжатия, подходить к шайбе 3 в головке твердомера. Это
расстояние регулируют свинчиванием шайбы вверх или вниз.
В твердомер ввинчивают в зависимости от поставленной цели
цилиндрический или конический плунжер. Их меняют с
помощью ключа 13, прилагаемого к комплекту твердомера.
Поставив твердомер вертикально плунжером на твердую
поверхность (монета, металлическая пластина), надавливают на
головку рукой так, чтобы плунжер до предела вошел внутрь
140
корпуса. С помощью защелки поршень закрепляется в этом
положении, а пружина находится в сжатом до предела
состоянии.
Подготовленный прибор устанавливают на поверхность
почвы в вертикальном или горизонтальном положении и,
придерживая одной рукой головку 1, другой нажимают на кнопку
Р, выводя поршень из зацепления. При разжатии пружины
плунжер погружается в почву. Выжидают 30 с (считая до 30),
а затем, не отпуская головки твердомера, рукой продвигают
кольцо-указатель 8 до винтов 12; придерживая кольцо,
поднимают твердомер и записывают показания по шкале.
Твердость определяют с десятикратной повториостыо, а
затем из этих определений выводят среднее значение.
Одновременно берут образцы на влажность.
Результаты измерения твердости почвы, сопровождаемые
данными по влажности (абсолютной или относительной),
заносят в таблицы и оформляют графически.
Оценка твердости почвы по сопротивлению расклиниванию,
кПа (по Н. А. Качинскому):
>100 слитая
100—50 весьма плотная
50—30 плотная
30—20 плотноватая
20—10 рыхловатая
<10 рыхлая
Твердомер Ревякина относится к серии приборов
нажимного типа. Им возможно определить твердость до глубины
50 см. Рабочей частью прибора является плунжер диаметром
2 см, который навинчен на нижний конец штока. На верхнем
конце штока надета рукоятка. Между шайбой на штоке и
гайкой на рукоятке вставлена клапанная измерительная пружина.
К прибору прилагаются сменные измерительные пружины
с диаметром проволоки 3, 4 и 5 мм, которые используются
в зависимости от твердости почвы. Каждая пружина должна
быть заранее оттарирована и иметь тарировочный график.
Начальное положение сменной пружины устанавливают
регулировочной гайкой пружины на рукоятке.
Твердомер имеет самопишущее устройство, позволяющее
фиксировать изменение сопротивления сжатию по глубине
погружения плунжера в почву.
В начале работы закладывают бумажную ленту и, укрепив
в пружинной скобе карандаш самописца, прочерчивают на
ней нулевую линию. Затем твердомер устаиавлрхвают на почву
в строго вертикальном положении; основание его должно
соприкасаться с почвой. Нажатием руками на рукоятку шток
с плунжером вдавливают в почву. При этом пружина
сжимается пропорционально сопротивлению, оказываемому почвой.
На ленте самопишущего устройства фиксируется
соответствующая кривая. На основании полученных данных определяют
141
Рис. 39. Твердомер Алексеева:
1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 —
пробки; 4 — угольник; 5 — манометр; б —
рукоятка; 7 — наконечник; 8 —
стержень.
среднюю величину по оси
ординат (в мм) и затем, зная,
сколько килограммов
приходится на один миллиметр
сжатия пружины, вычисляют
среднюю величину сопротивления
почвы сжатию. Показателем
твердости почвы, выраженной
в кг/см2 (кПа), служит
отношение величины среднего
сопротивления к площади плунжера.
Повторность определения
пятикратная; при вычислении
окончательных данных используют
среднюю величину.
Твердомер Алексеева (рис. 39)
относится к ручным нажимным
приборам. В отличие от
описанных выше пружина в нем
заменена гидравлическим
динамометром. Показания сопротивления
вертикальной нагрузке
отсчитывают по манометру.
Описание прибора.
Основными частями прибора
служат гидравлический динамометр, состоящий из цилиндра /,
поршня 2, манометра 5, к нижней части динамометра по резьбе
прикреплен стержень 5, заканчивающийся конусным
наконечником 7.
Цилиндр динамометра заполняют тормозной (рабочей)
жидкостью, которую заливают через пробки 3 в угольник 4 при
крайнем положении поршня.
Вертикальное усилие, которое создается надавливанием рук
на рукоятку 6, через поршень, рабочую жидкость и основание
цилиндра передается на стержень; усилие, воспринятое рабочей
жидкостью, измеряется манометром.
Прибор несложен в обращении и дает возможность быстро
получать характеристику объекта.
Микропенетрометр. Промышленность серийно выпускает
микропенетрометр (МВ-2) для определения сопротивления
пород пенетрозии (внедрению конуса) — предельного напряжения
сдвигу. Микропенетрометр малогабаритен, пригоден для работы
в полевых и лабораторных условиях.
Существуют и более простые твердомеры, работающие по
принципу копра (Э. Митчерлиха, Н. И. Железиова, С. А.
Захарова, М. И. Волкова, В. В. Киквадзе, С. А. Дмитриева и др.).
Приборы представляют собой стержни с наконечником в виде
конического острия или лопаты. В почву их погружают,
сбрасывая с определенной высоты сам прибор или гирю, скользя-
142
Сопротивление почвы сдавливанию и расклиниванию
Форма полевой записи
Твердомер системы . . .
Дата
со
ш
о.
со
«
о,
Почва, угодье,
пункт
Горизонт,
глубина, см
№ пружины
Форма и
площадь плунжера
Показания по шкале твердомера, мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
среднее
Лабораторная форма записи
Дата
№ разреза
Почва, угодье, пункт
Горизонт, глубина, см
Сопротивление почвы, кг/сма <кПа)
сдавливанию (цилиндр)
1
2
3
1
4
Б
1
6
7
8
9
10
среднее
расклиниванию (конус)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
среднее
щую по стволу стержня. Достоинство приборов в их простоте
и возможности изготовления при наличии весьма несложного
оборудования.
Динамометрический лом Захарова имеет форму стамески со
шкалой, разделенной на сантиметры. Длина его 60 см,
толщина рабочей части 0,25 см, ширина 1 см, длина шкалы 10 см.
Общая масса лома 250 г. Его бросают отвесно с высоты 40 см
и по глубине погружения судят о твердости почвы.
Лопата-твердомер Киквадзе представляет собой узкую
лопату (шириной 5—7 см, высотой 20—25 см), закрепленную на
черенке длиной 170—180 см, диаметром около 2 см. По черенку
скользит кольцевая гиря массой 2—3 кг. Установив лопату на
исследуемый участок почвы, спускают по черенку гирю,
ударяющуюся о плечики лопаты. По глубине погружения лезвия судят
о твердости почвы. Подобным несложным твердомером можно
получить относительную характеристику почв по твердости и
использовать эти данные при оценке обрабатываемых участков
по трудности обработки и перекатывания сельскохозяйственных
машин.
РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЯГОВЫХ УСИЛИЙ
ПО ТВЕРДОСТИ ПОЧВ
Удельным сопротивлением почвы при обработке называют
тяговое усилие, затрачиваемое на подрезание 1 см2 поперечного
сечения пласта, и выражают его в кПа.
ИЗ
Тяговые усилия при вспашке расходуют на преодоление
сопротивления трения, на деформацию почвы — растяжение,
сжатие, сдвиг, кручение и отбрасывание пласта в сторону.
Определяют его обычно с помощью динамометров, которые помещают
между плугом и трактором. В качестве динамометра
используют динамометрическую тележку или работомер. В связи со
сложностью и трудоемкостью этого сделаны попытки упростить
определения удельного сопротивления, в частности использовать
физико-механические характеристики для этих целей.
Так, еще в 1923 г. В. П. Горячкин предложил формулу,
определяющую силу тяги плуга:
Р = fg 4- kab + mbv2,
где Р — сила тяги, кг; g— масса плуга, кг; f — коэффициент трения; k —
коэффициент деформации почвы на единицу площади поперечного сечения
пласта или удельное сопротивление почвы, кг/см2; а — глубина пахоты, см; Ь —
ширина захвата плуга, см; v — скорость хода плуга, м/с; 8 — коэффициент
затраты энергии на отбрасывание пласта почвы в сторону, кг/см2.
Формула в основном соответствует технологии при
обработке почвы.
Н. В. Щучкииым (1937, 1940, 1952) была предложена
формула для теоретического расчета тягового сопротивления почвы
при обработке плугом, которая является дальнейшим развитием
формулы Горячкина:
P=fg + mBcvab,
где Р — тяговое сопротивление плуга, кг; f — коэффициент трения почвы
о сталь; g—масса плуга, кг; т — соотношение между удельным
сопротивлением и твердостью почвы (в среднем для большинства почв равное 0,014
при отсутствии прилипания почвы к рабочим частям плуга); £ср — средняя
твердость пахотного слоя; а — глубина и Ъ — ширина захвата плуга, см.
Формула Щучкина интересна тем, что она подобно формуле
Горячкина включает характеристику плуга и пласта.
Н. А. Качинский (1937, 1944), установив высокую
коррелятивную зависимость между твердостью почвы и удельным
сопротивлением при пахоте, предложил формулу
P^Pt + RAa-b),
где Р — искомое удельное сопротивление почвы; Pi — среднее удельное
сопротивление, найденное динамометрированием; Я* — коэффициент регрессии,
показывающий изменение удельного сопротивления почвы при изменении ее
твердости на единицу; Ь — среднее сопротивление почвы расклиниванию,
кг/см2; а — сопротивление почвы расклиниванию на глубину вспашки в
момент определения.
При расчетах необходимо иметь средние значения удельного
сопротивления почвы, ее твердости, определенной твердомером
соответствующей конструкции, и коэффициент регрессии, что
при культурной эксплуатации земли должно быть установлено
для каждого почвенного типа раз и надолго,
144
РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ КОМБАЙНОВ
ПО ТВЕРДОСТИ ПОЧВ
При изучении тяговых усилий при перекатывании комбайнов
был установлен (Качинский, Вадюнина, 1940, 1954) высокий и
достоверный коэффициент корреляции между твердостью почвы
и тяговым сопротивлением комбайнов. Исследования проводили
методом динамометрирования. Для вычисления тягового
сопротивления комбайна («Сталинец-1» с полным бункером) была
предложена эмпирическая формула
Р^Ро + ЯЛВо-В*), .
где Рх — искомое тяговое сопротивление комбайна; Р0 — наименьшее
тяговое сопротивление комбайна при перекатывании его по твердой поверхности
почвы на целине; Rx — коэффициент регрессии тягового сопротивления по
твердости почвы данного типа; Во— твердость целинной почвы в слое
0—12 см (глубина, на которой наиболее резко сказывается деформирующее
действие колес комбайнов); Вх—твердость почвы в момент определения
тягового сопротивления комбайна (установленная твердомером Горячкина или
ВИСХОМа).
Пример расчета. При перекатывании по твердой
поверхности установлено: Р0 = 725 кг, #0=40 кг/см2, #* = 6,5, Вх~
=20 кг/см2 (установлен твердомером в момент определения Р),
Отсюда Р=725+6,5 (40—20) =855 кг.
Естественно, что Р0 и B0i а также Rx должны быть заранее
определены для данного комбайна, твердомера и типа почвы.
Вместо Ро и Во можно использовать средние арифметические
значения их для почв данного типа.
Г. А. Николаев разработал метод расчета Рх с помощью
твердомера Горячкина для общего случая, т. е. любого
комбайна с металлическими колесами и при разной загрузке
бункера, а также любой почвы:
Р* = 0,86 л/ *? ,
* V CnD*B
где Рх — искомое тяговое сопротивление комбайна; Q — нагрузка на хсолесо
комбайна; Сп — коэффициент объемного сжатия по твердомеру Горячкина;
D — диаметр колеса комбайна; В — ширина обода колеса.
При вычислении тяговых усилий при перекатывании машин
часто учитывают глубину колеи колес исходя из формулы
где Рх—искомое тяговое сопротивление; h — глубина колеи; D — диаметр
колеса; Q — нагрузка на колесо.
Приведенные формулы свидетельствуют о том, что между
удельным сопротивлением почвы обработке и тяговым
сопротивлением комбайна, с одной стороны, и твердостью почвы —
с другой, существуют количественные соотношения, которые
дают возможность установить тяговые усилия и потребность
в горючем сельскохозяйственных машин с помощью простых
приборов-твердомеров.
ГИДРОФИЗИКА ПОЧВ
ВЛАЖНОСТЬ
Под влажностью понимают количественное содержание воды
в почве. Последняя влияет на почвообразование, обусловливая
интенсивность биологических и элювиальных процессов.
Влажность почвы является одним из основных факторов
плодородия. Регулирование этого режима применительно к
различным почвам для получения наивысших урожаев служит
основой разработки рациональной агротехники. Поэтому
определение влажности почвы является наиболее распространенным
почвенным анализом. Многочисленная сеть опытных станций
агрометеорологической службы ежедекадно определяет
влажность почвы до глубины одного метра под разными
сельскохозяйственными культурами. На опытных и метеорологических
станциях, в лабораториях научно-исследовательских
институтов, агрохимлабораториях определяют влажность для
производственных целей — установления времени обработки почв, срока
полива и т. п.
В данном разделе излагаются способы взятия образцов
почвы для этого анализа, способы выражения почвенной
влажности с агрономической оценкой запасов влаги и методы
определения общей влажности почвы в поле и лаборатории.
ВЗЯТИЕ ОБРАЗЦОВ ПОЧВЫ НА ВЛАЖНОСТЬ
Определять влажность почвы необходимо с учетом
генетических горизонтов и геологических напластований. Сначала
проводят морфологическое описание почвы, с тем чтобы сообразно
генетическим горизонтам наметить глубины взятия проб на
влажность. Образцы можно брать из открытых разрезов,
очищая стенку разреза перед взятием проб на 4—5 см, выемку
проб также производят бурами.
Контроль взятия образцов в пахотном слое пятикратный, до
1 м — трехкратный, с 2 м — однократный. При систематических
и массовых определениях контрольные пробы берут в одну
сушилку.
Существует несколько конструкций буров для выемки
почвенных проб на влажность.
Бур Измаильского в модификации Н. А. Качинского (рис. 40,
2). Ствол бура из полосового четырехгранного железа с
гранями шириной 2—2,5 см состоит из нескольких (длиной 1,5 м)
штанг, скрепляющихся винтовой резьбой или болтами.
146
Рис. 40. Буры для взятия проб почвы на влажность:
/ — Качинского; 2 — Измаильского; 3 — Некрасова.
Им можно бурить почву на глубину до 20 м. Отъемная ручка
привинчивается к верхней части бура. К нижнему концу бура
припаян металлический цилиндр (желонка) длиной 20 см и
диаметром 5 см, оканчивающийся винтообразной изогнутой,
заостренной ложкой, ввинчивающейся в почву. Через весь цилиндр
проходит щель шириной 2 см, из нижней части цилиндра из
слоя высотой 10 см через щель берется образец почвы на
влажность.
Форму режущей части бура Н. А. Качииский изменил на
загнутый клин, а штанги по предложению М. К. Мельниковой стали
изготовлять из полых труб диаметром 2—2,5 см (используемых
при газопроводах), что намного уменьшило массу бура,
увеличило его устойчивость, облегчило погружение в почву и выемку
из нее. Один рабочий без особого труда может бурить до 3—
4 м. Бур этот широко используют при массовых определениях
влажности.
Бур Качинского (рис. 40, 1) представляет собой железную
трубу диаметром 4—5 см, нижняя режущая часть заострена и
имеет диаметр на 2 мм меньше. На верхнюю часть трубы
насаживают головку с плечиками для ручек. Пробы берут
последовательно бурами различной длины: 0,65; 1,25 и 2,25 м. В двух
последних бурах на нижнюю часть надевают насадку для
облегчения извлечения бура из почвы. При взятии проб с глубины
более 50 см его погружают в почву ударами деревянной
колотушки по головке бура. Бур трудно погружается на глубину
больше метра и с большими усилиями извлекается обратно.
Достоинство его в том, что взятая проба мало деформируется,
поэтому даже при высокой влажности вода из образца почти не
выжимается.
147
Рис. 41. Рабочая
часть бура
Розанова (1), бура
Деркульского (2),
спирального (3).
Бур Некрасова (рис. 40, 3) состоит из
цилиндра для взятия пробы 'почвы,
основной и дополнительной штанг, изготовленных
из полой или глухой трубы длиной 100—
160 см. На верхнюю часть основной штанги
насаживают муфту, в отверстия которой
вставляют ручку; нижняя часть штанги
имеет винтовую резьбу, на которую
навинчивают почвенный цилиндр.
Цилиндр для почвы из нержавеющей
стали (высотой 11 см и внутренним диаметром
5 см) в верхней части имеет винтовую
резьбу, с помощью которой привинчивается
к нижнему концу штанги. Нижняя часть
цилиндра имеет внешнюю резьбу, к ней
привинчивается режущая часть бура,
представляющая собой кольцо высотой 5 см,
скошенное в нижней части на конус так, чтобы
его внутренний диаметр на 1 мм был меньше внутреннего
диаметра цилиндра; кольцо с нижней стороны снабжено двумя
острыми зубцами для подрезания почвы.
После взятия пробы при обратном повороте щель почвенного
станка закрывается. Это позволяет брать образец с данной
глубины без загрязнения почвой других слоев, что важно для
химических анализов.
К буру изготовляют штанги длиной 1—1,5 м, которые
навинчиваются на верхнюю часть предыдущей штанги, что позволяет
брать пробы на влажность почвы с больших глубин.
Бур Смертина. Режущая часть желонки состоит из двух
заостренных клиньев, выполненных из прочного металла. В
почвенном цилиндре имеется два прореза, из которых легко и
быстро можно взять пробу почвы. Бур легко погружается и
извлекается из почвы. Один рабочий может бурить до 2—3 м.
Бур Розанова. Рабочая желонка бура состоит из двух
изогнутых полуцилиндрических параллельных пластин и
оканчивается винтообразной режущей частью (рис. 41, 1), Стакан бура
хорошо удерживает рыхлые почвы. Бур широко используется
при бурении легких почв и песков.
Мотобур снабжен двигателем «Дружба-4», двухступенчатым
планетарным редуктором, регулятором оборотов двигателя и
бачком для горючего. В качестве рабочих инструментов
приложены шнек спиральный (3 секции по 80 см) (рис. 41, 3),
желонка и буровая ложка. Масса бура 63 кг. Бурение на глубину
до 10 м; диаметр скважины 7,0—7,5 см.
В почвенной практике его применяют при закладке скважин
до грунтовых вод, для установки газовых трубок при изучении
воздушного режима почв, закладке электродов при
электромелиорации и др. При этом используется шнек. Для проб на
анализ литологического и химического состава, на влажность почв
148
лучше брать желонку. В ней меньше перемешивается проба. За
один прием берется слой почвы 50—80 см. Бур облегчает труд
и повышает производительность работы при закладке скважин.
Пробы из бура берут стамеской во взвешенный сушильный
стаканчик (бюкс), который плотно закрывают, вытирают
полотенцем и устанавливают в специально изготовленный ящик.
В ящике бюксы прикрывают полотенцем. Во время доставки
ящика с пробами в лабораторию его прикрывают клеенкой или
мешковиной. В настоящее время серийно выпускается бур типа
АМ-26.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
Абсолютная влажность. Содержание влаги вычисляют в
процентах от массы абсолютно сухой почвы по формуле
W % - — ■ 100,
Рс
где W—процентное содержание влаги; а — количество воды в образце,
определенное тем или иным методом; рс — масса абсолютно сухой почвы.
Общее содержание влаги в почве называют абсолютной
влажностью. Вычисление массы абсолютно сухой почвы рс при
известной влажности (W %) производят по формуле
= ЮОрв
^с 100 + W '
где рв — навеска влажной почвы.
В последнее время влажность часто вычисляют в процентах
к объему почвы
Wv = W-dv,
где Wy — влажность в процентах от объема почвы; dv — плотность скелета
почвы; W — влажность в процентах от массы почвы.
В связи с тем, что выпадающие осадки измеряются в
миллиметрах водного столба, целесообразно запасы влаги в почве
выражать в этих же единицах. Вычисление производят по формуле
W.H.dy.10
100
где W — влажность в мм в слое почвы толщиной h см; остальные
обозначения те же, что и в предыдущих расчетах; множитель 10— перевод см в мм.
Запасы воды в исследуемой толще почвы в практике
выражают в тоннах или кубометрах на 1 га (W м3) путем
умножения величины влажности (W мм) на коэффициент 10:
W м3=И7 мм-10.
Для вычисления запаса влаги в мм или м3/га в метровой или
двухметровой толще почвы производят вычисления по
отдельным горизонтам, в которых величины dv различны, и затем
суммируют для общего слоя.
149
Относительная влажность по Н. А. Качинскому.
Относительная влажность — это отношение содержания влаги в данный
момент к количеству воды, насыщающей почву до ее общей
(полевой) влагоемкости.
Если в данный момент влажность почвы (W %), общая вла-
гоемкость равна W0. B, то относительная влажность
TW W %.100
Относительная влажность дает представление о степени
насыщения почвы водой и позволяет сравнивать влажность почв,
отличающихся по величине влагоемкости. Если взять
супесчаную почву с общей влагоемкостью 10%, то при влажности
в 5 % ее относительная влажность будет составлять
№ОТН==-А_.100 = 50%.
ю
Тяжелосуглинистая почва с общей влагоемкостью 30 % будет
иметь такую же степень смоченности при абсолютной
влажности в 15 %:
№отн=:^-.100 = 50%.
30
Таким образом, несмотря на резко различную общую
влажность, степень смоченности изучаемых почв оказывается
одинаковой. Относительная влажность широко используется в
практике орошения и осушения. Предел оптимального увлажнения
100—70% ПВ.
Вычисление продуктивной влаги в слое почвы.
Продуктивной влагой называют все количество воды сверх влажности за-
вядания. Только при наличии ее растения могут расти. Пусть
при определении влажности почвы в поле было установлено, что
в слое 0—50 см содержание воды равно 85 мм. Известно также,
что влажность завядания в этом слое почвы равняется 45 мм.
Тогда запасы продуктивной влаги составят 40 мм.
Продуктивную влагу можно выражать и в процентах.
Диапазон активной (продуктивной) влаги (WA. a. в).
Наивысшему увлажнению почвы в полевых условиях соответствует
общая (ОВ) или полевая влагоемкость, нижним пределом
доступной или активной влаги является влажность завядания (ВЗ).
Разница между названными пределами увлажнения
соответствует диапазону активной влаги в почве:
^д.а.в = ОВ— 53.
Если в тяжелосуглинистой почве влажность завядания
составляет 12%, а общая влагоемкость равна 30%, то диапазон
активной влаги WA, а. в =30—12=18 %.
150
Диапазон активной влаги может быть выражен в мм и в %.
Величина диапазона активной влаги характеризует
максимально возможное количество продуктивной влаги в почве.
Оценка запасов продуктивной влаги. В первый период
развития растений решающее значение имеют запасы влаги в
пахотном слое мощностью 0—0,2 м, в дальнейшем растения
потребляют ее из слоя почвы метровой толщины, а в период засух
или при высоких урожаях используют запасы с глубины до двух
метров.
Запасы продуктивной влаги (в мм) оцениваются по
следующей шкале:
В слое 0—0,2 м
Запасы хорошие >40
» удовлетворительные 20—40
» неудовлетворительные <20
В слое 0—1 м
Запасы очень хорошие >160
» хорошие 160—130
» удовлетворительные 130—-90
» плохие 90—60
» очень плохие <60
Существующие методы определения общей влажности можно
разделить на прямые, когда она определяется непосредственно,
и косвенные, при которых вычисляется с помощью
коэффициентов или градуировок.
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ УЧЕТ ВОДЫ
Исследуемое вещество нагревают до определенной
температуры. Выделяющиеся при этом пары воды конденсируют и затем
измеряют. Таким способом определяют воду в органических
веществах и в почве. Однако было отмечено, что в процессе сушки,
кроме паров воды, выделяется еще ряд продуктов, изменяющих
как титр кислоты, так и щелочи.
Определение влажности методом дистилляции. Влажность
почвы определяют путем перегонки с какой-либо
индифферентной жидкостью, не смешивающейся с водой (керосин, толуол,
бензол, ксилол и др.). Пары кипящего медиума увлекают
с собой пары воды, которые, конденсируясь в холодильнике,
поступают в приемник. Разграничение жидкости происходит
вследствие разницы их плотности. При этом требуются: абсолютная
чистота прибора; конструкция аппарата, при которой вода не
задерживается по пути движения в измерительный приемник;
несмешиваемость воды с медиумом; соответствующий реактив
для каждого вещества.
Из всех медиумов, рекомендуемых в практике для
определения влажности почвы, наиболее часто используют толуол, кипя-
151
щий при 112°С. Аппарат состоит из колбы для перегонки,
холодильника с приемником и делительной воронки для медиума.
Однако этот метод имеет свои недостатки, к которым
относятся образование прочных эмульсий ксилола, толуола и других
веществ с водой; пригорание почвы и некоторая громоздкость
аппаратуры. Если же применять нелетучие дистилляты,
сохраняющие при отгонке влаги свою массу (хлопковое и
подсолнечное масло, парафин и др.), то дистилляцию можно вести в
открытых металлических бюксах. При этом содержание воды
определяется по потере массы. Расход масла составляет 3—4 мл
на одно определение.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ. МЕТОДЫ СУШКИ
Влажность почвы можно определить на ощупь. Для
полевых исследований рекомендуется следующая оценка: мокрая
почва — при копании почвенного разреза сочится вода; сырая —
вода не сочится, но приложенный лист непроклеенной бумаги
быстро промокает, а при сжатии в руке почва превращается
в тестообразную массу; влажная — кусочки почв требуют
незначительного усилия при сжатии, приложенная фильтровальная
бумага при этом увлажняется; свежая почва — производит
ощущение слегка прохладной массы, воды в капельно-жидком
состоянии при этом нет, бумага не промокает; сухая почва —
пылит.
Метод горячей сушки до настоящего времени является самым
доступным и распространенным в почвенной практике. Однако
иногда она проводится неидентично: при разных температурах,
на водяной бане или в термостате, с применением эксикатора и
без него. При использовании этого метода следует выдерживать
одинаковую технику анализа: в предварительно взвешенный
сушильный стаканчик помещать среднюю пробу почвы от 8 до
20 г; сырую почву в целях контроля взвешивать дважды.
Обычно пользуются технохимическими весами,
обеспечивающими точность до 0,01 г. При необходимости более точных
определений, особенно в случае низкой влажности, взвешивать
следует на аналитических весах. Пробу сушат в термостате до
постоянной массы при 100—105 °С (песчаные и супесчаные почвы
можно сушить при 150—160 °С). В существующих сушильных
шкафах (№ 2, шкаф типа 12-НА и др.) температура внизу
обычно на несколько градусов выше. Заданную температуру
в термостате следует поддерживать по термометру верхней
полки и на нижнюю полку ставить образцы почвы негумифици-
рованные или песчаные, влажность которых мало изменяется
от колебаний температуры. При гигроскопической влажности
длительность первой сушки 3 ч, при больших влажностях — 5—
8 ч. Контрольную сушку следует проводить 1 ч при низких и 2 ч
при высоких влажностях. После сушки пробы помещают в
эксикатор с СаСЬ на дне, охлаждают 20—30 мин и затем взвеши-
152
вают. Расхождения в массе после повторной сушки при
высокой влажности допускаются не больше 0,05 г, при средней и
низкой влажности, а также в песчаных почвах 0,03 г; при
взвешивании на аналитических весах <0,003 г. В случае
невозможности охлаждения пробы в эксикаторе не следует затягивать
взвешивание после охлаждения и категорически не допускается
взвешивание на следующий день.
Данные, полученные при определении влажности, заносят
в таблицу. Вычисление проводят следующим образом:
количество воды (а) во взятой пробе определяют по разности массы
стаканчика + сырая почва до и после высушивания. Абсолютно
сухую навеску почвы рс вычисляют как разницу массы
стаканчика с почвой после сушки и массы пустого стаканчика.
Процентное содержание влаги
W % = —-100;
запас воды (мм) в толще почвы h, равной 10 см:
100
где плотность скелета почвы dy берут как среднюю величину для данной
почвы или определяют непосредственно.
Хронометраж времени показывает, что на одно определение
при термостатном методе требуется времени в несколько раз
меньше, чем при сушке в эксикаторе или при химических
методах определения влажности. Этот метод тем более удобен, что
позволяет вести определение одновременно с большим
количеством образцов (100—200), тогда как почти все другие методы
этого не допускают.
Затраты времени на одно определение влажности методом
сушки существенно уменьшились благодаря взвешиванию проб
почвы на новых, более совершенных конструкций весах марки
ВЛТК-500, АДВ-200 и др. Значительно облегчен труд при
взятии образцов почвы в поле с помощью мотобуров. Применение
вычислительных электронных калькуляторов в несколько раз
сократило затраты труда и времени на обработку данных по
влажности.
Имеется ряд приемов, позволяющих улучшать метод
определения влажности нагреванием. Так, высокие температуры в
термостате, пропускание сухого воздуха или лучше инертного газа
(азот, водород), использование вакуум-термостата снижают
длительность сушки до 1—1,5 ч.
Интересным в этом отношении является прибор Грубба, в
котором почва сушится горячим воздухом. В приборе имеются
специальные весы, номограмма которых указывает сразу процент
влажности. Производительность прибора — 40—60 определений
в час.
153
Сушка инфракрасными
лучами. Применение инфракрасных
лучей значительно сокр ащает
длительность сушки (до 8—
30 мин). Управлением гидромет-
службы (А. П. Шкреба, Н. А.
Муромцев, 1970) разработана для
этой цели специальная установка
цилиндрической формы (рис.42).
В ней камера расположена на
круглом столике с ведущими
лопастями, вращающимися с
помощью электрического двигателя.
В верхней части камеры
установлены лампы инфракрасного
излучения (ЗС = 3 —500 Вт).
Температура нагрева регулируется
путем подъема или опускания
их над столиком. Стаканчики
с сырой почвой загружаются
через окно 3. За 45 мин стаканчик
с почвой делает три оборота под инфракрасными лучами, что
обеспечивает равномерное просушивание почвы. После сушки
проба автоматически эвакуируется из термостата на лоток. При
рациональной системе загрузки и разгрузки камеры
производительность работы достигает 40—45 определений в час при вполне
удовлетворительной точности.
При отсутствии названной установки лампу инфракрасного
излучения можно укрепить на штативе и поставить на
асбестовый лист. Открытые бюксы с почвой (4—6) устанавливают под
лампой. Безгумусные почвы можно высушить за 10 мин, гумус-
ные — черноземы — за меньшее время (при более длительной
сушке гумус сгорает). Точность определения составляет 3—5 %
определяемой величины.
Метод горящего спирта. Для определения этим методом
необходимо иметь две металлические чашки — одну на ножках
Форма записи при определении влажности почвы
ления (число,
почва, угодье
Дата опреде
месяц, год),
Горизонт и глубина, см
Плотность скелета почвы
dy
N сушильного стаканчика
Масса сушильного
стаканчика
Масса
стаканчика -f-
сырой почвы
I
II
(контроль)
Масса
стаканчика
с почвой
после
высушивания
I
II
II]
и,
си"
*
и
О)
m
«j
X
m
а
о
Й
со
и
и
СО /-ч
23
Масса абсолютно сухой
навески, г рс !
Влажность
%
мм
154
й^/' о о о о о о
Х> О О О О О О
Рис. 42. Общий вид установки для
высушивания проб почвы в
инфракрасных лучах:
1 — плато; 2 — электрощиток; 3 и 4 —
окна для установки и выгрузки
сушильных стаканчиков; 5— защитный
чехол; 6 — вентиляционные отверстия.
22. Влажность почвы при разных способах сушки
Глубина взятия пробы, см
Южный чернозем:
0—3
4—26
27—76
Кварцевый песок
Сушка при 105 °С
11,71
19,80
14,69
0,70
Сушка над Р2Оя
10,67
18,67
14,08
0,70
с сетчатым дном диаметром в 5 см и вторую—диаметром 6—
7 см. В первую на сетчатое дио кладут фильтр, вставляют ее во
вторую, затем обе чашки взвешивают. Можно использовать и
обычный сушильный алюминиевый стаканчик диаметром 5 см и
высотой 4 см, вставляя внутрь его треножник, покрытый
металлической сеткой с отверстиями ОД мм, через которые почва не
просыпается и без фильтра. Затем берут навеску почвы 20—25 г
и помещают на сетку. К почве прибавляют 25 мл метилового
спирта, часть которого стекает в нижнюю чашку. Образец
несколько раз заливают спиртом и сжигают его, доводя массу
почвы до постоянной, на что расходуют 50—70 мл спирта.
Температура горящего спирта 130—160 °С. Метод применим к
почвам, содержащим не более 11 % гумуса. Испытаны этиловый,
метиловый, пропиловый и древесный спирты, давшие примерно
одинаковые результаты.
При наличии соответствующего оборудования и реактивов
этот метод можно применять в экспедиционных условиях.
Метод холодной сушки основан на обезвоживании почвы
поглотителями СаС12, H2SO4, Р20б и др. Последние два требуют
осторожного обращения, особенно JHbSO^ которая испаряется
даже при комнатной температуре и может поглощаться
исследуемым веществом.
Пробу почвы 8—15 г (лучше меньше) в стеклянном
сушильном стаканчике помещают в вакуум-эксикатор, на дне которого
находится Рг05. Из эксикатора выкачивают воздух до 1—2 см
рт. ст. Затем эксикатор ставят на 4 ч на кипящую водяную
баню, после чего сушка считается законченной. Если сушить
почву без нагревания и вакуума, то длительность сушки — 20—
30 дней.
Метод сушки над Р2О5 считается наиболее точным. Им
можно пользоваться как эталоном для характеристики других
методов определения влажности. Сравнение величин влажности,
полученных разными методами, показало, что горячее
высушивание на 1 % завышает истинное содержание воды в почве по
сравнению с высушиванием над P2Os (табл. 22).
Эта разница в случае гумусовых и глинистых почв больше
и зависит от температуры, при которой почву высушивают. С
повышением температуры потеря массы для одной и той же почвы
155
возрастает. Сюда же включается и ошибка, вызванная заменой
более тяжелого холодного воздуха в сушилке легким, нагретым.
Пикнометрический метод. Навеску влажной почвы рв
погружают в пикнометр, заливают до метки водой, после чего
определяют ее массу в воде р\. Массу абсолютно сухой почвы рс
вычисляют по формуле
где d{ — плотность твердой фазы почвы, заранее установленная для данной
почвы.
Затем нетрудно вычислить процент влажности W %
W% = р*~~Рс -100.
Для полевых определений влажности почвы метод дает
вполне приемлемую точность. Метод удобен, так как отсутствует
относительно длительный процесс сушки.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ
КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГЕНТА. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В этом методе влажный материал обрабатывают реагентом,
способным изменять свою концентрацию от наличия влаги
исследуемого вещества.
Спиртовой метод. Навеску почвы обрабатывают спиртом.
Концентрацию спирта (не менее 80%) измеряют специальным
ареометром (спиртометр) до и после соприкосновения с почвой
(с и с\). Количество воды в навеске X вычисляют по формуле
^_ g(C--Ci)
где а — масса взятого спирта.
Присутствие в почве большого количества солей требует
некоторых изменений в устройстве ареометра.
Химический метод. Вещество обрабатывают каким-либо
химическим реагентом. Вода при этом разлагается с образованием
нового продукта, по количеству которого с помощью
соответствующих градуировочных таблиц или графиков определяют
количество воды. Например, при действии металлического натрия
выделяется водород:
2H20 + 2Na = H2 + 2NaOH;
при обработке метилмагнийиодидом выделяется метай:
НОН + CH3Mg J = CH4 + Mg J + ОН;
от действия карбида кальция выделяется ацетилен:
2Н,0 + СаС2 = CjH, + Са (ОН)а.
156
Рис. 43. Прибор для определения влажности карбидным
барометрическим методом:
/ — манометр; 2 — сосуд для почвы с карбидом.
Из перечисленных реагентов наиболее
доступен карбид кальция.
Карбидный метод имеет многостороннее
применение: его используют при определении
влажности в газах, порохе, органических веществах.
Для определения влажности почвы его применяли
В. Бутов, В. Сибирский, А. Ф. Вадюнина. В
зависимости от способа учета продукта реакции —
ацетилена — можно выделить несколько
вариантов этого метода: гравиометрический
(определяется масса ацетилена), волюметрический
(учитывается объем ацетилена), барометрический
(количество выделившегося газа определяется по его
давлению), колориметрический и путем
титрования. Однако два последних способа вследствие
сложности и длительности операции
распространения не получили.
Карбидный б а р о м е т р и ч е с к и й м е т о д (рис. 43) был
впервые предложен Корф-Петерсоном (Zeitschr f Hygine, 1913).
Навеску исследуемого вещества и тонкостенную ампулу с
карбидом кальция помещают в герметически закрывающуюся
толстостенную склянку, в пробке которой укрепляют манометр.
Прибор сильно встряхивают, ампула разбивается, и карбид
кальция реагирует с водой вещества. На шкале манометра с
заранее проведенной градуировкой получают непосредственно
процент влажности в данном веществе. При определении
влажности получали удовлетворительные результаты.
В настоящее время влагомер оформлен в виде конического
сосуда из металла, герметически закрываемого крышкой. В
качестве измерителя давления выделяющегося ацетилена
использован мембранный манометр, вделанный в дно сосуда.
Манометр отградуирован на показания влажности в % от массы.
Комплект снабжен рычажными весами с чашечкой для взятия
навески почвы и карбида кальция. Для перемешивания
последних в сосуд вводят два металлических шара массой 200—250 г.
Собранный для определения прибор встряхивают несколько
минут вращательным движением вручную. Влагомер такого
типа выпускается американской фирмой Soilest.
Карбидный весовой метод. А. Ф. Вадюниной
предложен прибор для определения влажности почвы (рис. 44). Он
состоит из двугорлой склянки 1, к широкому горлу которой
пришлифовывается стеклянная трубка конусообразной формы 2.
Верхнее и нижнее отверстия трубки закрыты каучуковыми
пробками 3, 4. Через верхнюю пробку проходит металлический
стержень для выталкивания нижней пробки 5. Во второе узкое горло
157
склянки вставляют тонкую стеклянную
трубку 7 с клапаном Бунзена 6 на
конце.
Перед определением большую
трубку наполняют молотым карбидом
кальция, превышающим по массе в 2—3
раза навеску почвы. В узкую трубочку
помещают гранулированный карбид
кальция. Прибор взвешивают. Затем на
дно его помещают исследуемую почву
(10—15 г), точную массу которой
определяют по разности. Пробку
выталкивают стержнем, карбид кальция
высыпается. Реакция начинается
моментально с выделением большого
количества тепла. Часть паров воды
увлекается выделяющимся ацетиленом и
Рис. 44. Прибор Вадю- разлагается в трубке с гранулирован-
нпной для^ определения ным карбидом кальция. Через клапан
Бунзена ацетилен выходит наружу.
Прибор при работе следует помещать
в вытяжной шкаф, так как ацетилен —
взрывчатый газ и смесь его с воздухом
огнеопасна; кроме того, он обладает
наркотическим свойством. Практически реакция проходит за
15—20 мин. В случае грубых, механически прочных
структурных отдельностей и большой при этом влажности
продолжительность реакции увеличивается до 10 ч. Для того чтобы
карбид полностью прореагировал с водой, прибор нужно как
можно чаще встряхивать. После реакции определяют массу
выделившегося ацетилена, который по заранее составленной
градуированной таблице переводят на массу воды.
Теоретически 1 г С2Н2 эквивалентен 1,385 г воды согласно реакции
влажности почвы:
/ — двугорлая склянка; 2 —
трубка; д, 4 — пробки; 5 —
стержень; б — клапан
Бунзена; 7 — трубка.
СаС2 + 2Н20 = Са (ОН)2 + С2Н2;
36
26
= 1,385.
36
26
Экспериментально полученные исследователями
коэффициенты несколько отличаются от теоретически вычисленных, так
как различны способы установления коэффициента и качество
карбида. Данные, полученные нами для нескольких почв в
лаборатории, а для подзолистой почвы — ив полевых условиях,
показали, что величины влажности, определенные карбидным
методом, несколько занижены по сравнению с полученным
методом высушивания. Разница составляет от 0,1 до 1 %, в
редких случаях доходит до 2,5%, особенно при больших навесках
с высокой влажностью или при безгумусной, глыбистой почве.
В последнем случае комки почвы покрываются корочкой из
Са(ОНЬ и реакция затягивается или не доходит до конца. Не-
158
обходимо при этом обращать внимание на тщательное
перемешивание карбида с почвой.
Для этого в прибор помещают крупную дробь или
металлические шарики для лучшего взаимодействия почвы с карбидом.
Достоинства карбидного метода заключаются в простоте
применяемого прибора, быстроте определения, дешевизне
реактива и отсутствии процесса сушки. Его можно рекомендовать
для измерения влажности в поле. В барометрическом и в
весовом вариантах карбидного метода желательно массу навески
почвы брать в ненарушенном сложении определенного объема,
что в полевых условиях осуществить значительно проще. После
взвешивания полученную при этом объемную влажность легко
перевести в запасы влаги в мм по слоям почвы. Такой способ
выражения влагозапасов применяется в гидромелиоративной и
в агрометеорологической практике. Одновременно можно
вычислить плотность скелета почвы.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ
ПРОЧНО СВЯЗАННАЯ ВОДА
Гигроскопическая влажность. Гигроскопическую влажность
определяют главным образом с помощью метода сушки образца
почвы при 100—105 °С. Почву, из которой удалены живые и не-
гумифицированные корни, размельчают в фарфоровой ступке и
просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Затем ее
рассыпают тонким слоем на стекло или глянцевую бумагу,
разделяют на квадраты, в каждом из которых (или в шахматном
порядке) отбирают немного почвы в сушильный стаканчик. Так
составляют среднюю пробу массой 5—10 г для суглинистых
почв и 10—15 г для легких. Стаканчик с почвой взвешивают и
сушат при 100—105 °'С в течение 3 ч, затем проводят еще
контрольную сушку 1—2 ч, доводя образец до постоянной массы.
Допустимые расхождения в массе после сушки — 0,003—0,005 г.
Полученные данные заносят в таблицу, соответствующие
вычисления производят по формуле.
Знать величину гигроскопической влажности необходимо для
вычисления абсолютно сухой массы почвы. Например,
гигроскопическая влажность W равна 5%. Следует вычислить
абсолютно сухую массу X воздушно-сухой навески почвы рв, взятой
для механического анализа. Переводной коэффициент
воздушно-сухой почвы в абсолютно сухую будет равен
Тогда Х=рв#= Ю • 0,95=9,5 г.
Максимальная гигроскопическая влажность (WM.г). По
величине максимальной гигроскопической влажности определяют
159
влажность завядания растений. Отношение величины влаги за-
вядания к максимальной гигроскопической дает «коэффициент
завядания», который колеблется в пределах 1,2—2,3. Для
растений засушливых районов этот коэффициент меньше, чем для
растений, выросших в условиях нормального или избыточного
увлажнения. Кроме того, величина коэффициента зависит от вида
растений: 1,3—1,6 для пшеницы, 1,7—2,3 для льна, около 2 для
чая и т. д. В среднем в расчетах принимают величину 1,5.
Агрометеорологическая служба рекомендует вычислять влагу
завядания с коэффициентом 1,34. Величину максимальной
гигроскопической влажности определяют адсорбционным методом, по не-
растворяющему объему или незамерзающей воде.
Адсорбционный метод определения максимальной
гигроскопической влажности впервые предложил С. Богданов (1889).
Образец почвы он помещал в замкнутое пространство над
водой, выдерживал его до постоянной массы и затем методом
сушки определял содержание воды. Позже Митчерлих
предложил насыщать почву парами воды в вакууме над 10 %-ным
раствором H2SO4. H. А. Качинский (1930) усовершенствовал этот
метод. Он предложил вместо сушильных стаканчиков
диаметром 6—7 см и навески в 30 г использовать обычные бюксы
диаметром 2—3 см и навеску почвы 10—20 г (меньшую в случае
тяжелого механического состава). А. В. Николаев (1936)
заменил серную кислоту насыщенным раствором K2SO4 и
предложил насыщать почву не в вакуумах, а в обычных эксикаторах,
что значительно упростило методику. Однако следует заметить,
что в вакууме насыщение идет быстрее. Ниже описывается
методика, общепринятая в настоящее время.
Ход анализа. Навеску в 50—100 г воздушно-сухой почвы,
предварительно отобрав живые, белые на изломе корни, слегка
растирают в ступке пестиком с резиновым наконечником и
просеивают через сито с отверстиями диаметром в 1 мм; скелетный
материал берут в навеску пропорционально его содержанию
в почве. Измельченный образец почвы рассыпают на лист
бумаги или стекло и из него обычным способом отбирают среднюю
пробу: для почв гумусных и тяжелого механического состава—
5—10 г, для легких суглинков и почв, бедных гумусом,— 10—
15 4 г и для песчаных почв и песков — около 20 г. Определяют
с двойным-тройным контролем. Сушильные стаканчики ставят
в вакуумный или обычный эксикатор, в который наливают 10 %-
ный раствор H2SO4 плотностью 1,067 (устанавливают
ареометром) из расчета 2 мл на 1 г почвы. В замкнутом пространстве
над 10 %-ным раствором H2SO4 обычно устанавливается
относительная влажность воздуха 96—98 %. Вместо серной кислоты
можно использовать насыщенный раствор K2SO4 (100 г соли
растворяют в 1 л дистиллированной воды), насыщенность
которого устанавливают по наличию кристаллов соли в растворе. Из
эксикатора с тубусом выкачивают воздух водоструйным или
масляным насосом до давления 20—21,3 кПа; эксикаторы из хо-
160
Форма записи при определении максимальной гигроскопической
влажности. Почва — чернозем обыкновенный
со
Дат
глубина
, см
о
F- В
изо
азц
0\0
{-« о
са
и
2
g
га
юкс
ХО
га
о
Mac
+ почвы
со
о
2
«3
Mac
Масса бюкса
с почвой
после
насыщения
дата
Масса бюкса
с почвой
после сушки
III
<и
*
си
я
к
оды в
«
<0
асе
£
Я
Я
о
ухой п
о
асе
3S
«- 2
к к
са
О И
имальн
ческой
СП
О) (S3
Ш ч
о rt
рошего стекла выносят и более низкое разрежение—0,7—
2,7 кПа.
При большом разрежении в целях безопасности следует
надевать защитные очки, а эксикатор накрывать полотенцем. При
насыщении важно, чтобы температура была постоянной, резкие
колебания которой могут вызвать выпадение росы. Через 4—5
дней эксикатор открывают, быстро закрывают стаканчики
крышками и взвешивают. В случае вакуума, прежде чем
открыть эксикатор, в него вводят воздух, протягивая его через
склянки Тищенко с 10%-ньш раствором H2SO4 с такой
скоростью, которая позволяет считать пузырьки воздуха. После
погашения вакуума эксикатор открывают и вынимают стаканы.
Как с H2S04, так и с K2SO4 насыщение почвы ведут до
постоянной массы или до тех пор, пока разница между предыдущей и
последующей будет не более 0,005 г. Для расчета используют
максимальную массу. При использовании H2SO4 после первого
и второго взвешивания проб меняют раствор. Смена раствора
K2SO4 не требуется. Длительность насыщения — около месяца.
После насыщения почву сушат 3 ч и повторно сушат в течение
2 ч. Если разница в массе не превышает допустимую, то сушку
считают законченной. Полученные данные записывают по форме,
приведенной ниже.
На основании величины максимальной гигроскопической
влажности вычисляют влажность завядания, принимая
переводной коэффициент 1,5 или 1,34 —по инструкции
гидрометеорологической службы. Удельную поверхность почвы S вычисляют
по формуле
МГ % 1
S м2/г = -
100
25-10-8.Ю
-4МГ %,
где МГ— максимальная гигроскопическая влажность, %.
Метод нерастворяющего объема. Прочно адсорбированная
вода имеет иные физические характеристики: повышенную
плотность, пониженную теплоемкость, не растворяет соли.
Последнее свойство было использовано А, В. Думанским при разра-
161
ботке метода рефрактометра для определения связанной,
прочно адсорбированной воды. Подготавливают почву и берут
среднюю пробу так же, как и при определении максимальной
гигроскопической влажности. Метод А. В. Думанского нашел
применение также в хлебопекарной промышленности, в
биологии, так как количество связанной воды характеризует
хлебопекарные свойства муки, морозостойкость и засухоустойчивость
растений.
Ход анализа. Навеску воздушно-сухой почвы 30 г
помещают во взвешенную плоскодонную колбу Эрленмейера
емкостью 50 мл и взвешивают. Из бюретки в колбу приливают
20—25 мл 10%-ного раствора сахарозы или глюкозы (точно
концентрацию сахарозы определяют на рефрактометре по
показателю преломления). Определив массу колбы с почвой и
прилитым раствором, по разности узнают навеску раствора
сахарозы. Закрыв колбу резиновой или корковой пробкой,
суспензию взбалтывают 2—3 мин, а затем оставляют в покое
в течение 1 ч. После этого содержимое колбы взбалтывают и
переносят на фильтр воронки, прикрытой часовым стеклом для
предохранения от испарения. Концентрацию сахарозы в
фильтрате определяют на рефрактометре Аббе или другом по
показателю преломления. Основная рабочая часть рефрактометра
состоит из двух стеклянных призм с небольшим зазором между
ними. Нижняя призма неподвижно закреплена, верхняя
поднимается. Перед определением показателя преломления проверяют
точность прибора, измеряя коэффициент преломления
дистиллированной воды, который при 20 °С равен 1,3330. Несколько
капель раствора с помощью стеклянной палочки переносят на
матовую грань нижней призмы рефрактометра и соединяют ее
с верхней призмой так, чтобы промежуток между их гранями
целиком был заполнен жидкостью. Свет от осветителя с
помощью зеркала направляют в призму. Вращением ее вокруг оси
отыскивают резкую границу между освещенной и темной частью
поля, которую устанавливают на крест нитей, и производят по
нониусу отсчет показателя преломления (п) при £=20°С. Для
поддержания постоянной температуры во время опыта через
полые металлические оправы призм все время пропускают
подогретую до 20 °С воду (контролируется термометром,
вставленным в специальное отверстие). Если в окуляре граница
расплывчата и пестро окрашена, что обусловлено дисперсией света,
то с помощью компенсатора специальным винтом снимают
дисперсию и получают четкую границу.
По показателю преломления находят концентрацию
раствора сахарозы (табл. 23).
Если опыт ведут не при 20 °С, то следует вносить поправку
к показаниям рефрактометра, используя данные таблицы 24.
Для каждого фильтрата коэффициент преломления
определяют 3 раза. Тройной контроль применяют и при установлении
концентрации исходного раствора.
162
23. Шкала показателей преломления растворов сахарозы при 20 °С
Показатель
преломления
1,3365
1,3400
1,3418
1,3423
1,3430
1,3438
1,3457
1,3460
1,3468
1,3475
1,3483
1,3491
1,3499
1,3507
1,3515
1,3522
% сахарозы
2,5
5,0
6,2
6,5
7,0
7,5
8,8
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
Показатель
преломления
1,3530
1,3538
1,3546
1,3554
1,3562
1,3571
1,3579
1,3587
1,3596
1,3604
1,3612
1,3620
1,3629
1,3637
1,3645
1,3654
% сахарозы
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
20,5
21,0
Показатель
преломления
1,3662
1,3671
1,3679
1,3687
1,3696
1,3704
1,3713
1,3721
1,3730
1,3739
1,3748
1,3757
1,3766
1,3774
1,3783
1,3792
% сахарозы
21,5
22,0
22,5
23,0
23,5
24,0
24,5
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
28,0
28,5
29,0
24 Поправки к показаниям рефрактометра при разных
температурах
Температура,
°С
С
15
16
17
18
19
К
21
22
23
24
25
0
>т найде
0,27
0,22
0,17
0,12
0,06
найден н<
0,06
0,13
0,19
0,24
0,33
5
иного ее
0,29
0,24
0,18
0,13
0,06
эму соде
0,07
0,13
0,20
0,27
0,35
Процент сахарозы в
10
)держаш
0,31
0,25
0,19
0,13
0,06
фжанше
0,07
0,14
0,21
0,28
0,36
16
ы сухю
0,33
0,26
0,20
0,14
0,07
сухих
0,07
0,14
0,22
0,29
0,37
20
с вещее
0,34
0,27
0,21
0,14
0,07
вещест
0,07
0,15
0,22
0,30
0,38
растворе
|
2Б
тв надс
0,34
0,28
0,21
0,14
0,07
в надо
0,08
0,15
0,23
0,30
0,38
30
э отнят
0,35
0,28
0,21
0,15
0,07
35
ь
0,36
0,29
0,22
0,15
0,08
прибавить
0,08
0,15
0,23
0,31
0,39
0,08
0,15
0,23
0,31
0,40
40
0,37
0,30
0,22
0,15
0,08
0,08
0,15
0,23
0,31
0,40
Связанную воду вычисляют по формуле
x%=w% pfo-g*>-100
СгРс
где X — связанная вода в % от сухой почвы; W—влажность
воздушно-сухой почвы; р — навеска раствора сахарозы в граммах; Ci-~ весовая
концентрация сахарозы в исходном растворе; сг — концентрация сахарозы после
взаимодействия с почвой; рй — абсолютно сухая навеска почвы;
30-100
^ 100+ W
163
При соприкосновении воздушно-сухой почвы с раствором
сахара часть воды из раствора адсорбируется почвой, но так как
эта вода не растворяет сахарозу, то концентрация последнего
в фильтрате увеличивается.
Установлено, что величина влажности почвы, определенная
методом рефрактометра, зависит от концентрации сахарозы:
чем она выше, тем меньше величина связанной воды.
Влажность, соответствующую максимальной гигроскопической
влажности, получают при использовании исходной концентрации
раствора сахарозы в 10 %. Рекомендуется определять связанную
воду в почве при трех концентрациях сахарозы — 5, 10, 15 %.
Метод незамерзающей воды. При замораживании воды
в почве, так же как и при горячем высушивании, упругость
водяных паров остающейся влаги уменьшается до наступления
момента равновесия, определяемого температурой и давлением.
Можно подобрать такую температуру замораживания почвы,
при которой незамерзшая влага будет иметь давление
насыщенного водяного пара, соответствующее мертвому запасу влаги
в почве. Метод определения мертвого запаса влаги в почве с
помощью замораживания в дилатометре был предложен еще
в 1917 г. Боуюкосом. При замораживании влажного образца
почвы при температуре 4 °С свободная вода замерзает, объем
ее увеличивается. Зная коэффициент расширения воды при
замерзании (/Св — ОЛ) и приращение объема образца при
замораживании почвы (AV), определяют количество свободной воды
в граммах
К* 0,1
Определив влажность образца почвы и количество свободной
замерзшей воды, по разности определяют величину прочно
связанной незамерзающей воды.
В настоящее время количество незамерзающей воды во
многих лабораториях определяют с помощью калориметра.
Калориметрический метод более точный, но и более сложный.
РЫХЛО СВЯЗАННАЯ ВОДА
В этой категории почвенной влажности обычно определяют
максимальную молекулярную влагоемкость (ММВ) и
влажность завядания растений (ВЗ).
По данным ряда авторов (Вадюнина, 1973, — для
каштановых почв, Умаров, 1974, — для сероземов) величина
максимальной молекулярной влагоемкости соответствует влажности
разрыва капилляров (ВРК). Термин введен в гидрофизику почв
А. А. Роде и М. М. Абрамовой. Однако метода прямого
определения ВРК нет. В практике более распространен термин ММВ.
Им пользуются и в гидрогеологии.
164
Максимальная молекулярная влагоемкость (АШВ). Для
определения максимальной молекулярной влагоемкости А. Ф.
Лебедевым (1936) предложены методы: высоких колонн,
центрифуги и пленочного равновесия.
Метод высоких кол о нн. Стеклянную трубку с
диаметром 2,5—3,5 см, длиной 1 м для песчаных почв и 3 м для
суглинистых наполняют почвой, просеянной через сито с отверстиями
диаметром 1 или 3 мм. Трубку при заполнении ее почвой
осторожно постукивают о край стола для лучшего уплотнения
образца. Можно приготовить свинчивающиеся металлические
трубки длиной 10—15 см, составляя из них колонну любой
длины.
Почву в трубке увлажняют сверху водой в количестве,
достаточном для сквозного промачивания. После стекания
избытка воды в верхней части колонны остается влага,
удерживаемая молекулярными силами. Трубку разбирают и послойно
определяют влажность. В верхней части, где воду удерживали
адсорбционные силы, влажность почвы наименьшая; в нижней
части с капиллярной влагой процент влажности резко
возрастает. Из всех определений зоны с наименьшей влажностью
находят среднее значение, которое и будет соответствовать
величине рыхло связанной пленочной влаги (ММВ).
Этот метод длительный, особенно при использовании его для
тяжелосуглинистых почв, и недостаточно точный.
Метод центрифугирования по Лебедеву
состоит в том, что избыточно увлажненную почву помещают в
силовое поле центрифуги, значительно превосходящее
гравитационную силу —силу земного притяжения. А. Ф. Лебедев
сконструировал специальную центрифугу, дающую ускорение,
в 70 000 раз большее ускорения силы тяжести, и установил, что
сила в 18 000—20 000 g достаточна для удаления
гравитационной воды и увеличение ее до 70 000 g уже не сопровождается
дальнейшим уменьшением влажности.
Метод пленочного равновесия широко вошел
в почвенную практику. Почву, просеянную через сито с
отверстиями в 1 мм, увлажняют до состояния пасты. На
фильтровальную бумагу или ткань, лучше без ворса (батист),
накладывают металлическую пластинку, имеющую внутри круглое
отверстие диаметром в 5 см. В это отверстие вмазывают до уровня
толщины пластинки почвенную пасту, после чего металлическую
пластинку снимают, а столбик почвенной массы сверху и снизу
прикрывают фильтровальной бумагой или тканью и помещают
между подушками, сложенными из фильтровальной бумаги
в 16—20 листов. В таком виде приготовляют несколько
почвенных проб, которые отделены одна от другой металлической
прокладкой толщиной 5 мм или деревянной — 10 мм. Прокладки
должны быть ровные, правильной квадратной или круглой
формы. Затем образцы почв прессуют под давлением 6472 кПа
(66 кг/см2 по Лебедеву) на масляном прессе.
165
Чтобы отсчитать нужное давление на манометре, необходимо
знать отношение между площадью поршня 5 и площадью
отверстия диска S{.
S =s= яг *» Si = Ш\ i
где г — радиус поршня и Г\ — радиус отверстия круга в металлической
пластинке.
При последующем расчете получаем 6472: -—■ =Л кПа по
Si
манометру.
Пробы почвы под прессом выдерживают 10 мин.
При полном удалении капиллярной влаги столбик почвы из-
под пресса легко разламывается, при неполном — сгибается, что
особенно характерно для почв глинистого механического
состава. В таком случае определение следует повторить, а время
прессования увеличить с 10 до 20—30 мин. При определении
пленочной влаги необходим двойной контроль. Контрольные
образцы следует помещать под пресс в разных партиях. После
прессования образец почвы быстро очищают от приставших
к нему волокон бумаги или ткани, высушивают, доводят до
постоянной массы и определяют процент влажности. Полученные
данные заносят в таблицу.
Экспериментальными работами (лаборатория физики почв
МГУ и др.) установлено, что с увеличением применяемого
в опыте давления молекулярная влагоемкость уменьшается. При
использовании мощных прессов с давлением до 6,9 Г/см2
остаточная влажность после сжатия под прессом была даже ниже
максимальной гигроскопической. Следовательно, определение
молекулярной влагоемкости надо проводить при давлении
6472 кПа (по Лебедеву 66 кг/см2). Давление почвенной влаги
при ММВ находится в пределе 98—980 кПа.
Влажность завядания (ВЗ). Помимо расчета влажности за-
вядания по максимальной гигроскопической влажности,
применяют метод обезвоживания и непосредственного определения ее
путем выращивания проростков в сушильных стаканчиках и
доведения их до увядания.
Завядание растений наблюдается в определенном интервале
влажности и протекает в три этапа. Начальный — завядание од-
ного-двух нижних листьев. В ночное время или в пространстве,
насыщенном парами, тургор у растений восстанавливается:
листочки становятся нормальными. При устойчивом
(перманентном) завядании тургор не восстанавливается. Последний этап—
гибель растений.
Метод обезвоживания. В. А. Францессон (1951)
предложил метод определения влажности устойчивого
завядания путем обезвоживания капиллярно увлажненного образца,
что, по мнению автора и нашему, больше соответствует
природным условиям.
166
Рис. 45 Этапы завядания растений.
/ — нормально развитое растопив; 2 —начало завядания; 3 — устойчивое завядапие;
4 — гибель растения.
Взятые в поле образцы почвы за две недели до определения
увлажняют до капиллярной влагоемкости. При высокой полевой
влажности образец сразу поступает на анализ. Навеску сырой
почвы в 3 г помещают в вакуумный эксикатор над 10%-ным
раствором H2SO4. В эксикаторе создают разрежение 2,25—
3,82 кПа и через два-три дня взвешивают образец. Затем
меняют концентрацию кислоты с 10 на 3 % и опять периодически
взвешивают почву. После установления постоянной массы
образца над 3 %-ным раствором H2SO4 почву сушат и определяют
влажность в ней. Получаемая при этом величина примерно
в 1,5 раза больше максимальной гигроскопической влажности,
определенной увлажнением воздушно-сухой почвы над 10%-
иым раствором H2SO4, и соответствует влажности завядания,
определенной вегетационным методом.
Вегетационный метод. В алюминиевые стаканы
высотой 6—7 см при диаметре 4 см насыпают крупнозернистый
песок слоем 1 см, в который вставляют стеклянную трубку длиной
8—9 см, и затем заполняют почти до верха стакана воздушно-
сухой почвой, просеянной через сито с отверстиями диаметром
1 мм. В стакан высевают 4—5 зерен проросшего ячменя; почву
увлажняют через трубку до появления капиллярной воды на
поверхности стакана. Стаканчики устанавливают в термостат, где
поддерживают температуру 20—25 °С, или в шкаф при
комнатной температуре. В каждом стаканчике оставляют по 3
одинаково развитых растения. Стаканчики держат в освещенном
помещении, но не на солнце, так как при прямых солнечных лучах
растения сильно вытягиваются и ломаются. Когда второй лист
станет крупнее первого, почву поливают последний раз и
заливают поверхность стаканчика расплавленной, но остывшей
смесью парафина и технического вазелина (по массе 4:1), На
167
стеклянную трубку надевают колпачок. В момент начала завя-
дания стаканчик переносят в камеру (эксикатор с водой на
дне), в которой воздух насыщен парами. Растения при первом
этапе завядания (рис. 45) восстанавливают тургор за ночь, при
устойчивом завядании тургор не восстанавливают. В этом
случае стаканчик открывают, сбрасывают парафиновую корку и
слой почвы в 1—1,5 см. Почву высыпают в фарфоровую чашку,
нижний слой почвы и песка выбрасывают, удаляют также
растения и семена, В том же сушильном стаканчике почву сушат
до постоянной массы и определяют влажность в процентах, что
и соответствует влажности завядания растений. Полученные
данные заносят в таблицу.
Влажность завядания вычисляют в процентах от сухой почвы
и в миллиметрах водного столба. Давление влаги при В3 =
= 1372= 1568 кПа, р^-4,2.
ОБЩАЯ ВЛАГОЕМКОСТЬ
Общая (по Н. А. Качинскому) или наименьшая (по
А. А. Роде) влагоемкость почвы или предельная полевая (по
А. П. Розову) и полевая (по С. И. Долгову)—количество влаги,
которое почва удерживает после увлажнения при свободном
оттоке гравитационной воды. Разноименность этой важной
гидрологической константы вносит много путаницы. Неудачен термин
«наименьшая влагоемкость», так как он противоречит факту
максимального содержания при этом влаги в почве. Не совсем
удачны и два других термина, но, поскольку нет более
подходящего названия, впредь мы будем использовать термин «общая
влагоемкость». Название «общая» Н. А. Качинский объясняет
тем, что влажность почвы при этой гидрологической константе
включает в себя все основные категории почвенной влаги
(кроме гравитационной). Константу, характеризующую общую
влагоемкость, широко используют в мелиоративной практике,
где ее называют полевой влагоемкостью (ПВ), что наряду с
общей влагоемкостью (ОВ) —наиболее распространенный термин.
При установлении поливной нормы М определяют запас
влаги в заданной толще почвы W в м3 и величину общей влаго-
емкости ОВ в м3. Поливная норма
М m* = OB—W.
Промывная норма засоленных почв
Мп = ОВ — W + nOB,
где п — коэффициент, зависящий от засоления почвы и других ее свойств.
По многочисленным данным, водоудерживающая сила почвы
(потенциал почвенной влаги) при ОВ (ПВ) для почв разного
гранулометрического состава колеблется в пределе от —4,9 до
168
—49 кПа, в слитых почвах падает до —98 кПа; величина pF
в пределе 2,18—2,54.
Напряжение почвенной влаги при увлажнении,
соответствующем общей влагоемкости, небольшое — менее 9,8 кПа,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ВЛАГОЕМКОСТИ
В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
В природных условиях общую влагоемкость определяют при
неглубоком залегании грунтовой воды, когда эту величину будет
определять капиллярно-подпертая вода, и при глубоком
залегании грунтовых вод, когда почва увлажняется за счет
капиллярно подвешенной влаги.
^Определяя общую влагоемкость при капиллярно
подвешенной влаге, часто используют площадки после определения
водопроницаемости методом заливаемых квадратов или специально
увлажняют почву. Для этого площадку размером 2X2 м или
1X1 м окружают двойным кольцом валиков или рамами,
сбитыми из досок.
^Внешняя рама предохраняет воду от растекания из
внутренней рамы, в профиле которой будут определять влагоемкость.
Площадку увлажняют из расчета промачиваиия почвы на
глубину 50 или 100 см.
Предварительно определяют влажность почвы в поле,
плотность скелета и твердой фазы почвы или берут средние
значения этих характеристик и вычисляют, сколько воды в почве и
сколько ее нужно добавить, чтобы промочить почву на
заданную глубину (табл. 25 а).
Влажность в процентах от полного насыщения слоя равна
скважности, деленной на плотность скелета почвы. Влажность
в мм вычисляют по формуле. Для полного насыщения слоя
почвы 0—50 см требуется 282 мм, или 2820 м3 воды.
Ввиду того что почва уже содержит 970 м3 воды, для
насыщения ее до полной влагоемкости (водовместимости) нужно
2820—970 м3=1850 м3 воды на га, а на опытную площадку
26 а. Количество воды, необходимое для полного насыщения слоя
почвы 0—50 см
Глубина, см
0—10
10—20
20—30
30-40
10—50
0-50
Плотность
скелета
почвы
твердой
фазы
почвы
1,0 2,50
1,0 2,50
1,1 2,50
1,2 2,55
1,3 2,60
—
—
Скважность,
в %
объема
60
60
56
56
50
—
Влажность
почвы
-0
мм
10 10
15 15
20 22
20 24
20 26
—
97
Влажность полного
насыщения слоя
•"
мм
60 60
60 60
51 56
47 56
45 50
—
282
169
в 1 м2 —в 10 000 раз меньше, т. е. 0,185 м3. Рассчитанное
количество воды увеличивают в 1,5 раза, чтобы обеспечить заданную
глубину промачивания, так как часть воды стечет за пределы
площадки. Вычисленная норма: 0,185-1,5=0,2775 м3, или
277,5 л.
Эту норму воды подают на площадку под постоянным
напором и разливают слоем толщиной в 5 см. После впитывания ее
в почву площадку накрывают клеенкой, а сверху соломой,
мульчей, сеном, травой для предохранения от испарения. Песчаные,
супесчаные и легкосуглинистые почвы выдерживают, чтобы дать
стечь гравитационным водам, 1 сутки, суглинистые и
глинистые — 2 суток. Рекомендации выдерживать тяжелые почвы от
3 до 7 суток и более малообоснованны. Сверх этого срока
влажность почвы может уменьшиться за счет миграции воды в
окружающую сухую почву. Между тем растениями эта вода может
быть использована (хлопчатник в сутки потребляет 20—ПО м3
воды с 1 га в зависимости от стадии развития) (С. Н. Рыжов,
1958). После названного срока прикрытие снимают и
определяют влажность в центре заливаемой площадки до глубины
промачивания; повторность трехкратная.
Пробы для определения влажности берут из разреза или
буром через каждые 10 см. Для этих целей удобен бур Качин-
ского, который меньше деформирует почву и не отжимает влагу.
Пробы следует брать с учетом генетических горизонтов. Взятые
в поле пробы доставляют в лабораторию, высушивают в
течение 8 ч с контрольной сушкой до постоянной массы.
Полученные данные вносят в таблицу. Влажность, соответствующую
общей влагоемкости, вычисляют в % от абсолютно сухой навески,
в мм и м3 в слое 0—50 и 0—100 см на площадь 1 га. При
расчетах надо иметь в виду, что 1 мм= 10 м3 воды.
В природных условиях увлажнение почвы до общей
влагоемкости наблюдается обычно после снеготаяния и поливов, после
оттока гравитационной воды.
Для определения влагоемкости почвы при капиллярном
насыщении от уровня грунтовых вод отбирают образцы на
влажность из разреза или бурением до уровня грунтовых вод с
последующим высушиванием до постоянной массы.
Содержание влаги резко возрастает, начиная с верхней
границы капиллярной каймы и до уровня грунтовых вод. В верхней
границе каймы оно обычно соответствует общей или предельной
полевой влагоемкости. Однако для ирригационных целей
необходимо определять влагоемкость почвы и при подаче воды
сверху.
Лабораторное определение О В в образцах ненарушенного
сложения. В поле в цилиндры или ящики берут образцы
объемом 200—500 см3, высотой 10 см; параллельно в сушильный
стаканчик берут пробу на влажность (W%). Цилиндры с
почвой взвешивают и вычисляют массу взятого образца А, затем
почву увлажняют сверху до полного насыщения. Поверхность
170
почвы защищают от испарения, выдерживают положенное время
для отекания гравитационной воды и вновь взвешивают
цилиндр с почвой Б. Масса влажной почвы В равна Б—С, где С—
масса пустого цилиндра. Зная влажность взятой почвы W,
вычисляют абсолютно сухую массу почв рс
Л-100
^ 100+ W
Масса воды в почве при ее влагоемкости равна В—рс — а г.
Общая влагоемкость в % сухой почвы
ОВ= а'т .
Рс
Вычисляют ОВ в весовых, объемных % и в мм.
Если воду подавать снизу, то после капиллярного насыщения
образца до постоянной массы можно таким же образом
установить капиллярную влагоемкость почвы.
Общую (предельную) влагоемкость определяют и с
помощью монолитов, монтированных по Астапову.
Определение ОВ в образцах нарушенного сложения. При
постановке вегетационных опытов необходимо знать влагоемкость
почвы, так как влажность почвы в сосудах задают в процентах
от влагоемкости и в течение опыта поддерживают ее на
определенном уровне.
Ход анализа. Из воздушно-сухой почвы удаляют
крупные корни. Почву слегка разминают, просеивают через сито с
отверстиями 3 мм и насыпают в стеклянную трубку диаметром
3—4 см, высотой 10—20 см, нижний конец которой обвязывают
хлопчатобумажной тканью или марлей с фильтром. Величины
капиллярной влагоемкости тем больше, чем ближе залегает
слой почвы к зеркалу подачи воды, и, наоборот, чем дальше
почва от уровня воды, тем влагоемкость меньше. Поэтому длину
трубки надо брать соответственно размеру сосудов, в которых
ведется опыт. Насыпают почву, уплотняя ее легким
постукиванием дна о стол так, чтобы высота столбика почвы оказалась
на 1—2 см ниже верхнего конца ее. Все последующие
операции и расчет такой же, что и в методе определения
влагоемкости почвы ненарушенного строения.
ВОДОВМЕСТИМОСТЬ (ПОЛНАЯ ВЛАГОЕМКОСТЬ)
Количество воды, соответствующее полному заполнению всех
пор почвы, называют водовместимостью WB. Такое состояние
увлажнения характерно для болот при залегании грунтовых вод
у поверхности, когда на водоупорном слое скопляются
гравитационные воды.
Непосредственно определить водовместимость W* почвы
в поле довольно трудно. В настоящее время задача эта
решается с помощью радиоактивных методов измерения.
171
Лабораторный метод трубок. Образец почвы ненарушенного
или нарушенного строения после определения ОБ общей и
капиллярной влагоемкости ставят в высокий стакан с водой так,
чтобы уровень воды был на уровне почвы в трубке в течение
всего опыта. Трубку с почвой выдерживают в воде в течение 1 ч,
после чего ее осторожно вынимают, слегка обтирают
полотенцем и взвешивают. Снова ставят трубку в воду на 20—30 мин
и вновь взвешивают. Такую процедуру повторяют до тех пор,
пока не будут получены близкие величины взвешивания. После
насыщения почвы расчет ведут так же, как и при определении
капиллярной влагоемкости.
Расчетный метод. Количество воды в объемных % при водо-
вместимости равно общей порозности почвы Р, которая
определяется непосредственно или вычисляется. Если общая пороз-
ность равна 50 % от объема почвы, то и водовместимость в
объемных процентах равна этой же величине. Водовместимость
почвы в % массы почвы будет равна
№во/0== JL,
dy
где dy — плотность скелета почвы.
При dv= 1,25
U7 = -i5- =40%,
1,25
В практике полная влагоемкость, вычисленная по
порозности почвы, часто бывает меньше величины общей скважности,
что указывает на наличие защемленного воздуха в почве.
Данные гидрологических характеристик в различных
измерениях приведены в таблице 25.
Содержание различных форм воды определяется путем
расчета: количество пленочной воды равно разности величины
максимальной молекулярной влагоемкости и максимальной
гигроскопической влажности (ММВ—МГ).
Содержание капиллярной влаги равно общей влагоемкости
минус влага завядания (ОБ—ВЗ).
Количество гравитационной воды определяют как разность
между водовместимостью и общей влагоемкостью (WB—ОБ).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕДВИЖЕНИЕ
ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
ПОТЕНЦИАЛ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
При изучении процессов почвообразования и энергетического
состояния почвенной влаги пользуются основными законами
термодинамики. В гидрофизике имеют значение следующие
термодинамические характеристики: потенциал почвенной влаги,
172
X
3
а
и
sr
о
и
X
к
я
н
о
к .
Он
я
S
о
я
о .
О О ОО OOOQ S
со^с^ю^т^^оо^со^о^о^со^-^ю^ос^ ,§
•^ю'со^аГг-Гоо'ю сог-Т —ТстГсо Й
СЛ О —< (М ~н LO ^ —* *-н *-н г-н (£) <М »i*
СОсОЮ'ФЮСОСОООООг-ilOOO
rf ю со ^Ф 05 f> оо ю со v-^r-^o^co^
of сГ г-Г of —Г ю" —? *-? *-Г —? 1-н" со of
CN С* 00 Ю СО
оо^енсо
, 00 СООЭ «чСО
^нОХОСОЮ
^" оо" of of со ooi>i^t-~t^
о о о о
N00(NOlO(N CO^O^CD^O^O^CO^OO^
^COCNOlQCNCOOCOC^OCOOO
СО ~* Ю СО ^^г-^О^С^^СО^О^СО^
-Ф* ltT ю" ю to со ю ю ю ю ю lq of
CN CN Ю
8
GOCN CN ID
ю ti* ^юоо
gSa
ео^^'^со cococococo
ooooooooooooo
r^^LCCO00^LOLOt4*J>'^-«^LO
CN CN CN COfrO "^"^"^.'^^ I
ooo
ooooooooooooo
ooooooooooooo
тГцСАСО'Ф Ю<ОЬ00О>Ю
ОО ОО О
CN^LOС-^С^СО 00 СОл"^С^О^С^О^
со" т-Г со" ю" ф оо" со" оо" о" of со" о" сгГ
cooiocoooocncxjooootnTH
CN CN 1—4 г-н r-« Г- -н ^СЧ
CNt^LO^(NcOCOCO*^CNCNt^O
сЯ*^.ос1и:1010^^с!.ос10я01сЯс10^
со"олюсо"о"о"о"с^"оо"сю~схэ"1о"^
Csj CN "Нгн *-< Г- г-н -^CN
!>• СО 00 00»-»
<M^CN_«DCft СПл
аГ со of cTf-Г ' 1>Гсо"юю~10
ооооооооооо
г-н СО^ГО "Ф *-« CN »-н O^CD СЛО-н
ю стГ оо" of об' т£ т£ т-Г аГ аГ сп ю аГ
^ЮС^О^ООГ-ОО^-^^^ФОС^
COCOOOCOCNCOCNCNCNCNCNCOO^
»-HCOt^CO-^-HCN'—10)05 050-1
Г^Гю of of Co"c^"oo"l»-"^"rf "Ф*0~1>-~
COCOCOC005COCNCNCNCNOIC003
*-" i-<CN
©^eot^a^ со^оо^
*-ч"аГсо"ооо" аГ со" i>Tt>-"tC
COCNOIOIOI »-ч г-н i-н г-н т-н
оооооооо
О^О^О^СО^О^ОО OJ LO Ю t> t^cv^r-H
'-Г ^о'о^аГьо'с^оГ of 1>"со тро"
^LQC^OOC^C^t^t^COCOCOLOCO
^^^^^СО^г-нг-ч-н-^СОГ^
OO4c0Ol00O5lOLOI>t>-C0i-H
О (^O^O^O^LO^CN ОЭ C>- CO ^ О
■чр со* t^-Г оо" t>" 1>Г сС сС со" со" со ю" со"
гНгНгНгНгЧОО^гНгН^НгНОО^
СО COCN CN О
t>- t4^ СО t> О)
С^ О COCN -^
CN 00 U3 -Ф СО
r-4CNCOCOCN ' 04 г-< г-н г-< ,
сое
О- СО
г-ч-ФЮ COCO
CN О? CN СО СО
uouot^t^t^
ooo
ooooooooooooo
i-HCNcO^lOLOCOt^OOOli-Hr-Hr-H
i i iT it i i i и ii
ooooooooooooo
>-tCNC0^ iOlON00O)lO
173
влагопроводность почвы, градиенты потенциала влаги,
осмотического давления, напряженность температурного и
электрического полей.
Свободная вода, поступившая в почву, изменяет свой
энергетический уровень под влиянием водоудерживающих сил
почвы: менисково-пленочных, осмотических и адсорбционных.
Энергия удержания (всасывания) воды почвой измеряется
потенциалом влаги.
Потенциалом почвенной влаги называют работу,
затраченную на преодоление водоудерживающих сил при извлечении из
почвы единицы массы воды. Общий потенциал почвенной влаги
jin слагается из потенциала капиллярного \хк, осмотического jutoc,
адсорбционного |хад и гравитационного |лг.
В почве в состоянии водонасыщенности величина потенциала
почвенной влаги близка к потенциалу чистой воды, и его можно
принять за 0. По мере обезвоживания потенциал почвенной
влаги падает, а отрицательное его значение возрастает,
достигая максимума при минимальном содержании воды в почве.
Обводнение почвы повышает потенциал. Значение величины его
переходит через нуль и при дальнейшем увеличении влажности
приобретает положительный знак.
Вода, поступившая в почву, снижает свою свободную
энергию в разной степени в зависимости от водоудерживающих сил
почвы: поверхностно-адсорбционных, пленочных, осмотических,
капиллярных и гравитационных. Энергия удержания воды
почвой измеряется потенциалом влаги. Последний равен работе,
затраченной на то, чтобы обратимо и изотермически из
бесконечности перенести в заданную точку единицу массы воды (из
расчета на 1 г чистой воды), находящейся под атмосферным
давлением, на условном высотном уровне.
Общий потенциал влаги почвы или ее давление — Рп = />к +
+Рад+Роем+Ргр. Здесь Рк— давление капиллярной влаги,
Рад — адсорбционной, Роем — осмотической, Ргр —
гравитационной. Величина Рк лежит в пределе от 0 до —196 кПа (Воронин
и др., 1974), при уменьшении влажности от ВЗ оно снижается
до —1470—1568 кПа, при МГ, в зависимости от толщины
адсорбированной водной пленки, от 98-102 до 98-103, кПа.
В засоленных почвах на энергетическое состояние влаги
оказывает влияние концентрация солей — осмотический
потенциал— Роем, отрицательная величина которого при
концентрации до 3 % пропорциональна содержанию солей.
Передвижение влаги в почве и в растении определяется
разностью потенциалов между двумя точками, отнесенной к
расстоянию между ними и равной градиенту потенциала.
Чтобы влага из почвы поступила в растение, потенциал
в корне должен быть ниже, чем в почве. В листьях он ниже по
сравнению с корнями примерно на 98 кПа и, наоборот, выше,
чем в воздухе. Таким образом, используя термодинамический
метод оценки энергетического состояния влаги, можно прогно-
174
зировать влагообмен в системе почва — растение — атмосфера
и в меру возможностей управлять им. По кривой P = f(W)
можно определять подвижность и доступность влаги для
растений, наметить срок полива, причем это сделать легче, чем
обычными методами определения влажности. Коэффициент
корреляции между потенциалом и содержанием влаги — г=0,85—
0,95. Это дает возможность составить для каждой почвы градуи-
ровочные кривые.
Кроме влажности и солей, потенциал (Р) почвенного
раствора зависит от гранулометрического состава и плотности
(dy). При одинаковой W в почвах тяжелого
гранулометрического состава Р ниже, чем в легких почвах вследствие высокой
удельной поверхности, что способствует резкому возрастанию
адсорбционного потенциала, особенно в илистых почвах.
Увеличение плотности скелета почвы снижает порозность ее,
увеличивает объемную влажность. Влажность в % от массы при
этом изменяется мало, если не выжимается вода из почвы,
С увеличением dv возрастает Р.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
В настоящее время предложен ряд методов для определения
потенциала влаги и других термодинамических характеристик
почв. Обстоятельно описаны они в работах A.M. Глобуса (1969),
И. И. Судницына (1979), Н. А. Муромцева (1979). В одних
приборах для измерения потенциала почвенной влаги
устанавливают гидравлическое равновесие между нею и свободной водой
датчика (тензиометра, капилляриметра) через пористую
мембрану или пластину, в других — повышают давление над
образцом почвы (мембранные и пластинные пресса). В тензиометрах
измеряют отрицательное давление <1 атм (<98 кПа); в
прессах используют более широкие интервалы его.
В практике потенциал почвенной влаги часто называют
давлением (Р) и измеряют в атм. В литературе его обозначают Ч'
или \х — для воды и измеряют в системе СИ в джоулях или
в паскалях (Па). Напомним, что 1 Дж/кг=104 Эрг/кГ
(0,1 Дж/г=106 Эрг); 1 атм=760 мм ртутного столба=1033 см
водного столба или 103 см = 1 бар, или, точнее 1 бар=0,987 атм=
= 1019 см водного столба; 1 атм=98 038 Па = 98,039 кПа (кило-
паскаль); 1 Дж-кГ-^1000 Па=1 кПа.
Суммарный потенциал или давление почвенной влаги
предложено (Скофильд, 1935) обозначать символом pF, который
представляет собой десятичный логарифм давления влаги,
измеряемый в см вод. ст. Пусть потенциал почвенной влаги,
измеряемый по ртутному манометру, равен 10 см рт. ст. или 135 см
вод. ст.; тогда pF=lg 135 = 2,13.
Выделяют при pF выше 7 конституционную и межслоевую
воду; в интервале 7—5 —гигроскопическую; 4,5—2,5 —
капиллярную и при 2,5—0 — гравитационную.
175
При определении потенциала или давления влаги единица
измерения часто диктуется градуировкой измерителя. В
качестве его обычно используются манометры, измеряющие
атмосферное давление.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КАПИЛЛЯРНО-АДСОРБЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА
ТЕНЗИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Приборы, используемые при этом методе, разделяют на тен-
зиометры и капилляриметры. В тензиометрах керамический
датчик находится в нижней части прибора в форме свечи, цилиндра
или треугольной призмы. Датчик подсоединяется к
измерителю— манометру или вакуум-манометру. Свободная вода из
тензиометра поступает в почву до тех пор, пока не наступит
равновесие между нею и почвенной влагой. Капилляриметры
работают при создании в них давления или разрежения. В поле
удобнее пользоваться тензиометрами, а в лабораторных
условиях капилляриметрами.
Тензиометры выпускаются промышленностью, но их легко
изготовить, имея керамические датчики.
Основная характеристика датчика — давление барботирова-
ния (проскок воздуха). Для проверки датчика его увлажняют,
подключают к линии сжатого воздуха и, опустив в воду,
устанавливают по манометру давление, при котором из него
проскакивают пузырьки воздуха. Давление барботирования должно
отвечать воздухопроводимости датчика и быть не менее 1 мл/мин
при перепаде давлений в 98 кПа.
В качестве измерителя давления используют ртутный
манометр или вакуумметр. При этом необходимо иметь стеклянные
капилляры диаметром 1—1,5 мм, вакуумные шланги, пробки
резиновые, корковые и другие мелкие детали.
В связи с тем, что в одной точке исследования
устанавливается несколько тензиометров, необходимо защитить ртутные
манометры от повреждения путем конструкции соответствующих
блоков (Корчунов и др., 1960) или ящиков.
Глубина погружения датчиков тензиометров зависит от
задачи исследования. Их устанавливают в центре генетических
горизонтов с учетом глубины залегания корней. Хотя
тензиометрами можно измерять давление на глубине до нескольких
метров, используются они главным образом до глубины 1 м.
Тензиометр К. Н. Шишкова (ВНИИГиМ)—широко
применяется в почвенно-мелиоративной практике.
Прибор состоит из керамического фильтра, медной трубки,
стеклянного сосуда для воды и манометра (рис. 46).
Керамический фильтр 1 имеет форму опрокинутой воронки
с дном из пористой пластинки с диаметром пор 0,9—1,3х
ХЮ~6 мкм. В качестве пластины можно использовать бактери-
176
альыый фильтр ШКЛ марки Ф-5 типа
5-а с максимальным размером пор до
1,5-10~6 мкм. Остальная часть воронки
покрыта глазурью. При вакууме 851 кПа
через пористую мембрану свободно
проходит вода; для воздуха пластина
непроницаема. Фильтр медной
трубкой 2 соединен с сосудом для воды 3,
верхнее отверстие которого закрывают
каучуковой пробкой 6, а боковой
отросток присоединяют к манометру 8. При
этом используют вакуум-устойчивые
резиновые трубки 4, 5, 7.
Через верхнее отверстие в баллон
заливают воду, которая заполняет
отросток, контактируя с ртутью
манометра. Фильтр устанавливают в
буровую скважину почвы и плотно
прижимают к дну. Вода из прибора поступает
в почву, а создающийся при этом
вакуум измеряется манометром. Перед
опытом устанавливают точку нуля на
манометре, так как в левой части его
на ртуть давит столб воды. Величина
потенциала отсчитывается по манометру
в см рт. ст. Целесообразно капилляри-
метры (тензиометры) использовать для
полевых стационарных измерений
энергетического состояния почвенной влаги.
Тензиометры дают возможность
измерить отрицательное давление
капиллярной почвенной влаги (чем оно
меньше, тем подвижнее и доступнее
влага для растений); определить
потенциал или давление (Рк) по профилю
капиллярно смоченной почвы \хк, (Рк),
величина которого пропорциональна
высоте смоченного слоя почвы h от уровня
зеркала воды и ускорению силы
тяжести g и отсчитывается непосредственно
по манометру: рк—Ag; а также
рассчитать градиент капиллярного потенциала
между двумя точками рк/Гр.
Пример расчета: по тензиометру, установленному на
глубине 100 см, капиллярный потенциал равен 100 эрг/г; а на
глубине 50 см 150 эрг/г.
Отношение разности потенциалов к расстоянию между
точками измерения 50 см дает градиент капиллярного потенциала
на единицу длины:
Теизиометр
Шишкова
(ВНИИГиМ):
/ — керамический фильтр;
2 — медная трубка; 8 —
сосуд для воды; 4, 5, 7 —
трубки; 6 — пробка; 8 —
манометр.
177
— 150 —100 = i эрг/г
^Р^ 50 см
Если показания тензиометра отградуировать на содержание
влаги в почве (К. Н. Шишков), то он может быть использован
как влагомер при капиллярном увлажнении почвы. В практике
орошаемого земледелия тензиометры можно применять для
установления срока полива. Потенциал почвенной влаги в 30—
50 см рт. ст. или 408—680 см вод. ст. ( — 40 кПа)
свидетельствует о необходимости полива почвы.
В последующих работах К. Н. Шишков усовершенствовал
тензиометр (1962, 1970), заменив ртутный манометр
мембранным вакуумметром со стрелочным показателем потенциала
влаги. Последний несколько менее точен, но позволяет
автоматизировать процесс наблюдения и передачу информации на
счетное устройство. На такой основе разработан полевой
тензиометр АМ-20-11 Институтом гидрометеорологического
приборостроения (НИИГМП) и Институтом экспериментальной
метеорологии (ИЭМ). Положительную оценку получил прибор
при использовании его в аридных районах (Окушко и др.,
1968). Промышленность выпускает прибор серийно.
Устройство тензиометра АМ-20-11. В качестве
датчика использован керамический фильтр цилиндрической формы
с размером пор ~ 1 мкм. Герметизирующий запор включает
резиновую пробку, конус, каучуковое уплотнительное кольцо,
шайбу и гайку. Выше расположен корпус, состоящий из
защитной пластмассовой трубы с цанговыми зажимами. На дне
прибора находится герметический корпус, состоящий из трубы
с внутренним диаметром —2 мм и чашки с металлической
упругой гофрированной мембраной. Труба корпуса закрыта
крышкой. Сверху в правой части имеется приспособление для
подсоединения съемного измерителя давления из измерительного
кожуха с поворачивающимся язычком, шарикового фиксатора и
съемный измеритель манометр или вакуумметр. Вакуумметр
имеет подвижный мост со втулкой и шариковыми фиксаторами.
Мост упирается в головку регулировочного винта, передающего
перемещение измерителя. Имеется подвижный щуп и
наконечник с кольцевой канавкой и фиксирующим винтом. Щуп
индикатора вставляется во втулку, упирается в головку
регулировочного винта, передающего перемещение гофрированной
мембраны. Перед работой полости керамического датчика и корпуса
тензиометра заполняют водой и закрывают крышкой. При
измерении прогиб мембраны .вакуумметра фиксируется стрелкой
измерителя. Тензиометр измеряет влажность почвы в пределе
давления от 0 до минус 90,9 кПа. Цена деления шкалы
2,525 кПа, точность измерения ±0,25. В комплект прибора
входят 3 тензиометра для глубин 10—20, 40—50 и 90—100 см.
Предел рабочих температур 2—50°С. Перед работой следует
ознакомиться с инструкцией к прибору.
178
Индикатор прибора
снабжен контршаблоном
для установки и контроля
нулевого положения
стрелки. Заправляют тензиометр
кипяченой теплой водой
(30—40 °С) с помощью
груши в вертикальном
подвешенном положении, после
чего крышку закрывают.
Устанавливают индикатор.
Работоспособность
тензиометр а проверяют в
испарительном режиме.
Исправный прибор при
первоначально сухом датчике
в процессе испарения через
15—45 мин показывает
разрежение в пределе от 0 до
85,9 кПа.
Положение стрелки на
шкале «влажно»
соответствует примерно
капиллярному давлению от 0 до -
—90,9 кПа.
Для установки датчиков
нужной глубины и в лицевую стенку его вставляют теизио-
метры. Затем разрез засыпают, стараясь уплотнить почву до
первоначального состояния. Применяют и бурение. Диаметр
бура примерно на 2 мм должен превышать диаметр датчика.
В дно скважины вставляют тензиометр. Лучше использовать
тензиометры, у которых пористая керамическая часть фильтра
находится на дне датчика.
Если в инструкции, приложенной к прибору, нет градуиро-
вочной кривой, то перед работой прибор тарируют с помощью
капилляриметрической установки И. И. Судницына.
Можно тарировку проводить и в полевых условиях,
установив тензиометры после насыщения почвы в 3—5 точках. По
мере подсушивания почвы измеряют Р и W. Однако такая
градуировка занимает много времени.
У всех культур для каждой стадии развития существует
оптимальная степень увлажнения или давления влаги. Так, у
зерновых (мезофитов) от посева до кущения оптимальное
давление почвенной влаги лежит в пределе —15—20 кПа,
стеблевание — кущение —20—25 кПа, налив зерна — молочная
спелость —25—30, созревание зерна —30—40 кПа (Муромцев,
1981). Когда давление влаги в отдельные стадии развития
падает ниже названных пределов (отрицательное значение Р
увеличивается) необходим полив, иначе снизится урожай.
179
Рис. 47. Тснзиометрическая установка:
/ — держатель; 2 — ртутный манометр; 3 —
тройник; 4 — шланг; 5 — трубопровод; 6—
резиновый проходиик; 7 —керамический
датчик.
-10,1 кПа, «сухо» от —80,8 до
открывают почвенный разрез до
на-алаалу Тензиометрическая установка
Московского гидромелиоративного института
используется для измерения потенциала в
полевых условиях (рис. 47).
Тензиометр состоит из керамического
датчика (7), который через резиновый про-
ходник (6) соединяется с трубопроводом
(5) металлической штангой диаметром
12 мм, длиной 20—350 см (в зависимости от
глубины измерения). Штанга покрывается
противоэрозионным составом (смолой и
др.). Датчик вакуумным шлангом (4)
соединяется через тройник (3) с ртутным
манометром (2). Тройник прикреплен к
манометру с помощью жестяного хомутика и
резиновой трубки. Свободный конец тройника
выполняет функции воздухосборника, он
закрывается резиновой пробкой.
Установка состоит из комплекта датчиков и манометров,
снабжена контейнером для транспортировки. По измеренному
давлению, имея градуировочную шкалу Pf(W) при Р от 0 и
<101 кПа, прибором можно определить влажность почвы,
потребность культур в орошении и срок полива. Описанный
тензиометр легко изготовить в любой лаборатории.
Рис. 48.
Принципиальная схема
мембранного пресса для
определения
потенциала влажности:
; —мембрана; 2 — сетка;
3 — камера с
атмосферным давлением; 4 —
камера высокого давления;
5 — м анометр; 6 —
редуктор; 7 — кольцо.
МЕТОД МЕМБРАННОГО ПРЕССА
Принцип и конструкция мембранного пресса разработаны
Дж. Ричардсом (1938, 1947). В настоящее время существует
много вариантов этого метода. В основу приводимого положен
способ выравнивания потенциалов ненасыщенной почвы и
свободной воды путем повышения внешнего давления над почвой.
При этом на приборе измеряется разность давления АР,
необходимая для выравнивания ^хп и [хв.
Схема мембранного пресса приведена на рис. 48 (А. М.
Глобус и др., 1971). Прибор состоит из пористой мембраны 1,
пропускающей воду с растворенными солями, но непроницаемой
для частиц почвы и воздуха. Однако воздухопроницаемость
наблюдается до тех пор, пока разница давлений в газовой фазе по
обе стороны мембраны не превысит критической величины (АР)
для пор данной мембраны:
др 2gcos 6
где г—радиус наибольшей поры в мембране; а — поверхностное натяжение
почвенного раствора; 0 — угол смачивания.
В керамических мембранах АР не больше 2—3 атм, в пле-
ночно-целлофановых или ацетатцеллюлозных достигает
десятков атмосфер.
180
В приборе опорная медная сетка (2) отделяет мембрану от
нижней камеры (3) с атмосферным давлением. Над мембраной
находится камера высокого давления (4) с манометром (о),
которая соединяется через редуктор (6) с баллоном сжатого азота
(источник давления). Все названные составляющие прибора
вмонтированы в общий сосуд из стали.
Ход анализа. Почву помещают в плексигласовое кольцо
(7) на мембрану пресса. Предварительно навеску почвы
капиллярно увлажняют. Для равномерного увлажнения легкие или
структурные малогумусные почвы выдерживают в течение двух
суток, средние суглинистые — четырех, глины сильно гумусиро-
ванные — около семи. Почву можно брать просеянную через
сито с отверстиями диаметром 1 мм и естественного сложения
(образец берут в поле или из монолита кольцом). Для
ускорения определения [лп следует брать образцы большого диаметра
при малой толщине.
Навеска абсолютно сухой почвы, равно как и величина
исходной капиллярной влажности, должна быть известна. В
зависимости от площади мембраны и почвенного кольца берут один
или несколько образцов почвы, которые устанавливают на
мембранном прессе. Перед определением должна быть проверена
герметичность установки.
Давление в нижней камере постоянно и равно 101 кПа. Его
при измерении принимают за нулевое. Конец вывода трубки
(внизу) опускают в измерительную бюретку.
Начинают с минимального давления 5,05 кПа, при этом [хп==
= 5 Дж/кг. Поддерживают заданное давление до прекращения
выделения воды. Замеряют в бюретке объем выделившейся
воды V, затем с помощью сжатого азота создают разное
давление (50,5; 101; 303; 505; 1010; 1515 кПа и т. д.) и измеряют
каждый раз объем выделившейся воды (Vz, V^ V4,..., Vn) и
остаточную влажность почвы (W2, №3, №4,..., Wn). Последнюю
определяют по объему выделившейся воды или методом сушки
(каждый раз как меняется давление).
Данные измерений вносят в таблицу и строят график
зависимости потенциала от влажности.
Мембранный пресс позволяет измерять влажность при
давлениях почвенной влаги в пределе 101—3030 кПа.
Модификация мембранного пресса. Предложенный
мембранный тензиометр (Мичурин, 1975) измеряет
капиллярно-адсорбционное давление в пределе 100—1500 кПа. Основные его
части— пресс, баллон с сжатым воздухом, газовый редуктор
ДКП-1-65, баллон-ресивера для сглаживания колебания
давлений в камере высокого давления, перепускной край,
регулирующий давление в обоих направлениях (рис. 49).
Пресс состоит из двух плит из нержавеющей стали,
скрепленных болтами и прижатых друг к другу червячным
домкратом. Плита сверху (5) имеет цилиндрическую полость и явля-
181
ется частью камеры высокого
давления, которая соединена
с мембранным манометром.
Нижняя плита (15) с
латунной сеткой (1) и пористой
мембраной, трубкой (16)
соединена с устройством для
удаления газа (17) (шприц емко-
костью 20 см3 и сменная мнк-
робюретка). Верхняя часть
бюретки соединена с
компенсационным сосудом (9). В
специальные совмещающие
канавки на плитах укладывают
две резиновые уплотнитель-
ные прокладки. Из них одна
(3) служит для герметизации
камеры высокого давления,
другая (2) предотвращает
вытекание жидкости из подмем-
бранного пространства. В
качестве мембраны
используется смоченная целлофановая
пленка.
Перед работой в полость
плиты укладывают две
латунные опорные сетки. В верхней
сетке размер ячеек 0,25 мм,
что предохраняет от разрыва мембрану, в нижней сетке размер
ячеек 0,5 мм, чем обеспечивается свободное движение жидкости
в подмембранном пространстве. Образцы почвы в
металлическом кольце (4) устанавливают в центральной части мембраны.
Затем укладывают уплотнительную прокладку (2),
накладывают верхнюю плиту с прокладкой (3), прижимают плиты друг
к другу червячным домкратом. В камеру с помощью редуктора
и баллона-ресивера дают невысокое давление, не
повреждающее мембрану при прокачке жидкости.
Заливая в компенсационный сосуд жидкость при
многократном возвратном движении поршня, заполняют шприц и подмем-
бранное пространство водой. В течение 2—3 суток образцы
почвы при атмосферном давлении насыщают водой до
капиллярного увлажнения через мембрану. Конец насыщения
устанавливается по точке в микробюретке, принятой за нуль.
При избыточном давлении в верхней камере вытекающая
вода из почвы вытесняет воду из подмембранного пространства
в измерительную бюретку. Прекращение выделения жидкости
свидетельствует об установлении в системе равновесия.
Погрешности, связанные с испарением воды из микробюретки в
компенсационном сосуде, уменьшают путем установки заполненного
Рис. 49. Схема модифицированного
мембранного пресса:
i — латунная сетка; 2 и 5 —прокладки;
4 — металлическое кольцо; € —
измеритель; 7 — капилляр; 8 — резиновая
трубка; 9 — компенсационный сосуд; 10 —
бюретка; И — кран; 12 — трубка; 13 —
бюретка; 14 — трубка; 5, 15 — плиты; 16 —
трубка; 17 — устройство для удаления
газа.
182
водой сатуратора, атмосферное давление в котором
поддерживается с помощью капилляра (7) в резиновой трубке (5).
Пузырьки воздуха из-под мембраны удаляют перемещением
поршня и вытеснением жидкости. При обратном движении поршня
жидкость в бюретке устанавливается на прежнем уровне. Кран
(11) пропускает отжатую воду из почвы через трубку (14) в
измерительную бюретку. При другом его положении вода
выливается из бюретки (13). Исследования проводят в изотермических
условиях. При разных давлениях (от 50,5 до 1515 кПа)
измеряют каждый раз объем выделившейся воды, а оставшуюся
в почве вычисляют или определяют методом сушки. По данным
строят график зависимости давления от влажности.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПУТЕМ РАЗРЕЖЕНИЯ
Измерения проводятся с помощью отсасывания воды из
увлажненной почвы. Почву помещают в воронку Нуча с
тонкопористым дном. Воронку сквозь пробку вставляют в колбу Бун-
зеиа с присоединенными к ней насосом и манометром. В колбе
создают разное разрежение воздуха (от 6,7—13,3 до 80 кПа),
выдерживают систему 3—4 ч, после чего определяют
остаточную влажность в образце почвы путем высушивания его и
доведения до постоянной массы. Сила, с которой удерживается
остаточная влажность, равна примененному разрежению (кПа) в
системе.
Пример вычисления. Давление по манометру равно
50,5 кПа, что соответствует величине водяного столба 0,5* 103 =
= 500 см; pjp = lg 500=2,699; влажность образца почвы при этом
разрежении равна соответственно 20%. Определив влажность
при различных разрежениях, вычисляют значение p=f(W).
Описанный метод допускает использование образцов,
измельченных и просеянных через сито, а также ненарушенного
строения, отобранных цилиндром, размеры которого
соответствуют воронке Нуча. Щель между стенкой воронки и образцом
заполняют вакуумной замазкой.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОГО ПОТЕНЦИАЛА
ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ
КРИОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД
По разности между полным и капиллярно-адсорбционным
потенциалом можно определить осмотический потенциал,
обусловленный содержанием солей в почвенном растворе (важно
для засоленных почв).
Основой этого метода является термодинамическая
зависимость между величиной Р и понижением температуры
замерзания ДТ. Понижение температуры замерзания почвенной влаги
183
•обусловлено капиллярной Рк и
осмотической Рос составляющей потенциалов
почвенной влаги:
р=-±-АТ,
То
где L — мольная скрытая теплота замерзания воды,
равная 6013 Дж/моль или 59,3 л-атм/моль; Г0 —
абсолютная температура замерзания чистой воды
—273°.
Понижение температуры замерзания
почвенной влаги AT по сравнению с водой:
дГ=Гз-Г0,
где Г3 — температура замерзания почвенной влаги.
Величину ДГ по термометру Бекмана
определяют в криоскопе (рис. 50). В сосуд
Дюара 1 помещают охлаждающую смесь
2 — снег или лед в воде с добавлением
NaCl или других солей (табл. 26).
Температура смеси должна быть минус 6—8 °С.
Удобная охладительная смесь — сухой лед,
который мелкими кусочками опускают
в жидкость, не замерзающую при
отрицательных температурах (спирт, денатурат,
ацетон). Меняя соотношение между
жидкостью и льдом, можно значительно снизить
температуру смеси. Рабочий интервал
температуры от —8 до —15 °С.
Сосуд Дюара закрывают пластмассовой
крышкой 3, в отверстие ее вставляют стек-
цилиндр 4 длиной 20 см и диаметром 5 см
охлаждения почвы, термометр 5 и мешалку
6. Через корковую пробку 7 в цилиндр 4 помещают пробирку
или цилиндр для почвы 8. Температура замерзающей в почве
воды измеряется по шкале термометра Бекмана 9 с точностью
до 0,01 °С. Визуально отсчет можно проводить до тысячных
долей градуса.
При измерении температуры почвы резервуар с ртутью
должен как можно лучше контактировать с почвой и глубже
входить в^нее, для чего в гнездо, сделанное в почве для шарика
термометра, наливают 1 см3 ртути. Перед определением
термометр устанавливают так, чтобы исходный нулевой отсчет стоял
на шкале в интервале 4,5—3,5 деления, что достигается
перегонкой ртути из верхнего в нижний резервуар, или наоборот.
Образец почвы измельчают в ступке и просеивают на сите с
отверстиями диаметром 1 мм. Заготавливают серию проб с
различной влажностью. Навеска в 30 г при диаметре почвенного
сосуда 2,5 см достаточна, чтобы закрыть ртутный резервуар
термометра. Увлажняется она до максимальной гигроскопической
за счет адсорбции паров воды из замкнутого пространства, на-
Рис. 50. Криоскоп:
/ — сосуд Дюара; 2 —
охлаждающая смесь;
3 — крышка; 4 —
цилиндр; 5 — термометр;
б— мешалка; 7
—пробка; 5 — цилиндр для
почвы; 9 — термометр
Бекмана.
лянныи защитный
для равномерного
184
26. Состав и температура различных охладительных смесей
Количество соли (г)
иа 100 г льда или снега
t °С
Ю K2S04
13 KN03
30 КС1
25 NH4C1
200 CaCl,
—1,9
—2,9
—10,6
—21,2
12 —35,0
сыщешюго парами. Высокие степени увлажнения получают
путем прибавления к сухой или воздушно-сухой почве расчетного
количества воды. Почву с водой тщательно перемешивают и
оставляют в эксикаторе на несколько дней для равномерного
распределения воды в почве.
Образцы почвы естественного сложения берут
металлическим цилиндром. Почву увлажняют до полной или капиллярной
влагоемкости и при подсушивании определяют \Xn = f(W),
причем влажность почвы рассчитывают по изменению массы
образца в процессе высушивания или определяют ее термостатным
методом.
Ход анализа. Первоначально определяют температуру
замерзания воды (То) путем замораживания бидистиллята воды
с двойным контролем. Техника определения та же, что и при
измерении температуры замерзания почвы. Для ускорения
определения пробирку с почвой можно вначале поместить на 1—
2 мин в охладительную смесь с температурой около 0 °С. Затем
пробирку с почвой помещают в защитный цилиндр 4, вставляют
в почву термометр Бекмана и в течение опыта охладительную
смесь перемешивают вручную или электромотором. В начале
опыта ртутный мениск окажется на верхнем делении шкалы
термометра. Постепенно система будет охлаждаться и температура
почвы соответственно понизится (табл. 27). Скорость снижения
температуры на уровне 0,1—0,3 °С/мин. Точность измерения
±0,02 °С, что соответствует точности отсчета давления 24,5кПа.
Вода в почве кристаллизуется, выделяющаяся при этом скрытая
27. Наблюдения за охлаждением почвы
Время отсчета
0 мни 30 с
1 мин
2 мин
3 мин
3 мин 30 с
4 мин
4 мин 30 с
5 мин
5 мин 30 с
6 мин
Показания
термометра Бекмана
4,80
4,60
4,21
3,83
3,64
3,50
3,39
3,29
3,20
3,12
Время отсчета
7 мин
7 мин 30 с
8 мин
8 мин 30 с
9 мин
9 мин 30 с
10 мин
10 мин 30 с
11 мин
11 мин 30 с
Показания
термометра Бекмана
3,00
2,97
2,94
2,90
2,83
2,73
2,60
2,45
2,25
2,30
185
2 к 6 8 10 12 мин
2 4 6 8 10 12 мин
Рис. 51. Кривые для определения AT.
теплота замерзания компенсирует понижение температуры
системы. Когда вся вода превратится в лед, температура системы
начнет понижаться. За точку замерзания (Т0) принимают
момент остановки мениска термометра.
Иногда замерзание воды в почве идет с переохлаждением —
ниже температуры перехода воды в лед. При помешивании
(путем вращения термометра) моментально наступает
кристаллизация с выделением скрытого тепла, что на термометре Бек-
мана отмечается скачком температуры, и затем идет
дальнейшее охлаждение и понижение температуры. За точку
замерзания при этом принимают максимальное показание термометра.
По данным наблюдений строят график падения температуры
почвы во времени.
На рисунке 51 приведены возможные виды таких графиков.
Кривая А получена при замораживании бидистиллированной
воды. Точка замерзания воды (Го) соответствует 3,75 °С шкалы
термометра Бекмана. Кривые В и С получены при
замораживании образцов почвы, причем кривая В соответствует большей
влажности почвы, чем кривая С.
Характерно, что угол наклона кривой относительно
горизонтальной линии тем больше, чем суше почва. Сглаженность
излома кривой в начале замерзания воды вызвана
неоднородностью увлажнения почвы: в почве имеются участки, в которых
влажность несколько выше, чем в основной массе почвы, и в них
вода начинает замерзать раньше. В этом случае за точку
замерзания принимают пересечение касательных (кривая В). На
кривых В л С точка замерзания почвы соответствует
показаниям термометра 3,25 и 2,25 °С. В первом случае (кривая В)
ДГ=3,25—3,75=— 0,5 °С. Во втором случае (кривая С) ДГ=
=2,25—3,75=—1,5 °С.
Вычисление потенциала влажности (х по
значениям ДТ. Ход вычисления суммарного потенциала зависит
186
от того, в каких единицах требуется получить эту величину:
Дж/г, Дж/моль, атм. Рассмотрим пример расчета для каждой
единицы измерения в случае кривой В при значении ДГ =—055:
i^-.ДГ^-^ 0,5= —11 ДЖ/МОЛЬ;
Г0 273
-^-ДТ = -^ 5 = 0,61 Дж/г;
Т0М 273-18 '
J^AT^—59^30 0,5 = 6,0 атм
T0V 273-0,0180
(V — объем 1 моля воды в 1 л при 0 °С).
Вариант криоскопического метода с электрическим
измерением температуры. Ртутный резервуар термометра Бекмана
массивен и обладает большой теплоемкостью. Поэтому он
реагирует на замерзание воды только тогда, когда воды в почве
содержится значительное количество. С целью расширения
возможностей измерения величины jut для измерения температуры
используют термопару, рабочий спай которой выполнен в виде
тонкой пластинки, менее теплоемкой и с большой площадью
контакта с почвой. Удобно использовать термопару медь — кон-
стантан.
На рисунке 52 приведена схема установки, разработанная
в лаборатории физики почв МГУ (А. Д. Воронин и В. Д. Ска-
лабан). Блок А аналогичен установке для измерения ДТ с
термометром Бекмана с той лишь разницей, что в почву вместо
термометра помещают рабочий спай термопары 9. Другой,
холодный, спай термопары помещен в сосуд Дюара (блок Б) со
смесью бидистиллированиой воды со льдом, имеющей
постоянную температуру 0 °С. Для контроля нуля рядом с холодным
спаем расположен термометр Бекмана 12. Охлаждающая смесь
в блоке А и смесь с температурой 0 °С в блоке Б во время
работы перемешиваются мешалками, работающими от
электромотора. Разность температур между спаями создает
термоэлектродвижущую силу, которая измеряется зеркальным
гальванометром (блок В). Для регулирования чувствительности
гальванометра в электрическую сеть включен реостат 11. Шкала
измерителя 10 дана в см и мм. Нуль шкалы соответствует
температуре замерзания чистой воды, т. е. 0 °С, или —273° по
абсолютной шкале (обозначения 1—8 см. на рис. 50).
Для градуировки шкалы гальванометра используют раствор
глюкозы, КС1, K2SO4 и другие с известным AT и осмотическим
давлением (хос. Определяют AT и jaoc раствора криоскопическим
методом с термометром Бекмана или значения их берут из
таблиц справочника, если известна концентрация вещества в
растворе. Запись показаний гальванометра по шкале при охлаж-
jx Дж/моль =
И Дж/г] =
Р [атм] =
187
Гапьбсмометр
Рис. 52. Вариант криоскопического метода с электрическим измерением
температуры:
А — блок для измерения замерзания почв; Б — блок холодного спая термопары; В —
измеритель: позиции 1—8 даны на рис. 50, 9 — термопара; 10 — шкала измерения; // —
реостат; 12 — термометр Бекмана.
дении системы и определение ЛТ на основании этих записей
такие же, как и в варианте с термометром Бекмана. Если,
например, для раствора AT=—2 °C показание по шкале равно
40 см, а осмотическое давление составляет 24 атм, или 2424 кПа,
то одно деление шкалы температуры замерзания будет состав-
о
лять Г= = —0,05 град/см. Кроме того, каждое деление
40
24
шкалы может быть выражено в атмосферах: —— =0,6 атм.
По данным ряда работ криоскопический метод показывает
более точные результаты в диапазоне давления влаги от —101
до —2020 кПа, соответствующие пределу доступной влаги для
растений. Общий недостаток криоскопических методов —
уменьшение поверхностного напряжения воды при понижении
температуры и растворимости ряда соединений почвы, что приводит
к повышению потенциала влаги (Gardner, 1955; Судницын,
1979).
188
ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Величина потенциала переноса влаги в почве и растениях
связана функциональной зависимостью с относительной
упругостью пара:
где fx —потенциал (давление) влаги; /?-
р
ратура; V—молярный объем воды;
•константа; Т — абсолютная темпе-
■ относительная упругость пара, на-
ходящегося в равновесии с влагой, содержащейся в почве или растениях.
При исследовании водного режима почв и растений наиболее
интересен интервал потенциала влаги от 0 до —50 атм,
соответствующий интервалу относительной упругости пара 1—0,96.
Изменение потенциала влаги на 1 атм соответствует изменению
относительной упругости пара на 0,0007 (т. е. 0,07 %).
Величину —• было предложено (Ричарде, 1958) измерять
с помощью психрометрического устройства. И. И. Судницыи и
В. Д. Скалабан (1971)
сконструировали простой и доступный
психрометр, позволяющий
измерять общий потенциал влаги
в лабораторных и полевых
условиях (рис. 53). Прибор состоит
из термостатирующего устрой-
1 .
гз,2'/о'
1W
97P/PQ%
ЦЩНоо
мод
Z636fl 59JW к Ы
Рис. 53. Схема устройства
психрометра:
/ и 2 — воздушный и водяной
термостаты; 3 — стакан; 4 — цилиндр; 5 —
камера; 6 и 7— трубки; 8 —
термопара; 9 — гальванометр; 10 — цилиндр;
11 — капсула; 12 — пленка; 13 —
образец почвы.
Рис. 54. График зависимости
величины термопарного тока от
равновесного давления пара над
раствором сахара:
/ — термопарный ток в амперах, N —
число делений гальванометра; Р/Ро—
равновесное относительное давление в
процентах; 1—Р/Ро — дефицит насыщения
в процентах.
189
ства, в котором используются воздушный 1 и водяной (ТС-24)
термостаты 2. В термостатирующее устройство помещают
внутренний стакан 3 высотой 40 см и диаметром 12 см,
заполненный водой. В крышке стакана закреплен металлический
цилиндр 4, в котором размещается рабочая камера 5 с
навинчивающейся крышкой. К крышке прикреплена металлическая
трубка 6, в которой проходит стеклянная трубка 7. Медио-кон-
стантановая термопара 5 выведена на гальванометр 9 с
чувствительностью порядка 10~7 В. К дну рабочей камеры
прикреплен изготовленный из тонкой сетки цилиндр 10 с капсулой
11, заполненной водой и заклеенной пленкой 12, а в рабочую
камеру —образец почвы 13.
Перед началом измерений калибруют психрометр, т. е.
устанавливают зависимость между показаниями гальванометра и
относительной упругостью пара. Для этого используют
стандартные растворы с известным осмотическим давлением,
например растворы сахарозы с концентрацией 0,5, 1 и 2 М, давление
влаги в которых равно 1414, 3232 и 6060 кПа соответственно.
Ими обильно смачивают жгуты из ваты или фильтровальной
бумаги, которые затем укладывают в рабочую камеру.
Калибровку психрометра необходимо периодически (один
раз в 10 дней) повторять, каждый раз предварительно
промывая спаи спиртом или ацетоном. Пример калибровочного
графика приведен на рис. 54.
Ход анализа. При измерениях исследуемый образец
помещают в рабочую камеру, капсулу заполняют
дистиллированной водой, заклеивают пленкой и помещают внутрь сетчатого
цилиндра. Затем камеру завинчивают крышкой, помещают в
термостат и выдерживают в нем 2—4 ч до достижения равновесия,
после чего стеклянную трубку опускают, нижний спай
прокалывает пленку, закрывающую капсулу, и смачивается. Затем
трубку поднимают вверх до первоначального положения. Вода
начинает испаряться с мокрого спая, он охлаждается, между
спаями возникает разность температур и, следовательно,
термоэлектродвижущая сила, измеряемая при помощи гальванометра.
Чем меньше относительная упругость пара, тем быстрее
происходит испарение и тем больше сила тока. Сняв отсчет с
гальванометра, по градуировочной кривой находят значения |хп.
С помощью психрометра можно определять давление влаги
в полевой обстановке. Для обеспечения термостатических
условий психрометрические устройства помещают на дне глубокого,
хорошо укрытого блиндажа, где суточные перепады
температуры не превышают 1—2 °С.
Для измерения полного потенциала почвенной влаги (Рп)
при различных влажностях образец почвы увлажняют
несколько выше полевой влагоемкости и затем подсушивают в
эксикаторе с относительной влажностью 100—90%. Образец
высыхает примерно три недели.
Метод измеряет Рп от 202 до 5050 кПа.
190
ГИГРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД
Метод определения |лп в этом случае основан на том, что
в закрытом объеме в изотермических условиях химический
потенциал всех компонентов системы одинаков. Химический
потенциал водяного пара является функцией относительного дав-
Р
ления —-,
где Р — давление пара над раствором, при котором происходит сорбция
паров почвой; Pq — давление над плоской поверхностью химически чистой
воды.
Потенциал почвенной влаги вычисляют по формуле
Если его выразить в см вод. ст., как это принято в большинстве
работ по физике почв, то в десятичной системе логарифмов при
20 °С после подстановки числовых значений: М= 18,02 г/моль,
g"=981 эрГ'Г"1 см-1 и i?=8,315-107 эрг моль""1 град, формула
•примет вид
[xn = 3,18-104g--f-.
"о
Однако для практических расчетов в этой формуле удобнее
использовать относительное давление водяного пара, выраженное
через относительную влажность (Н) воздуха:
Fin = 3,18.104g-1^-J или ^n-3,18.10e(2-lg#).
Или, по Скофильду, lg\i=pF при измерении jutn в см, тогда pF=
= lg 3 180 000+lg (2—lg#), или /?F-6,502+lg(2—lgtf).
Для получения образцов различной степени увлажнения
используют насыщенные растворы солей, над которыми в
замкнутом пространстве устанавливается соответствующая
относительная влажность воздуха (табл. 28).
Ход анализа. Перед опытом почву просеивают через сито
с отверстиями диаметром 1 мм и высушивают при температуре
28. Относительная влажность воздуха (Я %) над насыщенными
растворами солей при 20 °С
Насыщенные растворы солей
0
СО
О
00
о"
и
М
Z
КС1
NaCl
сэ
О
Z
К
2
О
Z
"се*
о
о
и
О
и
о
я
СО
О
л
О
Относительная
влажность
воздуха, % 79,5 98 92 86 75 65 55 45 35
Плотность 1,205
191
100—105 qC, доводя до постоянной массы. Навеску абсолютно
сухой почвы в 5—10 г й бюксах помещают в эксикатор с
насыщенным раствором соли на дне и выдерживают в нем до
постоянной массы. После этого определяют влажность путем
высушивания почвы, a pF вычисляют по формуле, приведенной выше.
Если берут ветвь десорбции, то увлажненную почву
помещают в эксикатор и выдерживают ее там до равновесного
состояния при данной величине Я; влажность почвы также
определяется высушиванием.
Пример расчета. В эксикаторе над H2SO4
поддерживается заданная относительная влажность воздуха 79,5%.
Потенциал почвенной влаги в образце почвы при равновесии
следующий: |1п = 3,18-106 (2— 1,8979), так как lg== 79,5= 1,8979.
Следовательно, jan = 3,18-106-0,1021 = 324 678 см вод. ст. (318,4 кПа)
или pF=\g 324 678 = 5,51148.
Можно рассчитать сразу в единицах pF\
pi7 = 6,502 + lg (2—1,8979) = 6,502 + lg (0,10211) =
= 6,502+1,00903 = 5,511.
Метод используют для определения зависимости влажности
почвы от потенциала адсорбированной влаги и pF при
влажности почвы, меньше максимальной гигроскопической.
ВЛАГОПРОВОДНОСТЬ
Почва обладает объемной и поверхностной проводимостью:
объемная влагопроводность связана с транзитной системой
капиллярных пор, поверхностная—обусловлена толщиной водных
пленок h. Объемная проводимость выше поверхностной
вследствие того, что вода, находящаяся в сфере действия
поверхностных сил почвенных частиц, обладает некоторыми другими
свойствами — имеет большую вязкость, потенциал в пленке ниже
потенциала воды в капилляре и др.
Поток воды Q, по аналогии с потоком тепла или
электрического тока, подчиняется закону
u-Urr
где ; градиент потенциала почвенной влаги; К* — коэффициент
влаги
гопроводности, равный количеству воды, переносимому в единицу времени
через единицу площади при градиенте потенциала, равном единице.
Для определения Кв в стационарных и изотермических
условиях можно использовать установку, в которой почва
капиллярно увлажняется через пористый цилиндр из резервуара для
воды и затем почвенный цилиндр подсоединяется к бюретке
с водой. Влага почвы испаряется. Расход на испарение Q
учитывают по отсчету в бюретке. По достижении стационарного
192
состояния, когда расход в определенный интервал времени t
станет постоянным (за 3—4 последние отсчета), опыт
заканчивают. В нижней и верхней частях почвенной колонки одним из
вышеописанных методов, например тензиометрическим,
измеряют потенциал \хя и \лъ и определяют градиент потенциала:
^п __ Цп -~ Н*в ш
~~1Г~ I
Затем вычисляют коэффициент влагопроводности по Дарси
dl
Для ускорения процесса переноса влаги применяют фен.
ЗОНДОВЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КОЭФФИЦИЕНТА ВЛАГОПРОВОДНОСТИ
Теория метода разработана Н. И. Гамаюновым (1959),
С. С. Корчуиовым (1960) и В. Р. Гарднером (1960). При
измерении коэффициента влагопроводности Къ в почву вводят
керамический цилиндр (тензиометр), высота которого должна в 20—
30 раз превышать его радиус, а радиусы цилиндра и почвенного
образца находиться в соотношении 1 :10.
Тензиометр приводят в равновесие со средой, после чего
в нем изменяют давление на величину АР с помощью
вакуумного насоса и промежуточной балластной емкости. Между
манометром и тензиометром помещают бюретку, с помощью которой
измеряют вытекающую из почвы или втекающую в нее воду.
Расчет Кв производят по формуле Гарднера:
где АР — измерение давления в тензиометре по сравнению с равновесным;
В — тангенс угла наклона прямолинейной части кривой графика зависимости
— от логарифма (натурального) времени t, где Q — поток влаги на еди-
v
ницу длины тензиометр а.
Ричарде (1962) предложил формулу
где В — тангенс угла наклона прямой на графике зависимости lg (Q^—Qt)
от времени /; Q^ —суммарная величина выхода воды при заданном уровне
разрежения в капилляриметре; a — коэффициент, зависящий от
сопротивления керамического датчика, его размеров и образца; V —объем образца
(Глобус, 1969).
В излагаемом ниже методе взята формула Гарднера.
Используя изложенные принципы, И. И. Судницын, Н. А. Муромцев и
другие (1973) сконструировали установку для определения
Къ (рис. 55).
193
Рис. 55. Прибор для определения влагопроводности почвы зондовым
методом:
/ — ртутный манометр; 2 — бюретка; 3 — буферная емкость; 4 — кран для
регулирования уровня воды в бюретке; 5 — цилиндр для почвенного образца; 6 — почва; 7 —
керамический фильтр; 8 — кран для регулирования давления в системе; 9 — кран для
изоляции системы от атмосферного воздуха.
Ход анализа. Образец почвы естественного или
нарушенного сложения помещают в эбонитовый цилиндр 5. В почву
вставдяют керамический датчик 7, который соединен с
бюреткой 2 и манометром L Последний через буферную емкость —
колбу (с?) — подсоединяют к насосу. Вся система установки
должна быть строго герметична. Одновременно можно вести
несколько определений.
Перед опытом почвенный образец увлажняют до полной во-
довместимости. В центр образца вводят керамический фильтр
(тензиометр). После наступления равновесия в системе тензио-
29. Пример записи при определении
р
кПа
бар
АР
кПа
бар
Q» сма/с
Q
10,1 1-106 5,05 5-Ю4 8,3-Ю-4 1,3-108
7,2-Ю-4 1,4-103
1,7- Ю-4 5,9-103
30,3 3-105 20,2 2.10* 4,5-10-* 2,22-103
1,8-Ю-4 5,55-103
1,2-10-* 8,1-103
194
метр — почва давление на манометре увеличивают на величину
АР с помощью вакуумного насоса и поддерживают его до тех
пор, пока не прекратится выход воды из почвы в бюретку через
пористый фильтр. Затем уровень давления повышают и вновь
ведут наблюдение до прекращения выделения воды из образца
при новом давлении.
В ходе опыта ведут записи полученных данных (табл. 29).
Отмечают равновесное давление Р кПа и изменение давления
в ходе опыта ДР. Показания давления приводят в барах, что
необходимо для вычисления Кв по формуле. Записывают объем
воды, выделившейся при данном давлении за 1 с (Q см3/с).
Период времени наблюдений i пересчитывают в секунды.
Здесь же приводят значения Igt и In/, необходимые для
расчетов.
На основании полученных данных строят график (рис. 56),
где откладывают по оси абсцисс величины In t9 а по оси
ординат— величины -—. По графику определяют тангенс угла на-
ч
клона прямолинейной части кривой. Тангенс угла В равен
отношению ДС/АС. Для получения численного значения катеты
соответственно проектируют на оси ординат и абсцисс.
Пример расчета. Для Я-10,1 кПа ДС= (5,9—1,3) • 103=-=4,6-103 бар;
А С -10-7,79 = 2,2. Тангенс В = -~^— =2090. tfn (при ДР-5-104 бар)
вычисляют по формуле Гарднера:
2,2
Кв
1
1
4кВАР 12,56-2090.50 000
= 7,4- Ю-10 см3с/г.
На основании измеренных величин Кв строят кривые
зависимости коэффициента влагопроводности от содержания
почвенной влаги или давления (Р). В интервале давлений — 8-Ю9—
6,3- 106 кПа Кв изменяется от 2,2- 1(Н2 до 3,8- 10~б см3 с/г. При
полевой влагоемкости давление влаги лежит в пределе 10,1—
30,0 кПа, а влажности завядания (ВЗ) от 606 до 2525 кПа.
В первом интервале давления величина 6-10~И</Св<8-Ю-9.
При Р= 1010 кПа (начало завядания растений)—6-10~14<
коэффициента влагопроводности Кв
U с
2 180
8 100
21 600
1 770
2 180
2 300
lg'
3,39
3,91
4,35
3,25
3,40
3,62
In i
7,79
9,00
10,00
7,50
7,80
8,32
tga—JL-
2090
7375
к _ CM'"J c
7,4- Ю-10
5,4-10-11
195
iS-WJ
2}%3атм
ДЩатм
</CB<3-Ю-11. В начале завядания
Къ в среднем в 200 раз меньше, чем
при полевой влагоемкости, а при ВЗ
меньше в 1000 раз. Величина /Св, как и
Р, зависит от гранулометрического
состава почв, удельной поверхности и
засоления. Кв(Р) описывается уравнением
Кв = Ко • Р »
где Ко — влагопроводность при полном
насыщении почвы влагой. Показатель «л» по Гарднеру
для суглинистых почв находится в пределе 2—
4, для песчаных он выше.
Большую роль играет размер пор и
их ориентация. При хаотическом
распределении пор разного размера во вла-
гопроводности участвует 12/3 всех пор;
в жаменовской цепочке Кв будет
в 10 раз ниже, чем в порах
цилиндрической формы.
Влагопроводность можно определить на монолите,
монтированном по Астапову. Плотность потока (Q или i) можно
вычислить по расходу воды в единицу времени на единицу площади
поверхности почвы по данным расхода воды из сосуда Ма-
риотта. Градиент давления влаги определяется пьезометрами
или тензиометрами вдоль монолита.
/ Z J 4 5 6 7 8 9 10 Int
Рис. 56. График для
вычисления тангенса
угла наклона прямой.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИВЫХ ВОДОУДЕРЖИВАНИЯ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ
И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
Кривая, характеризующая зависимость между капиллярно-
сорбционным потенциалом воды и влажностью почвы,
называется кривой водоудерживания. Ею обусловлены многие
гидрофизические и физико-механические свойства. Однако полного
представления об этом не было.
А. Д. Воронин (1984) на основании большого количества
экспериментов с почвами разного генезиса, гранулометрического
и структурного состава установил связь потенциала влаги с
содержанием ее в почве, энергетические пределы гидрологических
характеристик. Из работы также следует корреляция
потенциала влаги с характером структурного состояния почвы (по
пористости) и физико-механической консистенцией ее.
На рис. 57 показано, что области перехода воды из одной
категории в другую зависят от гранулометрического состава
почв. Величины соответствующих им капиллярно-сорбционных
потенциалов закономерно смещаются по мере утяжеления
гранулометрического состава в их более низкую сторону и лежат
на прямых, аппроксимируемых следующими зависимостями.
196
Рис. 57. Кривые водоудерживания почв:
/ и 1а — в горизонте Ai чернозема обыкновенного ненарушенного и нарушенного
сложения соответственно; 2 и 2а — в горизонте Bi этого чернозема; 3 и За — в
горизонте Ai дерново-подзолистой почвы; 4 и 4а —• в горизонте А2 этой почвы; 5 —в
горизонте Ct светло-каштановой почвы.
Потенциалы, соответствующие переходу влаги:
прочно связанной пленочно-адсорбционной в пленочио-стыко-
вую \|)ас (lg^ac^S^+SW); пленочно-стыковой в пленочно-ка-
пилляриую я|)С! (lg^c, =2,18+3 W); пленочио-капиллярной
в капиллярную i|5MKCB(lgi|)MKCB = 2,18 + W); капиллярной в
капиллярно-гравитационную 'фпт^'фпт^Дв). Здесь капиллярно-
сорбциоииый потенциал К выражен в см водного столба и
lg\p =pF, W — влажность в г/г.
Пересечение построенных по этим формулам прямых с
кривыми водоудерживания дает величину влажности почвы при
переходе воды из одной категории в другую и позволяет
определить содержание той или иной категории воды.
При потенциалах ниже г|?ас находится прочно связанная пле-
иочно-адсорбционная вода (А на рис. 57), в интервале между
я|)ас и i|)Cl — пленочно-стыковая вода (Б), между \\)С{ и фмксв —
пленочно-капиллярная (£), между ярмксв и Фпт — капиллярная
(Г), а при потенциалах выше г|эПт — капиллярно-гравитационная
{Д на рис. 57).
Структурно-гидрофизическая концепция позволяет
дифференцированно, т. е. с учетом конкретных почвенных структур
подойти к классификации пор по функциям. Как видно на рис. 57,
выделяются следующие категории пор:
197
инфильтрации (I), аэрации или легкодренируемые (II), вла-
гопроводящие (III), влагосохраняющие (IV), занятые прочно
связанной водой с измененными физическими свойствами (V).
Установленные А. Д. Ворониным (1984) зависимости
позволяют определить по кривым водоудерживающей способности
интервалы, в которых почва ведет себя как твердообразное, вязко-
упругое, хрупкое тело, вполне удовлетворительно
соответствующее физической модели Пойнтинга-Томсона — на рисунке 57 (а);
как упруговязкое пластичное тело, соответствующее модели
Барджерса (б) и, наконец, как вязкопластичное тело Бингма—
Шведова (в), находящееся в текучей консистенции.
Пересечение с кривыми водоудерживания прямых, на
которых лежат потенциалы:
1) фас— дает влажность предела усадки;
2) -фс! — совпадает одновременно с влажностью разрыва
капиллярной связи, влажностью нижнего предела пластичности,
влажностью начала появления липкости и влажностью
оптимальной для агрегирования почвы и для ее механической
обработки;
3) i|)mkcb — близко к общей или полевой влагоемкости;
4) а|зпт — дает влажность верхнего предела пластичности.
Таким образом, определение величины отдельных
компонентов потенциалов почвенной влаги дает возможность
охарактеризовать водоудерживающую силу почв, что имеет большое
значение для BOAHqro питания растений, а также для
структурно-механических свойств почвы.
СКОРОСТЬ И ВЫСОТА КАПИЛЛЯРНОГО
ПОДЪЕМА ВОДЫ
Капиллярный подъем грунтовых вод в почвенную и
грунтовую толщу имеет различное значение для растений. В
засушливых условиях при недостатке влаги незасоленных грунтовых
водах он увеличивает запасы продуктивной влаги, повышает
плодородие почв. В других условиях высокое стояние грунтовых
вод может вызвать заболачивание почвы, особенно в условиях
достаточного увлажнения. Засоленные грунтовые воды при
интенсивном испарении влаги с поверхности почвы способствуют
засолению почв.
Высота капиллярного подъема воды зависит от исходной
влажности, механического состава, структуры почв, от
количества и характера солей в грунтовых водах и почве, а также ог
температуры. Она тем больше, чем выше дисперсность почвы,,
ниже температура, так как поверхностное натяжение,
определяющее величины менисковых сил, с повышением температуры
падает. Соли-диспергаторы понижают высоту капиллярного*
подъема воды, соли-коагуляторы повышают. Различное
содержание солей в почвенной толще может вызвать осмотическое-
передвижение влаги в направлении градиента концентрации..
198
В структурных почвах капиллярные явления выражены
слабее, чем в бесструктурных, В ирригационной практике глубину
залегания грунтовых вод в 6 м считают критической для почв и
грунтов с высокой подъемной способностью; для почв легкого
механического состава критический уровень залегания
грунтовых вод меньше. Поэтому для каждого почвенного типа и грунта
необходимо непосредственно определять высоту капиллярного
подъема воды Н.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Движение воды в узких трубках определяется разницей
поверхностных давлений над плоской Р0 и вогнутой Р водной
поверхностью из формулы Лапласа:
р=р°-«Ыг+1г>
где Ri и Яг — радиусы кривизны мениска; а — поверхностное натяжение
воды, равное 74.
В капиллярах цилиндрической формы /?х = ^?2, тогда
Р = Р0_-^ Или p0_p==^L#
R R
Радиус кривизны R мениска связан с радиусом трубки г
уравнением r=i?cos0, где 6 — угол смачивания, образованный
поверхностью смачиваемого твердого тела и касательной к
поверхности жидкости, проведенной из точки контакта. От радиуса
кривизны мениска можно перейти к радиусу трубки г, тогда
D D 2a cos 0
r0—ir = .
Под влиянием лапласовского градиента давления в
направлении, противоположном ему, в почве совершается подъем воды
до высоты, при которой столб воды массой, равной Hdg,
уравновесит разность лапласовского давления:
3*2*1. =Hdg,
где d — плотность воды, равная 1; g — ускорение силы тяжести, равное 981;
Н — высота капиллярного поднятия.
Отсюда следует
rr_ 2acos9 2-74cos9 O,15cos0
981r 981r г
или в случае полного смачивания, когда cos 0=1.
ft 1С
Я = ——(формула Жюрена). ,
199
Подсчет Я по формуле дает удовлетворительные результаты
при исследовании песков и резко отличные значения от
фактических, наблюдаемых для суглинистых почв. Это несоответствие
связано с отклонением формы капилляров почвы от идеальных
цилиндрических, отсутствием учета роли адсорбированных
пленок воды и др. Вычисление значения Я по формуле
осложняется необходимостью знать величину cas 9, что часто бывает
труднее сделать, чем непосредственно определить величину Я.
Высоту капиллярного подъема в песках Козени определял по
формуле
где Р — коэффициент порозности; с/аф — эффективный, или действующий,
диаметр частиц почвы и грунта, вычисляемый как
dэф
откуда
эф 2 \ di d% )
j n d% — d2
а9ф = А ■
di + d2
где di и d2 — предельные диаметры, ограничивающие взятую фракцию.
А. А. Роде в формулу Жюрена ввел поправку на порозность
почвы при разных типах упаковки. При рыхлой, кубической
упаковке радиус узких пор равен 0,41 г, широких — 0,73 г, где г —
радиус частицы. Предельная высота капиллярного подъема
воды колеблется в пределах
H^^ilL и #= °'18
0,41 0,73г
В случае гексагональной упаковки радиусы максимальных
и минимальных пор соответственно равны 0,288 г и 0,155 г,
а предельные высоты
Я=-°^_ и Я--0-и
0,155г 0,288г
Расчеты показали, что в случае легких песчаных почв
высота капиллярного подъема изменялась от
Н=-Ы*- До Н^ °'15
0,73г 0,155/-
и была близка к практически наблюдаемым величинам.
Скорость капиллярного подъема воды v измеряют
количеством воды в мл, которое проходит в единицу времени через
единицу площади поперечного сечения (г/ = см3/см2); в линейных
единицах эту скорость выражают как производную пути по
времени.
200
Во всех грунтах, особенно в песчаных, скорость
капиллярного подъема воды с течением времени снижается,
соответственно замедляется высота капиллярного подъема Н.
Математическую зависимость высоты капиллярного подъема от
времени выражают формулой
где К — коэффициент влагопроводности; п — постоянная, значение которой
близко к 0,5; t — время.
Это уравнение соответствует кривой параболического типа.
Вычисление высоты и скорости капиллярного подъема воды
по формулам не дает удовлетворительных результатов и,
кроме того, требует знания других характеристик почв.
Поэтому высоту и скорость капиллярного подъема чаще
определяют экспериментально.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ КАПИЛЛЯРНОГО
ПОДЪЕМА ВОДЫ В ПОЛЕВЫХ
И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Верхнюю границу капиллярного насыщения почвы за счет
грунтовых вод называют капиллярной каймой. Мощность
насыщенного слоя почвы соответствует высоте капиллярного
подъема.
В поле высоту капиллярной каймы определяют по
распределению влажности- по профилю почвы от поверхности до
уровня грунтовых вод. Повышение содержания влаги на
некоторой глубине возрастает по мере приближения к зеркалу
грунтовых вод. Начало резкого перегиба кривой содержания
влаги соответствует высоте капиллярного подъема.
Содержание влаги в этой точке соответствует величине общей влагоем-
кости (полевой).
Высоту капиллярного подъема воды легко определить на
открытом почвенном разрезе. Почва над капиллярной каймой
через 1—2 ч подсыхает, светлеет, а на уровне ее и ниже
остается влажной, темной. Высоту капиллярного подъема
замеряют от уровня грунтовых вод до границы смачивания.
При смоченном профиле определить высоту капиллярного
подъема воды описанными выше методами трудно, поэтому
применяют краски-индикаторы или растворяют в почвенном
растворе радиоактивные соли (меченые атомы).
Использование радиоактивных и других индикаторов. В
простейших случаях в качестве индикаторов на слабо
затемненных почвах используют краски.
Опробование метиленового синего, сафранина, нейкоцина,
ализарина, фуксина, перекиси марганца, бромкрезолового
зеленого и других показало, что наиболее подходящим для почв
и грунтов красителем-индикатором является бромкрезоловый
зеленый, скорость передвижения которого почти совпадает со
201
скоростью движущегося водного потока. Границы смачивания
выделяются при этом четко и ярко. В каждую точку
наблюдения вносят 20—25 мг порошкообразного индикатора.
Наиболее безопасна и доступна для этих целей
сернокислая соль натрия с радиоактивной серой S35 или кислота с
периодом полураспада 87,4 дня; для лабораторных исследований
можно применять соли радиоактивного йода (йодистый калий
или натрий). Период полураспада радиоактивного йода 8,14
дня. В собравшуюся на дне почвенного разреза грунтовую воду
вводят изотоп, например S35 в виде соли NasS04 активностью
10—20 мкюри.
Расчет концентрации радиоактивных солей должен быть
таким, чтобы счетчик отмечал не менее 1000 имп/мин.
Применяя названные соли, можно использовать обычные дозаторы,
счетчик для (3-излучения.
Определение высоты и скорости капиллярного подъема
воды в поле при отсутствии грунтовых вод. Закладывают
почвенный разрез до глубины, с которой хотят определять
водоподъемную способность почвы. На лицевой стороне разреза
подкапывают нишу глубиной 30—25 см и шириной 35—30 см,
в которую помещают ящик из оцинкованного железа,
заполненный песком. Если между монолитом почвы и песком
образовалась щель, то ее забивают влажной почвой, взятой с той
же глубины.
В песок заливают воду или раствор соответствующей соли.
Вода подается вручную или с помощью сосуда Мариотта. При
отсутствии железного ящика можно сделать нишу с
уплотненным дном и стенками для уменьшения фильтрации. В этих же
целях можно использовать систему противофильтрациоиного
экрана глина — торф, торф — глина, глина — песок — глина,
который должен быть плотно утрамбован в дно и стенки ниши.
Данные наблюдений и соответствующие вычисления
проводят по форме, приведенной в таблице 30. Таким способом
можно определить высоту и скорость капиллярного подъема
в отдельных горизонтах и их сочетаниях: А+В\ Ai + B\+B2
и т. д.
На основании полученных данных вычисляют скорость
капиллярного подъема , где t интервал времени в минутах
или часах, и вычерчивают интегральную кривую высоты
капиллярного подъема и его скорости. Если определяют
влажность в промоченной толще почвы, то строят кривую
распределения влаги в зависимости от высоты капиллярного
подъема воды.
Метод монолитов. В зависимости от задачи используют
монолиты разной высоты — 20, 100, 200 см и более. На лицевую
сторону монолитного ящика накладывают стекло. Монолиты
ставят в ванну с водой, уровень которой поддерживают с
помощью сосудов Мариотта.
202
30. Пример расчета высоты и скорости капиллярного
подъема воды в почве
"Почва и глубина
подачи воды
Дата
*5
ас
ч
сз
И И
к Я
2 2
8,1
CQ v
Каштановая 01.06 10—10
тяжелосугли- 10—15
листая, 50 см 10—20
10—25
10—30
10—35
10—40
10—50
11—00
11—10
11—40
12—10
12—40
13—10
«
ВС
&
2
ч
й
я
Я
ч
сз
S3 д
К s
0
5
5
5
5
5
5
10
10
10
30
30
30
30
Отсчеты
высоты
поднятия
воды (Я).
см
Высота
поднятия
воды
за данный
интервал
времени
(Н,), см
отсчеты
I
И
0 9,5
7,2 9,5
9,2 11,3
11,1 12,9
12,3 14,1
13,3 14,8
14,2 15,6
16,2 16,8
17,6 18,3
18,5 19,2
22,0 22,0
25,1 25,1
27,1 27,1
28,9
28,6
I
И
2,0 1,8
1,9 1,6
1,2 1,2
1,0 0,7
0,9 0,8
2,0 1,2
1,4 1,5
0,9 0,9
3,5 2,8
3,1 3,1
2,0 2,0
1,8
1,5
О)
ег
н
о
оа
Ч*
S3
О) д
О н
1,9
1,7
1,2
0,9
0,85
1,6
1,4
0,9
3,1
0,1
2,0
1,6
Скорость
капиллярного
поднятия
X
IS
s
"is
ST
Is
° 1 °
0,38 22,80
0,34 20,40
0,24 14,20
0,18 10,80
0,17 10,20
0,16 9,60
0,14 8,40
0,00 5,40
0,103 6,18
0,10 6,0
0,066 3,96
0,053
3,18
Наблюдения ведут по схеме, приведенной в таблице 30.
При неравномерном подъеме вычисляют среднее значение #t
из двух-трех отсчетов.
Можно использовать монолиты, смонтированные по
Астапову, где, кроме визуального наблюдения, высоту подъема
воды определяют с помощью электродов. При переходе от
сухой к капиллярно смоченной почве электросопротивление
последней резко падает.
Метод трубок. В условиях лаборатории закономерности
изменения высоты капиллярного подъема воды в зависимости от
механического состава почвы, ее структуры и содержания
солей можно проследить, используя метод определения в
стеклянных трубках. Дно стеклянной трубки диаметром 3—4 см,
высотой 1 м (или составленной из склеенных бумагой
трубочек по 10 см) обвязывают марлей с фильтровальной бумагой.
На всю длину ее приклеивают полоску миллиметровой бумаги,
по которой ведут отсчет высоты подъема воды.
Для определения влияния механического состава на высоту
капиллярного подъема воды используют песок, супесь, легкий,
средний и тяжелый суглинки. Просеянную через сито с
отверстиями диаметром 1—3 мм почву засыпают в трубку при
легком постукивании дном трубки о край стола (для
равномерного уплотнения). Сверху около 1 см оставляют не
заполненным почвой. Затем трубку устанавливают в ванну с дистилли-
203
роваыной водой. Данные наблюдений водоподъемной
способности почвы записывают по форме табл. 30.
Влияние структуры почвы на капиллярный подъем воды
определяют следующим образом. Из воздушно-сухой почвы
с помощью сит выделяют структурные фракции размером
<0,25; 0,25—1; 1—3 и 3—5 мм. Контролем служит почва,
просеянная через сито с отверстиями диаметром 5 мм,
содержащая смесь всех изучаемых фракций. Затем производят
операции, аналогичные тем, что и при изучении влияния
механического состава.
Для определения влияния солей на капиллярный подъем
воды приготовляют растворы солей, диспергирующих почву
(NaOH, Na2C03) и коагулирующих высокодисперсиые частицы
(СаС12, NaCl). Концентрация солей должна примерно
соответствовать концентрации солей, содержащихся в грунтовых
водах или в почвенном растворе.
При изучении зависимости скорости и высоты
капиллярного подъема от температуры трубки с почвой и водой
помещают в термостаты с разной температурой: 10, 20 и 30 °С.
Особенно хорошо держат постоянную температуру
политермостаты. Если трубка сплошная и необходимо изучить
распределение капиллярной влаги по высоте, ее распиливают
напильником на отрезки в 10 см, из которых извлекают пробы. В
сборной метровой трубке влажность определяют в каждом слое
в 10 см.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ t ПОМОЩЬЮ КАПИЛЛЯРИМЕТРА
Для измерения высоты капиллярного подъема воды в почве
в полевых условиях может быть использован любой из
описанных выше капилляриметров. Водоудерживающая сила,
измеренная ими, выраженная высотой водного столба в см,
соответствует высоте капиллярного подъема воды в данной точке
почвы или грунта.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
НА ПОЧВЕННОМ МОНОЛИТЕ, МОНТИРОВАННОМ
ПО АСТАПОВУ
В настоящее время при изучении физических свойств почв
широко используются методы моделирования. Очень удобной
моделью для изучения физики почв являются монолиты,
монтированные по Астапову (рис. 58).
В поле берут монолит сечения 15X15 см и высотой от 50
до 200 см в зависимости от цели исследования. Для
монтирования монолита в лаборатории изготавливают
фильтрационный ящик, длина которого на 30 см, а сечение на 5 см больше
монолита. В дне и крышке ящика имеются отверстия для
фильтрационной воронки и бутылки с водой.
204
Рис. 58. Монолит,
смонтированный по Астапову:
/ — почва; 2 — электроды; 3 —
измеритель электросопротивления; 4 — вода;
5 — смолка; 6 — гравий; 7 — приемник
фильтрата; 8 — специальный стол;
9 — воронка; 10 — сетка.
Ящик с почвой помещают на
стол, накрытый бумагой, и
демонтируют, снимая три боковые
стенки, дно и крышку. На верх
и на низ монолита накладывают
прокладки из досок, по ширине
равные монолиту и высотой
в 15 см каждая. Монолит
просматривают, замеряют мощность
генетических горизонтов, берут
пробы на влажность; щели в
почве замазывают пастой почвы
из того же горизонта.
Выравнивают поверхность почвы,
впадины также заполняют пастой.
Затем на монолит надевают раму
фильтрационного лабораторного
ящика, с которого сняты две
продольные (противоположные)
стороны. При этом сверху и снизу
монолита создается запас
пространства в 15 см. На дно
почвенного монолита надевают
специальную металлическую
воронку, к верху которой прикреплена латунная сетка с
отверстиями диаметром 0,5 мм с металлическими бортами высотой
2—2,5 см (площадь сетки должна быть равна площади
основания монолита). Воронку наполняют крупной галькой или
песком. Бортами воронка вдавливается в дно монолита. Горло
воронки с резиновой трубкой на конце выходит через
отверстие в дне ящика, где оно с помощью резинового шланга
отводится в приемник фильтрата. Между монолитом почвы и
крышкой фильтрационного лабораторного ящика вкладывают
фанерную болванку (ящик в форме куба с размером ребер в 15 см),
обернутую бумагой. Затем зазоры между боковыми стенками
и почвой, болванкой и стенками, вся открытая часть
почвенного монолита и воронка заливаются расплавленной, нагретой
до 170 °С красной смолкой, вязкой и не проникающей в поры
почвы. Если при осмотре обнаружатся дефекты заливки
—неровная поверхность, пустоты, то они устраняются заливкой
новых порций. После контрольного осмотра монолит закрывают,
привинчивая крышки фильтрационного ящика. Закрытый
монолит переворачивают, вынимают фанерную болванку, на месте
которой образовалась камера с открытой стороной. Ее
закрывают листом фанеры соответствующего размера и заливают
смолкой последнюю сторону монолита. Наверху его, на месте
фанерной болванки, образуется камера, через которую подают
воду. Для наблюдения за скоростью просачивания и глубиной
промачивания почвы в монолит на границах генетических
205
горизонтов или на изучаемых глубинах монтируют электроды
(алюминиевая проволока диаметром в 0,2 см), которые
заглубляют в почву на 7 см. Провода от электродов подсоединяют
к измерительному устройству Р-38 или ЭСК-1 при четырех-
электродной системе. Кроме того, в почву погружают (на
глубину 2—1 см) изогнутые трубки-пьезометры, которые снизу
обтянуты сеткой. Пьезометры регистрируют изменение
гидродинамического давления колонн фильтрующейся воды в монолите.
Входные отверстия электродов и пьезометров после их
установки заливают смолкой. Монолит устанавливают на
специальный стол с отверстием для приемника фильтрата.
В камеру наливают слой воды высотой 5 см и записывают
при этом израсходованное ее количество. В отверстие крышки
вставляют бутыль с приспособлением Мариотта для
поддержания постоянного уровня воды в камере; стеклянную трубку
в пробке бутылки устанавливают так, чтобы она находилась
на расстоянии 5 см от почвы. Запись данных наблюдения за
фильтрацией ведут по форме, приведенной ниже. Подробные
записи по всем измерениям производят в рабочей тетради.
По расходу воды из бутыли Q определяют коэффициент
впитывания воды:
где / — принятый интервал времени; 5 — площадь монолита.
По показателям электрического сопротивления почвы можно
установить глубину фронта промачивания почвы.
Наблюдения за впитыванием и учет расхода воды Q
продолжают до появления фильтрата в приемнике. Затем
изучают фильтрацию почвы. При высокой фильтрации фильтрат
замеряют через час, при низкой — через 1—5 суток. В ходе
опыта регистрируют температуру воды — среднюю за сутки
(по замерам утром, среди дня и вечером). Затем по
количеству фильтрата определяют коэффициент фильтрации за сутки
(К м/сутки) при температуре опыта по формуле
где i — градиент давления, равный разнице показаний верхнего h и нижнего
hi пьезометра, деленной на расстояние между ними /.
Если величина градиента близка к единице, то при
вычислении Kt он в расчет не принимается. Величину Kt приводят
к температуре 10 °С (/Сю) и вычисляют по формуле.
В конце опыта значение К становится почти постоянным.
После того как вся вода, поданная на поверхность
монолита, впитается, из крупных пор в приемник еще некоторое
206
Коэффициент фильтрации (К, м/сут)
Почва
Дата начала
опыта
К
Сутки
I
И.
III
IV
V
VI
VII
VIII
Kt
время поступает вода. Количество ее учитывают и вычисляют
коэффициент водоотдачи:
Дв = >
у
где V — объем почвы в монолите.
Затем монолит демонтируют. Вдоль длины монолита берут
пробу буриком для определения плотности почвы и отдельно
пробы в сушильные стаканчики для определения общей влаго-
емкости почвы с 2—3-кратным контролем.
Вычисленные средние значения общей влагоемкости
приводят в % от массы сухой почвы, в объемных % и в м3/га. Если
в монолит вмонтированы тензиометры, то представляется
возможным определить потенциал почвенной влаги и влагопро-
водность.
Исследованные модели можно использовать при изучении
промывок засоленных почв, различных методов мелиорации и
для решения многих других вопросов.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ПОЧВЫ
Испарение —процесс перехода воды из жидкого в
парообразное состояние вследствие теплового движения молекул
воды. Скорость этого движения возрастает с увеличением
температуры, вместе с тем увеличивается и испарение.
Образование пара в поверхностных слоях почвы и
передвижение его в атмосферу влечет за собой иссушение почвенной
толщи. На испарение 1 г воды затрачивается 0,6 ккал тепла,
таким образом, испарение влаги из почвы и растений —
мощный фактор их охлаждения.
Различают суммарное испарение — с поверхности почвыН-
+ траиспирация растениями, физическое — испарение только
с поверхности почвы и биологическое — транспирационное.
Испарение с поверхности водных бассейнов называют
испаряемостью. Испаряемость характеризует потенциальную
возможность испарения при данных условиях среды и
определяется главным образом притоком тепла.
По аналогии испаряемость из почвы определяют как
величину испарения влаги из водонасыщеиной почвы при
постоянном притоке воды в испаряющую толщу почвы.
207
В процессе испарения уменьшается и давление почвенной
влаги, градиент давления и коэффициент влагопроводности.
При высоком градиенте (перепаде) давления атмосферы и
почвы наблюдается испарение, близкое по скорости к
испаряемости, затем со временем оно резко падает по всему профилю
иссушаемой толщи (0—50, 0—100 см). Влага перемещается из
нижних слоев к испаряющей поверхности (Вадюнина, 1973).
Для измерения величины испарения используют расчетные
методы, в основе которых лежит связь гидрометеорологических
характеристик с суммарной величиной испарения, и приборы
разной конструкции.
РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ
Потенциальное испарение (испаряемость) в мм с
поверхности воды (£н) за месяц или другой срок наблюдений при
средней температуре (t°) и относительной влажности воздуха
(а%) определяют по формуле Иванова: £и = 0,0018-(25 +
+f)2* (100—а). Величины t° и а измеряют психрометрами или
используют данные ближайшей метеорологической станции.
Берут средние величины за соответствующий срок. Расчет
проверен на больших водоемах и дает удовлетворительные по
точности величины Го.
Метод турбулентной диффузии. Величину суммарного
испарения вычисляют по формуле
£ = 2,1*ГДе,
где К — коэффициент турбулентной диффузии на высоте 1 м в м2/с; 2,1—
эмпирический коэффициент; Де— разность влажности воздуха в мб,
измеренная на разных высотах (Z\ и Z2).
Величину К (м^/с) вычисляют по формуле
/С = 0Л04Да(1 + 1,38-£Ц,
где Да— разность скорости ветра; Д* — разность температуры на высоте
Z\ и 22.
Для определения величины Е устанавливают психрометры
Ассмана и анемометры на высоте Z\ KZ2. По показаниям
психрометров вычисляют At, Ae, по показаниям анемометров —
А и.
Однако расчет по этой схеме не позволяет получить
достоверных данных.
Метод теплового баланса. В этом методе суммарное
испарение вычисляют по формуле
Е = R~B a ,
60(1+°-64-хг)
где R — радиационный баланс, измеряемый балансомером, в кал/см2/ч; Д/—
разница температуры в воздухе на разных высотах; Д/ — разница влажно-
208
сти воздуха, мб, па разных высотах; В — тепловой поток в почву, кал/см2/ч,
рассчитываемый по формуле
dZ
где % — коэффициент теплопроводности, определяемый экспериментально:
dt
градиент температуры изучаемом толщи почвы на основании изме-
dZ
рений температуры почвы по отдельным горизонтам до глубины 1 м. Вели-
dt t± —12 ,
чина '~ у где ti и U — температура верхней и нижнеи части
dZ Z
слоя почвы, Z — толщина слоя.
ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ
Метод трубок. Стеклянные трубки длиной 20—25 см
обвязывают снизу марлей с фильтром, заполняют почвой,
капиллярно увлажняют и устанавливают в деревянную подставку.
Электрической лампой сверху нагревают поверхность почвы
в трубке и вентилятором подают воздух, создающий ветер
определенной силы. Для контроля постоянства этих условий в
течение дня производят 3—5 определений температуры и
скорости ветра (анемометром) над поверхностью почвы. Величину
испарения определяют по массе трубок с почвой, которые
взвешивают раз в сутки или раз в пять дней (в зависимости от
интенсивности испарения и поставленной задачи) и вычисляют
в мм вод, ст., пользуясь формулой
57
где а — потеря в массе трубки с почвой, г; S — площадь трубки, см2; Т —
интервал времени.
Измерение испарения на установке Дерягина и
Мельниковой. Испарение влаги из водонасыщенной почвы при
постоянном притоке воды в ее толщу можно определить с помощью
установки, предложенной Б. В. Дерягиным и М. К-
Мельниковой (1956) (рис.59). В этой установке цилиндр 1 высотой 20—
30 см с почвой, просеянной через сито (диаметр отверстий
3 мм) и доведенной до капиллярного насыщения,
устанавливают над воронкой с сетчатым дном. Воронка 2 наполнена
крупным песком и соединена с резервуаром для воды 3.
Расход воды из резервуара по мере всасывания ее почвой
пополняется при помощи системы Мариотта, состоящей из
аналитической бюретки 5 и ключа 4, соединяющего резервуар с
бюреткой. Показания бюретки и дают количество израсходованной
воды при испарении за изучаемый промежуток времени.
Вентилятор над колонкой почвы способствует более быстрому
испарению воды из нее.
С помощью установки можно изучать испарение в
зависимости от структуры почвы, ее механического состава и других
209
3/'
^=ф=
Рис. 59. Установка для определения испарения влаги из водонасы-
щенной почвы при постоянном притоке воды:
/ — цилиндр; 2 — воронка; 3 — резервуар; 4 — ключ; б — бюретка.
факторов. Кроме того, авторы применяли установку для
определения зависимости водопроводности почвы от ее влажности.
Величину испарения (мм/см2/ч) определяют по формуле
0-10
£ = -
ST
где Q — расход воды, учитываемый с помощью бюретки, мм; S — площадь
поперечного сечения почвенной колонки, см2; Т — длительность наблюдения.
ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ
Метод водного баланса. Баланс почвенной влаги
складывается из ее накопления и расхода. Уравнение водного баланса
имеет вид
(Q + n + K)—E±(A—B) — (C + C1 + <Pm) = 0,
где Q — накопление влаги за счет осадков; Я —- конденсация парообразной
влаги; К — капиллярный подток; Е—расход влаги на испарение; А —
начальный и В — конечный запас влаги в исследуемом слое почвы; С — сток
поверхностный; С\ — сток внутрипочвенный; Фил — инфильтрация воды за
пределы изучаемой толщи.
210
Из уравнения водного баланса следует
Е = (Q + П + К) - (С + d + Фи„) + (Л - В).
В степных условиях при глубоком залегании грунтовых вод
и отсутствии капиллярного подтока и стока в летний период,
пренебрегая незначительной величиной Я, величина
испарения будет равна
Е^ Q + (A-B)~0nll
Т
где Т — время в сутках.
При наличии стока весной испарение по этой формуле
рассчитывать нельзя. Величину Фик легко определить по
изменению запасов влаги в нижележащих горизонтах. Метод
измерения общего испарения в этом случае можно назвать методом
изучения динамики влажности почвы во времени.
Для определения испарения выделяют специальную,
типичную для данных условий площадку размером 2X2 м. Почву
увлажняют, промачивая слои 0—50 или 0—100 см; после
снеготаяния не поливают. Площадку закрывают соломой или
травой и на второй день определяют исходную влажность.
Вначале влажность почвы до глубины 150—200 см определяют
2—3 раза через каждые 5, затем через 10 дней. В первом
метре пробы на влажность отбирают в каждом
10-сантиметровом слое с тройной повторностью, во втором метре — через
каждые 10 см с двойной повторностью. Для сокращения числа
проб все контрольные образцы берут в один бюкс. Влажность
вычисляют в процентах или мм вод. ст. в каждом слое и в мм
по слоям 0—50, 50—100 см и т. д. Определяют приход или
расход влаги за срок наблюдения (А—5). Зная количество
осадков за этот срок, вычисляют Е в мм/сутки.
Пример расчета. Уменьшение запасов влаги в слое
0—50 см (табл. 31) степной делянки за период с 10.05 по
12.06 (36 дней) составляло 70 мм. Осадков выпало 10 мм;
фильтрация за пределы данного слоя Фин — 4 см. В среднем за
сутки испарение
Е= ЮЧ-70-4 =2>1 мм/сут_
31. Изменение запасов влаги, мм
Слой почвы, см,
и количество
осадков, мм
Степь
10.05
20.05
01.06
12.06
Лесной колок
10.05
20.05
01.06
12.06
Осадки 0 5500 000
0—50 0 —40 —10 —20 0 —30 —10 —16
50—100 0+4 0—4 0 0 —20 —22
211
^-~J>
Рис. 60. Испаритель Попова:
1 и 2 -— цилиндры; 3 — водосбор; 4 —
лапки-пластины; 5 — ручка; 6 — струг.
В лесу общее испарение
« и можно расчленить на биологиче-
Т Т ское и физическое (Г. Н.
Высоцкий). В этом случае выбирают
площадку без леса, но в тени
деревьев, и окапывают ее
канавой глубиной 60—80 см, чтобы
влага ее не расходовалась
соседними деревьями. Вторую
площадку располагают так, чтобы
в центре было дерево, вокруг
которого бурят по окружности
радиусом 50—60 см (от ствола
дерева). На второй площадке
определяют величину
суммарного испарения, на первой —
испарение с поверхности почвы.
Разница этих величин
показывает величину биологического
транспирационного испарения.
Д. Р. Константинов (1954),
сопоставляя различные методы определения испарения почвы,
пришел к выводу, что наилучшие результаты получают при
использовании приборов-испарителей.
Величину испарения определяют повторным взвешиванием
монолита почвы в металлическом или деревянном корпусе
сосуда-испарителя. Недостатком испарителей такого типа
следует считать трудность определения при большой массе
монолита, уменьшение же ее увеличивает ошибку определения.
Удовлетворительные результаты можно получить при
использовании монолитов с площадью сечения 500—1000 см2,
глубиной 60—100 см и массой 40—60 кг. При увеличении глубины
площадь сечения испарителя уменьшают. В испарителе часто
наблюдают ухудшение развития растений и большее
высыхание почвы по сравнению с естественными условиями, поэтому
почву и растение в нем необходимо сменять 2 раза в месяц
в засушливых и один раз в месяц в обычных условиях.
Испаритель Попова (рис. 60) состоит из двух
цилиндрических сосудов из оцинкованного железа: внутреннего
с дном из латунной сетки, в который помещают монолит почвы,
и внешнего защитного 2. Размеры внутреннего цилиндра:
высота 27,5 см, площадь сечения 500 см2. В зависимости от
поставленной задачи высоту цилиндра (глубину) можно
увеличить. Верхний край цилиндра имеет выступающие заплечики,
которые закрывают щель между ними и внешним цилиндром.
Цилиндр загружают почвой. Для вырезки почвенного
монолита используют специальный струг 6, состоящий из каркаса,
заканчивающегося ножом, и цилиндра, по размерам равного
внутреннему цилиндру испарителя. В поле окапывают монолит
212
почвы по размерам, несколько большим цилиндра. Сверху на
него накладывают струг, обрезают и надвигают цилиндр.
Взятый монолит переносят в испаритель, последний
устанавливают во внешний цилиндр. Внешний цилиндр 2 имеет диаметр
на 2—5 мм и высоту на 30 мм больше внутреннего.
Установленный, он опирается на поверхность почвы тремя лапками-
пластинами 4, на дне его устанавливают водосбор 3. Для
взвешивания цилиндр с почвой цепляют за ушки ручкой 5 и
извлекают из почвы. Взвешивают раз в сутки в 19 ч при
интенсивном испарении влаги из почвы. При низкой влажности и
слабом испарении — один раз в 5 или 10 дней. Наблюдения за
испарением записывают по форме, приведенной ниже.
Формы записи наблюдений за испарением почвы
№
испарителя
Дата
Осадки, мм
Масса испарителя
первоначальная
в срок
наблюдения
разница
Количество
воды,
просочившейся
в поддон, см3
сут
Е, мм/
Пример расчета. Если за сутки масса испарителя
уменьшилась на 72 г, то испарение будет равно
Е = —■— = 1,44 мм/сут,
500 J
где 500 — площадь сечения испарителя, см2; 10 — переводной коэффициент
см в мм.
За двое суток выпало 10 мм осадков (1 см), объем
поступивших в испаритель осадков — 500 мл (500 г), масса
испарителя за сутки увеличилась на 150 г, в водосбор
просочилось 250 г; величина испарения будет соответственно равна
Е - [soo-(26Q+1бО)мо а2 мм/
500 J
Испаритель ГГИ-500 состоит из двух испарителей,
дождемера и весов в будке. Устройство его в принципе сходно
с испарителем Попова. Дождемер состоит из цилиндрического
ведра и гнезда в виде конуса для установки; приемная
площадь дождемера 500 см2. Весы на 150 кг помещают в
специальной будке с отверстиями для установки испарителя и
откидной двускатной крышкой. На почвенной площадке с
испарителями все приборы устанавливают по одной прямой на
расстоянии 3 м друг от друга, кроме весов, которые удаляют
на 8—10 м от крайнего испарителя. Приборы удобны, а
получаемые данные по Е достаточно точны.
Испаритель П-3. В лаборатории физики почв МГУ по
проекту И. А. Качинского изготовлен прибор для изучения
испарения с полей зерновых культур сплошного посева с
междурядьями в 15 см.
213
Рис. 61. Испаритель П-3 лаборатории
физики почв МГУ:
1, 2 — ящики; 3 — дно внутреннего ящика;
4 — испаритель; 5 — водосбор; 6 — форма;
7 — планки; 8 — ручка.
Испаритель (рис. 61)
состоит из двух
металлических ящиков, плотно
входящих один в другой.
Размеры внутреннего 1 12 X
X 30X40 см, наружного 2 —
12,5X30,5X50 см. Дно
внутреннего ящика 5 из
металлической пластины с
круглыми отверстиями 1,5—2—
3 мм в диаметре плотно
лежит на воронкообразной
нижней части испарителя
4, оканчивающейся
воронкой в форме усеченной
пирамиды. В наружный ящик
с глубоким дном
вставляют водосбор 5. Для
взятия почвенного монолита изготовлена специальная форма 6,
ширина и длина которой на 2—5 мм меньше соответствующих
размеров внутреннего цилиндра. Для облегчения погружения
одна из узких сторон не сплошная, а в виде трех планок 7.
Взятый монолит почвы формы 6 аккуратно выжимают в
испаритель. На место, откуда взят монолит, вставляют внешний
защитный ящик /, в который опускают водосборное устройство
и затем испаритель с почвенным монолитом. Почвенные моно-
.литы берут вместе с культурой (пшеница, рожь, просо и т. д.),
а в междурядьях — без растений. Испарители с растениями
устанавливают в рядке посева, а те, что без растений,— в
междурядьях. При взвешивании испаритель вынимают из гнезда
с помощью ручек 8.
Испарители гидростатического
взвешивания (В. А. Урываев, 1953) основаны на том, что масса
монолита почвы в испарителе уравновешена гидростатическим
давлением воды, в которую погружают испаритель, а изменения
массы, связанные с испарением или выпадением осадков,
фиксируются вертикальным перемещением монолита, что
позволяет использовать монолиты больших размеров и измерять
испарение с точностью до 0,01 мм.
Гидравлический испаритель был построен
в 1950 г. по проекту В. А. Урываева. Его размеры: площадь
сечения 5 м2, высота 2 м, масса монолита почвы вместе с
металлическим корпусом испарителя 21—25 т (масса почвы около
14 т). Монолит держат на кольцевом поплавке (понтоне) в
бетонированном бассейне с водой. Подъемная сила поплавка
уравновешивает массу испарителя с почвой. Имеется
устройство для точного отсчета погружения испарителя в бассейн.
Государственный гидрологический институт выпустил
испарители малой модели (ГГИ-51) с площадью сечения около
214
0,2 м2 и массой почвенного образца 400—500 кг. Определение
испарения с помощью гидравлических испарителей просто и
точно.
Ми к ро испаритель. Измерение испарения с помощью
описанных приборов громоздко, затруднено вследствие
большой массы датчика с почвой. Агрофизический институт
(И. Б. Ревут, 1969) предложил использовать микроиспаритель,
представляющий собой цилиндр, выполненный из листовой
стали. Высота его 65, а ширина 113 мм. Крышками цилиндр
плотно закрывается с обеих сторон, снабжен двумя ушкамн.
С помощью крючков, зацепленных за ушки, его извлекают из
почвы. Кроме того, изготавливается цилиндр-футляр несколько
большего диаметра (118 см), в который устанавливают
рабочий цилиндр. Рабочий цилиндр вместе с крышками
взвешивают (р), затем в него берут пробу почвы ненарушенного
строения, цилиндр закрывают с обеих сторон крышками и
вновь взвешивают (pi). Масса цилиндра с почвой 2 кг,
технические весы позволяют взвешивать с точностью до 20 мг.
В точке наблюдения цилиндром-футляром делают гнездо,
соответствующее размерам рабочего цилиндра. С последнего
снимают верхнюю крышку и устанавливают в гнездо датчик.
Через срок, установленный для экспозиции (часы, сутки),
цилиндр закрывают крышкой и взвешивают (р2). Испарение
вычисляют по формуле
р _ (Pi — р2)-Ю
где 5 — площадь сечения цилиндра, см2; Т — время в сутках.
Проба в цилиндр берется легко и несложно установить
динамику испарения в течение суток, меняя почву через каждые
два часа днем; с одним и тем же образцом можно провести
наблюдения за испарением и за ночь. Имея в распоряжении 10—
20 цилиндров, измерять молено с двух-трехкратным контролем
по различным вариантам исследований.
Испарение водонасыщенной почвы при постоянном притоке
воды. Величина испарения водонасыщенной почвы тесно
связана с притоком тепла к поверхности почвы. М. И. Будыко-
предлагает измерять ее отношением величины радиационного
баланса к скрытой теплоте парообразования.
С этой целью в полевых условиях используют
компенсационные испарители И. Жилинского, А. А. Роде, испарители ГГИ
и др. Принцип устройства их состоит в том, что испаритель,
соединяют с сосудом, наполненным водой, уровень которой
поддерживают постоянным. По мере испарения убыль воды
пополняют из сосуда, расход воды в котором компенсируется
автоматически с помощью системы Мариотта, или его
периодически доливают. Величину испарения вычисляют по расходу
воды в компенсационном сосуде.
215
Например, если за сутки в сосуд долито 100 мл воды при
площади испарителя 500 см2, то испарение будет составлять
ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ РАСТЕНИЙ
Для агрономической практики очень важно знать
количество потребляемой влаги, при котором растение дает
максимальный урожай. В ряде работ отмечается основной расход
влаги, который определяется фактическим испарением — Е.
Влагообеспеченность оценивается отношением Е к
потенциально возможному испарению £0, которое наблюдается при
данных климатических условиях (температуре, влажности
воздуха, скорости ветра).
Испаряемость рассматривается как испарение с
поверхности воды или водонасыщенной почвы.
Относительная транспирация равна отношению
фактического испарения растениями (Т) к испаряемости с поверхности
воды или водонасыщенной почвы (Г0). Передвижение воды
к испаряющей поверхности осуществляется за счет градиента
давления влаги и влагопроводности в системе почва —
растение— атмосфера и корневым пассивным давлением, связанным
с затратой энергии, освобождающейся при дыхании.
Измерение относительной транспирации по Иванову.
Срезают хорошо сформированные листья или побеги (верхние,
активнорастущие, или нижние, отмирающие, бракуют) и быстро
взвешивают на весах, защищенных от ветра. Затем
экспонируют три минуты в условиях, соответствующих месту взятия,
и вновь взвешивают. Потеря в массе определяет испарение
влаги взятой частью растения. Для обеспечения точности
измерения берут 5—6 проб и выводят среднее значение или
рассчитывают фактическое испарение растением для каждой
пробы. Испарение определяют в 9, 13, 17 часов, иногда в
зависимости от целей исследования через меньшие интервалы
времени. Испаряемость вычисляют по формуле Иванова или по
потере массы в рядом установленном кристаллизаторе с водой.
Испарение и испаряемость можно определять на одних и тех
же объектах (Судницын и др.). В этом случае взвешенные
растения выдерживают в сосуде с водой в течение часа,
вынимают, снимают с поверхности капельки фильтровальной
бумагой, экспонируют образец в течение трех минут и взвешивают.
Потеря воды при этом из водонасыщенного побега или листа
соответствует их испаряемости — Го-
Полевой метод измерения относительной транспирации
предложен сотрудниками МГУ (Шеин и др.). Выделяют две
типичные площадки с растениями (на одной естественная
влажность почвы, на второй — поддерживается близкой к ПВ
216
в корнеобитаемой толще). Срезают листья, взвешивают,
экспонируют и вновь взвешивают. Разница в массе перед
экспонированием и после него фиксирует количество испарившейся
воды.
По мере уменьшения влажности на первой делянке
снижается влагообеспечеииость растений. При относительной транс-
пирации 1,0—0,8 растения хорошо развиваются и дают
максимальную продукцию. При падении ее до 0,5—0,2 рост
замедляется, а при влажности завядания прекращается.
Для водного баланса поля расход на транспирацию
необходимо выразить в мм/сутки по отдельным стадиям развития и
за вегетационный период. Приведем пример. Среднесуточная
транспирация хлопчатника составляет 10 мг/г»мин. Для
перевода этого значения в мм/сут с помощью коэффициента 1,44Х
ХЮ"4 надо знать сырую листовую массу хлопчатника на
момент определения транспирации. Для этого на участке 100 X
Х100 м (1 га) по диагонали выбирают около 40 типичных
растений, определяют среднюю массу листьев и число растений:
на га.
Средняя масса листьев одного растения 0,1 кг, количества
растений на га — 80 тыс., отсюда масса листьев на 1 га
8-Ю3 кг. Транспирация составит 10 мг/г-мин«8-103 кг-1,44 X
X 10-4= 11,52 мм/сут, (1,44 • Ю-4 — коэффициент пересчета
в мм/сут).
Чтобы вычислить транспирационный расход за
определенную фазу развития, необходимо знать продолжительность фазы,
в днях и среднесуточную транспирацию в этот период.
Срок полива определяют при влажности почвы 60—80 %.
полевой влагоемкости.
Полив зерновых культур, хлопчатника по потенциалу
почвенной влаги производится при отрицательном давлении
влажности 65, 80 кПа; капусты, свеклы, огурца — 40, 40,.
50,5 кПа; лука и раннего картофеля — 25,5, 32 кПа. При этом
необходимо учитывать, что с повышением давления возрастает
подвижность влаги.
Потребление растениями влаги из почвы зависит от
величины запасов (№п), давления (Рп) и влагопроводности ее (Ки)-
Чем выше названные величины, тем легче поступает вода
в растение. Соответствующие показатели растения (Wv, Pp>
Кр) обусловливают перемещение влаги внутри него.
Поступление воды в растение обусловлено перепадом давления влаги
в почве и растении и различием их коэффициентов
влагопроводности. Поток воды из почвы в корень растения (Q)
подчиняется уравнению:
где А/ — длина пути.
21Г
Всасывающая сила растений зависит от массы и длины
корней (особенно тонких) в единице объема почвы, фазы
развития растения и его физиологических особенностей
(ксерофиты, мезофиты, гидрофиты).
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЧВ И ГРУНТОВ
Под водопроницаемостью почв и грунтов понимают
способность их впитывать и пропускать" сквозь толщу горизонтов и
слоев воду с поверхности. В первый момент поступления воды
в ненасыщенную почву вода впитывается и передвигается
в вертикальном и горизонтальном направлениях под влиянием
градиентов сорбционных и менисковых сил, а также
гидростатического напора. Чем тяжелее почва по гранулометрическому
составу, чем больше в ней тонкокапиллярных пор, чем она
суше, тем больше воды впитывается. Этот процесс
характеризуется коэффициентом впитывания.
Прохождение воды через водонасыщенные (до полной вла-
гоемкости) слои почв или грунта под влиянием сил гравитации
и градиента напора называется фильтрацией и
характеризуется коэффициентом фильтрации.
После прекращения поступления воды сверху происходит
перераспределение ее в почвенно-грунтовой толще — стекаиие
в нижние горизонты и слои. Процесс характеризуется
коэффициентом водоотдачи. Эти коэффициенты применительно как ко
всей изучаемой толще, так и к отдельным горизонтам и слоям
необходимо знать при решении мелиоративных задач-
(определение метода и нормы полива, междренного расстояния,
глубины промачивания и т. п.).
В природных условиях выделить отдельные процессы почти
невозможно. Фильтрацию в чистом виде можно наблюдать
в дне водоемов, рек, а также в случае поступления на почву
большого потока воды, когда все слои до верховодки или
грунтовой воды полностью насыщены. В агрономической практике
чаще наблюдают впитывание, так как воду подают в
небольшом количестве. Изучать процессы впитывания, фильтрации и
водоотдачи раздельно можно в поле лизиметрическим
методом, в лаборатории на монолитах и образцах нарушенного
сложения — в трубках.
Окончанием впитывания и началом фильтрации в полевых
условиях можно считать установление равновесного расхода
воды. В лабораторных опытах о начале фильтрации
свидетельствует появление первой капли фильтрата в нижней части
фильтрующей колонны почвы. На величину и характер
водопроницаемости в сильной степени влияет порозность почвы и
грунта — величина, форма и направленность пор, что, в свою
очередь, связано с гранулометрическим составом и
структурностью. В почвах и грунтах легкого гранулометрического
состава (песчаных, супесчаных), а также бесструктурных
водопроницаемость зависит лишь от сложения гранулометрических
218
элементов; в почвах структурных она обусловлена размерами
агрегатов, их положением относительно друг друга и главным
образом водопрочностью. Водопроницаемость уменьшается со
временем, так как при насыщении почвы водой происходит
разрушение структуры, постепенное уплотнение за счет
заиливания порового пространства.
Водопроницаемость зависит от химического состава и
особенно от обменного натрия, обусловливающего диспергацию
почвы. От влажности почвы перед определением
водопроницаемости зависит расход воды на впитывание.
Наличие в почве капиллярных и некапиллярных пор
обусловливает неоднородное движение воды ламинарного и
турбулентного характера. При ламинарном движении, характерном
для почв и грунтов гомогенного сложения, вода проходит
равномерно, промачивая их на одинаковую глубину.
Турбулентная водопроницаемость объясняется
неоднородным сложением почв и грунтов, наличием некапиллярных
промежутков: трещин, ходов землероев и т. п. Поэтому промачи-
ваиие почвы неоднородно, на разную глубину. Поливная вода
в таких случаях расходуется нерационально.
Передвижение свободной воды в почвах и грунтах сверху
вниз обусловлено разностью напора (давления) в начале и
конце фильтрующего слоя. Скорость движения воды
возрастает с увеличением разности напора и уменьшением длины
фильтрационного пути, так как с последним связано
сопротивление, испытываемое водой при движении. Зависимость
скорости фильтрации от величины напора была выявлена Дарси
в 1856 г., он же выразил ее математически формулой,
получившей название закона Дарси.
Дарси установил, что расход воды на фильтрацию в
единицу времени прямо пропорционален разности напоров на
определяемой длине почвенной колонны и площади поперечного
сечения потока и обратно пропорционален длине пути
фильтрации:
где Q —расход воды, м3, см3, мм; К — коэффициент фильтрации; S —
площадь поперечного сечения потока, см2; Г —время фильтрации, с, мин, ч„
сутки; Я — разность гидростатического давления на верхнем и нижнем
концах фильтрующей колонны — потеря напора, см; I — длина пути
фильтрации, см.
Отношение потери напора Н к длине пути фильтрации t
носит название гидравлического градиента или
пьезометрического уклона /:
i=JL
I
Подставляя это выражение, получаем
Q = KSTI.
219»
Из последней формулы выводят коэффициент фильтрации
или расход воды на единицу площади S в единицу времени Т
на единицу уклона / при данной температуре t:
к - Q
Закон Дарси выражают и уравнением скорости фильтрации
v=KI,
где v — скорость фильтрации, мм/мин, см/с, м/сутки.
При градиенте напора, равном единице, коэффициент
фильтрации К имеет размерность скорости фильтрации v.
Величина коэффициента фильтрации зависит от свойств
почвы и грунта, а также от свойств фильтрующейся жидкости
(воды) — вязкости ее, которая, в свою очередь, зависит от
температуры и минерализации. С понижением температуры
увеличивается вязкость воды, а следовательно, уменьшается
подвижность ее, и наоборот. Данные по водопроницаемости,
полученные при разных температурных условиях, не могут
быть сравнимы. Поэтому принято приводить их к единой
температуре 10 °С, вводя в формулу расчета поправочный
температурный коэффициент Хазена: 0,7+ (0,03 *t).
С учетом поправки на температуру коэффициент
водопроницаемости рассчитывают по формуле
10 0,7+ (0,оз-0 '
где Кю — коэффициент водопроницаемости, приведенный к температуре 10 °С;
Kt — коэффициент водопроницаемости при данной температуре t °C; t —
температура используемой воды.
Как видно из формулы, расход воды учитывается на всю
заливаемую площадь поперечного сечения почвенной колонны,
включающую твердую фазу и поровое пространство.
Фактически же вода просачивается лишь через поры. Поэтому
истинная скорость движения воды выше скорости фильтрации.
Для расчета истинной скорости движения воды аист
скорость фильтрации 0фиЛ относят к коэффициенту активной
пористости в долях единицы р.
Тогда аист= °*иЛ или Уфил==^истР- Следовательно, Q =
р
= А ист ■ «Ъ * Р' * ] К ист — ~ г" »
где Яист—коэффициент истинной скорости движения воды; р
—коэффициент пористости в долях единицы; 5 — площадь поперечного сечения
фильтрующей колонны; / — гидравлический градиент.
220
Формула Дарси выведена на основании лабораторных
исследований фильтрации воды в трубках с однородным песком,
поэтому приложима к условиям ламинарного движения воды
в однородных песках при диаметре частиц от 0,5 до 2 мм,
а также условиям установившейся фильтрации (дно водоемов,
каналов и т. п.). Однако и в почвенной практике ее широко
применяют для вычисления коэффициентов впитывания и
фильтрации.
Водопроницаемость выражают в миллиметрах водного
столба за единицу времени (это удобно потому, что осадки и
испарение выражают в миллиметрах), а также в сантиметрах,
литрах или кубометрах в единицу времени: секунды, минуты,
часы, сутки.
Водопроницаемость — одно из важнейших
водно-физических свойств почвы. С ней связано использование атмосферных
осадков и поливной воды. При хорошей водопроницаемости
осадки, а также поливная вода почти полностью проникают
в почву, создавая запасы влаги, и, наоборот, при плохой
водопроницаемости вода стекает по поверхности, вызывая эрозию.
На водонепроницаемых и слабопроницаемых нижних
горизонтах образуются временные верховодки. Однако хорошая
водопроницаемость может быть нежелательным явлением при
гидротехнических работах. Вот почему изучению
водопроницаемости, ее величины, характера и способов изменения уделяют
большое внимание при исследованиях почв и грунтов.
Вследствие комплексного характера изучать ее в почвах
естественного сложения, особенно в целях ирригации, нужно при
тщательном контроле.
В связи с неоднородностью строения и свойств отдельных
генетических горизонтов их водопоглощающая и
водопропускная способность различны, что необходимо учитывать при
мелиоративных исследованиях и определять для каждого
горизонта и слоя. Особо важно знать водопроницаемость тех
горизонтов, которые выходят на поверхность дна и стенок
ирригационной сети (каналов, дрен).
Для оценки водопроницаемости почвы в агрономических и
мелиоративных целях используют шкалу Н. А. Качинского
(табл. 32).
32. Оценка водопроницаемости почв тяжелого механического состава
(по Н. А. Качинскому) (напор воды Н = 5 см при температуре 10 °С)
Водопроницаемость, мм в первый час
Оценка
Свыше 1000 Провальная
1000—500 Излишне высокая
500—100, выравненная по всей поверхности Наилучшая
100—70 Хорошая
70—30 Удовлетворительная
<С30 Неудовлетворительная
221
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ
Водопроницаемость в основном следует изучать в
природных условиях. Лабораторные исследования должны дополнять
и углубдять полевые, но не заменять их.
ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ
При выборе метода необходимо исходить из поставленной
цели, а также характера исследования (экспедиционный или
стационарный). Для полевых определений водопроницаемости
почв наиболее известны метод заливаемых площадей, метод
трубок и лизиметрический. Коэффициент фильтрации
определяется методом откачки, методом заполнения скважин, с
помощью индикаторов.
МЕТОД ЗАЛИВАЕМЫХ ПЛОЩАДЕЙ
К этому методу относят метод рам и метод полива
опытных делянок.
Метод рам. Рамы различной величины и формы (круглой,
квадратной, прямоугольной) врезают в почву, в них заливают
воду и учитывают интенсивность впитывания при постоянном
или переменном напоре за определенные интервалы времени.
Подают воду и поддерживают ее уровень вручную (мерным
сосудом) или водорегулирующими приспособлениями,
основанными на принципе сосудов Мариотта (см. приборы Качин-
ского, Нестерова ПВН и др.) или типа поплавка.
Чаще употребляют металлические или деревянные
квадратные рамы. В каждом варианте определения необходимы две
рамы: большая — внешняя и малая — внутренняя. Первая —
защитная, ограничивающая растекание воды в почве из
внутренней учетной. Площадь рам может быть различной.
Целесообразно использовать рамы —внешнюю площадью 50x50 см>
внутреннюю — 25x25 см. Высота стенок каждой рамы 20 см„
в нижней части их затачивают клином, чтобы легче врезать
в почву. Для металлических рам используют полосовое железо-
толщиной 2,5—3 мм, углы квадратов в верхней части
скрепляют угольниками из того же материала, с наружной и
внутренней стороны квадраты окрашивают масляной краской. У
деревянных квадратов нижнюю клинообразную часть их и
верхний борт обивают жестью или оцинкованным железом. Углы
деревянных квадратов снаружи тоже скрепляют угольниками
из полосового железа, а внутри промазывают замазкой. Чтобы
квадрат не впитывал воду, его несколько раз окрашивают
масляной краской.
Установка квадратов (рис. 62). Водопроницаемость
определяют с двойным или тройным контролем. Расстояние
между контрольными квадратами 50 см. Квадраты устанавли-
222
Рис. 62. Определение водопроницаемости методом
квадратов.
вают на типичной площадке почвы недалеко от основного
почвенного разреза. Необходимо, однако, учитывать, что разрез
может играть роль дрены и близкое расположение к нему
отрицательно повлияет на результаты. Площадку нужно
предохранять от утаптывания и засорения.
Сначала устанавливают внешний квадрат, затем
внутренний следующим образом. Квадрат ставят на площадку почвы,
с внутренней стороны ножом намечают его границы. По
намеченной границе прорезают узкую щель глубиной 8—10 см
с расширением кнаружи. В нее вставляют квадрат
клинообразной его стороной и сначала вручную, а затем деревянным
молотком плотно вгоняют в щель на всю ее глубину (кладут
по диагонали доску и по ней ударяют молотком, чтобы не
деформировать углы квадрата и не разбить молоток). С
внутренней стороны квадрата узкой полосой (1—2 см) почву
придавливают к его стенке деревянной доской или рукояткой
ножа; с наружной стороны хорошо утрамбовывают почву.
Внутренний квадрат при установке центрируют по внешнему.
Также сначала прорезают щель, в которую его плотно
вгоняют, по внутренней и внешней стенкам квадрата почву
уплотняют полосой в 1—2 см.
Учет водопроницаемости. В каждом квадрате
устанавливают водомерную линейку, по которой отмечают
уровень воды, и термометры для учета температуры воды.
Наполнение водой контрольных квадратов производят поочередно.
Учетный и защитный квадраты заливают одновременно.
Сначала воду подают ведрами, предварительно вымеренными, и
льют на фанерные вкладыши или травяные подушечки, пока
уровень ее не достигнет 5 см в обоих квадратах. С этого
момента воду учитывают и подливают в квадраты мерными
цилиндрами для поддержания постоянного уровня (5 см).
Учитывают расход воды по внутреннему квадрату в
следующих интервалах времени: в первый час — за каждые 10 мин
(6 отсчетов), во второй и третий часы—-за каждые 30 мин
(4 отсчета) и далее за каждый последующий час.
Водопроницаемость прослеживают на неорошаемых участках в
продолжение 3—6 ч, на орошаемых —> 6 ч. В каждый срок учета
расхода воды записывают ее температуру. При определении
водопроницаемости, особенно в жаркое время, нужно учитывать
223
потери воды через испарение. Для этого в начале
определения рядом с квадратами ставят сосуд (стакан, широкий
цилиндр), доверху наполненный водой. Каждый час и в конце
работы измеряют количество испарившейся воды в стакане и
рассчитывают испарение в мм вод. ст. на единицу поверхности.
Перед началом определения водопроницаемости рядом
с площадкой, где устанавливают квадраты, нужно определить
влажность почвы до глубины не менее одного метра. Образцы
берут в сушильные стаканчики (алюминиевые) с тройным
контролем каждые 10 см до глубины 50 см и через 10 см—до
метра с помощью бура или из стенки открытого почвенного
разреза, причем стенку разреза зачищают на глубину 10 см.
Водопроницаемость вычисляют для каждого интервала
времени наблюдений и выражают в мм вод. ст. в единицу
времени по формуле
„ (МО
где Kt — водопроницаемость, мм/мин, м/ч при данной температуре; Q
—количество просачивающейся воды, см3; 10 — пересчет см3 в мм вод. ст.; 5 —
площадь квадрата, м2, см2; Т — время, мин, ч.
Поправку на пьезометрический уклон в формуле не вводят,
так как для полевых условий при промачиваиии почвы на
большую глубину и при напоре воды на поверхности почвы
5 см он близок к единице и величину водопроницаемости
практически не изменит.
Полученный коэффициент водопроницаемости при данной
температуре приводят к температуре 10 °С.
Из средних значений водопроницаемости в отдельный срок
наблюдений (минутных) рассчитывают среднюю
водопроницаемость в мм/мин для часового срока наблюдения
(определяют среднюю водопроницаемость в минуту первого, второго
часа и т. д.).
Водопроницаемость за час наблюдения получают путем
умножения средней величины водопроницаемости в мм/мин на 60.
Величину водопроницаемости (средние из контрольных
определений по внутренним учетным квадратам) заносят в
таблицу 33 и оформляют графически в виде кривых (рис. 63),
где по оси ординат откладывают величины водопроницаемости
/Сю, а по оси абсцисс — время наблюдения Т. График можно
строить по средним значениям водопроницаемости в интервале
наблюдения мм/мин, см/с, мм/ч, а также по общему
количеству воды за часовые наблюдения (например, всего за 1-й час,
всего за 2-й час и т. д.).
При работе методом заливаемых квадратов учитывают
характер растекания воды в почве, производя, где это возможно,
зарисовку и обмер контура смоченности. Для этого по
окончании определения водопроницаемости квадраты снимают,
смоченную площадку защищают от испарения (укрывают сначала
224
33. Водопроницаемость почвы (мм/мин) в различные интервалы отсчетов
(при t = 10 СС, И = 5 см)
ев
рез
ее
Pi
Почва, угодье
10
10
Интервалы наблюдений
1-й ч
минуты
10
10
10
10
средняя,
мм/мин
всего,
мм/ч
1 Светло-каштановая со- 3,42 1,27 0,88 0,49 0,26 0,33 1,11 66,60
лонцеватая,
суглинистая, целина
Продолжение
ев
рез
(X
Почва, угодье
Интервалы наблюдений
2-й ч
минуты
30
30
средняя,
мм/мин
всего,
мм/ч
3-й ч
минуты
30
30
средняя,
мм/мин
всего,
мм/ч
1 Светло-каштановая со- 0,31 0,67 0,49 29,40 0,31 0,44 0,37 22,20
лонцеватая,
суглинистая, целина
Продолжение
cti
№ разрез
Почва,
угодье
Интервалы наблюдений
4-й ч
средняя,
{ мм/мин
S всего,
мм/ч
б-й ч
средняя,
мм/мин
! всего,
мм/ч
6-й ч
средняя
мм/мин
всего,
мм/ч
Всего
за 6 ч
наблюдений, мм
1 Светло-каштановая со- 0,32 19,20 0,27 16,20 0,26 15,60 169,20
лонцеватая,
суглинистая, целина
клеенкой, затем сеном или соломой слоем около 20 см) и
выдерживают до установления капиллярного равновесия. В
почвах песчаных, супесчаных и легкосуглинистых через 24 ч,
в суглинистых и глинистых через 48 ч делают вертикальный
разрез — траншею — через центр площади внутренних
квадратов по всем контролям опыта на глубину, на 30 см ниже
видимой нижней границы смоченности. Для'точного замера
смоченную поверхность подразделяют на квадраты со стороной 10 см
и воспроизводят контур на миллиметровой бумаге или по
клеткам в рабочей тетради (рис. 64).
Характер растекания воды в почвах различен в
зависимости от механического состава, структуры и их сложения.
Контур смоченности наглядно покажет особенности почвы и
225
fami/HM
Рис. 63. Водопроницаемость почв.
Метод малых заливаемых площадей
(Н=5 см):
1 — чернозем; 2 — дерново-подзолистая
почва; В — солонец.
Послужит дополнительной
характеристикой к оценке ее
водопроницаемости.
На этих же площадках,
под учетными (малыми)
квадратами, из «освеженной»
стенки разреза или буром
берут пробы почвы на
определение общей влагоемкости.
Если водопроницаемость
почвы определяют на
территориях, поливаемых методом
борозд, вместо квадратных
рам используют
прямоугольные размером 15x120 см. Три
рамы ставят параллельно друг
другу, расстояние между ними
должно быть равно
расстоянию между бороздами полива. Серединная рама является
учетной, а крайние выполняют роль защиты от бокового растекания
воды. Определение и расчет водопроницаемости ведут так же,
как и в случае квадратных рам.
Метод заливаемых квадратов дает количественную
характеристику водопроницаемости почвы. Он наиболее
распространен, хотя весьма трудоемок для определения
водопроницаемости с поверхности почвы.
Определение водопроницаемости прибором ПВН (рис. 65).
В настоящее время промышленность выпускает прибор с
автоматической подачей воды типа ПВН-00 (прибор для
определения водопроницаемости по Нестерову). Он состоит из двух
герметично закрывающихся бачков (сосудов Мариотта) 2, двух
цилиндрической формы рам 8 и 9 диаметром 22,5 и 45 см,
штатива 5.
Бачки, объемом 6 л каждый, служат для автоматической
подачи воды в рамы. В верхней части бачка имеется отверстие,
закрывающееся пробкой 1, через которое его наполняют водой.
Рис. 64. Профиль смоченности после определения водопроницаемости почвы
(светло-каштаиовой, солонцеватой, тяжелосуглинистой).
226
В стенке бачка закреплена
шкала из небьющегося стекла
для наблюдения за уровнем
воды. Цена каждого деления
шкалы соответствует объему
0,1 л. В нижней части бачка
имеются две трубки с
кранами — водоспускная 7 для
подачи воды из бачка в раму и
воздушная 6 для подачи
воздуха в бачок. Бачки
устанавливают на штативе, ножки
которого гайками 4 закрепляют
на ободе большой рамы.
Горизонтальное положение
прибора проверяют по отвесу 3.
На внутренней стороне малой
рамы нанесены деления от 0
до 10 для контроля уровня
воды при работе.
Так же как в
вышеописанных методах, цилиндрические
рамы устанавливают на
подготовленной для определения
водопроницаемости площадке.
Одновременно в обе рамы из
ведер наливают воду до
принятого уровня напора (5 или
10 см). После этого на штативе помещают заполненные водой
бачки так, чтобы из одного вода подавалась во внутреннюю, из
другого — во внешнюю раму. Конец воздушных трубок должен
быть на уровне поверхности воды, а водоспускных — на 2—
3 см ниже. Сначала открывают водоспускные, затем
воздушные трубки. При понижении уровня воды в раме ниже края
воздушной трубки через последнюю в бачок будет поступать
воздух, вытесняя из него воду (принцип Мариотта), и, таким
образом, в течение всего срока наблюдений напор воды будет
постоянным. За расходом воды наблюдают по
водомерной шкале, учитывая его через определенные интервалы
времени.
Полевые записи, расчет водопроницаемости, занесение
данных в таблицы и построение графиков такие же, как и в
методе рам.
Следует учитывать один недостаток этого прибора. При
нагревании стенок бачка воздух внутри его также нагревается
и выталкивает воды больше, чем ее впитывается в почву.
Особенно это может сказаться в жаркую погоду и при малой
водопроницаемости. Поэтому при работе следует предохранять
бачки от перегрева.
Рис, 65. Прибор ПВН-00 для
определения водопроницаемости почв и
грунтов:
/ — пробка; 2 — бачок; 3 — отвес; 4 —
5 —штатив; 6 и 7 —трубки; 8
К 9 — рамы.
гайки;
227
Метод полива опытных делянок дает наилучшие результаты,
но трудоемок, поэтому имеет ограниченное применение. Воду
подают тем же способом, что и при поливе: сплошным слоем
(то есть напуском), по бороздам или дождеванием.
Размеры и форма опытных делянок зависят от типа
полива: квадратные — в случае подачи воды сплошным слоем и
дождеванием, вытянутые в одном направлении — при подаче
воды по бороздам. Каждую делянку ограничивают
утрамбованным валиком высотой в 15—20 см, шириной у основания
40—60 см. Обработка почвы на делянках должна быть такой
же, как на остальном поле. На подготовленную делянку
подают воду и поддерживают слой 5 или 10 см в продолжение
всего срока наблюдения. Если водопроницаемость нужна для
расчета потерь воды из оросительной системы, то наблюдения
следует продолжать до установления равномерного расхода
воды. Если определяется скорость впитывания и характер про-
мачивания почвы, то срок наблюдения зависит от поливной
нормы.
При подаче воды сплошным слоем или дождеванием
устанавливают скорость только вертикального промачивания, а при
подаче по бороздам нужно обязательно учитывать скорость
промачивания и в горизонтальном направлении. Это
необходимо для определения типа борозд, их глубины и расстояния
между ними. Расчеты и оформление полученных данных такие
же, как при методе заливаемых квадратов.
МЕТОД ТРУБОК
Этот метод по сравнению с другими менее трудоемок, не
требует большого количества воды, позволяет изучать
варьирование водопроницаемости почвы с поверхности и по
генетическим горизонтам. Необходимо большое число повторностей
определения (не менее 10 трубок) по всем генетическим
горизонтам. Для трубок подготавливают площадки размером IX
XI м, выравнивают лопатой, но не утаптывают. При
определении водопроницаемости отдельных генетических горизонтов
трубки устанавливают в верхней части горизонта. При наличии
большого количества трубок их можно устанавливать
одновременно на разных горизонтах. После определения горизонт
удаляют (снимают) и трубки устанавливают на нижележащий
горизонт. В случае маломощного горизонта или высокой
водопроницаемости, когда вода просачивается в нижележащий
горизонт, следующую площадку сдвигают в сторону.
Водопроницаемость почвы методом трубок изучают с
переменным и постоянным напором воды.
Метод трубок с переменным напором воды. Используют
стеклянные и металлические трубки. В стеклянных трубках
можно видеть изменение уровня воды и скорость просачивания,
но они хрупки, поэтому необходимо дополнительное оборудо-
228
вание (бурик, мех для проду- -±*№*№№&ЦШ*
вания скважин). В настоящее :^uW"^:i^
время в полевых исследова- ч^Й^
ниях широко используют ме- ^£ж^|^
таллические трубки диамет- ^Щ!жЩ^-^ % ^ ^:Ш^
ром 5—6 см, высотой 13 см '•;■ *ууЩ\<-'.'« .' -. ■ Bi '•,'.',-." ;'f fi'yfe
(на 3 см трубку погружают ^;f$^
в почву и 10 см —начальная ^л1!]^^
высота столба воды). Нижний
конец трубки заострен. На Рис- 66- Определение водопроницае-
подготовленную площадку ус- мости П0ЧВЬка™сТмМ ТРУб°К П°
танавливают 10 трубок на рас- ачинскому.
стоянии 13—15 см одна от
другой, в два ряда в шахматном порядке (рис. 66). Трубку
погружают в почву надавливанием рукой или (в случае
уплотненного горизонта) забивают деревянным молотком. С внешней
стороны почву вокруг трубки уплотняют. Так как
водопроницаемость в сильной степени зависит от влажности, то
одновременно необходимо определить ее. Установив трубки, наливают
в них воду с помощью предохранителя. Предохранитель состоит
из цилиндрической коробочки с вогнутым дном и ввинченной
трубки внутреннего диаметра 3 мм. На боковой поверхности
коробочки, на высоте 0,5 см от нижнего края, просверлено
десять круглых отверстий с таким расчетом, чтобы суммарная
площадь их поперечного сечения приблизительно в десять раз
была больше площади внутреннего поперечного сечения трубки
предохранителя. При таком устройстве предохранителя вода
из отверстия поступит в трубку слабыми струйками, не
нарушит поверхности почвы в трубке и не исказит результаты.
Коробочка предохранителя должна быть разъемной
(свинчивающейся), чтобы ее можно было чистить. К трубке
присоединена воронка через резиновую трубочку.
Коробочку предохранителя опускают в трубку до
поверхности почвы и через воронку наливают воду. По мере
наполнения трубки водой предохранитель постепенно поднимают, не
отрывая его дна от поверхности воды. Трубки наливают до
верха, отмечают время заполнения, а затем время просачивания
воды из трубки в почву.
Одновременно с установкой трубок рядом с ними ставят
два стакана, заполненные доверху водой, для учета испарения
воды (внесение поправки при расчете водопроницаемости).
Особенно это важно в случаях малой водопроницаемости,
высокой температуры воздуха и длительного срока наблюдения.
Обязательно нужно замерять и записывать температуру воды. При
длительном сроке наблюдений температуру следует замерять
несколько раз и для расчета брать среднее ее значение на этот
срок.
Почвы легкого механического состава имеют сравнительно
выравненную водопроницаемость, и просачивание воды проис-
,220
ходит равномерно во всех трубках. У почв тяжелого
механического состава водопроницаемость варьирует: в одних трубках
вода просачивается за секунды (червоточины, трещины), в
других— может держаться очень долго. В таких случаях
продолжительность наблюдения ограничивают 3 ч, после чего
замеряют высоту столба просочившейся воды с помощью линейки.
При хорошей водопроницаемости, особенно с поверхности почвы,
иногда производят трехкратное наполнение трубок, что
позволяет получить представление об изменении водопроницаемости
почвы во времени. В таком случае за окончательный итог
принимают среднее из трех наполнений.
Водопроницаемость почвы при данном методе работы
выражают в мм вод. ст., проходящего через единицу площади
в единицу времени, и рассчитывают по формуле
где Kt — водопроницаемость почвы при данной температуре, мм вод. ст.; h —
высота столба просочившейся воды, мм, см; Г —время, мин, с, ч.
Так же как и в других методах, водопроницаемость
приводят к температуре 10 °С по формуле.
Расчет производят для каждой трубки в отдельности. Затем
выводят среднее значение К\о мм/мин для данного
генетического горизонта.
Средние величины водопроницаемости представляют в виде
таблицы 34 и графиков.
34. Водопроницаемость почвы в мм/мин при t = 10 °С
(метод трубок с переменным напором)
о.
[Почва, угодье, пункт
Горизонт
(глубина), см
Влажность почвы
в момент работы
абсолютная,
% от массы
абсолютно
сухой почвы
относительная, % к
общей влаго-
ем кости
о
IS
о а
та
14 Чернозем выщелоченный
легкоглинистый.
Пшеница яровая по
картофелю. Свердловская обл.
13 Солонец орехов ато-глы-
бистый легкоглинистый.
Целина. Свердловская
обл.
Дерновая среднеподзоли-
стая суглинистая почва.
Стерня ржи.
Свердловская обл.
Ап с
поверхности
Въ 30
Вя, 50
В3$ 85
Лп с
поверхности
Въ 15
С, 75
Ап с
поверхности
Въ 30
23,13
22,14
19,84
—
25,23
28,68
23,91
23,59
22,10
48,46
71,14
82,89
—
61,63
81,88
102,66
91,78
118,17
9,87
6,П
0,67
0,59
0,07
0,02
0,05
1,54
0,36
230
кю мм/ниН
6Unt0123l56
^50
1,
i i i i i [ i i rr i
№
Рис. 67. Водопроницаемость почвы
в мм/мии (Km), метод трубок с
переменным напором (по Каминскому).
Графически
водопроницаемость отдельных горизонтов,
определенную методом
трубок, можно изобразить или
столбиками, расположив их
вниз, считая поверхность
почвы за 0, или фигурами по
профилю почвы (рис. 67).
В последнем случае намечают
центральную линию и от нее
откладывают равные отрезки'
в ту и другую сторону.
Метод трубок с
постоянным напором. На кафедре
физики и мелиорации почв МГУ разработана конструкция
прибора, позволяющего определять водопроницаемость почв в их
естественном сложении в поле и в лаборатории на монолитах.
Описание прибора. Основная часть прибора
—рабочий цилиндр с трубкой, изготовленные из прозрачного
плексигласа. Трубка служит для установления постоянного напора по
принципу Мариотта. Верхний край цилиндра окантован
металлическим кольцом с винтовой нарезкой с внешней стороны.
Нижним концом цилиндр (на резьбе и заклепках) соединен
с металлическим буром высотой 3 см. Диаметр нижней
режущей части бура на 1 мм меньше диаметра его внутренней
цилиндрической. Благодаря этому при погружении в почву он
не деформирует ее. Между металлическим буром и прозрачным
цилиндром имеется металлическое, выпуклое внутрь цилиндра
дно с 16 равномерно расположенными отверстиями диаметром
4 мм. Во время заполнения цилиндра вода струйками поступает
на поверхность почвы, не размывая ее.
Сверху цилиндр герметически закрыт крышками — верхней
и нижней (внутри). Верхнюю навертывают на оправу и
прижимают нижнюю. Герметичность соединения обеспечивается
резиновой прокладкой, помещенной между крышкой и оправой
цилиндра. Трубку, входящую внутрь цилиндра, закрепляют во
втулке нижней (неподвижной) крышки посредством гайки и
резиновой прокладки. На верхний конец трубки надет
металлический наконечник. Верхняя часть цилиндра имеет
редукционный клапан для выпуска воздуха из цилиндра при
заполнении его водой через трубку. Для большей устойчивости цилиндр
соединен с буром тремя тонкими металлическими пластинками.
На стенке цилиндра нанесена градуировка в линейных (см) и
объемных (см3) единицах. Трубка также отградуирована в
линейных единицах.
Конструкция прибора позволяет определять
водопроницаемость почвы при переменном и постоянном напоре. Для
определения водопроницаемости с переменным напором крышки
с цилиндра снимают и воду заливают непосредственно
231
в цилиндр до соответствующей отметки, замечают время и
наблюдения ведут при открытом цилиндре.
Для определения водопроницаемости при постоянном
напоре воду заливают в закрытый цилиндр через трубку,
установленную на определенной высоте от дна соответственно
задаваемому давлению. Прибор работает с постоянным напором
лишь при условии герметичности, когда воздух входит только
через узкую трубку, компенсируя объем воды,
израсходованной на поглощение ее почвой.
Установка цилиндров. Наличие пяти одинаковых
цилиндров в приборе позволяет вести наблюдения с контролем.
Перед работой крепко завинчивают крышку цилиндра, трубку
2 при этом ослабляют и опускают до конца в цилиндр.
Цилиндры расставляют на подготовленной площадке
размером 1X 1 м и погружают в почву на глубину,
соответствующую высоте металлического бура. Для этого на цилиндр
надевают боек и если почва рыхлая, то цилиндр входит в почву от
надавливания на него рукой; в твердую почву цилиндр
погружают, ударяя по бойку деревянным молотком. Установив
цилиндр, уплотняют вокруг него почву. Поднимают узкую трубку
и закрепляют ее гайкой с помощью ключа на соответствующей
отметке по высоте, то есть на требуемый напор. Отвернув на
два-три оборота винт редукционного клапана, вставляют
в трубку воронку и заливают в цилиндр воду до верхней
отметки по объему или высоте. Завернув до отказа винт клапана
цилиндра, замечают и записывают время начала наблюдений.
Так поочередно наливают все пять цилиндров и ведут
наблюдения за количеством просочившейся воды в определенный
интервал времени. Просочившуюся воду восполняют, но перед
этим записывают точный объем или высоту оставшейся воды.
Вышеописанный прибор следует дополнить открытыми
металлическими цилиндрами диаметром 16 см и высотой 10 см,
которые используются как защитные от растекания воды из
основной трубки.
Подобно методу квадратов здесь приняты следующие
интервалы времени: б отсчетов каждые 10 мин, 4 отсчета каждые
30 мин и затем через час. Общая продолжительность
наблюдений зависит от поставленной цели. Водопроницаемость
рассчитывают в мм вод. ст. за единицу времени (мин) и приводят
к температуре 10 °С, как по методу трубок, если учет велся по
высоте столба воды, или как по методу заливаемых площадей
в случае учета просочившейся воды по объему.
Результаты наблюдений заносят в таблицу и строят график
по образцу, приведенному в методе квадратов.
Метод трубок с постоянным напором может быть
рекомендован для определения водопроницаемости на территориях со
значительным уклоном, так как в приборах с большой
площадью напор воды в разных точках неодинаков.
232
ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
В настоящее время лизиметрическим методом пользуются
при почвенных, агрохимических, мелиоративных,
гидрогеологических исследованиях.
С его помощью изучают водопроницаемость почвы,
испарение, состав почвенного раствора, миграцию элементов и т. д.
Применение его возможно в полевых стационарных и полуста-
ционариых условиях. В почвенной и гидрологической практике
известны два типа лизиметров: изолированные почвенные
колонны— лизиметры закрытые (от бокового поступления воды)
и лизиметры воронки—лизиметры открытые*.
Метод изолированных колонн. Высота, а также площадь
поперечного сечения почвенной колонны из естественного или
насыпного грунта могут быть различны в зависимости от
поставленной цели.
По форме лизиметры могут быть квадратными или
цилиндрическими и изготовлены из кирпича, бетона, оцинкованного
железа, нержавеющей стали, пластмассовых стойких
материалов.
Учитывая, что лизиметрический опыт продолжается годы,
а иногда и десятки лет, материал для их изготовления
подбирают стойкий к действию почвенного раствора и
микроорганизмов. Лизиметры (контейнеры) из кирпича и бетона должны
иметь гидроизоляционную -прокладку стенок и дна и
облицованы с внутренней стороны кислотоупорным покрытием (плитка,
пленка, битум). Лизиметры из оцинкованного железа также
покрывают с внутренней стороны устойчивой к растворению
пленкой (битумом и т. п.).
Дно лизиметра имеет наклон к одной из стенок или
к центру (в виде неглубокой воронки). К вершине
углубления остается открытое водоотводное отверстие, покрытое
сеткой из керамики или другого некоррозирующегося и
кислотоустойчивого материала. Под водоотводным отверстием вделана
воронка, от которой отводится трубка в специально
устроенную галерею, расположенную под лизиметрами или рядом
с ними. Лизиметрические растворы собирают в приемники —
стеклянные или полиэтиленовые бутыли.
Перед загрузкой на дно лизиметра насыпают промытый
дренаж (обратный фильтр)—сначала крупный материал
(гравий, кварцевая крошка и т. п.), затем кварцевый песок —
крупный, мелкий. На дренаж укладывают почву соответственно
условиям опыта.
Загрузка лизиметра почвой ненарушенного сложения
может быть проведена двумя способами.
1. Лизиметр-контейнер имеет съемное дно. Из почвы
вырезают монолит, на который постепенно надвигают контейнер.
* Лизиметры закрытого и открытого типа построены и функционируют
на почтенном стационаре факультета почвоведения МГУ.
233
Почву у основания подрезают и к контейнеру прикрепляют дно.
2. Лизиметр-контейнер имеет постоянное дно. Вырезанный
из почвы монолит сначала помещают в специальную форму и
вместе с ней погружают в контейнер. Затем форму вынимают,
образовавшуюся между монолитом и стенками контейнера
щель засыпают образцом соответствующего горизонта.
Лизиметры-контейнеры с почвой устанавливают в
приготовленные выемки так, чтобы верхний край их был 'на одном
уровне с окружающей поверхностью почвы.
При изучении водопроницаемости, испарения воды из почвы
в экспедиционных условиях используют метод изолированных
колонн без применения специального устройства
(контейнера) .
Для заложения лизиметрического опыта в естественных
условиях с ненарушенной почвой на исследуемой территории
выбирают типичный участок, с поверхности очерчивают
площадь, соответствующую основанию колонны (1, 2, 4 м2),
которую окапывают с четырех сторон на заданную глубину (1—
2 м). После описания почвенного профиля стенки колонны
обмазывают грязью, приготовленной из соответствующего
горизонта почвы, слоем толщиной 0,5 см и обертывают целым
куском клеенки. Необходимо следить, чтобы клеенка плотно
прилегала к стенкам, в противном случае подаваемая на
поверхность колонны вода просочится сквозь щели между почвой и
клеенкой. Подготовленную колонну засыпают почвогрунтом
с соблюдением порядка расположения горизонтов. На
поверхности изолированной колонны устанавливают равную ей по
площади деревянную или металлическую раму. В случае
большой площади колонну обваловывают земляным валиком
высотой 15—20 см. Водопроницаемость определяют вышеописанным
методом заливаемых площадей.
Для определения скорости и глубины просачивания воды
по высоте колонны устанавливают электроды, провода которых
выводят на поверхность и с помощью регистрирующего
прибора определяют изменение электропроводности. О степени
смоченности горизонта судят по уменьшению
электросопротивляемости почвы.
Недостаток метода закрытых лизиметров —
изолированность от окружающей площади и вследствие этого
искусственное устранение бокового движения воды.
Лизиметры-воронки — открытые лизиметры — устанавливают
в нишах под различными генетическими горизонтами почвы.
С помощью трубок воронки соединяют с водоприемниками,
установленными в открытом почвенном разрезе и служащими для
сбора фильтрующейся воды. Воронки изготовляют из
оцинкованного железа, полиэтилена, можно использовать также
фарфоровые воронки Бюхнера. Диаметр воронок должен быть не
менее 20—25 см, глубина 5 см, верхний край загнут вверх,
иметь высоту 0,5 см и заострен. На горле воронки укрепляют
234
толстостенную резиновую трубку, длина которой соответствует
расстоянию от воронки до приемника. Горловину воронки
закрывают свинцовой пластинкой с отверстиями диаметром 2—
3 мм. Конусообразную часть заполняют промытым гравием, на
который накладывают вторую свинцовую пластинку с
отверстиями диаметром 1—2 мм.
Установка воронок. В открытом почвенном разрезе
(траншее) под каждым генетическим горизонтом выкапывают
нишу, через которую вводят и врезают воронку в нижнюю часть
горизонта. Между почвой и содержимым воронки должен быть
тесный контакт. Воронки нужно устанавливать
последовательно, начиная с нижних горизонтов, по две под каждый.
Ниши тщательно засыпают тем же материалом. Затем
засыпают часть разреза, примыкающего к воронкам на расстоянии
1 м. Насыпав грунт до глубины нижних воронок, его
тщательно уплотняют и укладывают на его поверхность отходящие
от воронок трубки, затем засыпают следующий ряд. И так до
поверхности. Насыпную стенку обшивают досками с
отверстиями для отводных трубок, под которые подставляют
стеклянные сосуды-водоприемники.
Е. И. Шиловой предложены лизиметры плосковрезные, по
форме напоминающие совок, из оцинкованного железа с
битумным покрытием, из органического стекла или другого
пластмассового материала. Их преимущество перед воронками в том,
что они вдвигаются в узкую щель без нарушения естественного
сложения почвы.
По количеству профильтровавшейся через лизиметры воды
судят о водопроницаемости отдельных генетических
горизонтов почвы, фильтрат используют для изучения продуктов
выноса.
Основной недостаток метода открытых лизиметров в том,
что неизвестна площадь, с которой фильтруется вода, поэтому
водопроницаемость отдельных горизонтов получает
относительную характеристику.
При лизиметрических исследованиях необходимо учитывать
осадки. Для этого около лизиметров должны быть установлены
дождемеры.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГОРИЗОНТОВ
Для определения фильтрации водоносных горизонтов почв
и грунтов разработано несколько методов: непрерывной откачки
воды из скважин, заполнения скважины водой, метод
индикаторов.
Метод непрерывной откачки используют при
установившемся режиме фильтрации. Изменение депрессиониой кривой
определяют по изменению уровня воды в наблюдательных
скважинах или в шурфах.
Определение коэффициента фильтрации методом заполнения
скважины водой. Этим методом определяется коэффициент
235
Х>666<У^УУУУУУУ^ХУУХУХХ
Рис. 68. Определение коэффициента
фильтрации методом заполнения
скважины водой.
горизонтальной фильтрации.
Основан он на скорости
восстановления в скважине
естественного уровня воды после
ее откачки в зависимости от
водопроницаемости почвогрун-
та. Работу ведут следующим
образом. На исследуемой
территории выбирают типичный
для данных условий участок,
на котором бурят две или три
скважины (диаметром 10—
20 см) на расстоянии
нескольких метров одна от другой.
Скважины должны быть
погружены на 50 см (или более)
в грунтовые воды (рис. 68).
Через сутки измеряют
установившийся уровень грунтовой
воды (Я, см) от дневной поверхности, глубину слоя (мощность
слоя) воды в скважине (Я, см) и диаметр скважины (d). Затем
воду откачивают насосом или вычерпывают специальной
водочерпалкой— батометром, оставляя слой в 10 см. При этом
нельзя нарушать (смазывать) стенки скважины, что может
привести к резкому изменению процесса фильтрации. Откачав воду,
быстро замеряют уровень ее от поверхности и фиксируют время
Г0. В скважину будут поступать новые порции воды. Через
определенные интервалы времени замеряют глубину залегания
воды с точностью до 1 см. Замеры делают не менее 5 раз до
тех пор, пока уровень воды не достигнет исходного (до откачки)
или не менее 0,75 Я. Интервалы между ними должны быть
такими, чтобы изменение в уровнях воды в скважине между двумя
последовательными замерами составляло 1—2 см. Уровень воды
замеряется уровнемером, мерной рейкой или рулеткой с
грузиком.
При последнем отсчете берут порцию воды и измеряют ее
температуру. Работу ведут параллельно в двух или трех
скважинах, в каждой скважине делают по две откачки.
Расчет коэффициента фильтрации. Для расчета
коэффициента фильтрации предложено несколько формул (Кожанов,
Эркин и др.). В мелиоративной практике для почвогрунтов
с невысокой водопроницаемостью (/Сф= <0,01 см/с)
применяется формула Эркина:
3,5. r4gJf-
где Кф — коэффициент
в скважине поднялся от /о до
воды до дна скважины; d и г -
фильтрации; t
H + d
время, за которое уровень воды
/; Я—расстояние (см) от начального уровня
■ диаметр и радиус (см) скважины.
236
К. П, Лундиным (1964) в формулу Эркина введены
поправки на диаметр опытных скважин:
при Д= 10-15 см Кф-4,75 r*tgc* ;
Н -|- Д
при Д=15 см Кф = 4,75 >r4ga ;
F ^ ф 1,05//+ Д '
при Д = 20 см ЛГф-4,40 rMga .
Значение tg а для каждого интервала находится путем
следующего расчета.
1. Вычисляют разность между глубиной зеркала грунтовой
воды в данный момент замера и глубиной залегания ее до
откачки. Эта разность называется «недостатком заполнения»
скважины и обозначается знаком /.
Так,
h"=h—h\ /1 = /i—А; /2 = /а—й- . . /л = /л—А-
2. Рассчитывают отношение начального «недостатка
заполнения» к «недостатку заполнения» в каждый момент замера:
/р § /р . /р , /р /р
^0 ^1 ^2 ^3 ^П
и находят их логарифм.
3. Определяют tga, который представляет собой десятичный
логарифм частного приведенных выше отношений к
соответствующим интервалам времени (tu t2, h, •.., tn)-
tga1== -±—; tga3
*i <:
э
Ig-J*- Ig-f
tga2 = -S—; tga„=- "
tn.
4. Находится среднее значение tgacp делением суммы
логарифмов отношений -р- на сумму интервалов времени:
'п
tgacp =
Значение tga можно найти графически. График строят
следующим образом: по оси ординат откладывают значение lg—p-,
ч
по оси абсцисс —время в минутах, прошедшее от момента
237
2п
7
eg 4*
0,5
ВЛ
0,3
DA
о
Рис. 69. График для
нахождения tga.
откачки до замера. Проводят
Яримую, угол наклона которой и будет
ffj соответствовать среднему tga
tgoc--jj=Ofof (рис.69).
Значения tg a, резко различные
для отдельных замеров, в расчет не
принимаются (выбраковываются).
Пример расчета Кф (табл. 35):
Диаметр скважины а=7,9 см;
глубина скважины /=97 см; высота
слоя воды в скважине #=52,5 см;
расстояние от поверхности до слоя
воды h = 44,5 см.
35. Пример расчета Кф
четов
8
о
Отсчет по часам
i Время (мин)
\ от начала замера
Расстояние (h)
, от поверхности
почвы до
грунтовой воды (см) |
в скважине '
Незаполнепиость
скважины, /
"X
trrct- m
lg ОЬ ,
о
3
4
18
16
22
27
34
76,0
74,0
71,7
66,5
62,8
60,0
58,5
55,5
—52,5 = 23,5
—52,5= 21,5
-52,5 = 19,2
—52,5 = 14,0
-52,5 = 10,3
—52,5 = 7,5
—52,5 = 6,0
—52,5 = 3,0
2 = 124
tgacp
Кф = 3,5-
1
1,09
1,22
1,68
2,11
3,13
3,92
6,71
2 =2,621
0
0,0370
0,086
0,225
0,358
0,496
0,5933
0,8267
0
0,0185
0,0215
0,0205
0,0224
0,0226
0,0220
0,0243
Slg^
SL
= 3,5.
2,621
124
15,6
= 0,02114,
•0,02114 =
H + d 52,5 4-7,9
= 3,5 • 0,2583 - 0,02114 == 0,9040 - 0,02114 = 0,01911 см/мин =
= 1,15 см/ч = 27,6 см/сут = 0,27 м/сут.
Метод заполнения скважин завышает значения
коэффициента фильтрации, так как определение ведется при высоком
напорном градиенте.
Определение коэффициента фильтрации методом
индикаторов (рис. 70).
Метод разработан и применяется в гидрогеологии для
определения скорости движения потока подземных вод, но не
исключена возможность использования его при
мелиоративных изысканиях.
238
S
\
\ <\
Рис. 70. Схема определения
направления движения
подземного потока и расположения
опытных выработок.
Началу опытных работ должно
предшествовать изучение
геологического и гидрологического
строения территории, глубины
залегания и направления движения
водного потока. Опытный участок
должен быть типичным для
исследуемой территории.
О скорости движения грунтового
потока судят по скорости переноса
индикаторов, в качестве которых
применяют различные вещества
(NaCl, NH4CI, LiCl; анилиновые
краски; флуоресцеии). К
индикатору предъявляются требования:
скорость его движения должна быть
такой же, как скорость движения
воды; он легко должен
обнаруживаться в воде, но не должен
разлагаться и взаимодействовать с
веществами, содержащимися в воде или
в водоносной породе; должен быть
безвредным. Наиболее употребляем
флуоресцеин. Он самый инертный
из красящих веществ, имеет устойчивую окраску, характерно
зеленую в отраженном свете. Употребляют в качестве
индикаторов хлориды. Ион хлора также инертен и легко
обнаруживается по качественной реакции с азотнокислым серебром.
Фильтрацию наблюдают в открытых шурфах, колодцах и
в специально пробуренных скважинах, заглубленных ниже
уровня воды. Шурф или скважина, в которую вводят
индикатор, называют загрузочной, она должна располагаться вверху
по течению. Ниже делают улавливающие или наблюдательные
скважины. Их располагают веерообразно вокруг загрузочной
скважины. Расстояние между скважинами определяется
гранулометрическим составом. В породах, хорошо
водопроницаемых (крупнозернистые пески, гравий, галечник), оно
составляет 3—5—7 м, в медленно проводящих воду (мелкозернистые
пески," супеси, суглинки, лессы)—0,75—1,5 м при условии, что
строение породы не нарушается при закладке скважины.
Расстояние между улавливающими скважинами в породах легкого
гранулометрического состава 1—1,5 м, в мелкозернистых
породах 0,5—0,75 м.
Пробы воды из наблюдательных скважин берут небольшими
порциями (20 см3) через 4—5 ч после загрузки, а за 7—10 ч
до конца опыта интервалы сокращают до 30—15 мин. Зная
расстояние между загрузочной и наблюдательными
скважинами (т) и время, через которое основная масса индикатора
перенесена из загрузочной скважины в наблюдательную (0,
239
рассчитывают скорость движения воды в порах грунта (U) при
данном уклоне:
t
Скорость фильтрации (V) при известной пористости (Р)
на единицу поперечника грунта при уклоне рассчитывают по
формуле
t
где Р — пористость грунта в долях единицы.
Коэффициент фильтрации может быть определен по уравнению
где /—уклон подземного потока по уровням воды в наблюдаемых
скважинах. / = —, где/i —разность отметок горизонтов воды в*двух
наблюдательных скважинах, расположенных по направлению движения потока воды
на расстоянии / (в метрах),
ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ
В лабораторных условиях можно изучать отдельные
процессы (впитывание, фильтрация), а также влияние различных
факторов на величины водопроницаемости. Точность
лабораторного метода зависит от объема исследуемого образца (чем
больше образец, тем точнее результаты). В основном зти
методы можно свести к определению водопроницаемости почв и
грунтов ненарушенного сложения методом монолитов, а также
насыпных образцов.
Кроме того, предложен ряд теоретических формул для
расчета водопроницаемости по механическому составу,
пористости.
МЕТОД МОНОЛИТОВ
Изучение водопроницаемости почв методом монолитов
позволяет получать данные, приближенные к данным полевых
исследований.
Для определения скорости впитывания воды и глубины про-
мачивания в монолит во время его монтирования на границах
каждого горизонта закладывают электроды и пьезометры; вводят
последние в боковые стенки монолита на глубину 1—1,5 см.
Входные отверстия пьезометров закрывают сеткой для
предохранения от засорения почвой. Пьезометры закрепляют на
доске, около каждого из них наклеивают полоску из
миллиметровой бумаги для градуировки трубки по высоте. Элек-
240
троды, изготовленные из медной или алюминиевой проволоки
диаметром 2—3 мм, вставляют в почву на глубину 5—7 см
на расстоянии 10 см друг от друга или по генетическим
горизонтам. Для измерения электропроводности почвы используют
прибор ЭСК-4.
Для определения водопроницаемости почвы в
ненарушенном сложении можно использовать прибор Вильямса — Савви-
иова в модификации кафедры физики и мелиорации почв МГУ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ НАСЫПНЫХ ОБРАЗЦОВ
МЕТОДОМ ТРУБОК
Метод имеет ограниченное применение в агрономической
практике, но иногда бывает необходим при оценке способов
рассолонцовываиия, оструктуриваиия, а затем для
определения водопроницаемости почв легкого механического состава.
Значительно чаще этот метод используют грунтоведы и
гидрогеологи для характеристики водопроницаемости в насыпных
сооружениях.
Работу проводят следующим образом: берут стеклянные или
металлические трубки диаметром 4—5 см при высоте 20—100 см
и более в зависимости от поставленной цели. Нижний конец
трубки обвязывают марлей (или тонкой сеткой), на «дно»
трубки кладут кружок из фильтровальной бумаги. На
наружной стенке стеклянной трубки наклеивают полоску из
миллиметровой бумаги. Металлические трубки целесообразно
делать свинчивающимися из отдельных звеньев (по 10 см), что
позволяет составлять трубку нужной высоты. Через воронку,
на которую надевают резиновую трубку, загружают почвой,
пропущенной через сито с отверстиями диаметром 1 или 3 мм,
почти доверху (на 6—7 см ниже верхнего края). Плотность
по!чвы по всему заполненному объему трубки должна быть
равномерной, а объемная масса такой, как в природных
условиях. Поэтому почву загружают послойно (по 2—3 см),
уплотняя постукиванием трубки о что-либо мягкое (тетрадь,
книгу) или с помощью деревянной трамбовочки. По массе и
объему почвы в трубке рассчитывают плотность скелета почвы
и порозность. Подготовленную трубку с почвой устанавливают
на воронку и укрепляют на штативе. Поверхность почвы
в трубке покрывают кружком фильтровальной бумаги для
предохранения от размывания. Воду подают в почву под
постоянным напором в 5 см, поддерживаемым с помощью
приспособления по принципу Мариотта. Для этой цели используют
мерный цилиндр 200—250 см3, который закрывают пробкой со
вставленной стеклянной трубкой, конец которой выходит из
пробки и косо срезан. Цилиндр наполняют водой и, закрыв,
опрокидывают над трубкой с почвой. Конец трубки,
выходящий из цилиндра, должен быть на 5 см выше поверхности
почвы в трубке. Под воронку ставят мерный цилиндр или ста-
241
кан для сбора и учета фильтрующейся воды. После
установления давления (напора) воды в трубке над почвой
записывают время начала впитывания, учитывают расход воды (по
уменьшению ее в мерном цилиндре) каждые 5—10 мин и
одновременно регистрируют глубину промачивания.
Определяют количество профильтровавшейся воды: через
каждые 10 мин в течение первого часа, через каждые 30 мин
в течение второго и третьего часов и затем через часовые
интервалы до получения одинаковых значений К. Одновременно
отмечают температуру воды, используемой при работе.
Коэффициенты впитывания или фильтрации рассчитывают
по формуле
где Kt — коэффициент впитывания или фильтрации, мм/мин, см/с, при
данной температуре; Q—-расход воды, мм3, см3 (по сосуду Мариотта
—впитывание или по количеству собранного фильтрата — фильтрация); 5 — площадь
сечения трубки, см2; Т — время, с, мин, ч; / — гидравлический градиент.
Приводят расчеты к температуре 10 °С. Полученные данные
сводят в таблицу и строят график, где по оси ординат
откладывают величины К\о, а по оси абсцисс — время Т.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ В ПРИБОРЕ ТИМА
В приборе Тима определяют коэффициент фильтрации
образцов с нарушенной структурой при подаче воды сверху.
Описание прибора (рис. 71). Прибор представляет
собой металлический цилиндр 1 диаметром 10 см, высотой
40 см с глухим дном. В центральную часть цилиндра
вмонтированы три боковых патрубка на расстоянии 10 см один от
другого. Внутри цилиндра отверстия патрубков закрыты
тонкой проволочной сеткой, резиновыми трубками они соединены
со стеклянными трубками (пьезометрами 2), по которым
измеряют уровень воды на соответствующей высоте цилиндра.
Пьезометрические трубки закреплены на доске с
миллиметровой шкалой.
Вверху и внизу цилиндра — патрубки: верхний для оттока
воды (сверх установленного уровня), к нижнему присоединена
резиновая трубка, через которую подают воду во время
загрузки цилиндра образцом, а затем регулируют напор и сток
фильтрующейся воды во время опыта. На металлической
платформе закреплены цилиндр и стойка, отградуированная на
сантиметры. Регулирующая трубка с помощью специального
держателя может быть передвинута по высоте стойки, что
обусловливает соответствующий напор воды в цилиндре.
Внутренние стенки цилиндра смазывают лаком и присыпают песком
(шероховатая поверхность препятствует току воды между
стенкой и образцом). Цилиндр для работы устанавливают на стоде,
242
а выше его — на полке или
подставке — помещают сосуд
с тубусом 4, из которого
подают воду в цилиндр.
Перед загрузкой прибора
образцом соединяют водопод-
водящую трубку через
тройник с регулирующей трубкой.
Загрузка прибора.
На дно цилиндра наливают
воду, насыпают гравий слоем
2 см, поверх его
грубозернистый песок слоем 2 см, а затем
мелкозернистый слоем 1 см.
Понижают уровень воды на
1—2 см ниже поверхности
загружаемого материала и
последний утрамбовывают
деревянной трамбовкой.
Подготовленный таким образом слой
служит подстилкой и
фильтром для исследуемого
образца; он задерживает
вымываемые из него при опыте
мелкие частицы.
Испытуемый образец
тщательно перемешивают, ложкой
с удлиненной ручкой
переносят в цилиндр небольшими
порциями и обязательно с
небольшой высоты (во избежание воздушной сортировки).
Насыпав слой 2—3 см, его уплотняют деревянной трамбовкой до тех
пор, пока образец не увлажнится поднявшейся капиллярной
водой. Затем, не поднимая уровня воды, насыпают новый слой;
уложив несколько слоев, поднимают уровень воды на 1—2 см.
Мощность слоя испытуемого образца в цилиндре должна быть
10 см.
На слой образца насыпают грубозернистый песок, затем
гравий, назначение которых предохранить почву от размывания
струей воды, поступающей сверху во время опыта.
Увеличивая постепенно напор (поднятием регулирующей
трубки), насыщают образец до тех пор, пока вода не появится
на поверхности гравия. Отсоединив регулирующую трубку от
водоподводящей трубки, закрепляют ее на штативе на уровне
верхнего патрубка. Водоподводящую трубку переводят наверх
цилиндра, открывают зажим и заполняют цилиндр водой до
отверстия верхнего патрубка. После этого устанавливают
такой ток воды, чтобы уровень ее в цилиндре над образцом был
постоянным в продолжение всего опыта.
Рис. 71. Прибор Тима для
определения фильтрации:
1 — цилиндр; 2 — пьезометры; 3 — трубки;
4 — сосуд с тубусом.
243
Перед началом опыта проверяют работу пьезометров. Для
этого регулирующую трубку закрепляют на стойке на высоте
верхнего патрубка. При таком положении уровень воды во всех
пьезометрах должен быть одинаковым. В песке и почве легкого
механического состава при исправности прибора уровень
устанавливается быстро, в образцах маловодопроницаемых это
происходит очень медленно, за несколько часов. При
неисправных пьезометрах одинаковый уровень воды не устанавливается
очень долго.
После проверки прибора приступают к определению
скорости фильтрации при различных градиентах напора.
Ход определения. Регулирующую трубку
устанавливают на высоте середины верхней трети испытуемой колонки
почвы или грунта, что создает соответствующий напорный
градиент. Фильтрующаяся вода начинает стекать через
регулирующую трубку, собирается в мерный цилиндр, где ее и
учитывают.
После установления постоянного уровня воды в
пьезометрах при данном напоре берут показания по пьезометрам и
вычисляют разность уровней воды в них, а также замеряют
расход воды в определенные интервалы времени. При данном
напоре делают два-три замера и записывают температуру
используемой воды.
Определять коэффициент фильтрации необходимо не менее
чем при трех различных напорах. Увеличивая градиент напора,
регулирующую трубку устанавливают при втором опыте на
середине, а при третьем — на высоте середины нижней трети
испытуемой колонки почвы.
Коэффициент фильтрации К вычисляют по формуле Дарси:
где Q — расход воды в единицах объема за единицу времени (см3/с, сма/мин,
см3/ч и т, д.).
т
где V — объем профильтровавшейся воды, Т — время фильтрации; S —
площадь сечения цилиндра, см2; / — напорный градиент.
где Я—разница показаний пьезометров в см; / — расстояние в см между
пьезометрами.
244
Расчет производят для каждого напора отдельно:
Показания { lPi™™°S: 11-Ш
( второго пьезометра: h% = А);
I = 10 см
Я = Й1—/га = 25 — 20 = 5;
Рассчитанный коэффициент фильтрации Kt приводят к
температуре 10 °С.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ*
Открытие математических аналогий между различными
физическими явлениями в природе способствовало в последние
десятилетия широкому внедрению в практику методов
моделирования процессов. Математическое моделирование
развивается в двух направлениях: построение моделей прямой
аналогии на основе известных систем и построение вычислительных
машин.
При построении моделей первого типа используют системы
аналогий между явлениями различной физической природы,
например между электрическими и механическими, между
электрическими и тепловыми. Это позволяет перенести изучение
явлений на модели, упростить и удешевить изготовление
последних, облегчить методику и повысить точность измерения
искомых величин.
Моделирование не следует противопоставлять
аналитическому исследованию, так как оно предусматривает
обязательное знание системы дифференциальных уравнений,
описывающих поведение моделируемого контура регулирования, и
требует обобщения большого числа частных решений.
Рассмотрим наиболее широко применяемый в
гидрогеологии, гидротехнике и гидромелиорации, в физике и мелиорации
почв для расчетов установившегося движения почвенно-грун-
товых вод метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА),
основанный на электрическом моделировании течения
жидкости. Метод ЭГДА применяется при изучении
водопроницаемости почв и грунтов (определение коэффициентов
фильтрации), при определении расходов, градиентов напора,, скоростей
и давлений, а также при исследовании размеров и форм
фильтрационных потоков в натуре, напорного подпитывания, потери
на фильтрацию из каналов, рек, водохранилищ, подземный сток
в акватории и др.
Аналогия между потоком электричества и воды проявляется
в следующих моментах (М. А. Вевиоровская и др., 1962):
Моделирование процессов фильтрации написано Л. Б. Боровинской.
245
Фильтрационный поток
Пьезометрический напор, h
Разность напоров hx — /ia
Длина пути фильтрации S
Градиент фильтрационного потока
65
Коэффициент фильтрации
К
Скорость фильтрации V
Закон Дарси
6S
Площадь сечения F
Гидравлическое сопротивление
участка профиля
АХ' _ АХ'
R~~ KhB ~~ KF
Расход потока
hx -Л,
<?= Kh-
•В
hB = F
hi-fi*
Уравнение Лапласа для напора (при
двухмерном движении в однородной
среде)
= 0
6х*
6*/а
Поверхность водоупора
Водопроницаемая поверхность
Линии равного напора
h — const
Линия тока
= 0
Электрический поток
Электрический потенциал и
Разность потенциалов аг — иъ
Длина линии тока S
Напряженность электрического поля
£=-^-
6S
Коэффициент электропроводности *
Р
Плотность тока /
Закон Ома
/= -С
6и
~6S~
Площадь сечения со
Электрическое сопротивление
проводника
s s
R =p —
Ceo
Сила тока
«l — и2
-со =
tti — U2
R
Уравнение Лапласа для
электрического потенциала (при двухмерном
движении в однородной среде)
= 0
б2*2
6</2
Изоляционная поверхность
Поверхность, проницаемая для
электрического тока
Линии равного потенциала (эквипо-
тенциалы) и ~ const
Линия тока
* р — удельное электрическое сопротивление материала.
Движение электрического тока внутри проводника и
движение фильтрующихся вод подчинено одним и тем же
законам, что позволяет изучать явления фильтрации на моделях,
через которые пропускается электрический ток.
Постановка задачи. Расчет установившейся фильтрации
(неизменной во времени) сводится к определению основных
характеристик потока: направления фильтрации, величин и
градиентов напора, скоростей движения грунтовых вод, а также
фильтрационных расходов. Эти характеристики по методу
ЭГДА определяют построением на модели гидродинамической
сетки и несложными расчетами.
246
Условия моделирования. При моделировании должны
выполняться условия подобия, заключающиеся в следующем.
.Электрическая модель должна представлять изучаемую в некотором
масштабе М без всякого искажения. Коэффициенты
электропроводности С участков модели должны быть
пропорциональны соответствующим коэффициентам фильтрации объекта.
Должны быть соблюдены граничные условия.
Водопроницаемым участкам в природе должны соответствовать на модели
участки, проводящие электрический ток, участкам
водонепроницаемым— плохо проводящие электрический ток участки или
отсутствие электропроводящего материала. При однородной
водопроницаемой толще электрическую модель можно
изготавливать из материала любой проводимости.
В случае неоднородной толщи внутренние контуры слоев
или областей с различными коэффициентами фильтрации в
природе и на модели должны быть геометрически подобны;
соотношение электропроводностей их должно быть равно
соотношению коэффициентов фильтрации:
Сх = Кг ^
С% К%
При моделировании методом ЭГДА строят модель
изучаемого участка и в местах, соответствующих источникам
фильтрации, на модель подается через шины электрический ток.
Разности уровней воды соответствует на модели разность
потенциалов. После включения электрический ток в модели
движется аналогично движению потока фильтрационных вод.
Линии токов в природе имеют направление от верхнего бьефа
к нижнему, соответственно на модели линии электрического
тока направлены от одной шины с большим потенциалом к
другой— с меньшим потенциалом. Линии разных напоров,
которые на модели соответствуют линиям равных потенциалов,
перпендикулярны линиям тока.
Наиболее распространенными материалами для
моделирования в настоящее время являются электролиты и
электропроводная бумага (существует 7 сортов ее с широким
диапазоном удельной проводимости). Контактная разность между
•металлическими шинами и бумагой ничтожна и на результаты
измерений практически не влияет.
Проводимость бумаги электронная, поэтому возможна
работа на постоянном токе, что упрощает схему прибора и
позволяет получить более точные, чем на электролитах,
результаты измерений.
ТЕХНИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
Электрическую модель задачи изготовляют из различных
по проводимости сортов электропроводной бумаги, вырезанной
по форме, геометрически подобной различным зонам в натуре.
247
Удельную проводимость одной из зон выбирают произвольно,
удельная же проводимость всех остальных зон определяется
по формуле
^L = -£l, v = 2, 3, 4, . . ., л,
*i Кг
где а — удельная проводимость; К — коэффициент, соответствующий в
натуре удельной электропроводности; у — номер соответствующих зон модели
и натуры.
Различные зоны модели склеивают между собой
электропроводным клеем (клей электропроводен только в сухом
состоянии) «внакладку» шириной в 2—3 см. Место склейки
прокатывают резиновым фотографическим валиком.
Терминология. При моделировании пользуются следующей
терминологией (М. А. Вевиоровская и др., 1962).
Действующий напор Я— разность уровней воды в верхнем
ftmax и нижнем ftmin бьефах
• "—"max "mlii"
Приведенный напор h\ — напор, выраженный в долях (или
в %) от действующего напора Я, принятого за единицу.
Соответствующий ему действительный напор h выражают в
метрах:
и ft — hm\n
Отсюда действительный напор h:
h=Hhr + hm\n.
Подаваемая на модель разность потенциалов независимо
от ее величины принимается за единицу.
Приведенным потенциалом иг называется потенциал,
выраженный в долях или процентах от всей разности потенциалов,
принятой за единицу.
Приведенный потенциал иг и приведенный напор hr
численно равны: hr=ur.
Линии равного напора представляют собой геометрическое
место точек с одинаковым напором, линии равного потенциала
или эквипотенциала — точек с одинаковым потенциалом.
Линии, тока ортогональны линиям равного напора или
линиям равного потенциала. Эквипотенциальные линии на
моделях соответствуют линиям равного напора в природе.
ТЕХНИКА ОПРЕДЕЛЕНИЙ
На изготовленной из электропроводной бумаги модели
закрепляют металлические шины. На шину, закрепленную на
верхнем бьефе, подают рабочее напряжение от гнезда,
обозначенного 100%; на закрепленную на нижнем бьефе подают
248
напряжение от гнезда 0 % и включают питающее устройство.
На модели делим полную разность напряжений на равные доли
(10, 20 и т. д.). Установив реохорд на нужный нам отсчет (10,
20 % и т. д. от полной разности потенциалов), иглой-щупом на
модели ищем точки, в которых потенциал составляет нужную
нам величину (0,1; 0,2) от полной разности потенциалов.
Соединив точки с равным потенциалом, получим эквипотенциальные
линии, приведенный потенциал которых равен иг=0,1 или 0,2
и т.д.
Но эквипотенциальные линии на модели соответствуют
линиям равного напора в природе. Таким образом, мы получили
серию линий равного приведенного напора, численно равного
приведенному потенциалу.
Напор h определяется по линиям равных напоров. В
точках, лежащих между линиями равных напоров, его
определяют по интерполяции.
Градиент напора / определяют по формуле
где АЛ — разность напоров между двумя соседними линиями равных
напоров, м; А/— расстояние между этими линиями с учетом масштабов
чертежа, м.
Скорость фильтрации
где К — коэффициент фильтрации (остальные обозначения те же).
Для более полного представления о потоке строят
дополнительно линии тока или графически, ортогонально эквипо-
тенциалам, или с помощью прибора, переставив шины на те
участки, где их не было (обращенная задача).
Линиями тока ограничены трубки тока. Вдоль трубки тока
элементарный расход (^эл) имеет постоянную величину и
характеризуется формулой
q9*=K-^-b.l м*/сут,
at
где b — ширина трубки тока в пределах рассматриваемого элементарного
объема, м; /— единичная ширина потока, м.
Характер и распределение линий равного напора не зависят
от абсолютной величины коэффициента фильтрации, от
величин напоров верхнего и нижнего бьефов и от действующего
напора, а зависят лишь от конфигурации подземного контура
сооружения и контура водонепроницаемого слоя.
Решение по методу ЭГДА, выполненное для одного случая
напорной фильтрации (построенная гидродинамическая сетка
или только линии равных напоров), справедливо для всех
249
з 20* ZD 4 //,
Рис. 72. Прибор ЭГДА:
/—тумблер включения сети; 2 — предохранитель сети; 3 — сигнальная лампочка; 4 —
переключатель рода измерений; 5 — переключатель пределов измерений; 6 — ручка
реостата «Нуль омметра»; 7 — ручка управления потенциометром «Регулятор 0 %»; 8 —
тумблер включения питания делителей (ПДИ-10); 9 — клеммы для подключения
питания к делителям напряжения; ./0 — предохранитель выпрямителя; /-/ — предохранитель
питания «Модель»; 12 — тумблер включения гальванометра; 13 — ручка управления
потенциометром «Регулятор 100%»; 14 — ручка переключателя масштаба шкалы
измерительного устройства; /5 —тумблер включения питания делителей блока ПДН-10; 16,
16' — клеммы авометра: (—), (+); (1,2А); 17 — клеммы для подключения питания
с делителем напряжения; 18 — запараллеленные клеммы к модели «0 %» и «100%»;
/5 —гнездо ИУ для подключения измерительного устройства; 20— авометр; 20' —
микроамперметр авометра; 21 — микроамперметр; 22 — тумблер-шунт; 23—- защитное
сопротивление; 24 — переключатель гальванометра; 25-— гальванометр; 26 — игла-шуп;
27 — делитель напряжения потенциометров; 28 — выход делителей (100%).
других случаев при том же очертании области фильтрации и
характере границ; оно справедливо для любых коэффициентов
фильтрации, нелинейных размеров области, напоров верхнего
и нижнего бьефов и величины действующего напора. Одно
решение справедливо для группы подобных случаев.
Описание прибора ЭГДА. Для моделирования
фильтрационных процессов в настоящее время используется
простой в эксплуатации серийный прибор ЭГДА-9/60 (рис. 72).
Прибор оформлен в виде легко разбираемого стола —
стенда, на котором размещают решаемые модели, блок
питающего устройства, блок измерительного устройства и два
блока потенциометрических делителей напряжения (ПДН-10).
В комплект прибора входят также шины-зажимы различной
длины для подключения граничных условий к модели, набор
коммутационных шнуров, измерительных игл — одинарной и
двойной (последняя для получения усредненного потенциала
между двумя точками).
250
В комплект запасных частей входят предохранители,
лампочка накаливания, провод медный (0,5 мм), графит, клей
электропроводный и электропроводная бумага.
Интегратор представляет собой измерительный мост
постоянного тока с выпрямителем для питания от сети
переменного тока.
При моделировании может возникнуть необходимость
в наличии дополнительных источников потенциала для
плавной регулировки его значения в пределах от 0 до 100%. Это
осуществляется при помощи набора потенциометрических
напряжений в виде отдельных блоков ПДН-10. Каждый из двух
блоков делителей состоит из 10 переключателей с реохордом.
Блок питания подключают к сети переменного тока с
напряжением ПО, 127 или 220 В, которое понижается
трансформатором от б до 3 В для питания модели.
Управление включением блока осуществляется с помощью
тумблера включения сети, предохранителя сети и
индикаторной лампочки. Выпрямление переменного тока осуществляется
германиевыми выпрямителями.
В блок питания включен также авометр — прибор для
измерения тока, напряжения и сопротивления электропроводной
бумаги. Авометр состоит из микроамперметра типа М-24 и
схемы, позволяющей использовать этот микроамперметр для
измерения постоянного тока и напряжения на модели и
сопротивления электропроводной бумаги в широком диапазоне.
Измеритель имеет две шкалы — шкалу постоянного тока и
напряжения и шкалу сопротивлений. Для управления авометром
служат переключатель рода измерений, переключатель
пределов измерений и ручка реостата «установка нуля омметра»
с кнопкой, замыкающей измерительную цепь омметра.
Через ползунки потенциометров подключены
сопротивления, переключатель и реохорд измерительного устройства
(ИУ).
Выпрямитель, делитель, состоящий из сопротивлений,
декады и реохорд измерительного устройства, гальванометр
с измерительной иглой и модель задачи, подключенная
к клеммам, составляют собственно измерительный мост. В
измерительном устройстве полупроводниковые триоды и
сопротивление составляют схему нелинейного шунта, при
подключении которого' гальванометр будет иметь наибольшую
чувствительность у нуля, резко падающую к концам шкалы.
Переключатель позволяет отключать нелинейный
(логарифмический) шунт от схемы. Переключателем можно
включать линейный шунт к гальванометрам, включать
гальванометры без шунта или только гальванометр со световым
отсчетом, предварительно разомкнутый тумблером. Сопротивление
в измерительной цепи является защитным.
С помощью переключателя (масштаб шкалы ИУ) декада
измерительного устройства отключается от основного выпря-
251
мителя интегратора и подключается к специальному
выпрямителю, создающему напряжение компенсации, необходимое для
компенсационного потенциометра. К основному выпрямителю
интегратора подключаются блоки потенциометрических
делителей напряжения. Каждый блок состоит из мощного
проволочного секционированного сопротивления, отводы от секций
которого распаяны по контактам десяти переключателей
декады. К щеткам переключателей подключены реохорды,
ползунки которых совмещены с соответствующими осями
переключателей. Таким образом, каждый переключатель с
реохордом является градуированным.
Работа с прибором. Перед началом работы
необходимо проверить правильность соединений блока-интегратора;
переключатель на задней стенке блока питающего устройства
поставить в положение, соответствующее номинальному
напряжению сети ПО, 127, 220 В; колодку сетевого шнура
вставить в гнездо «Сеть»; четыре тумблера 1, <§, 12, 15 на панели
ИУ поставить в положение «Выключено» рукоятками вниз;
колодку соединительного шнура измерительного устройства
вставить в гнездо ИУ; гнезда 0 и 100 % «К делителю» 17
соединить с соответствующими гнездами на блоке ПДН-10
гибкими 'перемычками, плотно поджав наконечники головками
клепа; рукоятку переключателя 14 «Масштаб шкалы ИУ»
поставить в положение 1; штепсель измерительной иглы
^вставить в гнездо «Игла» на ИУ. При этом острие иглы не
должно соприкасаться с токонесущими деталями интегратора.
Если требуется подать потенциалы, отличные от 0 и 100%,
соответствующие точки на модели соединяют с помощью шин
и шнуров с гнездами-зажимами «Выход потенциометров
делителей» 28.
На шкалах потенциометров устанавливают необходимые
значения потенциалов. На измерительном устройстве
включают нелинейный шунт 22 и гальванометр 25, средний
тумблер 24 ставят в положение «Низкая чувствительность
гальванометра». Шкалы декады и реохорда 23 ставят в положение 0.
Включают интегратор (ставят тумблер «Сеть» / в положение
«Включено»).
Измерительной иглой, слегка прикасаясь к шине с
потенциалом 0%, проверяют соответствие потенциала при высокой
чувствительности гальванометра. Несоответствие потенциала
нулю можно скомпенсировать плавным вращением в одну или
другую сторону ручки 7 «Регулятора 0». При компенсации
потенциалов 0> и 100 % допустимы отклонения стрелки
гальванометра на 1—2 деления. Это соответствует ошибке порядка
0,05%, что выходит за пределы точности интегратора.
Потенциал 100 % проверяют при низкой чувствительности
гальванометра. При этом шкалу переключателя декад ставят
на деление 9, а шкалу реохорда с цифрой 10 —против
указателя. Несоответствие потенциала также компенсируют плав-
252
иым вращением ручки 13 (регулятор 100%). После установки
потенциалов 0 и 100 % на шинах модели производят более
точную подгонку промежуточных значений потенциалов на
модели с делителя.
После реализации и проверки граничных условий находят
эквипотенциальные точки на модели.
Если гальванометр 25, вмонтированный в измерительное
устройство, окажется недостаточно чувствительным (это
бывает, когда модель выполнена из очень высокоомной бумаги
или неудобно наблюдать за стрелкой гальванометра),
измерительное устройство можно переключить на зеркальный
гальванометр со световым отсчетом 21. Перед включением
зеркального гальванометра необходимо убедиться, что на иглу
попадает потенциал, близкий к компенсации. На
измерительном устройстве включают логарифмический (нелинейный)
шунт 22, средний тумблер 24 ставят на низкую
чувствительность гальванометра. На питающем устройстве включают
тумблер 12 «Гальванометр» ручкой вверх. На шкале
гальванометра должен появиться круглый зайчик с теневым
указателем. Установку зайчика теневым указателем на нулевую
отметку производят рукояткой корректора, расположенной под
шкалой гальванометра, Включать средний тумблер на ИУ
в среднее положение «Световой гальванометр» можно только
в том случае, когда потенциал на измерительной игле
полностью скомпенсирован при зашуитированном гальванометре.
При работе с двойной измерительной иглой пользуются
зеркальным гальванометром. При перерыве во время
измерений питание интегратора выключают.
При пользовании авометром 20, вмонтированным в
питающее устройство: левый переключатель 4 ставят в положение
vA (при измерении постоянного тока и напряжения) или Rx
(при измерении сопротивлений); правый переключатель 5 стаг
вят указателем на желаемый предел измерений; при этом ток
и напряжение надо измерять начиная с высшего предела и
приближаясь к меньшему. Например, измерение тока,
порядок величины которого неизвестен, лучше начинать с предела
1, 2 я, постепенно приближаясь к низшему пределу—60 мка.
Для измерения тока на пределе 1, 2 а используют зажимы 16
«—» и «1, 2 а», а на всех других пределах зажимы 16 «—»
и « + »; для измерения сопротивления выбирают необходимый
предел на переключателе 5, нажимают кнопку «Нуль
омметра» 6, расположенную в центре одноименной ручки, и
вращением этой ручки устанавливают стрелку измерителя на
нулевую отметку по шкале омметра. Отпустив кнопку к зажи:
мам авометра «—» и « + », присоединяют измеряемое
сопротивление, т. е. шины с квадратом из электропроводной бумаги
или кольцевой щуп; нуль омметра необходимо проверять для
каждого предела самостоятельно.
253
*:*<=
r<S—
ч^—
^ч*^^
Z22
90 80
1,6
.Mi *
Mz „
^ +
A U .
Ms\,
Ms .1
-*!
Л7
i£_^
^
UL
50
ae
40
0,6
30
S£
20
OA
d П
ao\
Рис. 73. Расчет фильтрации из магистрального канала в однородной толще.
После окончания измерений авометром необходимо левый
выключатель 4 поставить в положение «Выключено», правый
переключатель пределов измерений 5 поставить в одно из
холостых положений (оставлять правый переключатель в одном
из положений пределов измерений на длительное время
нельзя).
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО МЕТОДУ
ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ НА УЧАСТКАХ
С УСТАНОВИВШЕЙСЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ
Задача 1. При подаче воды для орошения полей
значительное ее количество расходуется на фильтрацию в борта и
дно магистрального канала.
Имеется постоянно действующий магистральный канал на
территории, сложенной однородными лессовидными
суглинками. Глубина канала и напор воды в нем 2 м, угол откоса
0,33°. Коэффициент фильтрации равен 0,25 м3/сутки. Уклон
территории 0,005°.
Требуется определить потери воды на фильтрацию из
магистрального канала на пути в 1 км от водозабора.
Решение задачи. Из электропроводной бумаги
вырезают модель участка с магистральным каналом в масштабе
1:100 (рис. 73). Так как фильтрация в обе стороны канала
идет одинаково, обычно моделируют одну симметричную часть
и полученные результаты удваивают.
На вырезанный контур канала накладывают шину с
потенциалом 100%, на расстоянии 47 см (в масштабе 47 м) —
шину, к которой подается потенциал 0 %.
Иглой-щупом находят эквипотенциальные линии 90, 80, 70,
60, 50, 40, 30, 20, 10%, соответствующие линиям равного
напора. Перпендикулярно им строят линии тока. По
полученным трубкам тока производят расчеты.
Имеем: напор максимальный Ятах равен 2 м; напор
минимальный #тт равен 0. Действующий напор Ятах — #тт =
= 2—0 = 2 м. Приведенный напор соответствует величинам
действительного напора: 90% —1,8 м; 80% —1,6 м; 70%—.
254
1,4 м; 60 % — 1,2 м; 50 % — 1,0 м; 40 % —0,8 м; 30 % —0,6 м;
20%—0,4 м; 10%—0,2 м.
Градиент напора / у дна канала равен
где A/i—разница в напорах между двумя эквипотенциальными линиями;
А/— расстояние между этими эквипотенциальными линиями в масштабе
(определяем примером); АЛ по всем трубкам тока равна 0,2 м; A/i = 3,9; A/2=
«4,1; А/3=*4,5; А/4=4,6 м;А/5=4,7 м; А/0=4,8 м.
Отсюда
/i = -^ = 0,0513;
/4= т4" = 0,0435;
4,6
Скорости фильтрации по трубкам тока:
Vl = K— = KI\ 1^ = 0,25.0,0513 = 0,0128;
А/
1^ = 0,26-0,488 «0,0122; ^ = 0,25-0,0444 = 0,0111;
04 = 0,25.0,435 = 0,0109; t>6 = 0,25-0,0426 = 0,0107;
ив = 0,25- 0,417 = 0,0104.
Расходы на фильтрацию по трубкам тока: q—KIb или Vb,
где q — расход и К — коэффициент фильтрации; / —
гидравлический градиент; Ь — ширина трубки тока (в масштабе),
определенная промерами по чертежу:
&! = 0,8 м; &2=1,5 м; bB~l9S м; 64=1,6 м; ЬЬ=1УЬ м; 6в=1,1м;
?! = 0,0128-0,8 = 0,01024; <7а = 0,0122-1,5 = 0,0183;
<7з = 0,0111-1,5 = 0,01665; (74 = 0,0109.1,6 = 0,01744;
96 = 0,0107-1,5 = 0,01605; ?в = 0,0104-1,1 =0,01144.
Всего за сутки из магистрального канала на 1 погонном
метре профильтровалось
Q = 2^1 + ft + ?8 + fr + fc + <7t)==s
= 2(0,01024 + 0,0183 + 0,01665 + 0,01744+0,01605 + 0,01144) =
= 2-0,09012 = 0,18024 м3/сут.
Канал длиной 1 км за сутки теряет на фильтрацию в
тысячу раз больше, т. е. 180,24 м3.
Если магистральный канал «работает» два месяца, то
потери из него за это время составят 10814,4 м3.
Задача 2. Определение дальности влияния водохранилища
на прилегающую территорию. К каналу (водохранилищу)
примыкает участок длиной 1,3 км, имеющий уклон менее 0,005°.
Из канала- идет фильтрация. Глубина залегания водоносного
255
/2 = ^- = 0,0488;
4,1
/3 = ^== 0,0444;
/,* -М. = 0,0426; /в = ^_=0,0417.
5 4,7 4,8
горизонта 14 м. Толща почвы
мощностью в 2 м имела в 3
раза больший коэффициент
фильтрации, чем
нижележащая толща.
Решение задачи.
Модель строили следующим
образом: на электропроводную
бумагу длиной 130 см
(профиль имел горизонтальный
масштаб 1 : 1000) наклеивали
дополнительно один на другой
три слоя бумаги шириной 1 см,
что соответствовало
почвенному слою с более высоким
коэффициентом фильтрации
(вертикальный масштаб
1 :200). Затем на глубине 7 см
(что соответствовало исходной
глубине залегания грунтовых
вод 14 м) наклеивали ленту
свинцовой фольги,
электропроводность которой была
значительно выше
(непропорционально)
электропроводности бумаги. Такой схемой мы
пытались, во-первых,
снивелировать разницу в
вертикальном и горизонтальном
масштабах, так как свинцовая фольга
замыкала на себя часть силовых линий, а, во-вторых, она
служила моделью водоносного горизонта.
В данной задаче мы ограничились выявлением
качественных закономерностей при изучении распределения
гидравлического напора в зависимости от расстояния от источника
фильтрации и влияния на форму депрессионной кривой
дополнительных источников фильтрации (например, каналов
оросительной сети).
В связи с поставленными задачами результаты были
изображены лишь в форме эквипотенциальных кривых,
являющихся аналогом линий равного напора.
Для выявления нормального распределения
гидравлического напора в зависимости от расстояния до источника
фильтрации по результатам измерения потенциалов модели
электрическое поле создавали двумя электродами АВ (потенциал
Л = 100 мВ, потенциал В==0 мВ), отнесенными на расстояние
70, 90 и 130 см. Потенциалы измеряли на глубинах 0,3 и 7 см.
Характер распределения потенциалов электрического поля
в зависимости от разноса электродов показан на рис. 74. Наи-
мб
90]
60\
70
60\
50\
щ
зо\
го\
Щ
10 20 3040 50 60 70
А
1без А'
2А'= 10
ЗА'=90
0 1029304050 6070 80SOWOffOeOVDW-CM
6
Рис. 74. Распределение потенциалов
электрического поля и а поверхности
почвы и на глубине 7 см в
зависимости от расстояния между
электродами:
Л — при 70 см; Б — при 140 см;
дополнительный электрод А' на расстоянии
20 см от электрода А\ потенциалы
электрода А' равны 10 и 90 мВ.
256
больший спад потенциала отмечается на расстоянии до 30 см
от электрода А (кривые 1 и Г). Следовательно, градиент
фильтрационного потока на этом участке максимальный.
Кривые 2 и 3 (рис. 74 А} Б) показывают влияние
дополнительных источников фильтрации (канав, каналов
оросительной сети и др.) на напор.
В задаче этими источниками служил третий электрод А/
с потенциалом 90 мВ (кривая 3), электроды с потенциалом 0
и 10 мВ (кривая 2), помещенные на расстоянии 20 см от
электрода А.
При Л'=90 мВ (дополнительный источник фильтрации)
потенциалы на поверхности почвы повышаются по отношению
к нормальному распределению (кривая 1) по всему профилю.
При этом в первом примере (А = 70 см), если на расстоянии
30 см от электрода А потенциал на поверхности был выше
(60 мВ), чем на глубине (49 мВ), и дальше идет их
выравнивание (64 и 63 мВ), то вблизи у электрода В он становится
даже меньше, чем на глубине (49 и 52 мВ). При /4'= 10 мВ,
что означает дополнительный сток, поглощение и т. д.,
потенциал на глубине 7 см (фольга) всегда остается несколько
выше потенциала на поверхности.
Физически это можно представить так: если имеется
канава, являющаяся дополнительным источником фильтрации,
то она в основном снижает гидравлический напор из
основного источника. Характер влияния дополнительных источников
тока на поле потенциала при большом расстоянии АВ
показан кривыми на рис. 74.5. Вблизи дополнительного источника
фильтрации кривые потенциалов аналогичны разобранным
выше (2/ и <?')> по мере удаления от него кривые потенциалов
становятся почти параллельными оси абсцисс.
Таким образом, учитывая, что модель участка имеет
масштаб 1: 1000, на основании падения потенциалов (рис. 74,
кривая 1) можно предполагать, что наиболее интенсивная
фильтрация из канала, как и из других водохранилищ при
аналогичном строении профиля, происходит на расстоянии
300 м от канала. На остальной части профиля (300—1300 м
от канала) изменение глубины от первоначального залегания
зеркала грунтовых вод незначительно.
Метод моделирования может быть использован для
изучения потоков тепла, газов и электрического тока при
электромелиорации, с предварительной разработкой для этих целей
соответствующих параметров.
АЭРОФИЗИКЛ ПОЧВ
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ
И СОСТАВА ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
Почвенный воздух отличается от атмосферного
количественным и качественным составом. В нем при нормальной
аэрации в десятки раз больше углекислого газа, чем в
атмосферном.
Кислород в почве интенсивно поглощается корнями
растений и микробами в процессе их дыхания. При отсутствии
нормального газообмена в почвенном воздухе количество
кислорода может падать до десятых долей процента, а
углекислоты— увеличиваться до десяти и более объемных процентов.
Что касается А^, то незначительные колебания его
количества связаны обычно с изменениями в содержании
кислорода; при уменьшении последнего почвенный воздух
относительно обогащается Л/^.
Из всех газов наиболее легкий водород, он в 14,5 раза
легче воздуха. Имеет наибольший коэффициент диффузии,
вследствие этого концентрация его в поверхностных слоях
почвы примерно такая лее, как и в атмосфере.
В почве содержатся аммиак, сероводород, метан и ряд
газообразных летучих соединений, количественный и
качественный состав которых еще не установлен.
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
По физическому состоянию почвенный воздух делят на
свободный, адсорбированный и растворенный.
Свободный воздух находится в почвенных крупных
капиллярных и некапиллярных порах. Наибольшее значение для
жизни растений и почвенных процессов имеет воздух,
находящийся в крупных некапиллярных порах. Поры обусловливают
постоянную аэрацию почвы, заполнены воздухом и при
увлажнении, соответствующем общей или полевой влагоемкости,
и только при избыточном увлажнении содержат воду. При
подсыхании почвы от увлажненного до абсолютно сухого
состояния количество воздуха непрерывно возрастает и в конце
этого процесса почва из трехфазной системы (твердое тело +
+вода+воздух) превращается в двухфазную (твердое тело +
+воздух).
Воздух некапиллярных пор отличается наибольшей
подвижностью и доступностью. Подвижность воздуха в
капиллярных порах снижается по мере уменьшения их диаметра.
258
Защемленный воздух — часть свободного воздуха,
находящегося в замкнутых порах, не сообщающихся с атмосферой;
растениями он используется и имеет значение при
технологической характеристике почвы, так как обусловливает частично
ее упругие деформации. Объем защемленного воздуха в почве
определяется по разности между общей скважностью и
объемом пор, занятых водой, соответствующей величине водовме-
стимости или полной влагоемкости.
Воздух, сорбированный почвой. Сухие почвы обладают
способностью сорбировать (поглощать) значительное количество
газов, находящихся в почве. При этом происходит несколько
процессов: адсорбция — сгущение газа на поверхности
почвенных частиц (адсорбента); абсорбция — физико-химическое
поглощение газов твердой и жидкой фазой почвы, с
образованием в последнем случае растворов; хемосорбция
—поглощение за счет химического взаимодействия между почвой и
газом. Например, при действрга Н2О + СО2 на СаСОз получается
Са(НСОзЬ. Сорбция газов и паров зависит от их строения.
Газы с полярным строением молекул поглощаются тем
энергичнее, чем выше их дипольный момент (аммиак,
сероводород, водяной пар), В газах неполяриого строения дипольный
момент равен нулю, поэтому они адсорбируются почвой
меньше. Сорбция газов пропорциональна их давлению и
обратно пропорциональна температуре. Кроме того, она зависит
и от сорбента: тем больше, чем выше его дисперсность. Из
всех составных частей почвы наибольшей поглотительной
способностью газов обладают гумус и полуторные окислы,
меньшей—кварц, известь и гипс.
Адсорбция газов почвой наблюдается при влажности
меньше максимальной гигроскопической и наибольшего
значения достигает в абсолютно сухих почвах.
Растворенный почвенный воздух. Компоненты почвенного
воздуха неодинаково растворимы в воде, наиболее растворимы
аммиак, сероводород, углекислота. Растворимость газов в воде
возрастает с увеличением их парциального давления и с
понижением температуры. Кроме того, растворимость газов
уменьшается с повышением минерализации воды.
Газы существенно меняют свойства почвенного раствора.
Та'к, увеличение содержания СОг в почвенном воздухе и
в связи с этим в растворе способствует повышению
растворимости карбонатов, фосфорита, гипса и других минеральных
составных частей почвы.
Свойства почвенного раствора обусловлены растворенными
в нем газами и их соотношением. Так, дождевые и талые воды
содержат большое количество растворенного кислорода, что
придает окислительные свойства почвенному раствору. По
мере просачивания его вглубь кислород расходуется на
дыхание фауны, корней растений и микробов, и почвенный раствор
приобретает восстановительные свойства. В связи с этим
259
в почвенном профиле выделяется
окислительно-восстановительная граница, выше которой идут процессы окисления,
а ниже ее — процессы восстановления.
Окислительно-восстановительные условия почвенного раствора влияют на
минерализацию органического вещества, переход железа, марганца
из окисных в закисные соединения и обратно, на миграцию
их в толще, на дисперсность и структуру почвы.
Окислительно-восстановительные процессы сказываются на
росте и развитии растений и жизни микробов в почве.
Значение свойств раствора особенно велико в почвах гидроморфного
ряда и в условиях орошаемого земледелия.
Состав и состояние почвенного воздуха в значительной
мере определяются физическим строением почвы.
ВОЗДУШНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Среди физических свойств почв следует выделить ряд
характеристик, которые определяют количественный и
качественный состав почвенного воздуха. Это воздухоемкость,
воздухопроницаемость и газообмен между почвой и атмосферой
(аэрация почвы).
ВОЗДУХОЕМКОСТЬ
Воздухоемкость — способность почвы удерживать при
определенном физическом состоянии то или иное количество
воздуха. Содержание воздуха при этом выражают в процентах
от объема почвы. Воздухоемкость — величина динамичная.
При полном насыщении всех пор в почве водой присутствует
только растворенный воздух. По мере подсыхания почвы
количество воздуха в ней возрастает.
Воздухоемкость при влажности почвы, соответствующей
общей или полевой влагоемкости, является существенной
физической характеристикой. Величина ее равна разности между
общим объемом пор и объемом занятых водой. Если объем
пор, занятых воздухом при общей влагоемкости, меньше 10—
15 % от объема почвы, аэрация почвы недостаточная и
требуются мелиоративные или агротехнические приемы для
улучшения ее. Максимальной воздухоемкостью обладает абсолютно
сухая почва, когда величина ее складывается из
адсорбированного воздуха и свободного, заполняющего все поры.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХОЕМКОСТИ ПОЧВЫ
Объем, занимаемый в почве воздухом, определяют
буровым методом (Н. А. Качинский) или с помощью специального
аэропикнометра.
Буровой метод. Цилиндром определенного объема берут
образец почвы, определяют массу сырой почвы, влажность W
260
для вычисления массы сухой почвы, плотность скелета почвы
dVi а также плотность твердой фазы почвы d. Отношение
сухой почвы к ее объему в цилиндре дает плотность скелета
почвы dv. Затем определяют общую порозность почвы в
процентах к ее объему по уравнению
-^-.100 = Роб,д.
а
Вычисляют объем пор, занятых водой (Р\^ = W^rfv)» и
воздухом (Раэр = Л>бщ — Pw)-
Быстрее и проще вытеснить воздух из данного объема
почвы путем отсасывания насосом или вытеснения жидкостью,
не растворяющей его (насыщенный раствор NaCl, ртуть и
т. п.). В таком случае отпадает необходимость знать
влажность и плотность твердой фазы почвы. Количество воздуха
в газоприемнике определяют непосредственно. Однако этот
прием недостаточно разработай.
Аэропикнометрический метод. Берут буром образец почвы
известного объема и помещают в воздухонепроницаемую
систему, состоящую из камеры, манометра для измерения
давления воздуха и особого приспособления для изменения
объема камеры прибора. Измеряют первоначальное давление Рц
в приборе, объем камеры У0 и объем образца почвы V„. Затем
уменьшают объем камеры в системе на величину AV и
измеряют изменившееся давление Р\.
При постоянной температуре опыта
где V\ — измененный объем камеры.
Часть объема камеры VK занимает образец почвы Vu
с включенным в него объемом почвенного воздуха.
Объем воздуха в камере VQ представляет собою
алгебраическую сумму:
V.-V.-V.+1&-.
где Vx — искомое процентное содержание воздуха в почне.
При загрузке камеры почвой, когда первоначальное
давление в приборе равно Р0, левая часть уравнения может быть
выражена как
261
После изменения AV свободного
объема камеры V\ будет равен
vx-v„
Уг=Ук-Уп
100
-AV,
и тогда правая часть уравнения может
быть записана так:
Pi(vK-Va
Vx-Vu
100
-AV'
Рис. 75. Аэропикиометр
Рассела:
/ — камера; 2 —крышка;
3 — камеры; 4 — сильфон;
5 — манометр; 6 — винт.
После подстановки названных значений
уравнение примет вид
01КуДа ,,= 100[(1_i)+(^.^-)].
Для данного аэропикнометра величины VK и Vn — постоянные.
Для удобства вычисления строят калибровочную кривую
измерения Pi в зависимости от Vx.
Если атмосферное давление мало изменяется (при
небольших колебаниях берут среднее значение его), то можно
построить одну калибровочную кривую; в противном случае
строят отдельно кривые для каждого встречающегося
значения А).
Имеется несколько приборов, в которых используется
описанный принцип. Аэропикнометр Расселя — наиболее простой
и совершенный (рис, 75). Он состоит из цилиндрической
латунной камеры 1 для почвы со снимающейся нижней
крышкой 2. К камере присоединены сильфон 4 (металлические
меха) и ртутный манометр 5. С помощью винта 6 и сильфона
уменьшают объем камеры 3 на величину АУ. Далее анализ
ведут способом, описанным выше. Объем воздуха в пробе
определяют по калибровочной кривой или по формуле. В этом
приборе общий объем камеры составляет 123 см3, наибольшее
возможное уменьшение объема 17 см3, максимальный объем
почвенного образца 71 см3.
Объем камеры VK прибора, если он неизвестен, измеряют
с помощью металлической болванки определенного объема Уб,
которую помещают внутри камеры прибора. При этом
измеряют Р0; затем сильфоном изменяют объем на AV и вновь
измеряют давление Pi по уравнению
Po(Vk-V6) = Pi [(Vk-V6)-AV]
и вычисляют Ук. Этим можно воспользоваться и при
составлении калибровочных кривых.
262
Прибор отличается небольшой чувствительностью при
низких значениях Vx. Ее можно повысить, увеличив значение А V
или объем почвенного образца.
С помощью этого прибора были получены данные по
аэрации почв, позволяющие оценивать различные виды вспашки.
ВЫДЕЛЕНИЕ И УЧЕТ АДСОРБИРОВАННОГО ВОЗДУХА
Количество воздуха или газа, поглощенного сухой почвой,
выраженное в мг или мл на 100 г адсорбента, называют
адсорбционной емкостью почвы. Она имеет большое
практическое значение.
По величине емкости поглощения газов можно судить
о степени дисперсности почвы и емкости поглощения
катионов. По данным исследований, коэффициент корреляции
между этими величинами 0,8—0,9. Емкость поглощения имеет
значение при внесении в почву газообразных удобрений и ее
дегазации.
Поглощенный воздух в сухой почве при быстром ее
увлажнении (орошение, сильный дождь) вытесняется водой.
Сжимаясь, он развивает большую динамическую силу,
усугубляющую разрушение почвенной структуры.
Метод Соболева. Метод основан на вытеснении
адсорбированного газа водой и учете его объема. Прибор (рис. 76)
состоит из бюретки для воды или насыщенного раствора NaCl
(растворимость газов и воздуха в нем значительно меньше,
чем в воде). Бюретка 1 соединена со стеклянной трубкой для
почвы 2, в нижней части которой имеется металлическая
сетка. Трубку с почвой
помещают в термостат S с
термометром 4. Сосуд с почвой
соединен резиновой трубкой
с эвдиометром 5 через кран 6.
Эвдиометр состоит из бюретки
на 25 мл, соединенной
тройником с трубкой такой же
высоты и диаметра и резиновой
грушей для приведения
давления воздуха в эвдиометре
к атмосферному. Эвдиометр
вмонтирован в термостат. Во
время опыта в сосуде с почвой
и в эвдиометре поддерживают
постоянную температуру.
Ход определения. На-
BPPKV ттпчпы 2ft г т.т™пшт*ятлт Рис1 76* Устаиовка Для определения
веску почвы гь г высушивают сорбированного воздуха (по Собо-
при 100—105 °С до постоян- леву):
НОЙ МаССЫ, ПОСЛе ЧеГО еще ГО- 1 — бюретка; 2~ трубка для почвы; 3 —
рячую почву переносят в на- тс*мостат; 4-т|р^еатвр; ^-аддяомотр;
263
гретую до 100 °С трубку прибора. Нижний конец ее закрывают
пробкой со стеклянной палочкой, а верхний конец (через
стеклянную трубку) присоединяют к трубке с хлористым кальцием.
Так, почву охлаждают на воздухе, затем определяют
количество поглощенного воздуха. Для этого трубку с почвой
помещают в ванну с водой определенной температуры,
присоединяют к эвдиометру, в котором с помощью груши
устанавливают давление, равное атмосферному, и делают отсчет по
бюретке и эвдиометру. Затем из бюретки медленно выпускают
воду в трубку с почвой до появления ее на поверхности почвы.
Через 5—10 мин снова давление в эвдиометре доводят до
атмосферного и производят отсчет. Уровень воды в эвдиометре
снизится на большую величину, чем в бюретке. Разница в отсчетах
по эвдиометру и бюретке перед и после опыта указывает объем
вытесненного адсорбированного воздуха. Этот объем приводят
к температуре 0 °С и давлению 760 мм рт. ст. (98,04 кПа) и
рассчитывают на 100 г сухой почвы. Выделенный
адсорбированный воздух анализируют в газоанализаторе.
Анализ адсорбированного воздуха простой и
нетрудоемкий.
Для определения емкости поглощения почвы различных
газов (С02, N2, 02 и т. д.) абсолютно сухую и нагретую до
100 °С почву помещают в емкость с данным газом и
выдерживают там до достижения постоянной массы, после чего
описанным выше способом определяют объем поглощенного газа.
ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ
Скорость проникновения воздуха или газа в почвенную
толщу называют воздухопроницаемостью. В природных
условиях это происходит под влиянием атмосферного давления
или воды, затопляющей поверхность почвы в период
снеготаяния, ливневых дождей и т. д.
За меру воздухопроницаемости почвы принимается
количество воздуха в мл, прошедшего под определенным давлением
в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см2 при
толщине слоя в 1 см. Выражают воздухопроницаемость и
в относительных величинах — в процентах к скорости
выделения воздуха в атмосферу.
Разработано несколько методов измерения
воздухопроницаемости.
Манометрический метод основан на учете времени t
выравнивания градиента давления в сосуде, соединенном
последовательно с почвой и атмосферой.
Прибор Э'ванса и Кирхама для измерения
воздухопроницаемости поверхности почвы (рис. 77). В почву врезают
металлическое кольцо 1, в центр которого вставлена
стеклянная или из прозрачной пластмассы трубка 4, касающаяся
почвы. Трубка укреплена на треноге 3. Поверхность почвы вну-
264
Рис. 77. Прибор Эваиса и Кирхама для измерения воздухопроницаемости
поверхности почвы:
/ — кольцо; 2 —парафин; 3 — тренога; 4 — трубка; 5 —край; ff — термометр; 7— трубка
манометра; 8 — сосуд; 0 — край; /0 — насос
три кольца заливают парафином 2. В сосуд 8 с термометром б"
накачивают автомобильным насосом 10 воздух до тех пор,
пока столб воды в манометрической трубке 7 не поднимется
до отметки 30—40 см. Затем кран 9 на трубке, через которую
поступал воздух, закрывают, открывают кран 5. Воздух из
сосуда 8 через шланг и трубку поступает в почву; давление
в сосуде падает. Учитывают время выравнивания давления
в сосуде с атмосферным давлением через почву (tn) и затем
снова накачивают воздух в сосуд 5 и выпускают его в
атмосферу (t2). Коэффициент воздухопроницаемости
/Св %=А-.Ю0.
U
Авторы предложили формулу для вычисления
воздухопроницаемости Къ в единицах дарси. Дарси — объем (мл) газа,
протекающего в секунду (нормально к поверхности пористой
среды) через 1 см2 при вязкости воздуха, равной 1,01 пуаза,
и градиенте давления 98 кПа на 1 см2:
/C.-igK-.lg-f дарси,
APt hi
где т] — вязкость в пуазах; V—объем сосуда; Л —отношение радиуса
трубки к радиусу кольца; Р — атмосферное давление, /io — высота столба
воды в манометре перед опытом; h\ —то же, после опыта.
Определения в поле показали, что воздухопроницаемость
поверхности почвы изменяется от десятых долей до 40 единиц
дарси и зависит от влажности почвы и ее окультуренности.
265
Прибором можно определить воздухопроницаемость по
генетическим горизонтам, соответственно обнажая их, а также
в образцах почвы нарушенного или естественного сложения,
которые для этих целей следует брать в специальные
цилиндры.
Геометрический метод. Метод основан на непосредственном
измерении скорости прохождения воздуха через почву с
помощью реометра. Реометр имеет дросселирующее устройство,
состоящее из трубки разного диаметра по длине. При
переходе газа из широкой части ее в узкую скорость потока газа
увеличивается, а давление падает (измеряется манометром).
Количество протекающего через реометр газа подчиняется
уравнению Вернули, пользуясь которым можно вычислить его
объем. Практически реометр градуируют с помощью газовых
часов или аспиратора — моностата (Б. Г. Еремина, 1955).
Геометрический метод определения воздухопроницаемости
почвы разработан Добряковым (1937, 1952). Им предложен
прибор, описание которого с незначительными изменениями
(лаборатория физики почв МГУ) приводим (рис. 78).
В регулятор давления воды / из крана по шлангу подают
воду; излишек ее сливают в раковину через отводную
трубку 2; из регулятора давления воду подают в регулятор
скорости 3. Передвигая последний с помощью винта 4 вверх
или вниз, регулируют скорость движения воздуха в аппарате.
При установке аппарата трехходовым краном 6 ток воздуха
направляют в окружающую атмосферу через реометр 8.
Уровень жидкости на шкале реометра означает скорость
прохождения воздуха (мл/мин) через аппарат. С помощью
регулятора 3 устанавливают мениск правой шкалы реометра на
делении 100 мл/мин. Затем поворотом крана 7 присоединяют
реометр к цилиндру с почвой 9. Так как почва оказывает
сопротивление току воздуха, то скорость движения его снизится,
соответственно изменится и показание реометра. Отсчет по
шкале дает воздухопроницаемость почвы в процентах по
отношению к движению его в окружающую атмосферу. Объем
цилиндра для почвы 500 мл. Цилиндр вставляют в крышку
с резиновой прокладкой, в центре которой имеется
металлическая трубка. На нее надевают резиновую трубку,
соединяющую почвенный цилиндр с реометром.
При транспортировке образцов цилиндры закрывают
крышками 10, а для сохранения естественной влажности
парафинируют. Определение можно вести в поле, погружая цилиндр
в почву. Тогда крышку 10 надевают сверху, и воздух входит
в почвенную толщу. Размещая цилиндры в разных горизонтах,
получают данные о воздухопроницаемости почвы по профилю.
При работе с прибором следует тщательно следить за
герметичностью соединений. Место контакта цилиндра с крышкой
промазывают вакуумной замазкой, если между цилиндром и
почвой оказывается щель — ее заливают расплавленным пара-
265
Рис. 78. Геометрический прибор для определения воздухопроницаемости
почвы:
/ — регулятор давления воды; 2 — отводная трубка; 3 — регулятор скорости; 4 — винт;
5 — кран; 6 — трехходовой кран; 7 — кран; 8 — реометр; 9 — цилиндр с почвой; 10 --
крышка.
фином. Воздухопроницаемость определяют в трех-пятикратной
повторное™. После анализа воду из сосуда 3 сливают через
кран 5.
Н. Ф. Добряков (1952) установил, что через 60 мин после
максимального увлажнения (добавка 20 мм воды в верхнюю
часть цилиндра с почвой) почвы структурные
восстанавливают свою воздухопроницаемость, бесструктурные — резко
снижают и не восстанавливают ее в течение часа. На
основании этого им дана классификация почв по структурному
состоянию (табл. 36). Этим методом хорошо улавливаются
изменения в структуре дерново-подзолистых почв под влиянием
известкования и травосеяния.
36. Воздухопроницаемость почв в зависимости от ее структурности
Структурное состояние почвы
Воздухопроницаемость почвы
через 60 мин после
ее увлажнения, мл/мин
Хорошо структурное
Среднее »
Слабо »
Бесструктурное
>60
40—60
20-40
0—20
267
ГАЗООБМЕН МЕЖДУ ПОЧВОЙ
И АТМОСФЕРОЙ (АЭРАЦИЯ)
Газообмен между почвой и атмосферой обусловлен
диффузией газов, изменением температуры почвы в течение суток,
изменением барометрического давления, вытеснением воздуха
из почвы при выпадении осадков или при орошении, а также
ветром. Значение этих явлений неоднозначно. Одни
исследователи считают главным постоянно действующим фактором
газообмена диффузию газов (Роммель), другие — изменение
температуры почвы в течение суток —«дыхание» почвы
(А. Г. Дояренко). Однако в почве одновременно с диффузией
происходит и воздухообмен.
По данным А. Г. Дояренко, при средней скважности почвы
и обычном суточном колебании температуры за счет
«дыхания» заменяется атмосферным воздухом 10—12 % почвенного
(от общего содержания его), что вполне удовлетворяет
суточную потребность растений в кислороде.
Периодически может сильно возрастать роль других
факторов газообмена. Интенсивность аэрации определяет и
наличие свободных, не заполненных водой пор в почве. В
суглинистых почвах, если поры, через которые совершается газообмен,
занимают меньше 10 % объема почвы, интенсивность аэрации
недостаточная, при 10—15% — удовлетворительная и при
15—25 %—хорошая для растений.
Структурная почва обеспечивает нормальное соотношение
пор, занятых водой и воздухом.
Интенсивность газообмена между почвой и атмосферным
воздухом определяют косвенно —по количеству выделившейся
из почвы углекислоты или другого газа и непосредственно —
путем измерения количества проникшего и выделившегося из
почвы воздуха — «дыханием» почвы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗООБМЕНА ПО СОДЕРЖАНИЮ С02
В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА
Воронка Люндегорда (рис.79). Воронка диаметром
30—40 см имеет отверстие для термометра (3); края ее
переходят в цилиндрические плечики высотой 10 см. Воронку
врезают в почву на глубину плечек. Увлажненную почву вокруг
утрамбовывают для изоляции от атмосферного воздуха. При
взятии пробы воздуха одно отверстие воронки (1) закрывают,
другое (2) через резиновую трубку соединяют с газовой
пипеткой, после чего открывают второе отверстие для
выравнивания давления под воронкой. Первую порцию воздуха,
заполняющего воронку, удаляют. В следующей с помощью
титрования раствора Ва(ОН)2 или газоанализатора определяют
содержание С02. Пробу берут через 1 ч при слабом выделении
СОг из почвы и через 30 мин — при интенсивном.
268
Взятие пробы можно заменить
установкой поглотителя. В два широких
бюкса наливают по 25 мл 0,01
молярного раствора Ва(ОН)2. Один помещают
под колпак (воронку) для определения
поглощения С02 из почвенного воздуха.
По истечении срока экспозиции титруют
раствор 0,01 молярным раствором НС1.
Определяют количество НС1, пошедшее
па титрование Ва (ОН) 2 до и после опыта. Рис- 79- Воронка Люи-
Второй бюкс, изолированный от поч- , и ,_ Д^я- 5_тер.
ВЫ, устанавливают РЯДОМ С ВОрОНКОЙ мометр. '
для определения поглощения С02 из
воздуха за то же время.
Количество выделившейся из почвы СОг вычисляют по
разнице между определениями под воронкой и атмосферой.
Расчет выделившейся С02 в кг/га • ч приведен ниже.
Б. М. Макаров (1952) сконструировал специальный домик
для изучения газообмена по выделяющейся из почвы СОг.
Стеклянный домик Макарова высотой 60 см
с площадью основания 30X50 см и объемом 90 л снизу обшит
тонкой железной полосой. Перед опытом с рабочей площадки
срезают надземные части растений, ящик врезают в почву на
глубину 3—5 см, землю вокруг увлажняют и уплотняют для
изоляции от атмосферного воздуха. В таком виде
выдерживают 30 мин, затем через шланг засасывают из домика пробу
воздуха и определяют содержание С02 на газоанализаторе
или 2 л воздуха из домика пропускают через поглотитель
Рихтера с титрованным молярным раствором Ва(ОН)2,
который после опыта титруют 0,01 молярным раствором НС1.
К концу определения температура в домике повышается
на 1—3° по сравнению с наружным воздухом. В железной
воронке или домике эта разница намного больше. Поэтому
рекомендуется изготовлять изоляторы от воздуха из стекла,
а железные изоляторы — покрывать белой краской.
Количество выделившейся углекислоты зависит от типа и
разности почвы, температуры, влажности ее, характера
растительности, что необходимо учитывать при определении.
При использовании воронки Люндегорда и домика
Макарова в случае определения СОг методом титрования ход
анализа и вычислений следующий: 0,01 молярный раствор
Ва(ОН)2 в количестве 20—30 мл помещают в сосуд для
поглощения СОг, прибавляют две капли изоамилового или изо-
бутилового спирта для понижения поверхностного натяжения
и титруют раствором НС1. Таким же образом подготовленный
поглотитель в отдельной колбочке служит контролем.
Пример расчета. Пусть на титрование 20 млВа(ОН)2
до опыта пошло 19 мл НС1, а после опыта 12,5 мл. Чтобы из-
269
бежать ошибки в определении в результате поглощения С02
из воздуха во время титрования, на этот же срок ставят
контроль — раствор Ва(ОН)2. По истечении срока титрования
расход НС1 составил 18,5 мл, т. е. на 0,5 мл меньше.
Фактически расход НО на титрование Ва(ОН)2 равен 12,5—0,5 =
= 12 мл. Количество поглощенной и, следовательно,
выделившейся из почвы С02 составит:
Q=(19-l2)-90-30-0,22 =1>15г/м2.чиди 1.16-ИН = U>5 кг/га.ч.
0,15-2.60.1000 10:)
В этих вычислениях 90 л — объем домика; 0,15 м2 — его
площадь; 2 л — объем взятой пробы воздуха из домика;
перевод экспозиции в минутах в часы; 1 мл 0,01 мо-
0 22
лярной НС1 соответствует 0,22 мг С02 или —'— г СОа-
Количество С02 можно перевести в объемные единицы,
имея в виду, что одна грамм-молекула С02 при нормальных
условиях занимает объем 22400 см3. Установленное количе-
22 400
ство С02 в граммах в объеме домика умножают на
44
и тогда
Q= 1'15-22400 =585 см",
44
что в % от объема изолированного воздуха составляет
585-100
90 000
- = 0,65 %.
Метод Штатнова. Биологическая активность почв
определяется косвенно по выделению С02 почвой. В стеклянный
сосуд или эксикатор с притертой крышкой на дно насыпают
песок слоем 1,5—2,0 см, на него ровным слоем почву (образец
массой 1 кг пропускают через сито с отверстиями диаметром
3 мм). В почву вводят стеклянную трубку, через которую
подают воду, и увлажняют до капиллярной влагоемкости.
В фарфоровую чашку или чашку Петри наливают
поглотитель—10—15 мл 0,1 мольного раствора NaOH и ставят на
поверхность почвы. Сосуд (эксикатор) герметически
закрывают крышкой и помещают в термостат. Ставят такой же
сосуд с поглотителем, но без почвы для определения
поглощенной углекислоты из воздуха в объеме сосуда в течение опыта.
В полевых условиях на поверхность почвы без
растительности под колпак ставят подставку, на которую
устанавливают чашку Петри или широкий бюкс с 0,1 мольным
раствором NaOH (поглотителем С02). Раствор должен покрывать
дно сосуда тонким слоем (10—20 мл). Одновременно для
контроля рядом ставят широкий плоскодонный сосуд
с 1 %-ным раствором H2S04 слоем 0,5—1 см для изоляции от
270
внешнего воздуха. На подставке в него устанавливают сосуд
с поглотителем, накрытый колпаком-изолятором. Через 1—3 ч
раствор поглотителя сливают через воронку в коническую
колбочку, ополаскивают воронку и фарфоровую чашку
дистиллированной водой без СС>2 (кипяченой в течение двух
часов). Перед титрованием в колбочку прибавляют 1 мл 50%-
ного раствора ВаС12 для связывания поглощенной СОг.
Пример расчета. На 10 мл 0,1 молярного раствора
щелочи в контрольной пробе израсходовано 9,8 мл 0,1
молярного раствора НС1, а в опытном варианте — 6,4 мл.
Следовательно, с изучаемой поверхности почвы за 3 ч на связывание
С02 израсходовали 3,4 мл NaOH, что соответствует
°'34'44 - = 0,00748 гС02.
lUUU'Z
Поверхность почеы в сосуде равна 500 см2. С площади 1 м2
выделится
1000-2
:ТЬ ПОЧ£Ы
выделится
СОг== 0,00748-10 000 =0)1496г;
500
с одного гектара—1,496 кг за Зч, за 1 ч—0,499;
за сутки—0,5-24== 12 кг.
Л. О. Карпачевский и другие модифицировали метод
Штатнова: углекислый газ с поверхности почвы поглощают
2—5 мм 0,1 мольной КОИ в бюксах диаметром 5—6 см в
отсутствие сосуда-изолятора.
По истечении срока экспозиции — 20 мин — щелочь отти-
тровывают 0,5 мольной H2S04 из микробюретки по
фенолфталеину.
Количество поглощенной С02 — О вычисляют по формуле
О — (а-~6)-п.60*Ю8-22 _ (а-Ь)-П'б* 1000-22
~~ T-S-10' """ T-S 9
где а — количество H2S04, пошедшее на титрование исходной щелочи, Ь —
после экспозиции; п — молярность кислоты; S — площадь поглотителя, см2;
Т — время поглощения.
Затраты труда и времени в этом варианте меньше, чем
в методе Штатнова. Полученная величина О характеризует
пограничные условия системы почва — атмосфера.
При определении биологической активности желательно
определять влажность, температуру почвы и воздуха.
Твердая фаза почвы обладает способностью поглощать СЬ и
одновременно выделять СО2, тем самым влиять на состав
почвенного воздуха. Соотношение 2 называют коэффици-
2
ентом «дыхания» (7СД). Для его определения используют
аппарат Варбурга (А. Ф. Семихатова, 3. А. Чулаиовская, 1965).
271
ВОЗДУХООБМЕН В ПОЧВЕ
Воздухообмен в почве А. Г. Дояренко определял как
процесс выделения почвенного воздуха в суточном цикле
изменения температуры почвы и назвал его «дыханием» почвы. Днем
почва нагревается, воздух в ней расширяется и часть его
вытесняется в атмосферу; ночью же при охлаждении воздух
в почве сжимается и часть его захватывается из атмосферы
почвой. В настоящее время под термином «дыхание»
понимают выделение почвой С02. Ниже описана методика
определения «дыхания» на приборе Трофимова.
В лаборатории физики почв МГУ в прибор внесли
некоторые изменения: сосуд для воды (прямоугольный
параллелепипед) и пробирки изготавливаются из прозрачной
пластмассы, а не из стекла. Кроме того, сделаны специальные
гнезда для пробирок и портативный футляр. Прибор (рис. 80)
имеет следующее устройство. Сосуд для воды 1 высотой 4 см,
шириной 5, длиной 12 см и объемом 240 мл в верхней части
имеет отверстие 2 для наполнения его водой, которое
герметически закрывается винтам.
Дно сосуда имеет два отверстия 3 (диаметром около 5 мм)
на расстоянии 5 см друг от друга с герметично пригнанными
трубками 4, которые заканчиваются внизу конусом с выход-
Рис. 80. Прибор для измерения «дыхания» почвы:
/ — сосуд для воды; 2 и 3 —отверстия; 4 — трубки; 5 — градуированные пробирки;
о—цилиндр для почвы; 7 —крышка; 8 — отверстие; 9 — крышка; 10 — трубка; 11 —
ножка; 12 — винт.
272
ным отверстием (диаметром 0,5 мм). Концы трубок соединены
с градуированными пробирками 5 вместимостью 10 мл. Все
соединения должны быть строго герметичны. Пробирки имеют
боковые полые трубочки, загнутые книзу. Правая пробирка
трубочкой соединяется с цилиндром для почвы 6, левая —
с атмосферным воздухом. Цилиндр для почвы металлический,
вместимостью около 1 л (Л== 19—20 см и d = 8 см). Нижняя
режущая часть его заострена. Для уменьшения деформации
почвы при взятии пробы диаметр режущей части на 0,5—1 мм
меньше, чем остальная часть цилиндра. Верхний конец
цилиндра имеет крышку 7, в центре которой находится
отверстие 5 в виде металлической трубки диаметром около 1 см
с винтовой резьбой на внешней стороне, на которую
навинчивают колпачок с вакуумной резиновой трубкой, соединяющий
цилиндр с пробиркой. После взятия образца нижний конец
цилиндра плотно закрывают отъемной крышкой 9. Прибор
вмонтирован в футляр. В верхней части футляра имеется
гнездо, обтянутое сукном, для сосуда с водой. Для установки
пробирки на дне футляра шурупами закреплены полые
металлические трубки 10 высотой до 4 см. В эти трубки
вставляют пружины, на которые ставят «башмачки» для пробирок
в форме цилиндрического гнезда с ножкой П. «Ножку»
вставляют в трубку на пружину, благодаря которой пробирка
плотно прижимается к шлифу, после чего положение их
фиксируют боковым винтом 12.
Прибор удобен для работы в поле и в лаборатории.
В поле металлический цилиндр погружают в почву на
изучаемую глубину. При нагревании почвы в первой половине
дня воздух в ней расширяется, входит через правую пробирку
в сосуд с водой, вытесняя соответствующий объем в левую
пробирку. Во второй половине дня и ночью почва
охлаждается, воздух в ней сжимается и в правую пробирку из
баллона с водой втягивается соответствующий объем, а из левой
пробирки в баллон на место ушедшей воды входит воздух.
О величине суточного газообмена судят по количеству воды
в той или другой пробирке.
В лаборатории взятую в цилиндр пробу почвы приводят
к температуре окружающего воздуха. Затем, помещая цилиндр
с почвой при термически закрытом дне в нагретый песок или
воду, повышают температуру почвы на 10 °С и производят
отсчет.
Объем выделившегося воздуха вычисляют в процентах
к объему пор, не занятых водой. Например, пусть за день
выделилось 5 мл воздуха из почвы с объемом в 1 л. Скважность
почвы взятого образца 50%; влажность его 25% по объему.
Тогда объем воздуха во взятом образце почвы составит 50—
—25 = 25%, или 250 мл. Газообмен Dr=— — =*=2 % от
общего количества воздуха в образце.
273
Газообмен можно рассчитать на единицу поверхности
почвы
где FB — объем выделившегося воздуха; S — площадь почвы, через которую
идет газообмен; D= , где 50—площадь в см2, или ОД мл/см2» 108: 103=
50
= 10 000 л/га.
Контроль определения двойной-тройной.
Диффузионный газообмен. Обычной или концентрационной
диффузией называют процесс перемещения компонентов газо*
вой смеси в направлении от большей к меньшей
концентрации. Количество вещества Q, переносимого диффузионным
потоком, подчиняется первому закону Фика
Q=*—DSt-^-,
* dx
где знак «—» означает перенос вещества в сторону убывающей концентрации;
D — коэффициент диффузии, равный количеству вещества, диффундирующего
через слой площадью в 1 см2 и толщиной в 1 см за время t=\c при
— 1 (в абсолютной системе единиц размерность £=см2/с); — гра-
dx dx
диент концентрации вдоль направления диффузионного потока х\ 5 —пло-
Коэффициеит D определяют из уравнения
dx
На основании последнего уравнения при постоянном
значении D выводится второй закон Фика:
D б2с _ бс
6х* ~~ Ы '
который также используют при изучении диффузии. Следует
иметь в виду, что перенос вещества может быть обусловлен
неодинаковой температурой в слое диффузионной колонны
почвы. В таком случае будет идти процесс термодиффузии.
Кроме температуры, на процесс диффузии оказывает влияние
атмосферное давление.
Коэффициент диффузии газа в атмосферу (Do) определяют
непосредственно прибором или значение его берут из
соответствующих справочников физических и химических величин
(табл. 37).
Скорость диффузии Vd часто выражают через
относительный коэффициент диффузии:
D
274
Рис. 81. Прибор Пояссша для
измерения диффузии газа в почве:
7 — цилиндр; 2 —термометр; 3—-кран;
4 и 5 — трубки для ввода газа и
взятия пробы газа на анализ; в —
прокладки; 7 — болт.
Для измерения величины D 7
применяют кинетический метод, ^
основанный на определении из- f ^ .
менения концентрации диффун- \г_ ^П
дирующего вещества во вре- М=~~-з -I
мени в диффузиометре. 4
Измерение диффузии ^J
газа по изменению
концентрации. Главные части
установок для определения
диффузии — диффузионная камера,
куда помещается
диффундирующий газ, колонка почвы и
газоанализатор.
На рис. 81 приведена схема
установки Агрофизического
института по типу Тейлора (Н. П. Поясов, 1958). В
диффузионную камеру А объемом 10—13 л вводится газ,
диффундирующий через почву в атмосферу. Камера имеет две выводные
трубки: для ввода газа 4 и для взятия пробы газа на
анализ 5.
Почву ненарушенного или нарушенного строения берут
в металлический цилиндр 1 вместимостью 300 мл с площадью
основания 30 см2 и высотой 10 см. На дно туго натягивают
сетку (диаметр отверстий 0,5 мм). Цилиндр с почвой
закрепляют болтами 7 над вырезом прибора. Для герметичности
в месте соединения цилиндра с диффузиометром проложены
прокладки из мягкой резины 6. К цилиндру с почвой
прикреплен термометр 5, регистрирующий температуру среды во время
опыта. Работу ведут одновременно в двух камерах установки
(А и £), соединенных между собой краном 3.
После загрузки почвы в камеры вводят газ (по 3 л С02)
и оставляют на 14—16 ч для выравнивания концентрации и
установления регулярного режима диффузии С02 в атмосферу,
когда изменение концентрации во времени происходит
экспоненциально. Затем берут пробу газа через трубку 5 для
определения концентрации, отмечают время (t) и температуру (5°С).
При взятии пробы цилиндр с почвой закрывают резиновым
колпачком.
37. Величина коэффициента диффузии (D0) для системы
газ — воздух (при t = 0° С и Р = 101 кПа)
Система
А,, см'-/с
Кислород — воздух
Водород—воздух
Углекислота—воздух
Аммиак-—воздух
Пары воды—-воздух
0,178
0,634
0,138
0,198
0 Л 98
275
Концентрацию с в процентах объема С02 определяют на
любом газоанализаторе перед опытом (сп) и через
определенное время (ск).
Количество продиффундировавшей углекислоты вычисляют
по формуле
* 100
где v — объем диффузионной камеры.
Величину D рассчитывают по формуле
dx
Объем диффузионной камеры У= 10000 см3; сн=25%; ск=
==15%. Для вычисления градиента устанавливают среднюю
концентрацию С02 за время опыта:
Cep=25°/o + lSQ/o =20%>
допуская линейное изменение концентрации СО2, что
справедливо только для небольшого промежутка времени. В то же
время при малых отрезках времени изменения концентрации
С02 незначительны и при данном варианте расчета
промежуток времени t между определениями сп и ск равен 10 ч; 5 —
поперечное сечение цилиндра с почвой, равное 30 см2, h —
высота цилиндра, равная 10 см. Следовательно,
q^ (с*-ск) у== (25-15) .Ш000^1000 мл
100 100
^„^ср-=_20_ = 002 мл/
dx h 100.10
D = Ш = 0,046 см2/с.
30-(10-3600).0,02
D0 при условиях опыта определяется так же, как и Д только
без загрузки прибора почвой, когда газ диффундирует в
воздух. Коэффициент диффузии ССЬ в воздух 0,138. Отсюда
скорость диффузии
D 0,138
Предложен и второй метод вычисления, основанный на
втором законе Фика:
D _ 6ag 6с_
~~ Ьх* ~~ 6*
276
Для нахождения величин с в Этом случае требуются
следующие условия.
1. Диффузия происходит в атмосферу, где концентрация
диффундирующего газа постоянная или равна нулю. Если
рассматривать это условие по отношению к С02} то это условие
соблюдается, так как концентрация СОг в атмосфере
составляет 0,03 %, а в диффузиометре — 25—15 %.
2. Концентрация газа в сосуде А распределена равномерно,
тогда массу газа, уходящего в единицу времени, можно
подсчитать по формуле
С другой стороны, масса газа равна
Второе условие, таким образом, можно выразить так:
3. Концентрация газа в сосуде постоянна: с<—овconst.
Решение названной задачи сложно, поэтому здесь оно не
приводится. Остановимся лишь на результатах, которые
получают при решении этого уравнения.
Концентрация газа с изменяется в зависимости от времени
по уравнению с~е~р/ или \gc p/lge, т. е. Igc линейно
зависит от L При этом tg угла наклона прямой к оси абсцисс
lga = lge|3, где |} = КА е—основание натуральных логарифмов.
Отсюда
lgeA
Постоянная величина К зависит от размеров прибора и
определяется формулой
где 5 — площадь сечения почвенной колонки; h — высота почвенной колонки;
У—объем диффузионной камеры.
На основании экспериментальных определений
концентрации газа в зависимости от времени строят график (рис. 82),
по которому определяют tga — угла наклона линии АВ к оси
абсцисс; при оси ординат откладывают Igc, по оси абсцисс —
время t в часах.
Пример расчета. Объем диффузионного сосуда V=
= 10 000 см3, высота почвенной колонки /г = 10 см, площадь ее
сечения 5 = 30 см2. Требуется определить значение
коэффициента диффузии D за 36 ч наблюдения.
277
40 ЩО
Рис. 82. Измерение концентрации
газа (lg с) в зависимости от
времени (t).
Из графика (см. рис. 82) следует, что
6 СВ 35
Подставляя числовые значения в формулу /С = -
V-h
получаем
*=»-
30
=з-ю-4.
10000-10
Коэффициент диффузии вычисляют по формуле
£> =
tga
lge/C
Подставляем соответственно числовые значения:
D —
0,02
0,4343-3.10-4-3600
= 0,043 см2/с
(множитель 3600 в знаменателе введен для перевода часов
в секунды; 0,4343 %=lge).
АНАЛИЗ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
ВЗЯТИЕ ПРОБ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
Взять пробу почвенного воздуха нелегко. Необходимо
принять меры по герметичности аппаратуры, чтобы во взятую
пробу не проник воздух атмосферный.
В настоящее время пользуются двумя приемами для
извлечения воздуха из почвы. Первый — отсасывают пробу буром,
погруженным на заданную глубину в почву. При этом
остается неизвестным объем почвы, из которой взят воздух. Пробу,
полученную таким путем, можно использовать для
определения состава почвенного воздуха на определенной глубине и
только очень приблизительно можно судить о его количестве.
Второй прием — взятие пробы почвы определенного объема
и выделение из нее воздуха жидкостью или путем отсасывания
насосом. При этом можно определить состав почвенного
воздуха и количество его в почве в объемных или весовых
единицах.
278
Буровой метод. Для взятия проб почвенного воздуха
используют иглы-буры различных конструкций.
Игла-бур Вершинина и Поясова (рис. 83). Иглу-бур
изготовляют из газопроводной полудюймовой трубы
определенной длины (50, 100, 150, 200 см и т. д.), в которую вставлен
шток 2 с запирающим наконечником 3. Шток диаметр.ом 11 мм
плотно входит в трубу / и усиливает ее прочность.
Конусообразный наконечник штока герметически закрывает иглу при
введении ее в почву. Воздух из почвы и канала иглы забирают
через штуцер 6. При заглублении иглы в почву атмосферный
воздух отключают с помощью сальника 8. Штуцер и сальник
вмонтированы в насадку 5, 7. На верхней части трубы
массивная насадка — головка 9. Ударами молотка по головке бур
погружают в почву на заданную глубину. Головку, или колпак,
после этого можно сиять. При помощи ключа 10 вращением
вправо заглубляют на 1—3 мм наконечник и шток. Между
торцевой частью трубы и
наконечником появляется свободное
от почвы кольцевое
пространство, в которое и устремляется
почвенный воздух. По
продольному пазу на штоке 4 воздух
поступает в приемную камеру и
через штуцер по резиновой
трубке в пипетку для воздуха
или непосредственно в
газоанализатор.
Короткую иглу длиной 40—
50 см изготовляют без укрепле-
ю^
Сечение ад
те
нЬЫ-
т
Рис. 83. Игла-бур Вершинина—По- Рис. 84. Установка для взятия проб
ясова: почвенного воздуха:
/ — труба; 2 — шток; 3 — запирающий на- J — игл а- бур Ястребова; 2 —напорная
конечиик; 4 — шток; 5, 7 —насадки; Я — склянка; 3 — пипетка Зегера.
сальник; 9 — головка; W — ключ,
279
3-4мм
Ь=/5мм\
7/л Сетка с
УЛошдерсттт
1-2т
Рис. 85. Трубка для взятия проб
почвенного воздуха в
стационарных условиях.
иия головки, так как работать
с ней приходится в
поверхностном, сравнительно рыхлом слое
почвы, куда легко вогнать ее
рукой.
Игла-бур Ястребова.
М. Т. Ястребов (кафедра
почвоведения МГУ, 1956) предложил
новую конструкцию иглы (рис.
84). Нижняя часть ее длиной
35 см постепенно сточена на
конус. Рабочая часть бура —
острый конус длиной 2 см. На
расстоянии 3,5—4 см от конца
конуса в суженной части
расположены три скважины — заборные
отверстия диаметром 2 мм в высеченных квадратиках,
расположенных по спирали. Такое расположение их снимает давление
почвы на бур и предохраняет от забивания их почвой. Однако
игла Ястребова в уплотненных горизонтах с большим трудом
заглубляется и извлекается из почвы. Ее можно использовать
для стационарных установок и для работы в верхнем рыхлом
горизонте почвы. Игла Вершинина более прочна, поэтому
может применяться на почвах разной плотности.
Для стационарных наблюдений за составом воздуха в почву
устанавливают газовые трубки на разных глубинах с учетом
генетических горизонтов и литологического состава пород.
Газовая медная трубка (рис. 85) диаметром 3—4 мм
оканчивается воронкой диаметром 4 см с бортиками в 3—4 см для
погружения последней в почву. В воронку вделана
металлическая сетка. Для предохранения от забивания землей на ее
поверхность кладут стеклянную вату слоем 1,5 см, которую
перед погружением воронки в скважину закрепляют нитками.
В почве буром закладывают скважину на заданную
глубину. Керн из скважины кладут рядом, и после установки
воронки в том же порядке, в каком был взят, возвращают в
скважину. Шомполом уплотняют землю вокруг газовой трубки, по
возможности до естественной плотности.
Взятие пробы почвенного воздуха. Перед
работой иглу-бур проверяют на герметичность, а затем погружают
в почву на нужную глубину. Для отсасывания пробы воздуха
из почвы используют пипетку Зегера объемом 100—200 мм
(или более), наполненную насыщенным раствором NaCl.
На концах пипетка закрывается притертыми кранами. Ее
присоединяют резиновой трубкой к выходному отверстию
(штуцеру) иглы и напорной склянки. При опускании напорной
склянки раствор из пипетки вытекает, в ней образуется вакуум,
благодаря которому и засасывается почвенный воздух.
Сначала из почвы берут 50 мл воздуха для промывки системы и
280
удаляют его. Для этого пипетку
отъединяют от иглы и вновь
наполняют раствором. Отверстие
штуцера иглы при отчленении
пипетки должно быть
изолировано, для чего на штуцер
надевают резиновую трубку с
зажимом. Затем вновь присоединяют
пипетку Зегера к штуцеру иглы
и берут пробу почвенного
воздуха.
После наполнения воздухом
пипетку закрывают и
устанавливают в специальный ящик.
Взятую пробу воздуха анализируют
в поле или в лаборатории.
Таким же путем берут пробы
воздуха из стационарных
газовых трубок.
МЕТОД ВЫТЕСНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА ЖИДКОСТЬЮ
Более полно вытесняется почвенный воздух жидкостью.
Необходимо' взять образец почвы определенного объема
специальными приборами (рис. 86).
Пробу обычно берут металлическим цилиндром 1
вместимостью около 1 л, высотой около 13 см, диаметром 10 см.
Нижний конец цилиндра имеет заостренные края для более
легкого его погружения в почву (его смазывают вазелином,
кроме того, следует иметь направитель и шомпол такого же
типа, как в приборе Качинского). Почву берут в цилиндр
с глубины 0—10; 10—20; 20—30 см последовательно с одного
и того же места.
Цилиндр с обоих концов герметически закрывают
крышками 2, 7, в центре которых имеются отверстия, прикрытые
металлической сеткой. От отверстий идут тубусы для
резиновых пробок. Крышки хорошо смазывают и надевают на
цилиндр. На тубус верхней крышки надевают резиновую трубку
с зажимом, присоединяющую цилиндр к закрепленному на
штативе газоприемнику. Тубус нижней крышки закрывают
резиновой пробкой.» После взятия пробы цилиндр с почвой
доставляют в лабораторию или обрабатывают в поле.
По данным П. В. Вершинина и Н. П. Поясова, в
герметично закрытом образце почвы за счет микробиологических
процессов накапливается углекислота до 1 % в час.
Следовательно, в образце почвы нужно как можно быстрее вытеснить
воздух. Для этого цилиндр погружают в бак 4 с насыщенным
раствором NaCl, ставят на специальную подставку 8 и
соединяют с газоприемником 5. После снятия пробки под раствором
Рис. 86. Установка для
вытеснения почвенного воздуха
жидкостью:
/ — цилиндр; 2, 7 — крышки; 3 —
трубка; 4 — бак; 5 — газоприемник;
6 — склянка; 8 — подставка.
281
он поступает в почву, вытесняя воздух, который затягивается
в градуированный газоприемник или в пипетку Зегера,
соединенную со склянкой 6. Воздух вытесняется 10—16 мин, в том
числе и застойный (защемленный) и из узких пор, последний
всегда больше насыщен С02. Этот метод можно рекомендовать
для изучения воздушного режима пахотного слоя. Он может
быть использован и для изучения биологической активности
почв, интенсивности разложения органического вещества.
В этом случае один конец прибора присоединяют к склянке Ти-
щенко со щелочью для поглощения С02 из воздуха, а второй —
к поглотителям с Ва(ОН)2 и аспиратору. Через образец
периодически пропускают в час 1—2 л воздуха и определяют
количество в нем С02. По содержанию в пробе С02 судят о
биологической активности почв.
Необходимо отметить, что содержание почвенного воздуха
обычно выражают в мл на 1 л почвы или в объемных
процентах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
Свободный или адсорбированный воздух, выделенный из
почвы, подвергают анализу. Содержание в почвенном воздухе
кислорода и углекислого газа обычно определяют
непосредственно, а азота — по разности. Иногда в анаэробных условиях
почвы интерес представляют газы NH3, H2S, C2H2 и СН4,
а также органические газообразные летучие вещества
почвенной атмосферы, которые пока еще очень мало исследованы.
Существует много методов определения газов —
манометрический, вискозиметрический, кондуктометрический,
флюоресцентный, адсорбционный, абсорбционный и др., которым посвящены
специальные руководства (В. Г. Еремина, 1955; А. В. Соколов,
1958).
В большинстве случаев количество газов в почве
определяют абсорбционным методом с помощью соответствующих
поглотителей.
Поглотители кислорода. Медь. Пластинки меди или
отрезки медной проволоки, по длине соответствующие габариту
прибора, погружают в раствор NH4C1 в водном растворе
аммиака. Кислород поглощается поверхностью медной
пластинки, а образующаяся при этом закись меди растворяется
в растворе аммиака. По сравнению со щелочным раствором
пирогаллола медь имеет большую поглотительную
способность. При хорошей защите от кислорода атмосферы одной
зарядкой прибора можно провести до 200 определений.
Щелочной раствор пирогаллола. Пирогаллол-
триоксибензол СбН4(ОН)з является веществом чрезвычайно
легко окисляющимся, особенно в щелочных растворах. Он
обладает высокой абсорбционной способностью по отношению
к кислороду. Применяют свежеприготовленные сильно
щелочные растворы. Во время абсорбции при высоком содержании
282
кислорода (40—50%) и при повышении температуры до 35°С
может выделяться окись углерода, что необходимо учитывать
во избежание отравления работающего.
Сначала готовят 33%-ный раствор КОН: 48 г сухого КОН
растворяют в 100 мл воды. Смесь 28 г пирогаллола с 80 мл
слегка подогретой воды приливают к 118 мл 33 %-ного
раствора КОН.
Поглотители углекислоты. Для определения С02 широко
используют: концентрированный (33 %-ный) раствор КОН,
приготовляемый способом, указанным выше, и титрованный
ОД молярный раствор Ва(ОН)2. Последний титруют 0,01
молярным раствором НС1.
Сухой поглотитель — аскарит — представляет собой
асбест, обработанный NaOH и измельченный до частиц
размером 1 — 0,5 мм. Однократного наполнения поглотителя хватает
на 30—35 анализов.
Следует помнить, что щелочные растворы являются
одновременно поглотителями хлора, хлористого водорода,
сероводорода и двуокиси серы.
Поглотители сероводорода. При высоком содержании
сероводорода в качестве поглотителя применяют мышьяковистую
кислоту НзАбОз, а при малом определяют титрованием с
использованием 0,1 мольного раствора 12 в йодистом кали, через
который пропускают определенный объем исследуемого газа.
При этом имеет место реакция H2S+2I = 2HI + S. Оставшийся
свободный йод оттитровывают 0,1 молярным раствором
Na2S203 в присутствии 1 %-ного раствора крахмала.
Присутствие H2S можно обнаружить лакмусовой бумагой — влажная
синяя бумага краснеет.
Поглотитель аммиака. Аммиак связывается 10 %-ным
раствором H2S04 после поглощения С02. Обнаружить
присутствие NH3 можно качественной пробой (красная лакмусовая
бумага от его действия синеет) или с помощью реактива Нес-
лера (при взаимодействии с аммиаком дает желтое
окрашивание раствора).
Поглотители паров воды. Существенная составная часть
почвенного воздуха —пары воды. Они жадно поглощаются
фосфорным ангидридом Р2Об или хлористым кальцием СаС12.
Довольно чувствительна и быстро протекает реакция воды
с карбидом кальция, при которой выделяется ацетилен: СаС2+
+ 2Н20 = С2Н2+Са(ОН)2. Измеряют объем (или массу)
выделившегося ацетилена, устанавливают коэффициент перевода
и вычисляют содержание Н20 во взятой пробе.
Объем любого газа V в нормальных условиях (Vq)
рассчитывают по уравнению (Менделеева — Клапейрона)
у0==у fi ,
760 (1 + 0,00370
где Р\ — атмосферное давление, t—температура в момент определения или
взятая из таблиц,
283
38, Давление насыщенного пара воды и содержание влаги
в воздухе при разных температурах
Температура,
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Давление
пара,
мм рт. ст.*
6,543
7,013
7,513
8,045
8,609
9,209
9,844
10,518
11,231
11,987
12,788
13,634
14,530
Содержание
влаги,
г/м3
6,82
7,28
7,76
8,28
8,82
9,39
10,01
10,64
11,32
12,03
12,82
13,59
14,43
Температура,
°С
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Давление
пара,
мм рт. ст.*
15,477
16,477
17,535
18,650
19,827
21,068
22,377
23,756
25,209
26,739
28,349
30,043
31,824
Содержание
влаги,
г/м"
15,31
16,25
17,22
18,25
19,33
20,48
21,68
22,93
24,24
25,64
27,09
28,62
30,21
* По системе СИ в кПа (1 мм рт. ст. = 0,133 кПа),
Если нужно определить объем сухого газа V0, нагретого до
t °C, при температуре 0 °С и давлении Р0, то по таблице
физических величин определяют упругость паров воды т в атмосфере
при данной температуре t °C и давлении Pi (табл. 38), и тогда
Рг-
Vo^V-
■т
Р0 (1 + 0,003670
Вакуумные замазки. При газовых анализах для
герметичности аппаратуры все стыки покрывают специальными
замазками. Чаще всего используют менделеевскую замазку и пицеин.
Менделеевскую замазку готовят, смешивая 100 частей
канифоли с 25 частями воска. В расплавленную массу при
помешивании добавляют 30—40 частей прокаленной мумии (окись
железа) и 0,1—1 часть олифы или льняного масла.
Пицеин готовят следующим образом: к 30 частям по массе
натурального каучука прибавляют 25 частей белого вазелина
и 5 частей парафина. Каучук нарезают мелкими кусочками,
смесь нагревают до 150—160 °С и выдерживают при этой
температуре в течение 180—200 ч, периодически перемешивая.
Если нужна более подвижйая смазка, то увеличивают дозу
вазелина.
Указанные смазочные вещества хорошо пристают к стеклу
и металлу (сухим и нагретым).
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
Наиболее распространен абсорбционный метод определения
состава почвенного воздуха с использованием
газоанализаторов. Существует несколько газоанализаторов (А. Г. Дояренко;
284
П. В. Вершинина и Н. П. Поясова; Тюрлун; Орса — Фишера;
Гольдаиа; ВТИ). Точность их зависит от объема и градуировки
газовой бюретки.
Газоанализатор ВТИ (ВТИ-1, ВТИ-2) выпускается серийно
и может быть приобретен каждой лабораторией.
В последнее время для исследования состава почвенного
воздуха в практику внедряется адсорбционный хроматографи-
ческий метод.
АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД
В этом методе используется газоанализатор ВТИ
(рис. 87). Прибор состоит из двухколенной бюретки 1,2 с
вилкой 4, соединяющей оба колена, и уравнительной склянки 7;
семи поглотительных сосудов 9, состоящих из верхнего и
нижнего резервуаров. В верхней части сосудов имеются краны,
соединяющие их с гребенкой 12, Ниже крана наносят черту, до
которой наливают поглотитель 16.
Гребенка 12 — стеклянная трубка, к которой присоединены
при помощи резиновых стыков все части прибора. В левой
части гребенки вделан трехходовой кран 11, соединяющий ее
с атмосферой и газоприемником. Кроме того, имеется
приспособление 17 для сжигания газов, которое при анализе
почвенного воздуха почти не используется.
Газовая бюретка состоит из левого колена с
шарообразными вздутиями объемом 80 мл и правого колена
цилиндрической формы вместимостью 20 мл, градуированного с
точностью до 0,05 мл. Точность градуировки можно довести до
0,005 мл, уменьшая диаметр трубки и переводя часть ее
объема в шарообразную форму. Бюретка вмонтирована в
стеклянный кожух 15, наполненный водой во избежание резких
колебаний температуры в течение опыта. Развилка 4,
соединяющая оба колена бюретки, благодаря наличию кранов 3 и 5
допускает раздельное пользование резервуарами бюретки.
В верхней части бюретки имеется трехходовой кран 14,
соединяющий ее с гребенкой и атмосферой. Перед работой с
прибором необходимо изучить систему соединений кранами
(поставить метки черным лаком при одинаковом положении кранов).
После этого можно приступить к наполнению бюретки
затворной жидкостью, в которой газы мало растворимы. В
качестве ее используют насыщенный раствор NaCl (360 г на 1 л
воды), ртуть, воду, подкисленную серной кислотой. Однако
более универсальным и доступным является первый. Для более
точного отсчета в бюретке его подкрашивают метилоранжем.
При заполнении бюретки раствором ее соединяют краном 14
с атмосферой и путем подъема напорной склянки 7 наполняют
сначала левое, затем правое колено бюретки.
Наполнение сосудов поглотителями. Перед
наполнением жидкостью сосудов верхнюю часть их загружают
285
I П III
Положения крана /4
Рис. 87. Газоанализатор ВТИ:
1, 2 -бюретка; 3, 5 —краны; 4 —вилки; 6 — отверстие; 7, в —склянки; 9 —
поглотительные сосуды; 10 — пипетка Зегера; И — кран; 12 — гребенка; 13, 14 — кран; 15 —
кожух; 16 — поглотитель; 17 — приспособление для сжигания газов.
стеклянными узкими капиллярными трубками для увеличения
поверхности взаимодействия анализируемого газа и
поглотителя. Через отверстие 5, в которое вставляют воронку, в
нижнюю часть прибора наливают около 200 мл поглотителя.
Затем соединяют сосуд с бюреткой и, опуская жидкость в
бюретке с помощью напорной склянки 7, подтягивают
поглотитель в верхнюю часть сосуда до черты.
Затем переводят жидкость из напорной склянки в бюретки
и таким же путем наполняют сосуды: первый заполняют рас-
286
твором КОН для поглощения С02, второй й третий
—щелочным раствором пирогаллола для поглощения 02. Если в
качестве поглотителя используют раствор меди, то можно
заполнить один сосуд поглотителем кислорода. Остальные сосуды
заполняют по мере надобности при определении других
газов и паров (Н2О, NH3, H2S) соответствующими
поглотителями.
Перед работой необходимо проверить герметичность
соединения в приборе. Для этого пипетку наполняют насыщенным
раствором NaCl до метки 0, отъединяют от атмосферы и
пипетки Зегера 10. При открытых кранах, если система держит
вакуум, уровень жидкости в обоих коленах измерительной
пипетки при опускании напорной склянки 7 останется на нулевой
отметке или немного опустится и остановится. Если система
не держит вакуума, то раствор NaCl из бюретки быстро
перельется в склянку. Напором жидкости склянки 8 газ из пипетки
Зегера подают в гребенку 12 при наполненной бюретке и затем
выпускают в атмосферу через кран 14. Если позволяет объем
анализируемого газа, промывку следует делать 2—3 раза. Затем
заполняют анализируемым газом бюретку — первое, широкое,
колено 80 мл и второе, узкое, градуированное до 18 см, что
в сумме составляет 98 мл; 2 мл объема занимает гребенка,
поэтому объем взятой пробы можно считать равным 100 мл.
Наполнение бюретки анализируемым газом осуществляют
опусканием напорной склянки 7 при открытых кранах 3 и 5.
Наполнять оба колена бюретки можно сразу или
последовательно— сначала первое, затем второе.
После взятия проб газа, чтобы уравнять давление внутри
и вне прибора, на миг соединяют систему краном 13 с
атмосферой. Если уровень газа в градуированной части бюретки
изменился, его корректируют на отметку 18 деления с помощью
склянки, после чего уровень жидкости в напорной склянке
совмещают с уровнем градуированной части пипетки. Затем
перегоняют анализируемый воздух из бюретки поднятием напорной
склянки в первый поглотитель. Воздух в поглотителе
выдерживают 2—3 мин и вновь возвращают в пипетку. Так повторяют
3—5 раз, после чего замеряют объем оставшегося воздуха. Для
этого уровень жидкости в склянке перед отсчетом совмещают
с уровнем в отсчетиой бюретке. Убыль объема газа
непосредственно указывает на процент содержания СОг.
Последовательно таким же путем определяют другие компоненты
исследуемого воздуха. Данные анализа заносят в таблицу.
При проведении газового анализа в начале, середине и
конце опыта измеряют температуру и атмосферное давление.
Если эти показатели в течение опыта изменялись, то объем
анализируемых газов приводят к нормальным условиям
описанным выше способом и затем уже приводят таблицу состава
анализируемого газа.
287
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД
Метод основан на различной адсорбируемости компонентов
газовой смеси при продвижении ее с помощью газа-носителя
через слой неподвижного адсорбента: Движение газа будет
тем медленнее, чем выше его способность к адсорбции.
Содержание газа определяют с помощью детектора, сигнал
которого пропорционален концентрации газа в смеси. Для
каждого газа при постоянных условиях разделения (температуры
и др.) время удержания — от момента ввода пробы до выхода
максимума пика — всегда постоянно, что и используется для
их идентификации.
В настоящее время в аналитической практике используют
хроматографы отечественных марок ХЛ-4М, ЛХМ-8МД
(модель 1-6,7), «Цвет»—1-64; «Цвет» — 2-65 и производства
ЧССР «Хром-4», «Хром-5».
Хроматографы дают возможность одновременно, точно,
быстро произвести анализ многокомпонентной газовой смеси.
В почвоведении определяют 02, N2, C02, NH3, CH4 и др.
К приборам обычно прилагаются техническое описание и
инструкция по эксплуатации, поэтому опишем только основные
узлы и ход анализа на одном хроматографе.
Хроматограф ХЛ-4М имеет следующие основные узлы
(рис. 88): адсорбционный блок колонок, блок газа-носителя,
детектор по теплопроводности, самописец и термостат.
Адсорбционный блок 4 состоит из двух секционных
колонок, выполненных из нержавеющей стали. Длина секции
30 см, общая рабочая длина каждой колонки 90 см с
внутренним диаметром 6 мм. Одна колонка 3 заполнена
активированным углем марки АРЗ-3, вторая 5 — молекулярными ситами
5А. Оба адсорбента предварительно размельчают на ситах,
отбирают фракцию размером 0,25—0,5 мм, которую
просушивают 2 ч в термостате при 120—150 °С. Затем молекулярные
сита прокаливают 3—4 ч в муфельной печи при 450°С, а
активированный уголь —при 300 °С. Хроматографические
колонки предварительно промывают спиртом или эфиром,
просушивают и продувают инертным газом (гедием), после чего
быстро заполняют адсорбентами.
Блок газа-носителя. Газом-носителем служит гелий.
Баллон с гелием имеет редуктор высокого давления. Баллон
с помощью толстостенного вакуумного шланга подсоединяют
к штуцеру газораспределительной панели «Вход
газа-носителя». Игольчатым вентилем (дроссель 5—6) устанавливают
необходимый расход, контролируемый ротаметром. На
газораспределительную панель блока колонки подают давление.
Редуктором устанавливают давление газа-носителя, которое
поддерживается в системе в течение опыта и контролируется
манометром. Поток газа-носителя идет через сравнительную
ячейку детектора 8 и поступает в кран-дозатор 2, имеющий
288
д
блок газоиаоит&лр
Газ-носитель
Рис. 88. Схема хроматографа для определения состава
почвенного воздуха:
US — дроссели; 2 — кран; 3, 5 — колонка; 4 — адсорбционный блок; 7,
Я— детектор; 9 — рабочая камера.
два положения: в первом происходит забор пробы, во
втором— проталкивание пробы газом-иосителем в колонки.
Детектор 7 — небольшой блок из нержавеющей стали,
в котором находятся две камеры — сравнительная и рабочая.
Через первую в течение всего анализа проходит газ-носитель,
через рабочую камеру 9 — последний с периодически вводимой
исследуемой пробой.
Устанавливают детектор на выходе газов из колонки.
Измеряют разность теплопроводности газа-носителя с
исследуемым компонентом смеси. В камерах находятся вольфрамовые
термосопротивления, исполняющие роль плечей моста
постоянного тока. При заполнении обеих камер газом-иосителем
устанавливается баланс мостовой схемы и нулевое положение
каретки с пером регистратора типа ЭПП-17. При прохождении
через измерительную камеру определяемого газа вследствие
разности теплопроводности его и газа-носителя изменяется
температура нити в измерительной камере и ее сопротивление,
что записывается на регистраторе в виде пика, площадь
которого пропорциональна концентрации искомого газа.
Блок термостат и ровани я колонок. Блок
состоит из пропорционального терморегулятора, представляющего
собой фазочувствительный усилитель переменного напряжения,
собранного на трех лампах. В момент включения тумблера
«Сеть» включается питание 220 В, напряжение в системе
хорошо стабилизируется.
289
Переключатель диапазона
температур нагрева
устанавливают на требуемую
температуру. В начальный момент
включения питания мост
оказывается разбалансирован-
ным. Затем по мере нагрева
камеры мост
уравновешивается.
Ход анализа. Перед
опытом проверяют
герметичность прибора. Емкость,
содержащую пробу почвенного
воздуха, соединяют с краном-
дозатором. Между ними
помещают осушитель газа с сухим
СаСЬ или РгОб, так как влага
в пробе воздуха понижает
точность определения, изменяя
свойства адсорбента. На
второй вывод крана надевают
тонкостенную контрольную
резиновую трубку и опускают ее
в стеклянный цилиндр с водой.
Если газ поступает в мерный
объем дозатора, то из
контрольной трубки будут
выделяться пузырьки газа. При впуске пробы в дозатор кран следует
повернуть на 60°, оставить его открытым и продуть
дозировочную трубку не менее трех-четырехкратным объемом пробы
воздуха для полного заполнения дозировочной трубки. После
заполнения кран закрывают ручкой, поворачивая ее на 60°. Пробу
воздуха можно ввести шприцем через самоуплотняющуюся
прокладку дозатора. Объем пробы — от 1 до 10 мл. Для анализа
почвенного воздуха лучше брать 10 мл.
После взятия пробы пускают поток газа-носителя. Проба
почвенного воздуха проходит через активированный уголь. С02
удерживается на угле значительно дольше, чем N2, О2, CH*,
и поэтому в измерительную камеру поступит позже. Таким
образом, на первом адсорбенте удается отделить N2, Ог и СНЦ
от С02. На самопишущем устройстве будет записана хромато-
грамма (рис. 89). Затем открывают кран 4 так, чтобы из
колонки 3 поток газа направить в молекулярные сита (колонка
5). Время переключения потока газа (положение крана II)
исчисляется от момента ввода пробы почвенного воздуха до
«хвоста» пика СН4, где он сливается с нулевой линией. В
соответствии со скоростью движения в измерительную камеру
вначале поступает 02, затем N2, CH4 и С02; количественное
содержание их записывается на хроматограмме в виде пиков.
Время опыта 6 мим
Рис. 89. Хроматограмма смеси газов,
полученная на угле (А) и с помощью
переключателя потоков (Б):
J — кислород; 2 — азот; 3 — метан; 4 —
двуокись углерода.
290
Расчет содержания
газов. На хроматограмме по оси
абсцисс регистрируется время, по
оси ординат — сигнал детектора.
Расчет производят методом
абсолютной калибровки (а) или
методом внутренней нормализации (б).
а) Прибор предварительно
калибруют по чистым компонентам.
Количество отдельных компонентов
в 1 мл определяется по заданной
зависимости высоты (или площади)
пика от количества вещества в мл.
Для примера на рис. 90 приведен
калибровочный график для СН4.
Ошибка вычислений не превышает
1,5%, а воспроизведение величины
пробы — 0,6—0,9 %.
б) Рассчитывают по формуле
Qi^K
100,
h
200
WO
/SO
M
120
WO
80
60
kO
20
0
Xtgot
0J 0,2 0,J
b K=tgo<
¥4
Ц V'Ofi '%7w
Рис. 90. График зависимости
высоты пика СН4 от
количества вещества в пробе.
где Qi — относительное количество компонента в объемных %; К —
поправочный коэффициент; 5П — сумма площадей всех компонентов, мм2, Si —
площадь 1-го компонента, мм2, которая измеряется электромеханическим
интегратором типа «Disc» или рассчитывается как площадь треугольника:
аН
5* = -т->
для чего а —основание треугольника (см. рис. 89) берется на середине его,
что соответствует —; Н — высота пика.
Поправочные коэффициенты определяют опытным путем
как тангенс угла наклона калибровочных прямых (по площади
пика) для каждого компонента (см. рис. 90) (tga^K). После
анализа составляют таблицу по форме, приведенной ниже.
Состав почвенного воздуха (форма записи)
№ проб
Почва
Глубина взятия
пробы воздуха, см
Содержание, % объема
No
Оо
со,.
сн»
Из всех методов анализа состава воздуха хроматографиче-
ский наиболее быстрый и точный.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВ ВОДЫ В ПОЧВЕННОМ РАСТВОРЕ
Определять содержание паров в почвенном воздухе
необходимо при изучении передвижения парообразной влаги,
конденсации ее в почве и для других случаев. Делают это,
используя поглотители Р205 и СаСЬ* которыми наполняют
291
U-образные трубки. Затем через них пропускают с помощью
аспиратора определенный объем почвенного воздуха,
предварительно взятого в газоприемник. Содержание паров
рассчитывают в граммах на 1 м3 почвенного воздуха по формуле
где В — привес в трубках с поглотителями, г; V — объем взятого воздуха, м3;
К — коэффициент для приведения объема воздуха к нормальным условиям.
Значение К определяют по формуле
К^_Р 1
Ро ' (1 + 0,003670 '
где Я — атмосферное давление в момент определения; Р0 — нормальное
атмосферное давление; / — температура,
Зная W (по табл. 38), можно определить упругость паров
в почвенном воздухе (т) и относительную влажность воздуха,
если известна температура взятой пробы. В качестве
поглотителя применяют иногда карбид кальция. Выделяющийся при
этом ацетилен учитывают по убыли массы трубки, если его
выпускают в атмосферу.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ
В ПОЧВЕННОМ РАСТВОРЕ
Растворенные в почвенном растворе газы встречаются в
переувлажненных— заболоченных или орошаемых почвах, на
рисовых полях, а также в тех случаях, когда грунтовые воды
залегают на небольшой глубине и принимают активное участие
в жизни почвы и растений. Растворимость газов в нем
неодинакова (табл. 39).
Определить их можно титрованием соответствующими
реактивами. Можно выделить их с помощью кипячения и
вакуума, а затем определить состав описанными выше способами.
39. Растворимость газа в воде при разных температурах
(объем газа, приведенный к 0° Си 101 кПа)
°с
5
10
15
20
25
30
35
40
Воздух
0,02547
0,02268
0,02048
0,01871
0,01727
0,01607
0,01504
0,01415
Азот
0,02086
0,01861
0,01685
0,01545
0,01434
0,01342
0,01256
0,01181
Водород
0,02044
0,01955
0,01883
0,01819
0,01754
0,01699
0,01666
0,01644
Кислород
0,04287
0,03802
0,03415
0,03103
0,02831
0,02608
0,02440
0,02306
«и
чад
>> ч
1,424
1,194
1,019
0,878
0,759
0,665
0,592
0,530
Аммиак
910
802
711
635
—
—
-_
Сероводород
3,977
3,329
2,945
2,582
2,282
2,037
1,831
1,660
Метан
0,04805
0,04177
0,03690
0,03308
0,03006
0,02762
0,02546
0,02369
292
В последнее время з практику почвеино-мелиоративиых
исследований все шире входит метод определения аэрации почвы
и почвенного раствора по окислительно-восстановительному
потенциалу.
Для определения растворенных газов в почвенно-груитовой
воде берут пробы специальными приборами — батометрами
или бурами, заборная часть которых устроена по типу шприца.
Прибор со взятой пробой воды герметически закрывают и
затем с большими предосторожностями, изолируя пробу от
контакта с атмосферой, переносят в склянку с пришлифованной
пробкой.
В этом варианте для проб воды желательно иметь
специальные склянки с тубусом на дне, широким горлом с
пришлифованной пробкой и краном для присоединения к
аспиратору. Тогда определение растворенного газа производят
непосредственно в этих склянках.
Определение кислорода. Кислород, растворенный в
почвенных водах, определяют по Винклеру.
Ход анализа. Склянку с пришлифованной пробкой
вместимостью 300 мл наполняют до краев пробой почвенно-грун-
товой воды, прибавляют по 1 мл раствора МпСЬ (80 г МпСЬ
растворяют в прокипяченной дистиллированной воде) и NaOH
(3,2 г в 100 мл воды). В сумме объем пробы и добавленных
реактивов составляет 300 мл. Склянку закрывают и несколько
раз энергично перевертывают для перемешивания
содержимого. Гидрат закиси марганца, образующийся в результате
взаимодействия МпС12 и NaOH, окисляется растворенным
в воде кислородом в тригидрат марганца Мп(ОН)3:
МпС12 + 2NaOH = Mn (OH)2 + 2NaCl;
4Мп (ОН)» + 02 + 2Н20 = 4Мп (ОН)8.
При отстаивании осадок собирается .внизу, после чего
добавляют в склянку 5 мл концентрированной НС1 и 0,5 г
кристаллического KI. Склянку закрывают пробкой и встряхивают.
Осадок Мп(ОН)з растворяется в ИС1, выделяется
свободный I, . количество которого эквивалентно растворенному
в воде 02. йод оттитровывают 0,01 молярным раствором
тиосульфата. При этом происходят следующие реакции:
2Мп (ОН)3 + 6НС1 = 2МпС12 + 6Н20 + С12.
С19 + 2Н1 = 1а + 2НС1;
I2 + 2Na2S303 = Na.S4O0 -f 2NaI.
Титруют в конической колбе вместимостью 500 мл, в
качестве индикатора применяют 1 %-ный раствор крахмала.
1 мл 0,01 мольного раствора Na2S20a соответствует 0,08 мл
кислорода (эквивалент кислорода 8, умноженный на
нормальность раствора).
293
40. Растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры
/ сс
0
2
4
6
Oj, мг/л
14,57
13,7
13,07
12,4
/ °С
8
10
12
14
Оа, МГ/Л
11,8
11,26
10,78
10,28
* °с
16
18
20
22
Оа, мг/л
9,85
9,45
9,Ш
8,74
Пример расчета. Объем склянки 300 мл, на
титрование выделившегося йода пошло 15,0 мл раствора Na2S2C>3 =
р= 0,0094 моль, Количество растворенного в воде кислорода
г. , 8-15,0.0,0094-1000
Оо МГ/Л = — —- ,
4 300 — 2
где 2 мл —объем добавленных реактивов (МпС12 и NaOH).
Зная температуру анализируемой воды и определив
растворимость „газа в воде при данной температуре по табл. 40,
определяют степень насыщенности ее кислородом в процентах.
Например, при наличии в пробе 5 мг кислорода на 1 л
при 20 °С степень насыщенности раствора кислородом
—5— • 100 = 55 %.
9,10
Полученное количество кислорода можно перевести в
объемные единицы.
Вода рек, озер обычно содержит 4—5 мг кислорода на 1 л.
Содержание его в почвенных растворах может резко меняться
(от 0 до 10—15 мг/л).
Сероводород определяют непосредственно на месте взятия
образца воды. Определение основано на взаимодействии его
с йодом, при этом готовят децимолярный раствор
йода,-содержащий 12,7 г очищенного возгонкой йода и 20 г KI в 1 л
раствора. Из него получают 0,01 молярный раствор путем
разбавления в 10 раз. Титрованный 0,01 -молярный раствор Na2S203
готовится перед каждым определением. Необходимо иметь
также 50%-ный раствор уксусной кислоты и 1 %-ный раствор
крахмала (индикатор).
В колбу берут 10 мл 0,01 молярного раствора йода и 1 мл
50 %-ного раствора СН3СООН, затем добавляют 100 мл
анализируемой воды, только что взятой. Избыток раствора йода от-
титровывают 0,01 молярным раствором тиосульфата в
присутствии крахмала.
Для вычисления в условиях, аналогичных условиям опыта,
необходимо установить соотношение между растворами йода
и тиосульфата, беря при этом дистиллированную воду в объеме,
равном объему анализируемой воды. По разности расхода
тиосульфата при титровании пробы воды и дистиллированной воды
вычисляют содержание сероводорода в исследуемой пробе.
294
Пример расчета. На Ю мл раствора йода
израсходовано 9,9 мл 0,0108 молярного раствора Na2S203. Так как в
расчетах используют концентрацию 0,01 молярного, то
израсходованное количество тиосульфата умножают на коэффициент:
°>0108 =1,08.
0,0100
На 100 мл исследуемого раствора пошло 10 мл раствора
йода и 8,7 мл раствора тиосульфата. Разность в расходовании
тиосульфата 9,9—8,7 = 1,2 мл, что соответствует 1,2 • 1,08 =
= 1,296 мл 0,01 молярного Na2S203.
1 мл 0,01 молярного Na2S203 соответствует 0,1703 мг
сероводорода. В 1 л анализируемого раствора содержится 0Д703Х
XI,196-10 = 2,2 мг H2S.
Определение растворимой углекислоты. Закрытую бутыль
с почвенио-грунтовой водой доставляют в лабораторию и
титрованием определяют общую' кислотность. Для этого к 50—
100 мл пробы прибавляют каплю фенолфталеина. Пробу
титруют 0,01 молярным раствором Ва(ОИ)2 или 0,02 NaOH до
появления не исчезающей в течение 2—3 мин красной окраски.
Далее определяют кислотность пробы воды, зависящую
от присутствия нелетучих органических соединений. 50—100 мл
исследуемого раствора кипятят в течение 30 мин или пока
в стаканчике не останется около 3Д взятого объема жидкости,
затем прибавляют каплю фенолфталеина и титруют горячую
жидкость тем же реактивом, что и при определении общей
кислотности, до появления не исчезающей в течение 2—3 мин
красной окраски.
Из объема раствора Ва(ОН)2, потраченного при
определении общей кислотности, вычитают объем раствора,
потраченного при втором титровании, и получают объем раствора
Ва(ОН)2, употребленного на титрование свободной С02.
Количество С02 в граммах в пробе составит К-0,00022, где
0,00022 — коэффициент перевода 1 мл 0,01 молярного раствора
Ва(ОН)2 в весовые единицы С02.
АЭРАЦИЯ ПОЧВЕННОГО РАСТВОРА
И ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
Окислительные и восстановительные процессы в почве
измеряются окислительно-восстановительным потенциалом Eh
или ОВП.
Величина Eh характеризует упругость электронов в системе
почва — раствор, способных принимать участие в процессах
окисления и восстановления. Последние в сильной мере зависят
от аэрации почвы и в особенности от содержания в почвенном
воздухе и соответственно в растворе кислорода. Показано, что
Eh грунтовых вод прямо пропорционально количеству
растворенного в воде кислорода и обратно пропорционально концент-
295
рации сероводорода. Величина Eh определяется уравнением
Нернста:
Red
где Ох и Red — концентрации окислителя и восстановителя в почве; Eq —
нормальный потенциал данной системы, возникающий на электроде при
погружении его в раствор 1 молярной концентрации окислителя и
восстановителя.
На величину Eh большое влияние оказывает наличие
в почве элементов переменной валентности Fe (2—3), Мп (2—
—3—4), Си (1—2-валентного) и др. При этом элементы,
находящиеся в состоянии высшей валентности (окисленные),
повышают значение Eh, при низшей валентности — снижают. Резко
снижает величину Eh в почве присутствие свежих
органических остатков.
При Eh = 600—700 мВ в почве максимальные аэробные
условия; при Eh=400—-600 мВ почвы нормально аэрируемые;
при Eh=400—300 мВ аэрация затруднена. Может иметь место
денитрификация. Нижняя граница зоны окисления
соответствует Eh от 250 до 300 мВ. Выше этой границы идут процессы
окисления, ниже — восстановления.
При Eh<200 мВ в почве идут процессы восстановления —
оглеения, переход окисных форм в закисные и т. п. При более
резко выраженных процессах величина Eh имеет
отрицательное значение.
На основании величин Eh и рН вычисляют показатель гН2:
rH.~f- + 2pH.
Показатель гН2 характеризует количество газообразного
водорода в растворе и представляет собой отрицательный
логарифм его концентрации:
rH2=-lgtf2.
Чем выше концентрация Н2, тем ниже значение гН2.
Следовательно, восстановительная способность раствора тем больше,
чем меньше показатель гН2.
Равновесному состоянию концентрации 02 и Н2 соответствует
значение гН2 = 27. Чем выше показатель гН2, тем лучше
аэрация почвы.
В настоящее время промышленность выпускает рН-метр
121, ионометр ЭВ-74 универсальный, измеряющий активность
одно- и двухвалентных ионов и ОВП
(окислительно-восстановительный потенциал), а также потенциометр И-102
переносной для определения ОВП в полевых условиях и др.
ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ И МЕТОДЫ
ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Основной источник тепла в почве — солнечная радиация.
Небольшое количество его выделяют некоторые элементы
земной коры при радиоактивном распаде, выделяется оно при
биологических процессах и химических реакциях, а также при
смачивании сухой почвы (теплота смачивания). Приход тепла
из нижних нагретых слоев Земли в верхние незначительный и
практического значения не имеет. Приток тепла от Солнца и
аккумуляция его почвой зависят от географического
положения территории, свойств поверхности и верхних горизонтов
почвы.
РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС
Земля получает солнечную энергию в виде прямой Q и
рассеянной q солнечной радиации. В верхние слои атмосферы от
Солнца поступает 1312 Дж/м2 с, к поверхности Земли тепла
доходит значительно меньше. Часть тепла, главным образом
коротковолнового излучения, теряется за счет отражения от
поверхности Земли. Как всякое нагретое тело, Земля теряет
тепло за счет излучения его в атмосферу /3. В то же время
тепло, излучаемое облаками (/о), поступает на поверхность
Земли. Разность длинноволнового излучения поверхностью
почвы и противоизлучения атмосферы равна эффективному
излучению:
Алгебраическая сумма прихода и расхода солнечной
энергии называется радиационным балансом (Яб):
Дб = Ю + <7)(1—Л) —/эф.
Опытные станции Государственной метеорологической
службы оснащены приборами, позволяющими измерять
приходящую и уходящую коротковолновую и длинноволновую
радиацию.
Прямую солнечную радиацию измеряют
термоэлектрическим актинометром Саввииова — Янышевского, суммарную и
рассеянную радиацию — пиронометрами разной конструкции.
Альбедо поверхности почвы. Солнечная радиация (прямая
и рассеянная) частично отражается от поверхности почвы.
Поток отраженной радиации, выраженный в % от первоначаль-
297
ной, достигшей данной поверхности, называют альбедо А. Чем
оно выше, тем меньше нагревается поверхность почвы.
Альбедо почвы зависит от ее окраски, шероховатости поверхности,
влажности и характера растительного покрова. Измеряют его
альбедометрами разных конструкций. При почвенных
исследованиях для быстрых и массовых определений можно
использовать походный прибор Янышевского. Альбедо для чернозема
влажного составляет 8, для чернозема сухого—14, снега — 80,
песка белого — 40 %.
Радиационный баланс измеряют балансомерами
разных конструкций. Балансомер состоит из двух
горизонтальных зачерненных пластин, одна из которых, обращенная вверх,
воспринимает падающую на Землю радиацию, другая — вниз —
отраженную. Поток радиации, попадающий на верхнюю и
нижнюю пластины, различен. Это обусловливает разность
температур пластин и, как следствие этого, преобразование его
в термоэлектрический ток, силу которого измеряют
гальванометром.
При изучении теплового режима почвы можно
использовать термоэлектрический балансомер Янышевского. Он
состоит из латунного диска, к которому привинчены две круглые
пластины с квадратными окнами в центре. Окна закрыты
снаружи зачерненными медными листами-приемниками, к
внутренней поверхности которых припаяны термопары из
манганина и константана. Величина тока пропорциональна
радиационному балансу. Гальванометр градуируют на количество
тепла в джоулях; полученные показания рассчитывают на
1 м2/с.
Балансомер Агрофизического института (АФИ) в отличие
от описанного имеет защиту от ветра.
Спектр прямой и рассеянной солнечной радиации
складывается из коротковолновой (0,28—4,0 мкм) и длинноволновой
(4—40 мкм), причем отрезок от 0,38 до 0,71 мкм включает
фотосинтетическую активную радиацию (ФАР). На территории
СССР с севера на юг ФАР возрастает с 4 • 108 Дж/м2 за сезон
на широте >60° до 25—60-Ю8 Дж/м2 на широте 50—40°
северной широты, увеличиваясь с востока на запад.
Потенциальный хозяйственно ценный урожай в названных широтах
возрастает с увеличением ФАР (Тооминг, 1977).
При использовании материалов Гидрометеорологической
службы по солнечной радиации необходимо учитывать
зональные и региональные особенности ее с целью повышения
урожаев.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Оставшаяся в результате трансформации на поверхности
Земли солнечная радиация (радиационный баланс)
расходуется на испарение влаги из почвы El, турбулентный рбмед
298
с атмосферой Р и на нагревание почвы В. Уравнение
теплового баланса имеет вид
R6 = EL+P + B,
где В — испарение, мм; L — скрытая теплота испарения (60 кал на 1 мм
воды или 2512 Дж на 1 мм воды).
Почти во всех почвенных зонах наибольшее количество
радиационного тепла идет на испарение, и особенно в южных
районах при наличии влаги
Турбулентный теплообмен. Вблизи земной поверхности
движение воздуха носит неупорядоченный вихревой характер.
С потоком воздуха переносится тепло от почв в атмосферу и
обратно (в ночные часы). Теплообмен этот возникает
вследствие разницы температур поверхности почвы и прилегающего
слоя атмосферы. В местах, защищенных от ветра (на полях
между лесными полосами, лесных полянах, в балках и т. д.),
по сравнению с открытой местностью величина Р меньше.
Тепловой поток в почву В составляет 7—20 % от общей величины
Рб и возрастает с севера на юг. Наибольшие его значения
в дневные часы (11—13 ч). В ночное время почва теряет тепло,
и величина В может иметь отрицательные значения. Так как
все составляющие теплового баланса связаны между собой, то
увеличение или уменьшение компонентов EL будет
сопровождаться соответствующими изменениями величин Р и В. В
пустыне много тепла и мало влаги, там значение EL невысокое
и радиационный баланс расходуется в основном на нагрев
атмосферы, почвы.
Измерение теплового баланса. Одним из описанных
методов определяют величину испарения и вычисляют значение EL.
Экспериментально определяют поток тепла в почву:
в= } ,
где Kt — температуропроводность почвы; ti° и £г° — температура верхней и
нижней части слоя почвы мощностью в I см.
Величину потери тепла за счет турбулентного обмена
определяют по формуле
Р = #б—EL—В.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ
Теплофизические характеристики почв включают
температурный коэффициент, теплоемкость, теплопроводность,
температуропроводность и коэффициент теплоусвояемости почв.
К их числу нами отнесена и теплота смачивания как
дополнительный источник тепла, которая к тому же дает
представление об удельной поверхности и гидрофильное™ почвы.
Передача тепла внутри почвенной толщи осуществляется
за счет механического перемещения (вспашки, рыхления, пере-
299
мешивания) и путем теплового потока. В системе СИ тепло
измеряется в джоулях. До сих пор тепло измеряли в калориях.
Калория — количество тепла, затрачиваемое на повышение
температуры вещества на Г в пределе температур от 14,5 до
15,5. Одна калория равна 4,187 Дж. Джоуль — работа в 1 Н
(ньютон) при перемещении тела на расстояние одного метра
в направлении действующей силы.
Температурные коэффициенты. Ряд свойств почв и ее
компонентов изменяется под влиянием температуры. Так, объем
воздуха в почве при /о°=^о, при i°=V. Если при разнице t°—
—tQ° изменение составит величину си, то при других интервалах
будет а2, а3 и т. д. При небольших разницах можно взять
значение а, среднее для данного свойства, и тогда V=Vo(l + at).
Температурные коэффициенты применяются при измерении
объема, длины, электропроводности и других свойств,
изменяющихся под влиянием температуры. Величины «а» разных
свойств эмпирически устанавливаются или даются в таблице
физических величин.
ТЕПЛОТА СМАЧИВАНИЯ
При смачивании абсолютно сухой почвы водой выделяется
тепло. Теплота смачивания образуется главным образом за
счет уменьшения кинетической энергии молекул воды,
адсорбируемых на поверхности почвенных частиц, и гидратации
поглощенных катионов. Величина ее зависит от общей
поверхности, минералогического и химического состава почвы. Этот
показатель имеет важное значение для физической
характеристики почвы.
Теплоту смачивания учитывают в практике орошения:
сельскохозяйственные культуры обычно поливают рано утром или
вечером, чтобы не произошло перегрева растений.
Теплоту смачивания определяют с помощью калориметров
системы Янерта, Сергеева, Андрианова, В практике наиболее
распространен последний.
Описание калориметра. Калориметр Андрианова
(рис. 91) состоит из двух металлических цилиндров: внешнего
1 для почвы и внутреннего 2 для воды. В центре второго
помещена металлическая трубка, превосходящая по длине цилиндр
в 2 раза, диаметром 1,5 см — для термометра Бекмана. По
периферии дна его проделаны два отверстия: одно — для
мешалки и второе—в виде косо срезанной трубочки, в которое
вставляют палочку, плотно закрывающую его. Через это
отверстие вытекает вода в почвенный цилиндр. В крышке
второго цилиндра имеются отверстия: большое в центре — для
термометра Бекмана и три отверстия по краю (диаметром
0,5 см) —для мешалки, палочки и для вливания воды. Второй
цилиндр плотно вставляют в первый. Собранный калориметр
с термометром Бекмана 5 укрепляют в эбонитовом каркасе 3
300
Рис. 91. Калориметр Андрианова:
J и 2 — внешний и внутренний цилиндры;
3 — каркас; 4 — термостат; 5 — термометр
Бекмана.
И опускают в водяной
термостат 4, имеющий гнездо для
двух калориметров и
отверстие для обыкновенного
термометра. Выделяющееся при
смачивании почвы тепло
нагревает калориметр,
погруженную в него часть
термометра Бекмана, воду и почву.
Поэтому перед опытом
определяют количество тепла,
необходимое для нагрева
каждого компонента на один
градус. Количество тепла,
необходимое для нагревания всей
калориметрической системы на
один градус, называют
тепловым значением калориметра
или водным эквивалентом.
Теплоемкость калориметра
qx равна массе всех латунных
частей, умноженной на
удельную теплоемкость сплава 0,38 Дж/(г°С). Эбонитовые ручки
мешалки и палочки отвинчивают и металлические части
калориметра взвешивают на технохимических весах с точностью до
0,01 г. Если масса их 200 г, то ?i = 200X0,38 = 76,8 (Дж/°С).
Определяют объемную теплоемкость погруженной части
термометра q2. Резиновым кольцом отмечают глубину
погружения термометра Бекмана в калориметре. Затем до этой же
метки термометр погружают в мерный цилиндр с водой и
определяют объем V погруженной части: V = 7 мл.
Объемная удельная теплоемкость ртути и иеиского стекла
равна 1,93 Дж/ (мл°С), следовательно, ^2=7Х 1,93= 13,51 (Дж/°С).
Удельная теплоемкость воды — 4,186 Дж/(г°С), ее объем —
10 мл (масса 10 г); 93=10X4,186=41,86 (Дж/°С).
Теплоемкость почвы в калориметре qA равна ее массе (Юг),
умноженной на среднюю удельную теплоемкость (0,838 Дж/°С),
т. е. ?4= 10X0,838 = 8,38 (Дж/°С).
Общее количество тепла, необходимое для нагрева всей
системы на 1 °С, составляет QK=<7i+ 92 + <7з + дч=76,8+13,51-Ь
+ 42,86 + 8,38=140,55 (Дж/°С).
Регулировка термометра Бекмана. Термометр
Бекмана имеет два резервуара со ртутью — один в верхней
части в виде изогнутой узкой трубки и второй внизу. Подъем
температуры обычно 1—2 °С. Шкала термометра рассчитана
на 5 °С с делениями до 0,01°. Через лупу делают отсчет с
точностью до 0,005 °С. Перед опытом нужно добиться, чтобы
мениск шкалы был не выше 3° и не ниже 1—0,5°, с тем чтобы
ожидаемый подъем и последующее понижение ртути не вышли
30)
за пределы шкалы. Если мениск стоит низко, то из верхнего
резервуара ртуть перегоняют в нижний, и наоборот. Для этого
в нижнем резервуаре ее подогревают рукой до тех пор, пока
мениски верхний и нижний не соединятся, после чего
резервуар, в который переливают ртуть, опускают вниз. Желательно
его слегка охладить. О количестве ртути, перешедшей из
одного резервуара в другой, можно судить по шкале верхнего
резервуара. Легким постукиванием рукой разрывают ртутный
столбик между ними.
Ход определения. Из воздушно-сухой почвы,
просеянной через сито с отверстиями диаметром 1 мм, отбирают две
пробы, приблизительно по 10 г для суглинистых почв и по
15 г для супесчаных. Почву сушат в течение 10 ч, после
охлаждения взвешивают с точностью до 0,001 г и переносят во
внешний цилиндр калориметра. В отверстие крышки из
бюретки приливают 10 и 15 мл воды в зависимости от величины
навески почвы. Перед этим отверстие для воды в дне цилиндра
плотно закрывают палочкой. Калориметр помещают в каркас
и затем ставят в термостат, воду в который наливают за сутки
до опыта; в центр калориметра вставляют термометр Бекмана.
В одном термостате можно вести два определения сразу. Когда
весь прибор собран, дают ему постоять 5—10 мин для
выравнивания температуры и затем приступают к опыту. Запись
ведут по форме табл. 41.
Во время опыта калориметр теряет часть тепла в
окружающее пространство (лучеиспусканием), на что необходимо
вводить поправку. Ее определяют из 10 отсчетов по термометру
Бекмана перед опытом и после опыта, которые берут через
каждую минуту. Затем вычисляют поправку перед опытом (а)
и после опыта (б):
1,09-1,02 =Q007 6 = J±»=±!L = 0flU.
10 10
Поправку во время опыта (с) берут как среднее:
C^^±L^ 0-007 + 0,014 =()0105>
2 2
В начале опыта палочку вынимают. После того как вода
зальет цилиндр с почвой, отверстие вновь закрывают палочкой.
Воду и почву перемешивают мешалкой. При смешивании
выделяется теплота, и температура повышается. Наблюдение за
температурой по термометру Бекмана после смачивания
продолжают через каждую минуту до тех пор, пока температура
не начнет снижаться. После этого делают еще 10 отсчетов
через каждую минуту или один отсчет через 10 мин, и опыт
считают законченным. Длительность опыта (п) 3—15 мин в
зависимости от почвы,
302
41. Изменение температуры в калориметре
(по термометру Бекмана)
До опыта
отсчет
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
показания
термометра
1,09
1,08
1,08
1,07
1,06
1,05
1,05
1,04
1,03
1,02
Во время опыта
отсчет
1
2
3
4
5
6
7
8
—
—
показания
термометра
1,08
1,26
1,58
1,95
2,25
2,30
2,30
2,29
—
—
После
отсчет
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
опыта
показания
термометра
2,29
2,28
2,26
2,25
2,23
2,21
2,19
2,18
2,17
2,15
При расчете учитывают максимальное показание
термометра Бекмана, в нашем случае 2,30°. Температурный скачок
jf°=2,30—1,02= 1,28. Однако истинное повышение температуры
tn было более высоким, так как во время опыта система
теряла часть тепла на излучение в окружающую среду. Опыт
длился 6 мин, за это время в калориметрической системе
температура понижалась на 0,0105 °С в минуту или на 0,0105 «6 =
= 0,063° в течение опыта. Значит, ^ = /° + пс= 1,28 + 0,063 =
= 1,343 °С. До этой температуры после выделения тепла
нагревалась вся система. Общее количество выделившегося
тепла
где Qh — тепловое значение калориметра; tn —- максимальный температурный
скачок после смачивания почвы с поправкой на потерю тепла за счет
лучеиспускания.
Теплота смачивания (в Дж/г) почвы
Qk-tn 140,55-1,343
Рс
10
= 18,88 (Дж/(г °С),
где рс — навеска почвы.
По теплоте смачивания вычисляют величину максимальной
гигроскопической WMT%&2q. Величина теплоты смачивания
q может служить мерой гидрофильности почвы (Л. И. Долгов,
1966):
Почвы активные, весьма
гидрофильные </> 62,8 Дж/г
Гидрофильные q = 42—59 Дж/г
Умеренно гидрофильные . . . , q = 21-—42 Дж/г
Сдабо гидрофильные q < 12,6 Дж/г
ЭРЗ
ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Количество тепла в джоулях, необходимое для нагревания
1 г абсолютно сухой почвы на 1 °С, называют удельной
теплоемкостью массы (Св Дж/г-°С). Количество тепла,
необходимое для нагревания 1 м3 сухой почвы на 1 °С, называют
объемной удельной теплоемкостью (Су Дж/м3«°С). Объемная
теплоемкость и теплоемкость массы связаны между собой
уравнением
Су~Сд- аъ
где d\ — плотность твердой фазы почвы.
Следовательно, определив теплоемкость массы и плотность
твердой фазы почвы, можно вычислить объемную теплоемкость
почвы. Теплоемкость твердой фазы почвы (Св) является
аддитивной величиной и равна сумме теплоемкостей составляющих
ее компонентов.
Объемная теплоемкость почвы естественного сложения
зависит от теплоемкости твердой фазы почвы, влажности почвы
и содержания воздуха в ней. Ее легко вычислить, зная
объемную удельную теплоемкость и количественный состав
компонентов. В среднем удельная объемная теплоемкость твердой
фазы почвы равна 1,7 • 106, воды — 4,2 • 106, воздуха — 1,5Х
ХЮ3 Дж/м3. Если скважность почвы равна 50%, объемная
влажность 30%, то объем твердой фазы равен 100—50=50 %
и воздуха 20 %. Тогда
c^_50.1,7.10° + 30.4^10° + 20-l,5-10» =21MQ4 Дж/мЯ_
Теплоемкость воздуха ничтожно мала и в расчет ее часто
не принимают.
Теплоемкость почвы определяют с помощью калориметра.
Принцип калориметрического метода состоит в следующем:
навеску сухой почвы М, имеющую удельную теплоемкость Сх
нагревают до <°2, помещают в калориметр, масса
металлических частей которого равна Ми а теплоемкость Сх. Масса воды
в калориметре М2 при теплоемкости ее Снао равной 1 и
температуре i\°. После внесения почвы в калориметр через
некоторое время устанавливается равновесная температура Т. При
этом почва теряет часть тепла, которое приобретают
калориметр и вода. Следовательно,
МСХ (t°2-T)«(МгСг + М2Ск,о ) • (Г-??).
Отсюда теплоемкость почвы
(4-т)м
Калориметр, приведенный на рис. 92, состоит из
калориметрического латунного стакана 1 цилиндрической формы вме-
304
стимостью 700—1500 мл,
который вставляют во второй,
защитный, стакан 2 с воздушной
оболочкой (или без нее).
Стакан закрывают эбонитовой
крышкой 3, в которую
вмонтированы приемник для образца
почвы 4, пропеллерная
мешалка 5 для перемешивания в
калориметре воды (или спирта)
и термометр Бекмана 6 для
определения ее температуры.-
Смонтированный калориметр
помещают в большой
защитный бак 7 с теплоизоляцией из
войлока 9, заполненный
жидкостью 8. Перемешивают ее
специальной мешалкой 10,
а температуру контролируют
обыкновенным термометром 11.
Во время определения бюкс
с почвой 12 помещают в
приемник из металлической
крупной сетки. Кроме того, многие
калориметры снабжены
обогревателем, используемым для определения теплового значения
калориметра и выравнивания температур жидкости в
калориметрическом стакане и защитном баке. Для этих же целей в
систему вмонтирован ультратермостат со змеевиком охлаждения
(обогреватель и охладитель на рисунке не показаны).
Используют также адиабатический калориметр, в котором
теплообмен с окружающей средой сведен до возможного
минимума. Калориметр состоит из большого защитного бака
вместимостью 45 л, заполненного спиртом, калориметрической
системы и электрооборудования. Калориметрический стакан
плотно входит в латунный цилиндр, на внешней стороне
которого намотана спираль для обогрева. Между цилиндром и
баком размещают батарею термопар, регистрирующих разность
температур между ними с помощью зеркального
гальванометра.
Внешний большой защитный бак служит для поддержания
постоянной температуры, одинаковой с калориметрической
системой. Внутри его смонтирован обогреватель, на который
подают питание с ЛАТРа порядка 30 В через реостат,
регулирующий напряжение. К системе подключен змеевик
охлаждения, расположенный в защитном баке калориметра, через
который из расположенного рядом ультратермостата прогоняют
спирт пониженной по сравнению с калориметром температуры.
Охладитель автоматически включается через фотореле, когда
Рис. 92. Калориметр для
определения теплоемкости:
1 -~ латунный стакан; 2 — стакан; 8 —
крышка; 4 — приемник для образца
почвы; 5, 10 — мешалка; tf — термометр
Бекмана; 7 — бак; 8 — жидкость; 9 —
войлок; 11 —термометр; 12 — бюкс с почвой.
305
цепь обогревателя
калориметра выключается, и спирт
в защитном баке имеет более
высокую температуру, чем
калориметрическая система.
Наоборот, если в защитном баке
температура ниже, то
автоматически включается
обогреватель бака. Таким путем
обеспечивают постоянство
температуры калориметра и
защитного бака, что исключает
потерю тепла
калориметрической системой.
Навеску почвы в 5—10 г
помещают в специальный
металлический бюкс, швы
крышки которого заклеивают
нитрокраской для
предотвращения попадания воды в почву.
Затем в течение ночи бюксы
с почвой выдерживают в
ультратермостате, в песке при
заданной температуре /2,
например 60 °С. Устройство
ультратермостата приведено на
рис. 93.
Для работы с мерзлой почвой используют криостаты,
заполненные охладительной смесью, сохраняющей постоянную
отрицательную заданную температуру.
Перед опытом проверяют исправность всех соединений
калориметра, добиваются постоянства температуры
калориметрической жидкости. Из ультратермостата бюкс с почвой с
помощью трубки, сделанной из термоизоляционного материала,
переносят в приемник калориметра. Температуру воды t\ в
калориметре отсчитывают по термометру Бекмана.
По мере изменения температуры в системе в течение опыта
автоматически включается то охладитель, то нагреватель
защитного бака. Через 3—5 мин после того, как в
калориметрической системе установлена постоянная температура по
термометру Бекмана, делают отсчет Т и опыт считают законченным.
Удельную теплоемкость твердой фазы почвы Св
рассчитывают по формуле
где /С —тепловое значение калориметрического стакана системы,
определяемое по теплоте растворения, КС1; Wgk—теплоемкость латунного бкжеа
Рис. 93. Схема ультратермостата:
У —оболочка; 2 — изоляция; 5 —стенка
сосуда; 4 — спирт; 5 — нагреватель; 6 —
провода; 7 — выключатель; 8 —-
сигнальная лампа; 9 — реле; 10 — контактный
термометр; // — регулятор термометра;
12 — контрольный термометр; 13 —■
электромотор; 14 — подставка мотора; 15 —
соединительная пружина; /5 — сливная
трубка; 17 — нагнетательная трубка; 18 —
резиновая трубка; 19 — контрольный
термометр; 20 — крышка; 21 — нитки,
удерживающие образцы; 22 — образцы
грунта; 23 — внутренний сосуд; 24 —песок;
25 — центробежный насос; 26 — мешалка.
306
с нитрокраской, равная массе бюкса, умноженной и а теплоемкость латуни
(0,00917), плюс массу нитрокраски, умноженной на ее теплоемкость (0,5);
т — масса абсолютно сухой нанескн почвы; t\i] — температура воды в
калориметре перед опытом; t2° — температура почвы перед погружением ее в
калориметр; Т — равновесная температура в калориметрической системе в конце
опыта.
Адиабатический калориметр позволяет определить
удельную теплоемкость почвы в любом интервале температур от 20
до 90 °С со средней относительной погрешностью 1—2%. Его
широко используют при изучении фазовых изменений воды,
льдистости, при определении незамерзающей воды в почвах
и грунтах.
В настоящее время имеются другие марки калориметров.
Принципы их работы такие же, как описаны. Устройство и
правила эксплуатации даются в заводской инструкции.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Под теплопроводностью почвы понимают способность
поглощать и проводить тепло от слоя к слою в направлении,
обратном термическому градиенту, т. е. от горячих в холодные.
Количество передающейся через слой почвы тепловой энергии
пропорционально градиенту температуры и коэффициенту
теплопроводности. Коэффициент теплопроводности (К) равен
количеству тепла в Дж, прошедшего в секунду через почву
сечением 1 см2 (10~4 м2) при толщине слоя 1 см (10~~2 м) и
температурном градиенте на концах слоя в 1 °С. Размерность
коэффициента Я в системе СИ — Дж/(м-с-°С). Величина
теплопроводности почвы зависит от теплопроводности основных
компонентов ее (твердой и жидкой фазы).
Коэффициент теплопроводности твердой фазы почвы
колеблется в пределе 2,43—0,38, для воды этот коэффициент равен
0,52, для воздуха 0,15Дж/(м *с-°С).
Прогревание глубинных горизонтов почвы прямо
пропорционально ее теплопроводности и обратно пропорционально
теплоемкости.
Существует ряд методов определения теплопроводности
почв. Наиболее ценны из них те, которые позволяют
фиксировать ее в почве естественного сложения.
Ниже рассмотрен метод шарового зонда постоянной
мощности, который теоретически обоснован А. Ф. Чудновским.
Прибор сконструирован М. А. Кагановым.
Определение теплопроводности почв шаровым зондом.
Сущность метода состоит в том, что в почву вводят нагреватель
в форме металлического шара.
Изменения температуры поверхности шара определяются
термическими характеристиками почвы и выражаются
формулой
Т = Р 1~г
а 4пг% ' УйКГ '
где Та — температура шара; Р — постоянная мощность тока, рассеянная в об-
307
мотке шарового зонда; г —радиус шара; Я — коэффициент теплопроводности
почвы; К — коэффициент температуропроводности почвы; / --время от
начала прогрева до конца опыта.
Формулу можно преобразовать:
гдеч/г — отклонение гальванометра в момент времени /; По — начальное
отклонение гальванометра в делениях шкалы; i — сила тока в амперах,
протекающего по нагревательной обмотке; b = 0,06R • С — постоянная данного зонда
(# — сопротивление нагревателя в Омах, С— коэффициент
пропорциональности между изменением температуры и числом деления гальванометра);
остальные обозначения, как и в предыдущей формуле.
Если построить график изменения п—п0 по _Л„ , нанося
п—п0 по оси ординат, а-
Vt
— по оси абсцисс, то пересечение
прямой с ординатой в точке /V дает численную величину члена
Р
Выражение
ynKt
при этом равно нулю. Окончательно
теплопроводность почвы вычисляют по формуле
ы*
N '
Я = .
fnA
ft
где величина b дана в паспорте прибора.
Главные части прибора — шаровые зонды и измерительное
устройство, смонтированное в портативном деревянном ящике.
Шаровой зонд составлен из двух полушарий (радиусом
в 1 см), сделанных из листовой меди толщиной в 0,2 мм.
Внутри шара помещен нагреватель, состоящий из
металлического сердечника с намотанной
г у /пА на него манганинов°й проволо-
гОСл- +[Oi~ ко**' Общее сопротивление иа-
1^П Г^Л гревателя около 20 Ом. К
внутренней оболочке шара припаян
«горячий» конец термопары;
«холодный» конец помещают в почву.
Для изоляции от влаги их
noil 5 крывают слоем краски. Термо-
~~ пары измеряют температуру
шара Та- Проволоки
нагревателя и термопар разветвляются
ix.c через колодки. Выводные
провода термопар имеют
коричневый цвет, нагревателя —
желтый. На проводах термопар дана
маркировка полярности « + » и
«—». В комплекте 20 зондов,
каждый из которых имеет свой
порядковый номер.
\600mAl
m ,+300mA
К*
L * 1 PLJ"+
Рис. 94. Электрическая схема
прибора для измерения
теплопроводности почв шаровым зондом:
Г — гальванометр; мА —
миллиамперметр; Б — батарея; Н — нагреватель
зонда; Р — реостат; К — ключ; Ш --
шунт; ХС — холодный спай; Т —
термопары.
308
Деление шкалы
70r-
N
50
W
30
20
W
0
0,05 OJ 0J5 02 0,25 0,5
W
■=MUH2
Pnc. 95. Градуировочная кривая.
Измеритель (рис. 94) состоит
из гальванометра и
миллиамперметра. На панели измерителя
расположены три пары клемм
(первая пара — для
аккумуляторной батареи, вторая — для
присоединения нагревателя зонда
•и третья пара — для
подключения термопар), винт для
установки стрелки гальванометра на
нуль и ключ для переключения
пределов измерения
миллиамперметра— 300—600 мА. В
лицевую вертикальную стенку
ящика вмонтирован арретир для
включения стрелки
гальванометра. Гальванометр включен
в цепь термопары и определяет
температуру зонда. Цепь нагревателя зонда включает
миллиамперметр, шунт на два предела измерения 300 и 600 мА,
реостат, ключ и батарею емкостью не менее 10 А/ч.
Шаровые зонды размещают в почве на желаемые глубины.
При этом холодный спай устанавливают на той же глубине,
что и зонд, на расстоянии 30 см от него. Необходимо
обеспечить хороший контакт датчика и почвы. Недалеко от зонда на
поверхности почвы размещают измерительный агрегат. Перед
работой необходимо проверить нулевое положение стрелок
гальванометра и миллиамперметра, исправляя отклонения
с помощью соответствующих корректоров, подключить провода
термопар от нагревателя и батареи, соблюдая в последних
двух случаях полярность. Затем отметить начальное
положение стрелки гальванометра По- Ключ следует поставить в
рабочее положение на 300 или 600 мА в зависимости от
потребной величины тока и включить секундомер. С помощью реостата
/?, имеющего на панели винт, устанавливают определенную
силу тока в цепи подогревателя. После включения системы
через 15 мин делают отсчет, который повторяют через каждые
б мин в течение 50 мин.
На основании полученных данных строят график (рис. 95),
где по оси ординат откладывают показания гальванометра, по
оси абсцисс — величину
Vr
Соединив точки прямой,
продолжают ее до пересечения с осью ординат, определяя при этом
величину N. Затем по формуле вычисляют теплопроводность,
Пример расчета. Пусть * = 0,2; п0==1; Ь = 1,67; N=
= 63,5 см/г. Тогда
Л==
N
0,04-1,67
63,5
= 0,00105= 1,05Ы0-3 Дж/см-с-°С.
309
41 ОпреДелейие теплопробоДности почвы
/, мин
0
15
20
25
30
35
40
45
50
Деление шкалы
1,0
51,0
52,8
53,8
54,4
55,5
56,0
56,5
57,0
п — л„
50,0
51,8
52,8
53,4
54,5
55,0
55,5
56,0
1
VT
0,258
0,223
0,200
0,182
0,169
0,158
0,149
0,141
Запись при определении теплопроводности ведут по форме
табл. 42.
Этим прибором можно определить X и в лаборатории на
монолитных образцах соответствующего размера.
Если известны температуропроводность Kt и объемная
теплоемкость Су, то теплопроводность можно вычислить по фор-
мУле X = KrCv.
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬ
Температуропроводность характеризует способность почвы
выравнивать свою температуру при наличии разницы нагрева
в данной и соседней точках. Коэффициент
температуропроводности Kt равен тому повышению температуры, которое
произойдет в единице объема почвы при поступлении в нее тепла,
численно равного ее теплопроводности К:
где Су — объемная теплоемкость почвы.
В системе СИ Kt выражают в м2/с при теплопроводности
1 Дж/м °С, удельной теплоемкости 1 Дж/кг °С и плотности —
кг/м3.
Температуропроводность почвы в лабораторных условиях
можно определить калориметрическим методом по
Кондратьеву. Довольно прост и доступен также метод тонкой пластины
с мгновенным импульсом тепла Чудновского, пригодный для
полевых и лабораторных условий.
Метод Кондратьева. Калориметрическое определение
температуропроводности почвы (Kt м2/с) основано на теории
регулярного режима охлаждения Кондратьева. При этом
температурное поле свободно от влияния резких температурных
неравномерностей, связанных с первоначальным состоянием
системы. Коэффициент температуропроводности определяют по
формуле it,= fe.m,
где k — постоянная прибора; т — коэффициент, характеризующийг быстроту
охлаждения исследуемого образца почвы.
310
Для прибора цилиндрической формы
где г—-радиус цилиндра; 2,4048 — наименьший корень функции Бесселя;
h — высота цилиндра.
При определении образец почвы, имеющий определенную
температуру, помещают в среду с постоянной, но отличной от
образца температурой. После установления в системе регуля-
торного режима разность температур образца и среды f
будет изменяться по закону
где Л — постоянная; и — функция координат точки измерения температуры;
е—-основание натурального логарифма; Г —время.
Измеряя в различные моменты времени Т\ и Г2
соответствующие им значения разностей температур почвы и воды (t\
и t2), имеем
tx = Au€~mTx и t2==Aue~mT\
Разделив первое выражение на второе и прологарифмировав
по основанию е, получим
lnft—In/2 =/пСТг— Г2).
Отсюда
.„ __ in h — In t2
тгь —— ■ •
Если измерить в два различных момента времени (Т\ и 72)
соответствующие им разности температуры почвы и воды \t\ и
£2), можно определить величину т. Разность температур
образца почвы и жидкости в калориметре пропорциональна
термоэлектродвижущей силе, которую измеряют гальванометром.
Поэтому в формуле, приведенной выше, U и /2 можно заменить
соответствующими отсчетами гальванометра Сп и Сп+н
(табл. 43),
Тогда
Тш-Ti
Калориметр состоит из цилиндра для почвы,
термостата и измерителя. Цилиндр полый, тонкостенный,
диаметром 5 см, высотой 7 см, снизу заостренный, чтобы облегчить
взятие образца почвы ненарушенного строения. Дно и крышка,
сделанные из латуни, закрывают цилиндр, В центре крышки
трубочка длиной 10—12 см с отверстием диаметром 2—3 мм,
через нее проходят провода термопары, которую помещают
9 центре образца почвы,
Ш
43. Значения In Cn — lnCrt+fe при k — 10 и k = 20
делениям шкалы
Сп
ln Cn~ln C(n+k)
k=10
k = 20
Сп
In Сп-)п C(n+k)
k^lO
/г=*20
150
149
148
147
146
145
144
143
142
141
140
139
138
137
136
135
134
133
132
131
130
129
128
127
126
125
124
123
122
121
120
119
118
117
116
115
114
113
112
111
ПО
109
108
107
106
105
104
103
102
101
100
48
47
0,069
0,069
0,070
0,070
0,071
0,071
0,072
0,072
0,073
0,074
0,074
0,075
0,075
0,076
0,076
0,077
0,078
0,078
0,079
0,079
0,080
0,081
0,081
0,082
0,083
0,087
0,084
0,085
0,086
0,086
0,087
0,088
0,089
0,089
0,090
0,091
0,092
0,093
0,094
0,094
0,095
0,096
0,097
0,098
0,099
0,100
0,101
0,102
0,103
0,104
0,105
0,234
0,239
0,143
0,144
0,145
0,146
0,147
0,148
0,150
0,151
0,152
0,153
0,154
0,155
0,157
0,158
0,159
0,160
0,162
0,163
0,164
0,166
0,167
0,168
0,170
0,171
0,173
0,174
0,176
0,177
0,179
0,181
0,182
0,184
0,186
0,187
0,189
0,191
0,193
0,195
0,197
0,199
0,201
0,203
0,205
0,207
0,209
0,211
0,215
0,216
0,218
0,221
0,223
0,538
0,554
99
98
97
96
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
36
35
0,106
0,108
0,Ю9
0,110
0,111
0,112
0,114
0,115
0,116
0,118
0,119
0,121
0,122
0,124
0,125
0,127
0,128
0,130
0,132
0,134
0,135
0,137
0,139
0,141
0,143
0,145
0,147
0,150
0,152
0,154
0,157
0,159
0,162
0,164
0,167
0,170
0,173
0,176
0,179
0,182
0,186
0,189
0,193
0,197
0,201
0,205
0,209
0,214
0,218
0,223
0,228
0,325
0,336
0,226
0,228
0,231
0,234
0,236
0,239
0,242
0,245
0,248
0,251
0,255
0,258
0,261
0,265
0,268
0,272
0,276
0,280
0,284
0,288
0,292
0,296
0,301
0,305
0,310
0,315
0,320
0,325
0,331
0,336
0,342
0,348
0,355
0,361
0,368
0,375
0,382
0,390
0,397
0,409
0,414
0,423
0,432
0,442
0,452
0,463
0,474
0,485
0,498
0,511
0,524
0,811
0,847
Продолжение
с
Wi
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
in Cn -
ft «10
0,246
0,251
0,258
0,265
0,272
0,280
0,288
0,296
0,305
0,315
,n C(/i-We>
к =20
0,570
0,588
0,606
0,628
0,647
0,669
0,693
0,719
0,747
0,778
с
Wi
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
\пСп-
ft=10
0,348
0,361
0,375
0,389
0,405
0,423
0,442
0,463
0,486
0,511
1,1 C(,i+A)
fc = 20
0,887
0,932
0,981
0,036
0,098
—
—
—
—
—
Термостат (рис. 96) представляет собой сосуд J
цилиндрической формы из меди или оцинкованного железа, внутри
которого расположены три металлических цилиндра,
разделенные воздушными прослойками (а и б). Между стенками
первого и второго цилиндров прослойка из войлока 2 для
теплоизоляции. Центральный калориметрический сосуд 3
вместимостью 8 л заполняют водой и кусками льда, закрывают
деревянной крышкой 4 с отверстиями для цилиндра с почвой 5 и
пробирки со ртутью 6, в которую погружают концы проводов
термопары холодного спая калориметра 7 и контрольной
термопары 8, регистрирующей температуру воды в термостате,
которая в течение опыта должна быть постоянной и близкой
к 0 °С. Пропеллерная мешалка 9 энергично перемешивает
жидкость с помощью мотора.
В качестве измерителей
используют гальванометры.
Зеркальный гальванометр Г\,
измеряющий электродвижущую
силу, возникающую
вследствие разницы температур
образца почвы и жидкости в
термостате, должен быть
достаточно чувствителен. Второй
гальванометр Г% служит для
измерения температуры смеси
воды и льда. Один конец
контрольной термопары опускают
в пробирку со ртутью 6 в
термостате, другой — в дюаров-
ский сосуд 10 с тающим льдом
при £ = 0 °С.В цепь
гальванометров включают
дополнительное сопротивление. Термо-
Рпс. 96. Термостат для
температуры охладителя, близкой к 0°:
/ — сосуд; 2 — прослойка из войлока; 3 —
сосуд; 4—-крышка; 5 —цилиндр с почвой;
б—пробирка с ртутью; 7, в—термопары;
9 — мешалка; 10 — дюаровский" сосуд.
313
пары присоединяют к клеммам панели и через переключатели
соединяют с измерителями.
Измерение: взятый образец почвы взвешивают вместе
с цилиндром; по разности массы цилиндра с почвой и без нее
определяют массу образца. Зная объем цилиндра и влажность
почвы, определяют плотность скелета ее. Затем вводят внутрь
образца термопару. Швы дна и крышки цилиндра покрывают
нитрокраской для герметичности. При определении
температуропроводности мерзлой почвы цилиндр с почвой
предварительно выдерживают в ультратермостате или криостате при
заданной температуре. Начальная разница температуры почвы
и воды со льдом в термостате должна быть не менее 20 °С.
Перед опытом проверяют исправность всей аппаратуры,
определяют исходную температуру образца почвы, подключая
термопары к гальванометру. Второй холодный конец
термопары помещают в пробирку 6. Если световой зайчик выйдет
за пределы шкалы, то в цепь включают дополнительное
сопротивление, с которым предварительно была проградуирована
термопара. Если при этом отклонение стрелки гальванометра
равно +150 дел, а переводной коэффициент деления
гальванометра на температуру равен 0,120, то начальная температура
образца почвы будет 150 • 0,120=18 °С. После установления
стабильной температуры в термостате, о чем можно судить по
нулевому показанию гальванометра Г2, опускают калориметр
с почвой в охлаждающую смесь, включают секундомер и
делают отсчеты вначале через каждые два—пять делений шкалы
гальванометра в зависимости от скорости перемещения
зайчика. Затем, когда установлен тепловой режим в калориметре,
отсчитывают через 10 или 20 делений шкалы. Если между
калориметром и калориметрической жидкостью в термостате
большая разность температур и световой зайчик выходит за
пределы шкалы, то следует ждать момента его появления.
Данные, получаемые при определении температуропроводности
почвы, записывают по форме табл. 44.
Пример расчета. Вычисляют по формуле
т^ \пСп~~ \пСп+к
т2-тг
44. Определение температуропроводности почвы
Отсчеты
Т, с
Отклонения стрелки
гальванометра
In Cn-ln Cn+k
Ть-Ti
1
2
3
4
5
6
7
124
140
157
174
193
215
238
122
112
102
92
82
72
62
0,086
0,094
0,103
0,115
0,130
0,150
0,176
16
17
17
19
22
23
28
0,0053
0,0056
0,0060
0,0060
0,0059
0,0065
0,0062
314
Отсчет по стрелке гальванометра Сп равен 122 делениям;
Сп+л—И2; время, измеренное секундомером,— Г| = 124 с; 72=
= 140 с:
т в 1п 122- In 112, ^ Jl^ ^ 0053
140—124 16
Среднее значение т при регулярном режиме (отсчеты 3—7)
берут как среднеарифметическое из всех отсчетов или
вычисляют по формуле
т « 2,8(lgW2-lg62) ^ Ai^L e 0,0061
238-»-157 81
(2,3 — коэффициент перехода от десятичных логарифмов к
натуральным). Пусть К прибора равен 0,888, Тогда
температуропроводность
Kt^mK^0,888•0,0061 -0,0055 см2/с.
Для облегчения вычисления составляют таблицу значений
Сп и In Сп—In Cn+if
Метод тонкой пластины Чудновского. Металлическую
пластину из латуни или меди размером 15x10 см, толщиной 1—
2 мм нагревают до 50—60 °С и погружают в почву. По линии
центра пластины на расстоянии 2—3 см от нее устанавливают
ртутный термометр (с возможно меньшим размером шарика)
и ведут наблюдения за изменением температуры. С течением
времени температура в точке, отстоящей от центра пластины
на расстоянии х см, повышается, достигает максимума,
некоторое время держится на этом уровне и затем опускается.
Для лабораторных измерений изготовляют специальный
почвенный ящик длиной 25 см, шириной 16 и глубиной 15 см.
Температуропроводность почвы Kt вычисляют по формуле
/о-
2ГП
где я —расстояние термометра от пластины (2—3 см); Гщах — время
наступления максимальной температуры в исследуемой точке плюс половина
интервала времени, в течение которого держится максимальная температура.
В записях наблюдений отмечают название почвы, время Т
и отсчеты по термометру t °C.
Пример расчета. Пусть расстояние термометра от
пластины— 2 см; время погружения пластины в почву — начало
опыта—10 ч 10 мин. Через каждую минуту берут отсчет по
термометру (табл. 46).
315
Из полученных данных
вычисляют Гтах. В
рассматриваемом случае максимальная
температура 23 °С наступила через
15 мин и держалась на этом
уровне в течение 3 мин:
5пшах=15+~-==1б,5 мин
при х~ 2 см;
Kt= —?!_=—i— ==2.10~3 см2/с;
2-16,5 33-60
2-10"~7м2/с в системе СИ.
На этом же принципе
основана установка, предлагаемая
для полевого определения Kt (рис. 97). Вместо пластины
используют коробку размером 15x18x0,5 см3. От нее отходит
эбонитовая трубка, через которую в момент опыта наливают
воду, нагретую до 60 °С. На определенном расстоянии от
коробки устанавливают ртутный термометр, регистрирующий
максимум наступления температуры в точке х, или
дифференциальную термопару, на которой отсчитывают максимум
температуры по величине разности показаний термопар, что
регистрируется гальванометром.
Расчет производят так же, как и в методе пластины.
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОУСВОЯЕМОСТИ
Количество тепла, проникающего в почву за
соответствующий период времени, характеризует способность почвы
аккумулировать его. Измеряется коэффициентом теплоусвоения
почвы Ь, величина которого зависит от теплопроводности % и
объемной теплоемкости Су и вычисляется по формуле Ь =
Размерность коэффициента Ь — Дж/ (м2 • с • °С).
45. Запись наблюдений при определении теплопроводности почвы
Почва, глубина
взятия образца,
см
Т, мин
время
начала
опыта
10 ч 10 мин
11
12
13
М
15
16
17
18
19
Чернозем Темпе- 20,0 20,5 21,5 22,8 23,0 23,0 23,0 22,9 22,0
обыкновен- ратура,
ный, гор. А °С
0—10 см
2\Ь
Рис. 97. Схема установки для
определения термических
характеристик по методу мгновенного
источника:
/ — гальванометр; 2 — переключатель;
3 — дифференциальные термопары; 4 —
трубка; В — коробка.
Теплоусвояемость, по данным Л. Ф. Чудновского (1959),
зависит от влажности почвы:
Сухая 0,03
Слабо увлажненная 0,04
Влажная 0,05
Хорошо увлажненная 0,06
Переувлажненная 0,07
Наряду с этим коэффициент теплоусвояемости в рыхлых
почвах меньше, чем в плотных, и поэтому его можно
использовать для оценки приемов обработки почв.
В. Н. Димо ввела термин «показатель нагреваемое™ почв»
Я, представляющий собой отношение суммы активных
температур (температур >10 °С) почвы 2£п к сумме активных
температур воздуха /в за теплый период года:
я^ s;n>io
2/в > 10
При #<1 почва холоднее воздуха и теплопоток направлен
из атмосферы в почву. В случае Н>\ тепло из почвы уходит
в атмосферу.
Вычисление теплофизических характеристик по номограмме.
Учитывая тесную связь теплофизических характеристик с
влажностью (W) и плотностью почвы (dv) и друг с другом
(А. И. Гупалло, 1956) предложил формулы для вычисления
температуропроводности (Кг), теплоемкости (Су) и
теплопроводности К.
Так,
К =2 i1,2—°»02w\e0'007 (w— 20yi4-d °'8"l-o,o2.
я== 2Л 1,2-0,02^. e0.W (*-*»■ + 4JA+0MW . fo2 + JT\ . ^
Эти расчеты достаточно сложны. Их можно производить
с помощью ЭВМ или по номограмме (рис. 98 по Иоффе, 1958).
Пример расчета по номограмме. При №=10% и
rfv=l,40 (левая часть номограммы) из точки пересечения
значений этих величии проводят перпендикуляр к центральной
линии, на которой нанесены значения Kt> Перпендикуляр
отсекает Ki = 2,9 -103 см/с.
На правой стороне номограммы из точки dy=l,4 и W=
= 10% проводят взаимно перпендикулярные линии,
пересечение которых на лучевой линии отсекает величину объемной
теплоемкости, равной 0,45. Точку пересечения линии №—10%
и dv=\,4; с линией Cv соединяют с перпендикулярной линией,
идущей от /С/ = 2,9 • 103 (параллельно оси). Опускают
перпендикуляр на ось X, и на их пересечении получают величину
А, = 4,187-1,2-103 Дж/см-оград. Ошибка расчетного метода
317
Рис. 98. Номограмма для определения термических характеристик почв по
их влажности и плотности.
теплофизических характеристик не превышает 7,4%, чего для
ряда практических задач вполне достаточно. Полученные теп-
лофизические характеристики переводят в систему СИ.
ТЕМПЕРАТУРА ПОЧВЫ И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Кинетическая энергия теплового движения молекул и
атомов вещества почвы определяет ее температуру. Последняя
сопряжена со свойствами почвы. Так, понижение температуры
ниже условно принятого 0° влечет переход жидкой фазы
в твердую.
Температуру измеряют термометрами. Госстандартом
приняты две температурные шкалы: термодинамическая —
Кельвина (°К) и практическая — Цельсия (°С). Интервал
температуры между точками таяния льда и кипения воды по обеим
шкалам равен 100°. Отсюда следует, что градус шкалы
Цельсия равен градусу Кельвина (10 °К=Ю °С). Измеренную
температуру тела по шкале °С легко переводят в показания
шкалы °К. °К=273,2 + °С. Если °С = 20°, то по °К=273,2 + 20 =
= 293,2°.
Температуру почв измеряют ртутными термометрами,
которые выпускают с приложением поправок в отдельных
интервалах температур.
В последнее время все шире в почвенную практику входят
электрические термометры —термопары и термометры
сопротивления, которые изготовляют и градуируют в лаборатории.
318
Термопары. Устройство
термопар основано на том, что
в месте соприкосновения двух
различных металлов,
погруженных в почву, возникает
электродвижущая сила, являющаяся
функцией температуры среды.
Термопары (термоэлементы)
получают спаиванием двух
проволок из различных металлов:
медь — константан, констан- Рис- "■ оВс™™оA™ ГР&АУИ"
тан-серебро. Термопары ис- и ^-д^рГкТСуд^'^термо^
ПОЛЬЗуЮТ ДЛЯ ИЗМереИИЯ НебОЛЬ- метр; 4 — зеркальный гальванометр.
ших различий температур
(дифференциальная термопара) и самих температур.
Изготовляют два спая. От каждого идут концы к
измерительному прибору. Термоэлектродвижущая сила Ей
возникающая при замыкании цепи, пропорциональна разности
температур спаев (t\ и ^) и коэффициенту К, зависящему от свойств
использованных металлов:
Для измерения Et используют стрелочные гальванометры
чувствительностью 1 -10~~6 А на одно деление шкалы, а при
точных измерениях — зеркальные, чувствительность которых
около 1 • Ю-9 А. В почвенной практике используют обычно
медио-константановую термопару.
Градуируют термопары на специальной установке (рис. 99).
Один из спаев погружают в дюаровский сосуд 1 с тающим
льдом, температуру которого поддерживают постоянной (О СС)
и контролируют термометром 2. Второй спай погружают в
сосуд 3, в котором последовательно повышают температуру
воды, измеряя ее термометром. Концы медного провода
термопары присоединяют к гальванометру, константановый провод
соединяет горячий и холодный спаи. Термоэлектрический ток
измеряют зеркальным гальванометром 4. Форма записи
приведена ниже.
Перед градуировкой опускают арретир гальванометра и
устанавливают стрелку прибора в нулевом положении.
Наполняют оба сосуда тающим льдом, присоединяют термопары
к гальванометру (показание гальванометра при этом должно
быть равно нулю). Затем добавляют горячую воду в сосуд 3,
повышая каждый раз температуру на 5 °С, и ведут отсчеты по
гальванометру. Температуру сохраняют на одном уровне в
период отсчетов. Каждый раз после добавления в сосуд горячей
воды ее перемешивают мешалкой. По окончании опыта строят
градуировочную кривую зависимости показаний гальванометра
от температуры, откладывая отсчеты гальванометра по оси
абсцисс, а температуру — по оси ординат.
319
Пример записи при граДуиро&ке термопар
№
пп.
Нулевой спай
Рабочий
спап
отсчеты по термометру
Разница
температуры
спаев
Отклонения
гальванометра, число
делений
Цена деления
гальванометра
0
0
0
Среднее
0
0
0
Среднее
0
0
0
Среднее
4,8
4,8
4,8
—
9,2
9,2
9,2
—
15,40
15,35
15,40
15,38
4,8
4,8
4,8
4,8
9,2
9,2
9,2
9,2
15,40
15,35
15,40
15,38
11,3
11,3
11,3
11,3
21,6
21,6
21,6
21,6
36,2
36,1
36,2
37,17
0,4248
0,4248
0,4248
0,4248
0,4259
0,4240
0,4253
0,4251
0,4265
0,4254
0,4254
0,4258
Термометры сопротивления. Электрическое сопротивление
чистые металлы и сплавы изменяют почти линейно в
зависимости от температуры:
Rt = R0(l+at),
где Rt — сопротивление металла при температуре t\ Ro — сопротивление
металла при 0 °С; а — постоянная величина для платины, равная 3,94-Ю-3.
Термометры сопротивления изготавливают из платиновой
проволоки ввиду химической стойкости этого металла в
'интервалах температур от 20 до 1000 °С. Для более узких
температурных интервалов годится проволока из меди, никеля и
других металлов.
В Агрофизическом институте для этих целей использовали
полупроводники (окиси некоторых металлов) и др.
Полупроводники обладают большим температурным коэффициентом,
который достигает нескольких процентов на градус. При
повышении температуры сопротивление полупроводников
уменьшается.
Термометры сопротивления с полупроводниками позволяют
организовать дистанционные централизованные измерения во
многих пунктах, так как благодаря значительному омическому
сопротивлению приборов можно пренебречь сопротивлением
проводящих проводов, переходным контактным, а также
контактными электродвижущими силами.
В термометрах сопротивления использована схема мостика
Уитстона. Неизвестным сопротивлением Rx из четырех плечей
мостика считают сопротивление термометра Rt. Для
градуировки определяют сопротивление термометра при разных
температурах, помещая его в дюаровский сосуд, где с помощью
охладительных смесей создают определенные отрицательные
320
температуры, а нагревом воды — положительные. Градуируют
термометр в пределе ожидаемых величин температуры почвы.
При градуировке используют зеркальный гальванометр, но,
чтобы его не испортить действием сильного тока, вначале
включают менее чувствительный стрелочный гальванометр.
Вычисляют изменение сопротивления Ai? на 1 °С и строят
график зависимости сопротивления от температуры. Если
платиновая проволока снабжена паспортом и дан ее коэффициент
изменения сопротивления в зависимости от температуры а, то,
определив электросопротивление при О °С, можно вычислить
величину Rt для любого интервала температур по формуле
Измерять температуру поверхности почвы технически
трудно вследствие того, что термометры имеют обычно
трехмерное измерение, а поверхность -почвы
(плоскость)—двухмерное. Поэтому чаще фиксируют температуру не самой
поверхности, а наиболее деятельного верхнего слоя почвы
толщиной в 2—3 мм.
Общераспространенный способ — измерение температуры
поверхности почвы ртутными термометрами. При этом
используют три термометра: срочный, минимальный и максимальный.
Двумя последними измеряют максимальную и минимальную
температуру, срочным —в срок наблюдения. Резервуар
каждого термометра наполовину погружают в почву на опытной
площадке. В зависимости от дели исследования растительный
покров удаляют или оставляют. Такой метод измерения
температуры поверхности почвы дает существенные погрешности.
Более точными оказались электрические термометры.
Электрический термометр — «термопаук» — для измерения
температуры поверхности почвы разработан в лаборатории
тепловых свойств почвы Агрофизического института А. Ф. Чуд-
новским и его сотрудниками. Прибор прост, портативен и
достаточно точен.
Термопаук (рис. 100) имеет 16 медно-констаитановых
термопар 1, последовательно соединенных между собой и
образующих одну термобатарею. Горячие спаи 2 оголены на 2—
3 мм, выше на каждый из них надет эбонитовый кожух (1 —
2 см), на конец которого натягивают резиновые трубки длиной
около метра.
Холодные спаи термопар собраны в общий агрегат на
массивном алюминиевом диске и размещены внутри алюминиевой
коробки 3 в высверленных канальцах диска и электрически
изолированы от его корпуса. Благодаря хорошей
теплопроводности алюминия температура коробки и термопар одинакова.
На крышке коробки установлена эбонитовая планка с
клеммами 4 для подключения к измерителю. Коробку с холодными
спаями устанавливают на деревянную подставку, горячие спаи
размещают примерно на 1 м2 поверхности почвы. Термоспай
321
Рис. 100. «Термопаук»:
/ — термопары; 2 — горячие спаи; 3 — алюминиевая коробка; 4 —
клеммы; 5 — шпилька; 6 — измерительный узел.
прикрепляют к почве специальной стальной
пружинкой-шпилькой 5.
Измерительный узел 6 состоит из гальванометра, моста
Ушгстона (в одно из плеч которого включено
термосопротивление, имеющее температуру холодных спаев) и зажимов для
подключения горячих спаев. Отклонение стрелки
гальванометра пропорционально разности температур спаев термопар.
В практике эта разность может быть положительной и
отрицательной, поэтому в цепь гальванометра присоединяют
переключатель полярности. Температуру определяют или
непосредственно по шкале гальванометра, или строят градуировочную
кривую. После установки прибора, в частности размещения
горячих спаев на поверхности почвы, через 10—15 мин делают
отсчет по гальванометру, который переводят на показания
температуры. За окончательный показатель температуры берут
среднюю величину из 16 определений.
Прибор легко перенести и установить на новом месте, что
дает возможность пользоваться им не только при
стационарных определениях, но и при эпизодических измерениях
температуры почвы.
Проверка измерения температуры поверхности почвы
«термопауком» и ртутными термометрами Институтом
мерзлотоведения показала, что более точные сведения обеспечивает
первый.
Пахотным электротермометром АФИ ЭТП-58 (рис. 101)
измеряют температуру пахотного слоя в пределах от 0 до 40 °С.
Датчиком прибора служит чувствительный полупроводниковый
элемент типа ММТ-6 в металлическом каркасе. Термометр —
322
полый металлический стержень 1, отградуированный на
внешней стороне в см для измерения глубины погружения в почву.
Стержень оканчивается пластмассовым конусом 2, на котором
закреплена латунная трубка с муфтой 3 и датчиком 4 внутри.
Верхняя часть стержня заканчивается эбонитовой ручкой 5.
Термометр присоединяют к измерителю, представляющему
собой неравновесный мост 6. Источник питания —батарея от
карманного фонаря (4—5 В) типа 3336А 2583-70. На шкале
измерителя отсчитывают непосредственно температуру почвы.
Определение длится не более 3 мин.
Термометр-щуп (АП-6), рис. 102, измеряет температуру
в основном в пахотном слое. Термометр вделан в
металлическую оправу с заостренным наконечником внизу,
изолированным от нее специальной прокладкой. Резервуар термометра
погружен в металлические (медные) опилки. На оправе
нанесены деления (от 0 до 45 см) глубины погружения. Нуль
шкалы находится внизу на уровне ртутного шарика
термометра. Температуру отсчитывают по шкале 0—60 °С, которая
хорошо просматривается через прорезь в оправе.
Термометр погружают на определенную глубину,
выдерживают 5 мин, берут показания с возможной точностью 0,5,
Затем устанавливают на следующую глубину и т. д.
Если удлинить оправу за счет привинчивания отрезков
штанги, то термометр можно использовать для измерения
температуры в скважинах при взятии проб на
влажность. В Агрофизическом институте
изготовлен специальный штанговый термометр,
который применяют при полевых глубинных
измерениях температуры почвы.
Точечный дистанционный
электротермометр ПТЭТ сконструирован также в /
зическом институте. Прибор состоит и.
чечных полупроводниковых терме
сопротивления, измерительного агрега-
пределителя; к прибору прилагается
градуировочиых кривых термометров.
Рис. 101. Пахотный полупроводниковый
электротермометр:
/—стержень; 2 —конус; 3 — муфта; 4 —
датчик; 5 — ручка; 6 — мост.
з 20 то-
эметров,
та и рас-
альбом
Рис. 102.
Термометр-щуп,
32$
rf/
Рис.
103. Схема
измерительного устройства.
п*а Точечный электротермометр
~*\g I имеет обнаженный конец длиной
5—6 мм, смонтированный на конце
резиновой трубки, через которую
проходит электрический провод.
Термометр представляет собой
термосопротивление с высоким
температурным коэффициентом (около
3 % на 1 °С) и внутренним
сопротивлением (3000—4000 Ом), что
дает возможность использовать его
для дистанционных измерений
температуры. Конец провода
термосопротивления подведен к вилке,
которую включают в соответствующее
гнездо распределителя. Точность
измерения до 0,2 °С, предел
измеряемой температуры от —20 до
+40 °С.
Измеритель имеет в основе схему
неравновесного моста Уитстона (рис. 103) с тремя постоянными
сопротивлениями Ru R2i Rz контрольным сопротивлением i?4 и
измеряемым термосопротивлением Rt, образующим плечи моста,
в диагональ которого включен гальванометр. В качестве
источника питания используют батарею Б постоянного тока на 4,5 В.
Для поддержания постоянного напряжения, подаваемого к мосту,
в цепь делителя напряжения Rs и RQ включен реостат с /? =
=25 000 Ом. Регулируют напряжение ключом П—К,
включающим в плечо постоянное сопротивление, подобранное так, чтобы
при его включении стрелка гальванометра моста отклонялась
на всю шкалу. Если этого нет, то, меняя переменное
сопротивление, в цепи делителя, добиваются, чтобы стрелка
гальванометра при включении стояла на 150-м делении. Ключом В
включают питание, к клеммам измерителя подключают
распределительное устройство, имеющее гнездо для присоединения к мосту
точечных термометров с помощью вилки.
Установка термометра. В почве буром
проделывают скважину на изучаемую глубину и вставляют
электротермометр. При засыпке скважины почву тщательно
уплотняют. Измерительный агрегат размещают на поверхности
почвы на расстоянии длины соединительных проводов.
Предварительно каждый точечный термометр градуируют. По оси
абсцисс откладывают температуру от —20 до +40 °С; по оси
ординат: вверх — показания гальванометра при положении
переключателя II, вниз — при положении I (рис. 104).
Температуру почвы отсчитывают на прямой по данным отсчета на
гальванометре.
Почвенные коленчатые термометры Саввинова (рис. 105)
применяют для измерения температуры пахотного слоя на глу-
324
Рис. 104. Градуировочиая кривая термометра
сопротивления:
1 — термосопротивление первого и 2 — второго
термометра.
Рис. 105. Почвенные термометры:
А — коленчатый Саввинова; Б — вытяжные ртутные,
бине 5, 10, 15, 20 см. Для более глубоких слоев используют
ртутные вытяжные термометры или электротермометры.
Термометры Саввииова устанавливают на той же площадке,
где измеряют температуру поверхности почвы. Для установки
выкапывают яму глубиной 30 см, ориентированную с востока
на запад, с южной отвесной стенкой и северной наклонной.
На лицевой стороне, обращенной к югу, вставляют
термометры под каждый пятисантиметровый слой так, чтобы
резервуар термометра располагался параллельно поверхности
почвы, а его длинный ствол со шкалой выступал из земли.
Термометры ставят по линии, ориентированной с востока на
запад, на расстоянии 10 см друг от друга. Когда термометры
вставлены, яму засыпают, уплотняя почву вокруг них.
Для устойчивости под ствол термометра ставят козлы из
тонких палочек. Термометрами Саввинова пользуются в
течение вегетационного периода. На зиму их обычно снимают.
325
Близ термометров Саввинова на поверхность почвы кладут
срочный, минимальный и максимальный термометры на
расстоянии 5 см друг от друга ртутными шариками на юг.
Вытяжные ртутные термометры имеют шкалу,
градуированную до 0,2 °С. Термометры вставлены в металлическую оправу
с прорезью против шкалы. При помощи винта оправу с
термометром закрепляют на деревянной планке, оканчивающейся
металлическим колпаком с кольцом для выемки термометра из
почвы. Длину планки рассчитывают так, чтобы после
установки термометра на необходимой глубине верхняя часть его
возвышалась над почвой на 30—50 см (в зависимости от
глубины снежного покрова в данном месте). На дно оправы
насыпают медные опилки, в которые устанавливают резервуар
термометра. Опилки сохраняют в течение 30—40 с прежнюю
температуру на шкале, что вполне достаточно для отсчета.
Планку с термометром вставляют в трубу из пластмассы или
эбонита, имеющую на конце металлическую насадку — гильзу.
Термометр должен касаться дна гильзы. Погружаемую
в почву часть трубы окрашивают в зеленый цвет,
надпочвенную— белый для уменьшения нагревания солнцем.
Вытяжные термометры устанавливают в ряд на
расстоянии 50 см один от другого на глубине 20, 40, 60, 80, 120, 160,
240, 320 см (при различных исследованиях глубина может
варьировать). Глубина погружения термометров увеличивается
в направлении к западной стенке почвенного шурфа. Для
установления трубы на заданной глубине делают скважину буром
диаметром, несколько превышающим диаметр трубки
термометра, или выкапывают траншею. После установки трубы
скважину засыпают, уплотняя почву вокруг термометра.
Во избежание затаптывания и чрезмерного уплотнения
почвы около термометров вдоль линии установки их строят
реечный мост, с которого вытягивают крючком за кольцо
нужный термометр, и делают отсчет. Данные записывают
в специально подготовленную тетрадь, указывая поле, глубину,
дату, час наблюдений и показания термометра.
ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИНЫ ПРОМЕРЗАНИЯ ПОЧВЫ
При решении ряда теоретических и практических вопросов
очень важно знать глубину промерзания почвы и грунта.
Трудность определения ее в том, что вода в почве начинает
замерзать не при нуле, а при более низких температурах. Часто
имеет место переохлаждение в системе почва — вода и вода
остается в жидком состоянии при отрицательных
температурах.
Глубину промерзания почвы определяют методами
шурфования, бурения и мерзлотомерами разных конструкций.
Метод шурфов довольно примитивен и трудоемок; но
доступен каждому исследователю. В почве выкапывают яму
80x60 см с отвесной лицевой стенкой до глубины промерза-
326
ния. Границу промерзания
определяют по твердости:
мерзлая почва значительно
тверже и в ней хорошо видны
льдинки.
Буровой метод. Бур Качин-
ского в мерзлый слой
вбивают, в талую почву он входит
сравнительно легко. В
извлеченных образцах естественного
сложения наличие льда
определяют на глаз или с
помощью лупы.
Мерзлотомер Данилина
(рис.106) определяет глубину
промерзания почвы по
замерзанию дистиллированной
воды в резиновой трубке /,
погруженной в почву. Трубку
внизу закрывают пробкой, а
верхний конец надевают на
ниппель деревянной вытяжной
палки 2, на конец которой
крепят колпачок с кольцом 3
для выемки мерзлотомера из
почвы.
На резиновую трубку
нанесена шкала в см. Чтобы лед
не перемещался по трубке,
внутри нее пропущен пучок
вощеных ниток. При заполнении трубки водой через отверстие
в ниппеле необходимо следить, чтобы в нее не попал воздух.
Резиновую трубку помещают в защитную металлическую
трубку 4 с латунным наконечником 5, к которому близко
подходит конец измерительной резиновой трубки.
В правильно установленном мерзлотомере нулевое деление
шкалы совпадает с поверхностью почвы. Устанавливают
мерзлотомер там же, где ведут наблюдения за температурой почвы.
Длина мерзлотомера, помещаемого в почве, —150—200 см,
что соответствует наблюдаемой в природе глубине
промерзания почв. При отсчете наблюдатель, стоя на скамейке,
вытаскивает за кольцо резиновую трубку, прощупывает ее,
устанавливает длину столбика замерзшей воды и глубину ее
нахождения, затем опять опускает трубку в защитную трубу.
Наблюдения по мерзлотомеру ведут с осени до весны, до
полного оттаивания почвы.
Описанный мерзлотомер прост, доступен и широко
распространен, но измеряет он не глубину промерзания почвы и
грунта, а проникновение в почву волны нулевой температуры.
Рис. 106. Мерзлотомер Данилина:
/ — резиновая трубка; 2 — палка; 3 —
кольцо; 4 — металлическая трубка; 5 —
наконечник.
ЭЛЕКТРОФИЗИКА ПОЧВ
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Электрокинетические свойства почв обусловлены
естественным электрическим полем, возникающим на границе раздела
твердой фазы и воды или приложенным внешним. Почвенные
частицы обычно имеют отрицательный заряд, за исключением
гидроокисей Fe и А1, заряд которых меняется в зависимости
от рН среды. При наложении внешнего электрического поля
частицы передвигаются к аноду или катоду. Явление это носит
название электрофореза. Скорость передвижения частиц (см/с)
при градиенте потенциала (В/см) называют электрофорети-
ческой подвижностью. Электрофорез используется для
определения знака заряда частиц, при очистке дрен от заиления
и др.
Электрокинетические характеристики — электрокинетический
потенциал, поверхностная проводимость, электроосмос и
фильтрационный потенциал — дают ценную информацию -о почве
как физической среде для культурных растений. Эти
характеристики широко используются при исследовании почв.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА
Между частицами почвы и почвенным раствором образуется
межфазовый слой, свойства которого отличны от свойств
почвенного раствора в объеме. Наличие заряда на поверхности
почвенных частиц обусловливает возникновение двойного
электрического слоя прочно адсорбированных ионов и слоя
диффузного, в котором плотность ионов убывает по мере удаления их
от поверхности раздела. Толщина слоя прочно
адсорбированных ионов имеет порядок ионного диаметра ~2,7-10~10 м.
Толщина диффузного слоя характеризуется переменной
величиной (с повышением температуры раствора возрастает).
Такое строение адсорбционного слоя обусловливает на границе
раздела твердой и жидкой фазы термодинамический
потенциал ф. Часть потенциала между границей скольжения
(граница между прочно адсорбированным и диффузным слоем)
жидкости и раствора, где заряд равен нулю, называют
электрокинетическим или дзета-потенциалом £. Наибольшие
значения последнего наблюдаются в почвах гидрофильных, в
поглощающем комплексе которых содержится много
одновалентных ионов Na, К, Li. Почвы эти обычно высокодисперсны,
бесструктурны и обладают низкой фильтрационной
способностью.
328
Дзета-потенциал определяют с помощью метода
электроосмоса, исходя из формулы Гельмгольца — Смолуховского:
1 = 4n™v .9-10»мВ,
8-/
где £ ~—потенциал, мВ; г\ — вязкость жидкости в пуазах; в
—диэлектрическая постоянная порового раствора, обычно приравнивается к е воды —81;
V — электроосмотический расход жидкости, см3/с; / — сила тока, A; %v —
удельная электропроводность равновесного раствора, см/м; 9-Ю4 —
коэффициент пересчета в вольты.
Перед вычислением дзета-потенциала определяют величины
V и / на приборе для измерения коэффициента электроосмоса
(рис. 107). Вместо xv измеряют электропроводность почвенной
пасты jy, приготовленной на воде или равновесном растворе,
так как при использовании значения %v нужно вводить
поправку на поверхностную проводимость (%s). Неучет величины
поверхностной проводимости обусловливает грубую ошибку
в измерении дзета-потенциала. Электропроводимость почвы
непосредственно характеризует изучаемую среду, через
которую осуществляется электроосмотический перенос воды или
равновесного раствора, причем в незасоленных почвах в
качестве равновесного раствора можно брать воду, в засоленных —
равновесный раствор, водную вытяжку, почвенный раствор.
Сопротивление пасты измеряют в лабораторном датчике
при использовании мостика Уитсойа. Если измерителем служат
приборы ЭСК-1, АЭ-72, то применяют четырехэлектродный
лабораторный датчик. Определив величины %,*, V и /, вычисляют
величину £ по приведенной выше формуле.
Дзета-потенциал можно определять и при помощи
потенциала протекания Еф
£== 4мгспДф .6|75.i07
е-Р
где Еф определяется потенциометром, мВ; Р — манометром, кПа; 0Crf —
электропроводность почвенной пасты, см/м, приготовленной на равновесном
растворе. Ее вычисляют по величине удельного сопротивления р этой пасты,
определяемого перед опытом.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
Поверхность почвенных частиц обладает способностью
проводить электрический ток вследствие избытка ионов
(катионов) в двойном электрическом слое. Поэтому в порах почвы
проводимость %п выше, чем в равновесном растворе %у на
величину поверхностной проводимости %s.
Отношение
%v + %s = g
XV
называют коэффициентом эффективности поверхностной
проводимости почвы. Величина а увеличивается при уменьшении
329
Рис. 107. Схема установки для измерения скорости
электроосмотического переноса воды:
1 — почвенный датчик; 2 — конические емкости; 3 — воронки;
4 — капилляры; 5 — медная проволока; 6 — электрическое
питание.
концентрации раствора и радиуса пор. В обоих случаях общее
количество ионов в объеме порового раствора уменьшается
быстрее, чем число ионов диффузного слоя. Таким образом,
доля участия поверхностных ионов в общем переносе
электричества через дисперсную фазу почвы будет возрастать.
Отношение величины поверхностной проводимости к
удельной поверхности в единице объема водонасыщенной почвы
представляет собой удельную поверхностную проводимость
„ __ ft.JP-0,01
где 5 — удельная поверхность почвы, см2/г; W — объемная влажность
водонасыщенной почвы, г/см3; 0,01 — коэффициент перевода содержания влаги,
г/см3, выраженный ранее в %.
При увеличении концентрации внешнего раствора толщина
диффузного слоя уменьшается. Часть его катионов переходит
в прочно адсорбированный слой. Однако величина Ks при этом
изменяется мало, что косвенно указывает на то, что
адсорбированные катионы обладают подвижностью, мерой которой и
служит величина Ks-
При исследовании проводимости почвы существенное
значение имеет коэффициент структурного сопротивления р,
показывающий, во сколько раз уменьшается электропроводность
330
порового раствора % за счет присутствия твердой фазы почвы,
являющейся почти диэлектриком:
id
тде %п — удельная электропроводность почвы, см/м.
Наличие поверхностной проводимости в почве
обусловливает капиллярную сверхпроводимость, проявляющуюся в том,
что при внесении почвы или грунта, в основном не
проводящих ток, в раствор сопротивление последнего не увеличивается,
а уменьшается. Это бывает, когда коэффициент а больше
величины р, что наблюдается в высокодисперсных, незасолен-
ных почвах и грунтах (а в этих условиях возрастает, тогда
как р почти не изменяется).
Поверхностную проводимость определяют следующим
образом. В четырех- или двухэлектродном датчике получают
постоянную сопротивления сосуда Си с помощью эталонного
раствора:
где %v — удельная электропроводность раствора (берут из справочника) и
Ду—электросопротивление раствора, которое определяется непосредственно.
Прибор заполняют 0,1 молярным раствором КС1 (эталон),
при этом фиксируют толщину слоя раствора. Измеряют
сопротивление раствора Rv и вычисляют С&. Для большей
точности Ск измеряют при разных концентрациях КС1 (0,001, 0,01,
0,1 молярности). При этом величина Ск будет постоянной, при
незначительном расхождении контрольных определений берут
среднее значение. Затем исследуемую почву промывают от
солей и замешивают на 0,1 молярном растворе КО. Вследствие
высокой концентрации равновесного раствора двойной
диффузный слой сжимается, поверхностная проводимость при этом
уменьшается и составляет незначительную долю от общей,
поэтому ею можно пренебречь. В таком случае
электропроводимость порового раствора х равна проводимости равновесного
раствора %v-
В датчик помещают слой пасты, равный высоте раствора
при определении Ch, и измеряют сопротивление пасты Rn.
Снимают три отсчета путем включения и выключения или при
тех же концентрациях КС1, при которых определялась
величина Сн и берут среднее значение Rd. По измеренному Rd
и постоянной прибора вычисляют электропроводность пасты:
Константа сосуда с почвой
Cd^Rn-%v,
где %у — электропроводность эталонного раствора.
331
Константу также определяют при трех концентрациях, из
трех определений берут среднее значение Cd. На основании
измеренных величин вычисляют значения р, % и %s:
Р=-§Ч 3Cn = J3-Xd; Xs = Xn — lv
и коэффициент
Xv
Данные оформляют в виде таблицы, где С —концентрация
используемого раствора; Rv и %у — его сопротивление и
электропроводность; Rd, %u — сопротивление и электропроводность
пасты; %— проводимость порового раствора; %<? —
поверхностная проводимость; р и а — коэффициенты структурности и
эффективности и их соотношение.
Р
Дата
опре;
лени
Почва
*0
я*
Ом. см
Ху
Xd
*п
Xs
См/м
Р
а
а
Р
Однако описанный метод непригоден для глинистых сильна
набухающих почв и грунтов ввиду непостоянства
коэффициента р. Для этих систем Р. И. Злочевской (1966) предложена
следующая методика.
Исследуемые образцы замешивают на молярном растворе
КС1 или NaCl в различных, но точных соотношениях почва —
раствор. Благодаря высокой концентрации раствора
электропроводность его %у намного больше поверхностной
проводимости %s, которой в данном случае можно пренебречь.
Следовательно, коэффициент р=-^- при данной влажности. Для гли-
нистых монтмориллонитовых почв отношение •±L- становится
U
постоянным при концентрации раствора от 1 М до 5 М, в као-
линитовых почвах и грунтах — от 0,5 М до 1,0 М. Определяют
величину р при разной влажности, создаваемой разнЬш
соотношением почвы к взятому раствору, причем для каждой
влажности значение р измеряют 3—5 раз и берут среднюю
величину. При вычислении влажности W образца вводят
поправку Ь (г) на содержание вводимых солей с раствором:
W %=-£^°-,
р — ь
где а —количество воды в навеске; Р — абсолютно сухая навеска.
По данным измерений строят график зависимости В от W.
Определив влажность W и удельную электропроводность пасты
332
Xd, no графику находят величину р для данной почвы и
рассчитывают поверхностную проводимость по формуле
где %v —электропроводность эталонного раствора, см/м.
Исследованиями аргентинских почвоведов (Чапек, Наталг
1966; Чапек, Сантамария, 1968) показано, что поверхностная'
проводимость возрастает с увеличением толщины водной
пленки на стекле, минералах и почвах и снижается с
уменьшением концентрации солей. Самое низкое значение имеют
пленки чистой воды. Пленки разной толщины получали при
насыщении почв до равновесного состояния над насыщенными
растворами разных солей. При исследовании поверхностной
проводимости
(Р —упругость паров над растворами, Р0 — упругость паров,
насыщающих данное пространство) оказалось, что при
увеличении отношения до 0,2 она резко возрастала, сопротив-
ление падало. В этих условиях вокруг почвенных частиц
формируется одномолекулярный слой пленки толщиной 2/М0~10м.
р
При дальнейшем увеличении значения и толщины водных
пленок поверхностная проводимость возрастает постепенно.
Следует иметь в виду, что %s зависит от минералогического
состава (в минералах группы монтморилонита она больше,
чем в группе каолинита), от состава поглощенных оснований
(при содержании Na выше по сравнению с Са). Величина —-
характеризует сверхпроводимость почвы при а>[3 и
используется для характеристики солонцеватости почв.
ЭЛЕКТРООСМОС
Движение жидкости в почве под влиянием внешнего
электрического поля называют электроосмосом. При наличии
электрического поля ионы диффузного слоя вместе с водой
перемещаются в направлении тока (к катоду). Перенос воды
измеряется коэффициентом электроосмоса (/Сэ), который равен
количеству воды (см3), переносимой через единицу площади
капиллярной системы (см2) в единицу времени (с), при
градиенте напряжения в 1 В/см. Размерность /Сэ — см2/В. с.
Коэффициент электроосмоса является одной из физических
характеристик почв. Он возрастает с увеличением глинистости,
солонцеватости и влажности.
Электроосмос играет большую роль в электромелиорации
почв (осушение и уплотнение торфяников, зыбунных грунтов
333
и др.)- Водонепроницаемые почвы при наложении
электрического поля приобретают способность фильтрации. При этом
она возрастает не только за счет электроосмоса, но и за счет
увеличения эффективного диаметра пор вследствие уменьшения
толщины неподвижных водных пленок в порах.
Определение коэффициента электроосмоса. В основу
определения коэффициента электроосмоса Кэ положена формула
к - v
Дэ = ——>
pit
где V — количество воды, перенесенное в процессе электроосмоса, см3; р —
удельное сопротивление исследуемого образца почвы, Ом/см; t —
длительность электроосмоса, с; / — сила тока в процессе опыта, А.
Прибор для определения электроосмоса типа Воронкова
сконструирован в лаборатории физики почв МГУ (П. Н. Бере-
зин). Прибор (см. рис. 107) состоит из двух разъемных
цилиндрических камер, оканчивающихся на конус, которые выточены
внутри плексигласовых брусьев. Цилиндрическая часть емкости
служит почвенным датчиком 1. Цилиндр с обоих концов
плотно закрывают капроновой водопроницаемой сеткой.
Конические емкости 2 заполняют равновесным раствором через
тубусы, соединенные с воронками 3. От вершин конусов
отводят измерительные градуированные капилляры 4. В углу
плексигласовой панели имеются углубления, заполняемые,
электродной жидкостью (CuS04 или KC1), в которую опускают
электроды — медные пластинки или проволоку 5. Электродная
ячейка через трубку соединяется с равновесным раствором
(в конусе). Трубку в корпусе плексигласовой пластины
заполняют 3 %-ным агар-агаром, приготовленным на равновесном
растворе. Электрическое питание схемы 6 осуществляется от
сети переменного тока через автотрансформатор и селеновый
выпрямитель. Сила тока измеряется миллиамперметром А.
• При определении коэффициента электроосмоса сначала
определяют сопротивление почвенной пасты, приготовленной
на равновесном растворе, затем пасту загружают в датчик.
В качестве равновесного раствора используют водную вытяжку
при соотношении почва: вода ==1:5. Этим фильтром
заполняют конические емкости прибора через воронку.
Градуированные (см3) капилляры должны находиться в строго
горизонтальном положении и на одном уровне. Подставку прибора
делают на винтах, что облегчает его регулировку. После
проверки правильности установки прибора (показания на шкале
капилляров остаются постоянными в течение 3—5 мин)
включают ток. Под влиянием электроосмоса жидкость
передвигается к катоду. Отсчет по мениску в правом (катодном)
капилляре увеличивается, в левом уменьшается. Время пропускания
тока (с) регистрируют секундомером. Снимают отсчет с
правой шкалы до и после пропускания тока Vo, V\\ контролем
334
служит отсчет по левой шкале. Переключателем П меняют
полюса электродов и измеряют то в правой, то в левой части
капилляра 5—6 раз. Двухсторонняя конструкция прибора
исключает изменение свойств почвы под влиянием тока.
Вычисляют средние значения Vb / и V0 и определяют количество
воды V2, перенесенное в направлении катода за время
пропускания тока t:
Приводим образец записи при определении коэффициента
электроосмоса
Дата, почва
W.
р, Ом-см
/. А
Е,
В/см
i, с
V0.
CM:i
v..
CM'1
V'.,,
CM:j
K3,
cm'j/B-c
Солончак 36 115 0,1 0,92 23 0,02 0,4 0,38 1,4-10—a
Следовательно, коэффициент электроосмоса
К, = -^- = ^ в 14.10-е СМ2/В . Ст
pit 115-0,1-23 1
ПОТЕНЦИАЛ ПРОТЕКАНИЯ
Разность потенциалов, возникающая между концами
почвенной колонны при протекании через нее жидкости под
давлением, называют потенциалом фильтрации (протекания) Еф.
В полевых условиях фильтрационный потенциал возникает
вследствие выноса избыточных ионов (катионов) из
диффузного слоя проходящим потоком воды в направлении его сброса.
По мере увеличения разности потенциалов вынос катионов
замедляется, так как возникает объемный ток, направление
которого противоположно поверхностному. Когда
поверхностный ток компенсируется объемным, в почве устанавливается
равновесное состояние величины Е$ и с фильтрующим потоком
выносится эквивалентное количество анионов и катионов.
Величина потенциала фильтрации находится в зависимости
от факторов, ее определяющих:
4ят]
где в — диэлектрическая постоянная воды; р — удельное сопротивление
раствора, Ом-см; £ — дзета-потенциал, мВ; Р — давление, кПа; т]-—вязкость
жидкости, пуаз.
Как видно из формулы, Еф не зависит от геометрических
параметров капиллярной системы. Однако если в приведенную
форму ввести вместо давления скорость движения жидкости,
335
то выявится зависимость Еф от площади сечения капилляра.
Согласно формуле Пуазеля, скорость движения жидкости
где г — расстояние от центра капилляра до границы неподвижного
адсорбированного слоя;
г*
Подставляя в формулу вместо Р его значение, получим
уравнение
яг2
из которого следует, что Еф обратно пропорционален площади
сечения пор. Величину Еф прежде всего определяет
фильтрующаяся вода, обладающая высокой диэлектрической
проницаемостью и способствующая образованию интенсивных
фильтрационных полей в почвах. Высокая минерализация грунтовых
вод снижает величину £ф, так как при этом уменьшается
величина р. Интенсивность фильтрационного поля зависит и от
дзета-потенциала. Последний определяется минералогическим
составом, характером поглощенных катионов и
минерализацией почвенного раствора.
По величине Еф можно обнаружить направление потока
грунтовых вод, выявить активность дрен, наличие фильтрации
из каналов и водоемов, что имеет большое значение для
мелиоративного почвоведения.
Потенциал фильтрации определяют на приборе,
представленном на рис. 108. В качестве датчика почвы используют
цилиндр или кольцо из плексигласа, длина и ширина которого
равны 3—4 см. Цилиндр 1 закрывают перфорированными
крышками, покрытыми в два слоя фильтровальной бумагой.
Датчик закрепляют в приборе с помощью фланцев 10.
Цилиндр заполняют почвенной пастой, приготовленной на
исследуемом растворе (перед опытом определяют ее
сопротивление) .
. Цилиндр размещают между стеклянными камерами J?,
которые во время опыта заполняют равновесным раствором.
В верхней части каждой имеется тубус 8 для подключения
к сосуду Мариотта 3 с раствором и тубус 8 для выхода
воздуха. Жидкость выпускают через нижний кран 8". В
горловину камеры вставляют электроды 2. Вначале камеры из
сосуда 3 наполняют равновесным раствором (центрифугат,
фильтрат или грунтовая вода). Правую камеру трубкой 9
соединяют с сосудом Мариотта и манометром 5 через кран 4.
Тубус для учета фильтрата в правой камере плотно закрывают
пробкой, а левой — подсоединяют к приемнику фильтрата.
336
Рис. 108. Схема установки для измерения потенциала протекания воды
в почвах и грунтах:
1 — цилиндр; 2' — электроды; 2 — стеклянные камеры; «?--сосуд Мариотта; 4 —кран;
5 — манометр; 6 — переключатель; 7 — потенциометр; 8 и 8' *— тубус; • 8" — край; 9 —
трубка; 10 — фланцы.
Для измерений используют хлорсеребряные электроды.
Изготавливают их путем электролитического серебрения
платиновой пластинки или проволоки в растворе азотнокислого
серебра (35 г AgNO3 + 40 г КС1 на 1 л воды) в течение 24 ч
при плотности тока 1—2 мА/см2 с последующим хлорированием
в 0,1 молярном растворе НС1 при плотности тока 5—6 мА/см2.
Переключателем 6 электроды подсоединяют к
потенциометру 7 с милливольтметром. Не подключая сосуд Мариотта,
измеряют разность потенциалов между электродами Е0. При
постоянной Eq в течение 3—5 мин измеряют потенциал
фильтрации Еф при подаче воды из сосуда 3 под определенным
давлением Р. Определяют Еф несколько раз, чтобы убедиться в
постоянстве отношения—*-. Затем таким же путем проводят
определение на второй половине прибора. Из всех (5—6) измерений
берут среднее значение Еф\. Окончательная величина Еф =
=2?Ф1—Eq. Получают Еф при разных давлениях и затем строят
график Еф — ?{Р).
Этот метод позволяет установить закономерности
изменения Еф в зависимости от концентрации раствора,
механического состава почв, характера поглощенных оснований и
других факторов.
337
Данные измерений заносят в таблицу по форме,
приведенной ниже.
Дата
Название
почвы
Влажность,
W, %
О
о
Р, Па
ч°
а
ч
2
СУ
X
я
S
Я
В уравнении £"ф =~5£5- .р обозначаем член sp^ =/Сэ>
4ят| 4яг)
который характеризует фильтрационные свойства грунта,
обусловленные наличием фильтрационного потенциала. Тогда
Еф=КэР.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Показатель электропроводности не всегда используют для
изучения свойств почвы. Между тем простота и быстрота
определения и широкий диапазон этого показателя в связи с
изменением физических факторов среды свидетельствуют в его
пользу. Кроме того, в связи с широким развитием
электрификации сельского хозяйства в СССР в перспективе возможно
применение электрического тока и в почвенной технологии —
электромелиорация, электросмазка рабочих поверхностей
почвообрабатывающих орудий, оструктуривание, обогрев почвы и др.
Под электропроводностью почвы %п понимают способность ее
пропускать электрический ток / под действием электрического
напряжения Е:
Хп=— См/м.
Е
Электропроводность 1 см3 почвы называют удельной.
Удельное сопротивление р — величина, обратная удельной
проводимости почв:
1
При измерении напряжения Е в В, силы тока в А единицей
измерения сопротивления будет Ом/м. В практике используют
и другие единицы: Ом/10~2 м и Ом/Ю-3 м. Электропроводность
измеряют в См/м.
Непременным условием электропроводности вещества
является наличие свободных электронов и ионов. Электронная
проводимость пород и минералов, составляющих почву,
небольшая—10~7—10~15 См/м и их без особой погрешности можно
отнести к диэлектрикам. Почва в основном обладает ионной
проводимостью. Электропроводность порового раствора почв %п сла-
338
гается из проводимости равновесного раствора %v и
поверхностной проводимости %s:
Xn = Xv + Xs-
Электропроводность почвы зависит от содержания влаги W,
концентрации солей С, содержания воздуха Р и температуры
почвы t При одинаковых значениях W, P, t удельная
электропроводность характеризует ионную активность почвы, что
служит мерой засоления почв С.
При влажности, соответствующей капиллярной влагоемко-
сти, когда дополнительное увлажнение слабо сказывается на
изменении проводимости, величину электропроводности можно
использовать как физическую характеристику, выявляющую
особенность почвенных типов и их горизонтов. При полном
насыщении электропроводность должна быть близка к
проводимости при капиллярном насыщении, особенно если принять во
внимание, что высота датчиков, используемых в лабораториях для
определения величины электропроводности, обычно колеблется
около 5—6 см. При этом бывают заполнены капиллярной водой
почти все поры и содержание воздуха в них незначительно.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ
Электропроводность почв и грунтов вычисляют по
измеренному сопротивлению R. Когда в датчике электроды площадью
1 см2 расположены на расстоянии 1 см, то измеренное
сопротивление соответствует удельному при данной температуре. Так как
электроды бывают разной формы и размера, то для вычисления
удельного сопротивления определяют вместимость сосуда Сл.
Для этого готовят раствор электролита, электропроводность
которого известна %у, измеряют его сопротивление Rv в данном
сосуде и затем вычисляют константу датчика:
Сопротивление Rv приводят к одной и той же температуре,
например к 15 °С,.по формуле
р _ **
1 +аД£
где jR* — измеренное сопротивление; t — температура опыта; а — температур-
ный коэффициент, равный в среднем 0,029 в пределе температуры от 20
до 40 °С; kt — разница между температурой опыта и температурой, принятой
для расчета kt—t—15.
Приборы, используемые для измерения сопротивления,
состоят из трех главных узлов: питания, датчиков и
измерительных устройств.
Питание приборов в лабораторных условиях осуществляется
от сети постоянного или переменного тока. Чаще всего в
лабораториях и полевых условиях используют сухие элементы
339
Рис. 109. Прибор для определения сопротивления почвы. А — общий вид;
Б — схема:
1 — электроды; 2 — клеммы; 3 — провода; 4—-крышка; 5 —ручка; б —груз.
и батареи, например Б-72, Б-30 с напряжением 30—72 В или
радиотехнические батареи БАС-60, БАС-80, ВС-70, «Радуга-
75» и др.
Датчики. Ток в почву вводят контактным путем через
электроды. Изготовляют их из платины, нержавеющей стали, меди,
латуни, угля и других материалов. Форма датчиков бывает
различной в зависимости от целей и условий исследования.
Двухэлектродный датчик. В лаборатории физики
почв МГУ для определения электросопротивления почв
сконструирован прибор (рис. 109). Прибор состоит из эбонитового
сосуда цилиндрической формы, на противоположных сторонах
боковой поверхности которого посредине (заподлицо)
закрепляют электроды 1 из платины или нержавеющей стали,
припаянные к клеммам 2. К клеммам подсоединяют провода 3,
идущие к измерительному узлу. Крышка 4 цилиндра имеет ручку 5
в виде стержня, на крышке укреплен груз 6 для уплотнения
почвы массой 250 или 500 г.
При использовании груза массой 250 г удельное давление на
почву при площади сечения цилиндра 5 см2 составит: 250 : 5=
=0,05 кг/см2. Часто датчиком служит прямоугольник из
плексигласа, в две противоположные стенки которого вделаны
заподлицо пластинки из меди или нержавеющей стали, служащие
электродами.
Электроблоки. Металлические оголенные электроды
плохо контактируют с почвой, особенно при полевых стационар-
340
ных измерениях. Дж. Боуюкос (1940) предложил помещать
электроды в гипс, нейлон или стеклянную вату. Эти покрытия
приобретают ту же влажность, что и сама почва. В датчиках
для влажности гипс снижает чувствительность их к засолению-
почвы.
Электрод цилиндрической формы или в виде пластинки
помещают внутрь блока соответствующей формы, изготовленного
из обожженного гипса или другого материала. Для полевых
стационарных измерений можно воспользоваться формой блока,
приведенной на рис. ПО, А. Болванка представляет собой
металлический цилиндр 1 с резиновой прокладкой 3 по
внутренней стенке. В центре его закрепляют металлический стержень 5
в резиновой трубке 4. Зажимами 7 прикрепляют к крышке
болванки электродов 6. Цилиндр ставят на резиновую плиту 2.
Алебастр, просеянный через сито с отверстиями 0,5 мм,
смешивают с дистиллированной водой (10:6). Смесь тщательно и
быстро перемешивают и через 10 с заливают через отверстие 8
в цилиндр. Через 10 мин форму разбирают и блок ставят
сушить.
Готовят блоки разного размера, с электродами и без них.
Последние применяют для заполнения пространства на стержне
между измерительными электродами во избежание их
сползания. Для увеличения прочности блоков их пропитывают
спиртовым раствором нейлоновой смолы. Такие блоки используют для
стационарных наблюдений. На металлический полый стержень
с прорезями для выхода проводов от электродов, опущенный
в скважину в почве, нанизывают блоки так, чтобы они
разместились на различных глубинах измерения; скважину засыпают
почвой, последовательно уплотняя ее. Провода от блоков идут
к измерителю. В эти же блоки можно вмонтировать термопары
или термометры сопротивления для определения температуры
почвы.
Рис. 110. Электроблоки, применяемые при измерении сопротивления почвы.
Л —форма для изготовления блоков (1 — цилиндр; 2 — плита; 3 — прокладка; 4 —
трубка; 5 —стержень; 6 — электроды; 7—-зажимы; 8 — отверстие); Б и В—-гипсовые-
блоки; Г — четырехэлектродный лабораторный датчик.
341
№i
Рис. 111. Ионитовый датчик:
1 — измеритель; 2 — электроды; 3 —смола; 4, 5 —пробка; 6 —
электроды; 7 — ионио-обменная смола; 8 — патрон.
А. И. Данилин (1955) применил блоки
другой конструкции: угольные электроды размером
10X30 мм закрепляют на эбонитовом
стерженьке. Два электрода устанавливают на
определенном расстоянии друг от друга,
пространство между ними заполняют стеклянной ватой,
а электроды обматывают стеклянной нитью.
В таком виде блок вставляют в почву.
Ионитовый датчик. Угольные и
гипсовые датчики чувствительны к изменению
содержания солей в среде и непригодны для
определения влажности в засоленных почвах.
Ионитовый датчик, предложенный И. Я. Фишером и
М. А. Кезля (1967), обладает повышенной бу-
ферностью по отношению к солям и более
высокой чувствительностью к изменению
влажности. Датчик (рис. 111) состоит из керамического
полого патрона 8 (марка керамики Ф-3, Ф-4,
Ф-5) длиной 5 см и диаметром 1,2 см. Патрон
заполняют ионно-обменной смолой 7 (смесь ка-
тионита КУ-2 и анионита ЭДЭ-Ю-П): смолу
измельчают и просеивают через сито с
отверстиями диаметром 1 мм.
Электроды 6 из нержавеющей стали (иглы инъекционные
к шприцам «Рекорд» Т-440-60) длиной 6 и диаметром 0,8 мм,
погружают через плексигласовую пробку 4, 5 в заполнитель
(ионно-обменную смолу). Головку электродов заливают
смолой 3, провода от электродов 2 выводят к измерителю /. Перед
употреблением датчик помещают на несколько часов в воду и
высушивают на воздухе (это повторяют 2—3 раза).
Для измерения значения р в полевых стационарных
исследованиях электроды заделывают в стенку разреза или в скважину
на изучаемые глубины. Изолированные провода электродов
выводят из почвы и присоединяют к распределительному щитку
и далее к измерительному устройству. Провода должны быть
хорошо изолированы, обладать невысоким сопротивлением,
эластичностью. Рекомендуется пользоваться проводами марки
ПСМО, ПВР, ПМВР.
Четырехэлектродные датчики. Для лабораторных
измерений применяют датчики, приведенные на рис. ПО, Г, где
А и В — электроды питающие, М и N — измерительные. В
полевых условиях используют датчик, состоящий из четырех
металлических стержней (рис. 112). Путем разноски питающих
электродов А и В на разное расстояние при неизменном положении
электродов М и N в полевых условиях можно измерять сопро-
342
ТИВЛеНИе ПОЧВЫ И ГруНТОВ На _ Кшмеритепю
разных, довольно больших глу- ' ^ "
бинах без специального бурения.
Такие датчики используют для
установления литологии
геологических напластований, глубины
водоносных горизонтов, высоты
капиллярной каймы. Чем больше
расстояние между питающими
электродами, тем на большей
глубине почвы измеряется
сопротивление. На крайние
электроды Д В подается питающее
напряжение, внутренние
электроды М, N — измерительные. Контактное сопротивление здесь
не играет роли, тогда как в измерение двухэлектродными
датчиками оно вносит часто грубые ошибки.
Измерив в питающей цепи АВ силу тока / и разность
потенциалов А17 между приемными электродами М, N, искомое
сопротивление рь почвы или грунта вычисляют по формуле
Рис. 112. Схема четырехэлектрод-
ного датчика (для полевых
измерений электрического
сопротивления).
где К — коэффициент, зависящий от взаимного расположения электродов и
от того, находятся ли электроды на поверхности почвы или внутри ее.
Значение К вычисляют по формуле
n-AM-AN
к=
MN
где AM, AN и MN— расстояние между соответствующими электродами.
Постоянную лабораторного прибора К можно определить
так же, как и в случае двухэлектродиых датчиков.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВЫ
И РАСТВОРА С ПОМОЩЬЮ РЕОХОРДНОГО МОСТА
При измерении электросопротивления почвы используется
метод Кольрауша с применением мостика Уитстона. Падение
напряжения в цепи пропорционально сопротивлению проводника;
при разветвлении цепи оно одинаково для обоих боковых
звеньев.
Одна цепь в мостике составлена из манганиновой или кон-
стантановой проволоки ab, натянутой на метровую линейку со
скользящим на ней подвижным контактом с, другая — из
сопротивления реостата R и измеряемого сопротивления Rx (рис. 113).
При соотношении
ас _ Rx
100 — ас R
343
■&
Катушка
Румкорсра
100
Рис. 113. Схема установки для
определения электрического
сопротивления почвы:
К —ключ; Р —клеммы первичной
обмотки, S — клеммы вторичной обмотки;
ав — метровая линейка.
падение напряжения
одинаково, а потенциалы в точках с
и % равны, о чем можно
судить по отсутствию тока при
включении гальванометра или
телефона между ними.
К реостату присоединяют
один полюс телефона или
гальванометра, а другой
соединяют с клеммой скользящего
контакта на линейке.
Штепсельный магазин
сопротивления типа #=14 с большим
общим сопротивлением
(111110 Ом) дает
возможность измерять
электросопротивление почвы при низкой
влажности, когда оно резко
возрастает и может достигать
величины 50 000—100000 ОмХ
Хсм.
Источником тока служит двух- или четырехвольтовый
аккумулятор или батарея А. Во избежание поляризации электродов
в почве постоянный ток с помощью катушки Румкорфа
преобразуют в переменный. Провода от аккумулятора через ключ К
присодиняют к клеммам первичной обмотки Р. С клемм
вторичной обмотки индукционной катушки ток подают на концы
метровой линейки, с концов которой идут провода во вторую цепь
Дх—R. Включив в реостат определенное сопротивление и
замкнув ток, передвигают по проволоке контакт, находят точку, в
которой по показаниям гальванометра или телефона ток будет
отсутствовать. Пусть эта точка находится на расстоянии ас от
начала линейки. Тогда при длине линейки в 100 см
откуда
100 — ас
В настоящее время промышленность выпускает реохордный
мост Р-38, работающий на постоянном и переменном токе от
сети с напряжением 127 и 220 В и от внешней батареи с
напряжением 2—4 В.
Отсчет по шкале и лимбу прибора дает возможность по
таблице, помещенной на внутренней стороне крышки футляра,
определить отношение плеч моста:
ас
100 —
я* =
ас
ас
Rx
R
_Я
ас
100 — ас
т.
344
Искомое сопротивление Rx=mR. В приборе имеется набор
сопротивлений: 1, 10, 100, 1000 и 10 000 Ом; предел измерений
от 0,3 до 30 000 Ом, что может оказаться недостаточным для
почв с низкой влажностью (меньше влажности завядания). Рео-
хордный мост смонтирован в деревянном ящике с крышкой
(размер прибора 31x25x15,5 см3; масса около 5 кг). Прибор
удобен для работы как в поле, так и в лаборатории.
Для измерения сопротивления используют также мегомметр
№ 1101, состоящий из измерителя и генератора постоянного тока
с ручным приводом. Поляризация исключается путем перемены
полюсов.
Ход определения. Перед работой с прибором
определяют постоянную сосуда C/t. Для этого готовят 0,1 молярный
раствор КО, удельная электропроводность которого при 18 °С—
0,01119 См/м (Симменс/м). Постоянная сосуда Сн равна
удельной электропроводности раствора, умноженной па измеренное
сопротивление его Rt в данном сосуде: С=0,01119хЯ* Ом/см,
причем Rt приводят к температуре 18 °С.
Почву при данной влажности помещают в сосуд при
постепенном уплотнении ее. В течение 3—5 мин крышку
придавливают грузом для улучшения контакта почвы с электродами.
Рядом в стакан с почвой или водой помещают термометр для
определения температуры в момент опыта. Включив
определенное R магазина сопротивления, измеряют искомое Rx. В
реостате подбирают сопротивление так, чтобы отсчет на линейке
мостика по возможности был в центре. Передвигают ползунок по
линейке до момента исчезновения тока в мостике и тогда
снимают отсчет.
Расчет. Сопротивление в реостате /? = 4500 Ом;
измеренное сопротивление #а=3000 Ом; температура опыта 20 °С, At =
= 20—15 = 5 °С. Тогда
R»= 3QQQ = ^ = 2620 Ом-см.
15 l+a&t 1 + 0,029-5
Удельную электропроводность вычисляют на основании
сопротивления, измеренного и приведенного к определенной
температуре #i5.
Удельная электропроводность почвы %п равна
С
R
1б
где С —постоянная сосуда, равная 0,30;
у^-^^ПДб-Ю-5 См/м.
2620
Таким же путем определяют электропроводность и
раствора %V.
Форма рабочей записи приведена в табл. 46.
345
46. Пример записи при определении электропроводности почвы
Почва
Горизонт
и глубина,
см
о
О)
о.
R, на
ста те
| 100—ас
Темпера
тура в о
те, °С
So
«о
№
8
aw
ю*
1
"в я
?я
Я pq
я 2
пв
«В
Чернозем А (0—10) 4500 60 40 3000 20 2620 11,45 17,0
Электротермометр АМ-29 (прибор серийного выпуска)
работает по мостовому принципу. Состоит из блока измерения
температуры почвы в поверхностном слое и на глубине
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ НА ПРИБОРЕ ЭСК-1
Электронно-стрелочный компенсатор ЭСК-1 применяют как
в полевых, так и лабораторных условиях. В качестве датчика
используют четырехэлектродную систему.
Схема основных узлов прибора приведена на рис. 114.
Питание внешней цепи прибора осуществляется от трех сухих
элементов 2СЛ-9 и двух батарей ГБ-45 и Б или четырех батарей
1,6 ФМС («Сатурн») и анодной батареи ПМС-75 («Радуга»).
Кроме того, внутри корпуса прибора находятся малогабаритные
батареи для питания электронных ламп.
Постоянный ток от приемных электродов А, В, поступающий
на вход прибора 1, преобразуется в переменный с помощью
вибропреобразователя 2 поляризованного реле ИР-4. Якорь реле
приводится в колебание одноламповым генератором на лампе
181П, который настраивается с помощью цепи из конденсатора
и сопротивления на частоту 110—130 Гц. Переменный ток
поступает на вход четырехкаскадного усилителя 3. Выходом для
усилителя служит трансформатор низкой частоты.
Вибропреобразователь 2 на входе усилителя преобразует постоянный ток
в переменный, на выходе, наоборот, — переменный в
постоянный.
Для исключения поляризации в приемную цепь 1 включен
компенсатор с тремя ступенями компенсации: грубая +500 мВ,
средняя ±30 мВ, точная +3 мВ. Компенсатор снимает
ЭДСполяризации до 500 мВ. На панели прибора расположены: два
штепсельных гнезда для включения питающей АВ и приемной
MN линий и стрелочный измеритель М-24, имеющий две шкалы
разного масштаба, что дает возможность делать отсчет с
высокой точностью. Разность потенциала Д£/ между приемными
электродами и силу тока в питающей цепи измеряют с помощью
измерителя М-24 путем включения переключателя рода работ в
соответствующее положение
Прибор ЭСК-1 позволяет измерять разность потенциалов
в приемной цепи естественного и искусственного постоянных
полей в пределе 0,1—1000 мВ, силу тока цепи АВ в пределе
346
J
тт
La
м
4-
-#hb
Рис. 114. Принципиальная схема прибора ЭСК-1:
А, В — приемные электроды; 1 — вход прибора; 2 —
вибропреобразователь; 3 — усилитель.
0,1—300, 100—300 мА и компенсировать ЭДС поляризации,
а в целом дает возможность измерить величину R почвы или
грунта с большой точностью.
Сопротивление раствора и почвы с помощью прибора в
лаборатории измеряют следующим образом. Исследуемый образец,
почвы или раствора помещают в датчик. Присоединяют
электроды датчика к прибору, компенсатор ставят в положение*
«Включено». Проверяют напряжение батарей с помощью
переключателя «Питание — контроль». Настройками компенсатора
«Грубая», «Средняя» и «Точная» уничтожают ЭДС
поляризации, т. е. показания измерителя приводят к нулю. Токовый
включатель переводят в положение «Включено», переключатель
рода работ — в положение «ЛU» и по шкале отсчитывают
напряжение на измерительных электродах. Для измерения силы
тока переключатель рода работ ставят в положение «/» и па
шкале также делают отсчет силы тока питающей цепи.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ
ПО УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
При увеличении влажности почвы электропроводность %
возрастает по мере заполнения пор водой до общей влагоемкости,
затем изменяется слабо.
Для определения влажности по электропроводности в поле
и в лаборатории строят градуировочную кривую для каждой
почвы и ее генетического горизонта. По оси ординат наносят
величины электропроводности, по оси абсцисс— % влажности от
массы или объема почвы. Удельную электропроводность при
общей или капиллярной влагоемкости необходимо определять для
347
каждой почвы и ее горизонтов. Это дает представление об
ионной концентрации почвенного раствора при одной и той же смо-
ченности почв и может быть использовано в практике, где
необходимо знать электропроводность почвы.
Измерение влажности в поле. Электроды и блоки
устанавливают в почве на разных глубинах, соответствующих по
возможности середине генетических горизонтов. Для этого
выкапывают почвенный разрез или закладывают скважины буром, как
и для установки гипсовых блоков. При установке датчиков
необходимо обеспечить хороший постоянный контакт их с почвой.
Датчики проводами соединяют с измерителем, причем провода,
находящиеся в почве, изолируют с помощью резиновых трубок.
Градуируют датчики в поле при подсыхании почвы при
одновременном определении влажности методом высушивания или
на монолитных образцах в лаборатории, что значительно
быстрее. Б целях проверки через 1—1,5 месяца определяют
влажность методом сушки.
Кондуктометрический метод определения влажности вполне
можно использовать в почвенной практике в стационарных
условиях. Правда, измерение влажности при этом не строго
количественно, но по электропроводности хорошо выявляются
узловые точки перехода одной формы влажности в другую, а
следовательно, подвижность и доступность влаги для растений,
миграция воды в почвенном профиле. С помощью этого метода
можно контролировать время наступления полива, глубину про-
мачивания почвы и т. п.
ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА
Температурный фактор оказывает большое влияние на
проводимость почв. В пределе положительных значений
(соответствующем изменению их в природных условиях) при повышении
температуры проводимость почвы возрастает, а сопротивление
падает в связи с уменьшением гидратации ионов и
понижением вязкости воды. Поэтому измеренное сопротивление почвы
Rt при температуре t °C приводится к какой-нибудь одной
постоянной температуре, например 15 или 20 °С. С понижением
температуры сопротивление возрастает. При этом увеличивается
вязкость и уменьшается трансляционное движение молекул
воды. При изменении температуры от нуля в области
отрицательных значений вода переходит в лед. Однако благодаря
поверхностной энергии частиц почвы, именно ориентирующего их
воздействия, структура молекул воды, находящихся в сфере
действия поверхностных сил, искажается и перегруппировка их
в лед затрудняется. Поэтому при температуре ниже нуля
некоторое количество воды остается незамерзшей (оно уменьшается
вместе с понижением температуры).
При температуре —0,2, —0,3 °С незамерзшая вода в почве
соответствует примерно величине влажности максимальной мо-
348
лекулярной влагоемкости. Появление льда в почве резко
увеличивает сопротивление, возрастающее с увеличением льдистости.
Одновременно переход воды в лед может увеличить
концентрацию внешнего раствора до насыщения и уменьшить в связи
с этим сопротивление* почв, несмотря на уменьшение в системе
жидкой фазы—воды. А. А. Анаиян, замораживавший грунты
при разной влажности, установил, что при положительной
температуре наибольшая электропроводность при высокой
влажности, в области отрицательных температур—при влажности,
примерно соответствующей молекулярной влагоемкости
исследуемых почв, так как в последнем случае меньше льдистости
в исследуемой системе. Резкий скачок в электропроводности при
понижении температуры связан с фазовым изменением воды.
При изменении температуры от +18 до —2 °С сопротивление
в суглинистых грунтах увеличивается в 3—4 раза, в песках —
в 9—10 раз.
Закономерность изменения электросопротивления при нуле
и отрицательных температурах используется для изучения
процессов замерзания и оттаивания почв и измерения глубины
промерзания их. Конечно, критерий электросопротивления как
показатель мерзлого состояния почвы будет зависеть от
механического состава и других факторов. Поэтому его нужно
установить для каждого типа и генетического горизонта почв.
В одной почве величина р=100 Ом«м может характеризовать
мерзлое состояние ее, в другой — при этом будут иные
значения. Общим для всех почв и грунтов является резкое
увеличение сопротивления почвы при переходе воды в лед.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАСОЛЕНИЯ ПО УДЕЛЬНОМУ
СОПРОТИВЛЕНИЮ ПОЧВЫ
Соли почвенного раствора служат источником ионов —
переносчиков электрических зарядов. Установлено, что удельное
сопротивление раствора солей обратно пропорционально их
концентрации. Таким образом, представляется возможность с
достаточной для почвенной практики точностью определять общую
концентрацию солей в почвенном растворе.
Сопряженные определения плотного остатка водяной
вытяжки (С %) и удельного электрического сопротивления почв
(р Ом-см) (Вадюнина, 1973) показали высокую коррелятивную
зависимость между ними. Коэффициент корреляции г равен
0,96—0,97, что дает основание для расчета количественного
изменения плотного остатка на единицу сопротивления и
составления уравнения регрессии для вычисления засоления почв по
•сопротивлению.
Определить степень засоления почв можно по значениям р
или %v водной вытяжки, а капиллярно насыщенной почвы и
почвенной пасты — по градуировочным графикам зависимости рот
степени и типа засоления, причем определение засоления по
349
измерению электропроводности точнее характеризует ионную
концентрацию солей в почве, которая непосредственно
воздействует на развитие растений в целом.
В настоящее время промышленность выпускает солемеры,
основанные на принципе измерения величины % или р от
концентрации водной вытяжки («Тимур» и др.).
ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ*
В настоящее время у нас и за рубежом электрические
методы все больше внедряются в почвенно-мелиоративную
практику.
Величина общего электрического сопротивления (R) или
удельного р зависит от ряда свойств твердой фазы почвы,
представленной различными минералами — диэлектриками,
полупроводниками и проводниками. Соотношение их оказывает
влияние на R.
Существенное влияние на проводимость почвы оказывает
структура твердой фазы. Она объединяет компоненты разной
проводимости, их расположение, ориентацию. Так, в
зависимости от продольной или поперечной ориентации частиц меняется
р, что обусловливает электрическую анизотропию в почве.
Влияние гранулометрического состава проявляется через
удельную поверхность почвы —S. При тяжелом
гранулометрическом составе величина S составляет 150—200 м2/г. Двойной
электрический слой — диффузная часть его — обусловливает
поверхностную проводимость ха- Общая проводимость почвы—хп =
^Xv+Xs (%v — проводимость равновесного почвенного
раствора). В легких и песчаных почвах 5 невысокое (<10 м2/г) и
роль %s в проводимости почвы незначительна. В случае резкого
различия величины S градуировка р=/(<С) или влажности (W)
производится отдельно для песчаных, суглинистых и глинистых
почв. Перечисленные факторы, влияющие на величину р,
довольно стабильны. Наиболее динамичными являются влажность
(W) и засоление (С).
Плотность сухой почвы ненарушенного сложения (dv)
в однотипных почвах и их генетических горизонтах мало
изменяется в пространстве и во времени, за исключением верхнего
пахотного горизонта. После вспашки или других поверхностных
рыхлений dv резко снижается, а р увеличивается. Однако по
истечении одного-двух месяцев или быстрее, в зависимости от
условий, почва самоуплотняется до исходного равновесного
состояния величины dVi особенно при обильном увлажнении после
рыхления.
* Полевые методы описаны, отчасти разработаны А. Ф. Вадюниной,
А. В. Кириченко.
350
С увеличением влажности (W) переход влаги от прочно
адсорбированной, находящейся в квазитвердом состоянии, при
котором наблюдается высокое сопротивление, к рыхло
адсорбированной сопровождается резким увеличением проводимости почв
и, следовательно, снижением р. При дальнейшем увеличении
влажности проводимость возрастает вследствие уменьшения
пути движения ионов и повышения диссоциации солей.
Закономерность эта наблюдается до некоторого предела увлажнения,
выше которого проводимость снижается вследствие разбавления
почвенного раствора (Вадюнина, 1937). Определенное влияние
на* удельное сопротивление оказывает соотношение между
порами, занятыми водой—(Pw) и воздухом {Рь)- При увеличении
р
отношения —— возрастает проводимость почвы. При значении
Рь
его меньше единицы удельное сопротивление возрастает,
достигая максимума в сухой почве, когда все поровое пространство
занято воздухом. Засоление почвы наряду с влажностью
является одним из основных факторов, определяющих р. С
повышением температуры проводимость возрастает, а р уменьшается
(в пределах положительных рабочих температур).
Измеренное в поле удельное сопротивление приводят к одной
условно принятой температуре. В целом р — многофакторный,
обобщающий эффективный почвенный параметр, имеющий
размерность удельного электрического сопротивления или
проводимости почв. Его можно использовать для индикации засоления,
увлажнения, характеристики почв и ее горизонтов.
В почвенной практике для измерения р используют метод
микровертикального электрического зондирования (МкВЭЗ)
в модификации В. К. Хмелевского (1979), горизонтального
электрического профилирования (ГЭП), электрокаратажного
профилирования скважин (ЭКП).
МЕТОД МИКРОВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ (МкВЭЗ)
МкВЭЗ — способ измерения удельного сопротивления поч-
венно-грунтовой толщи по слоям с помощью контактных
датчиков-электродов, заземленных на поверхности почвы.
Используется четырехполюсная установка — два электрода питающих (Л,
В) и два приемных (измерительных) —М, N (рис. 115).
Четырехэлектродная схема предложена в свое время
С, Шлюмберже (1932). На электроды А, В от источника
подается постоянный или переменный электрический ток /, который
измеряют амперметром а. Падение напряжения At/ при
прохождении тока через почву измеряют вольтметром b между точками
заземлений N к М, причем электроды располагают симметрично
по отношению к центру расстояния между АВ, расстояние
между MN не должно превышать 7з АВ. Глубина заземления
около 15 см. В качестве электродов могут быть использованы
штыри из нержавеющей стали или латуни длиной 15 см,
351
сечением около 1 см. Как
видно из схемы, чем больше
расстояние между А и В, тем
глубже проходит ток и,
следовательно, изменяется р. С
увеличением расстояния между
датчиками А я В меняется и
расстояние между М и Лг,
согласно названному выше
соотношению. Оптимальные
величины разноса электродов,
а также частоту их на
единицу длины поверхности
почвы выбирают, исходя из цели
зондирования, характера
почвенного покрова и его
комплексности. Для выявления
почвенной неоднородности
применяются разносы электродов, указанные в таблице 47.
Набор их позволяет с достаточной подробностью выявить
изменение р во всей почвенно-грунтовой толще до глубины 3—5 м,
что вполне достаточно для большинства видов почвенных
исследований. В. схему измерения р, кроме датчиков, входят
измерители. В качестве их используют прибор ЭСК-1, ЭСК-2 или
АЭ-72 на постоянном токе или ИСК-1 на переменном
низкочастотном. Все приборы серийного выпуска.
Удельное электрическое сопротивление вычисляют по
формуле
Рис. 115. Измерительная схема по
методу МкВЭЗ:
/ — измеритель; а — амперметр; в —
вольтметр; MN — измерительные электроды;
АВ — питающие электроды; hi — мощность
слоя.
9 = К
AU
(1)
где /( — коэффициент рабочей установки, который зависит от взаимного
расположения питающих и приемных электродов.
К рассчитывается по формуле
n-AM-AN
к--
MN
(2)
где AM, AN и MN — расстояния между указанными парами электродов.
Если почву или грунт, в котором протекает электрический
ток, можно считать однородным, то истинное электрическое
сопротивление определяется по формуле (1). В естественных
условиях почвенно-грунтовая толща всегда неоднородна и
удельное сопротивление отражает не только истинное электрическое
сопротивление, но и геометрические параметры исследуемой
неоднородности. Поэтому в геофизических исследованиях это
электрическое сопротивление получило название «кажущегося» (рк).
Проводя вертикальное микрозондирование исследуемого
почвенного профиля с постоянным увеличением разносов
электродов от замера к замеру, в полевом дневнике фиксируем: задан-
352
47. Форма записи
Я2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
А В12
10
15
22,5
22,5
30
45
60
90
90
120
180
240
240
360
480
MN
8
8
8
20
20
20
20
20
60
60
60
60
180
180
180
К
0,33
0,82
1,92
0,64
1,26
3,02
5,50
12,6
3,77
7,06
16,5
29,7
8,64
21,2
38,8
ные величины полуразносов АВ/2 м, MN; К — коэффициент
установки, рассчитанный для каждой расстановки электродов;
измеряемый параметр AU — разность потенциалов электрического
поля между электродами MN по показаниям вольтметра; силу
электрического тока / по амперметру и рк — «кажущееся*
удельное сопротивление, вычисленное по формуле.
Измерения записываются по форме табл. 47.
Для удобства и быстроты зондирования питающие и
приемные электроды монтируются в так называемую «косу», на
которой выводы контактных штекеров к электродам сделаны на
оптимальных, заранее рассчитанных фиксированных расстояниях
от центра установки.
Схема монтажа «косы» изображена на рис. 116. Провода на
верхнем рисунке (а) собирают в жгуты (б), скрепляемые
изоляционной лентой, от чего «коса» становится компактной.
Идущие от электродов провода выводят на приборы через
переключатель (П), причем «коса» смонтирована таким образом, что
при увеличении разноса некоторые из бывших электродов АВ
(например, Л£/2 = 60 см) используются как MN, для АВ
подключают электроды с более широким разносом.
На выбранном участке зондирования «коса» растягивается
по прямой линии между двумя крайними заземленными
электродами АВ. Затем заземляют все остальные электроды в створе
прямой линии «косы». Чтобы электроды каждый раз при новом
зондировании занимали одинаковые расстояния от центра
установки, их заземляют строго вертикально при слегка натянутом
положении идущих от них проводов.
Результаты зондирования, строго говоря, характеризуют
почвенную толщу, приуроченную с поверхности к центру установки
(«косы»), хотя при увеличении разносов в зону зондирования
входит все большая площадь и мощность почвенного слоя по обе
353
f Г *
MnA{
4о-
-о
о ■ -■' ' -—•""•■'■"■-■-—■" "'" —■ ■""!
О 1
о ,
О 1
/7/
MtA MQ N В N1
BfHn
-o/V
-oAf
y-j ft t 5 t И П
Рис. 116. Схема заземления электродов «косы».
стороны от центра вдоль косы и результирующее рю как
упоминалось выше, зависит от электрических параметров
приращиваемого почвенного объема. В дальнейшем центр установки
считается и центром других почвенных измерений. В центре
пробуривают контрольную электрокаратажную скважину и
закладывают разрез на глубину 1—1,5 м для контроля электросъемки
МкВЭЗом.
После заземления электродов «косу» подключают к
генератору тока и измерителю, который установлен на изолирующих
от земли подставках, изготовленных из какого-либо диэлектрика
(текстолит, резина и т. д.). Когда цепь собрана, кнопкой
включения (на автокомпенсаторе) замыкают ее, проверяя отсутствие
разрыва цепи по отклонению стрелки амперметра.
Устанавливают диапазон измерений AU переключателем чувствительности
и с помощью компенсатора поляризации (сначала ручкой
грубой, потом точной настройки) выводят стрелку милливольтметра
на нуль. Произведя настройку прибора, вновь кратковременно
замыкают цепь и снимают отсчет с микровольтметра (Д/7) и
микроамперметра (/). Показания записывают в таблицу 47.
Затем переключателем (П) линии АВ в питающую сеть
вводят электроды большего разноса и операцию повторяют в той
же последовательности. При смене АВ к измерительной цепи
подключают электроды также на новых разносах. После
измерения на крайних электродах «косы» делают контрольные
замеры на двух-трех разносах и в случае допустимых отклонений
величины / и AU от ранее измеренных зондирование считается
законченным.
Величина рк тесно связана с электрическими
характеристиками почвенно-грунтовой среды, мощностью и средними
удельными сопротивлениями электрических слоев, поэтому кривая
зондирования рк=/( ) служит основным исходным
материалом для интерпретации.
2 )
354
Аощ
101522,530 45 60
Рис. 117. Величина «кажущегося»
сопротивления (рк) в зависимости от
АВ:
/ — солонец средний; 2 —
светло-каштановая почва; 3 — лугово-каштановая н
темноцветная.
Интерпретация кривых
дает возможность выделить
в исследуемом профиле
электрические слои с разным
сопротивлением, определить
глубину залегания, их мощность,
а также среднее удельное
сопротивление каждого
выделенного слоя почвы. Все эти
количественные
характеристики профиля можно определить
с помощью палеток —
теоретических кривых (Дахнова, Пы-
лаев, Огильви, Хмелевской),
а также методами вычислений
или по специальным
программам ЭВМ.
В результате
интерпретации кривых зондирования
установлено, что они бывают
двух-, трехслойные и многослойные. Для почв зоны
черноземов, каштановых и сероземов обычно характерны двухслойные
кривые (рис. 117, табл. 48).
Как видно, в электрическом отношении исследованные почвы
двухслойные. Верхние слои их характеризуются высоким
средним сопротивлением р' особенно в лугово-каштановой почве.
Резко колеблется р' в средних солонцах, что связано с трещи-
новатостыо и иссушением почвы. Второй слой — в солонцах и
светло-каштановой почве имеет низкие величины р" (2,0—2,7),
что показывает на сильное засоление его. Выщелачен этот слой
только у лугово-каштановой почвы — р" 25—33 Ом. Что
касается мощности покрывающего верхнего слоя, то в солонцах она
составляет 13—26 см. Это соответствует мощности генетического
горизонта А и частично в этот электрический слой попадает
верхняя часть горизонта Вь В светло-каштановой почве /ii =
=98 см включает горизонты А и В. Многочисленные
определения содержания солей в этих почвах показали, что засоление
в них обычно наблюдается с глубины 80—100 см. Таким
образом, р в профиле почвы связано с генетическими особенностями
и является информативным физическим параметром ее. Встре-
48. Интерпретация р по палеткам
Почва
Солонец средний
Светло-каштановая
Лугово-каштановая и
цветная
темно-
Среднее сопротивление
слоев о (ОМ'М)
Р'
112—514
127
340—610
Р"
2,7
2,0
25—33
hi мощность
первого слоя (см)
22—26
98
133—160
355
чаются почвы с многослойным электрическим профилем —
аллювиальные. Нет заметных различий в р по профилю в почвах
однородных по гранулометрическому составу с невысоким
содержанием солей или в засоленных по всему профилю —
солончаках. Для каждой разновидности почв в структуре почвенного
покрова характерна вполне определенная кривая рк,
отличающаяся от кривых других почв каким-нибудь из параметров (h\>
р'.р").
Удельное среднее сопротивление по горизонту профиля дает
количественную электрическую характеристику почв.
При №>ММВ можно установить зависимость рп от общей
концентрации солей рп = !(С) или от суммы токсических солей
рп~КСт)> где рп — сопротивление почвы.
Для этого на исследуемой территории по контрольным
скважинам, почва которых имеет различную степень засоления,
методом МкВЭЗ или электрокаратажа измеряют рп, отбирают
образцы до заданной глубины или до уровня грунтовых вод. После
определения общего содержания солей — С или суммы
токсичных солей 2 Ст строят градуировочный график.
Почвы, в которых рп выше 20 Ом-!-м, — незасолениые, при
pn=20"8 Ом-м —слабо засолены. Величина рп = 4,0—-1,5 Ом«м
характеризует сильно засоленные почвы и солончаки.
Содержание токсичных солей в них >0,6%. Коэффициент корреляции
(г) между pi и степенью засоления высокий — 0,8—0,9 (при п=
= 50—200), что является основанием для построения градуиро-
вочного графика.
Метод МкВЭЗ дает возможность определить степень
засоления почв без отбора проб по электрическому параметру р^ что
упрощает и ускоряет процесс измерения, повышает
производительность почвенно-мелиоративных исследований и
картирования почв. Он может рассматриваться как экспресс-метод при
изучении динамики засоления в ходе мелиоративных
мероприятий. В практике используется также для изучения степени
изменчивости почв и свойств генетических горизонтов.
МЕТОД ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПРОФИЛИРОВАНИЯ (ГЭП)
Метод ГЭП применяется для изучения изменения pk в
горизонтальном направлении вдоль профилей или в пределах
исследуемой площади (S). Комплекс измерительной аппаратуры тот
же, что и МкВЭЗ. Отличие ГЭП от МкВЭЗ состоит в
использовании постоянного оптимального разноса электродов АВ и MN.
Для исследуемого почвенного региона он устанавливается с
помощью МкВЭЗ. За оптимальное принимается такое размещение
электродов, при котором наиболее четко выделяются границы
между различными почвами при однородном и комплексном
почвенном покрове. Установленное оптимальное расположение
электродов жестко фиксируется на соединительном проводе
356
Разносы
электродов:
MN=0,3m
ОМ'М
50
20
10
вэз
солонцы
777Лг*-г^
лигооо-
каштановая
сд/ЮНЦЫ
Штл
светло]
тшта-\
нош
Разносы
элентродоб:
MN=D,3m
Рис, 118. Выбор оптимального разноса
дов АВ и MN.
электро-
(«косе»). При длине последнего 25—35 м с одной точки без
переноса измерительного прибора можно измерить р& на участке
до 0,25 га.
На солонцовом комплексе со светло-каштановыми и лугово-
каштановыми почвами при установленном оптимальном разносе
ЛВ— 1,2 м и ММ=0,3 м на кривой pk = fC—Л резко
выделяются почвы: солонцы и солончаковые почвы рь<10 Ом-м,
светлокаштановые >70 и лугово-каштаиовые >100 Ом*м.
Названный разнос охватывает током верхние горизонты А
и В в солонцах и каштановых почвах, по которым эти почвы
АВ
резко различаются. При больших разносах——= 2,4илиЛ5 =
= 4,8 м при MN=0,3 м с захватом нижних горизонтов ВС, С
и т. д., в солонцах и светло-каштановых почвах, часто
одинаково засоленных, различие р нивелируется (рис. 118).
Лугово-каштановая почва, выщелоченная до глубины 1,5—
1,8 м, сохраняет высокие значения р& и при больших разносах.
Оптимальные разносы увеличиваются на площадях, где
отдельные почвы в почвенном покрове занимают большие площади,
уменьшаются при мелкопятнистом размещении почвенных
компонентов в комплексах.
357
Величина р в направлении север-юг и запад-восток
неодинакова, что свидетельствует об электрической анизотропии почвы.
Картирование методом ГЭП. На планшете исследуемого
участка наносят линии профилирования вдоль и поперек участка
согласно масштабу съемки. По пикетам с установленным шагом
опробования на оптимальном разносе измеряют р&. Затем на
планшете проводят линии — изоомы, контуры которых
соответствуют определенным почвам. На карте солонцового комплекса,
составленной обычным почвенно-картографическим методом и
электрической съемкой по изоомам рь методом ГЭП (рис. 119),
шиш* ^т* Ш№
/-солонцы солончаковые; 2-светло - кащтанобые почды; 3~лу$оВо-
каштановые почвы.
Рис. 119. Карта изоомов почв светло-каштанового комплекса:
/ — солонцы солончаковые; 2 — светло-каштановые почвы; 3 — лугово-каштановые
почвы.
358
контуры примерно совпадают. Однако карта изоом более
информативна.
В солонцах и солончаках рь <10 Ом-м, лугово-каштановых
почвах — 35—60. В светло-каштановых, переходных между
этими почвами величина p/t составляет 10—35 Ом • м. Таким
образом, метод ГЭП дает возможность выделять контуры
различных почв.
Предлагаемая методика картирования позволяет
непосредственно в полевых условиях интерпретировать полученные
данные и иметь информацию о характере почвенного покрова, более
четко выявлять неоднородность засоления по площади, в том
числе и там, где почвенный и растительный покровы не
отражают характера засоления почвенно-груитовой толщи.
Применение ГЭП в почвенном картировании в 3—5 раз снижает норму
закладки разрезов и скважин на единице площади, что
значительно ускоряет процесс съемки, улучшает использование почв.
МЕТОД ЭЛЕКТРОКАРАТАЖНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ (ЭКП)
Этот метод предполагает измерение сопротивления почвы по
скважине с помощью измерительного зонда. По мере
углубления скважин изменяется сопротивление почвогрунта р и
появляется все больше слоев почвенного профиля для индикации
степени засоления и увлажнения его. В отличие от метода МкВЭЗ,
где среднее удельное сопротивление рассчитывается путем
интерпретации кривой «кажущегося» сопротивления, измеряемым
параметром в данном случае является удельное сопротивление
каждой точки. Параллельно в выборочных скважинах
фиксируют температуру и отбирают контрольные почвенные образцы
для химического анализа. Поскольку при ЭКП, как и в методе
МкВЭЗ, применяется одна и та же регистрирующая
аппаратура — ЭСК-2, АЭ-72 и близкий по принципу к датчикам
контактный измерительный зонд с небольшой разницей в схеме,
расчет среднего удельного сопротивления исследуемого
горизонта ведется по формуле.
Измерительный зонд представляет собой жесткую
двухметровую трубу из диэлектрического материала диаметром 5 см, на
конце которой крепятся электроды AMN. Электрод В
заземляется на поверхности почвы, т. е. условно этот электрод отнесен
в бесконечность (рис. 120). Поэтому коэффициент Xamn
измерительного зонда рассчитывают по формуле
где AM, AN, MN — расстояние между соответствующими электродами.
Измеренная удельная электропроводность приводится к
постоянной температуре.
Методом ЭКП в условиях незначительного изменения
влажности или на орошаемых массивах получают достоверные пока-
359
'мл/
Рис. 120. Установка зонда для
электрокаратажного
профилирования.
затеЛй %п — индикатора
засоления. При очевидном
изменении влажности ее определяют
путем взятия проб при
бурении и обычной сушкой почвы
при 105 °С.
По расчетной величине %а
и фиксированной глубине
горизонтов h строят кривую
электрокаратажа,
отражающую характер солевого
профиля.
Количественные
характеристики степени засоления
почвенного профиля снимают
с калибровочного графика,
построенного по электрическому
параметру хп и концентрации солей (С) на основе данных
химического анализа контрольных проб. Способ построения
калибровочного графика Xa^fiC) общий для всех методов
электросопротивления.
Метод ЭКП более точный по сравнению с методом МкВЭЗ,
но более трудоемкий. Коэффициент корреляции между %п и
концентрацией солей изменяется от 0,90—0,93 (при п = 50) в
зависимости от района исследования. Этот метод используют в
основном в качестве контроля для МкВЭЗ при детальных солевых
съемках орошаемой территории и стационарных исследованиях
степени засоления или увлажнения почвенного профиля.
ИЗМЕРЕНИЕ р В ПОЧВЕННОМ РАЗРЕЗЕ
Изготавливают 4-электродный датчик с постоянными
разносами .между электродами 3—5 см. Смонтированные на твердой
и прочной пластине из изолятора электроды вдавливают
в стенку разреза в намеченных точках (вдоль линии по стенке
и в глубь разреза или траншеи). Измеренные величины р
наносят на планшет разреза и проводят изоомы. Как видно на
рисунке 121,, в верхнем слое почвы во всех точках, через
которые проходила почвенная траншея, р>110 Ом-м, что
соответствует выщелоченной части профиля всех компонентов
почвенного комплекса. Плотный остаток водной вытяжки при р>
>110 Ом-м составляет менее 0,10 % от массы. Во втором слое
р= (110—60) Ом-м —плотный остаток водной вытяжки
увеличивается и при минимальной величине р<10 Ом-м — засоление
максимальное. Таким образом, по величине р четко выделяются
отдельные компоненты почвенного комплекса.
При увеличении густоты точек измерения можно установить
изменчивость свойств почвы по величине обобщающей характе*
ристики, которой является р. При этом выделяются
электрические слои, они обычно соответствуют генетическим горизонтам.
360
&6М
IE
WW J s/VVV I
ow
Ш
&.6M
-\ W V V3 V W V|
Г I ^.fl? 1111 {ом-ом ПТТТТП аго-ом ЩЩазо-о.оо
/-солонец: 2 -светло-каштановая почва] J-мугобо -
каштановая почва.
Рис. 121. Карта распределения изоомов (А) и солей (Б) в почвах светло-
каштанового солонцового комплекса:
; —солонец; 2 — светло-каштановая почва; 3 — лугово-каштаиовая почва.
ИНДИКАЦИЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ГРУНТОВЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ГЭП
Установлено, что при глубине залегания грунтовых вод от 1
до 2 м в условиях орошаемого земледелия методом ГЭП можно
определять их минерализацию с практически приемлемой
точностью. В водоносном насыщенном слое почвогрунта р&
обусловлена главным образом концентрацией солей грунтовых вод,
причем если последние минерализованы, то поверхностная
проводимость почвогрунта будет снижена до минимума и
проводимость равновесного раствора %т, рассчитанная по p/t,
определяет концентрацию ионов.
Обработка большого экспериментального материала (п=50)
одновременны* измерений ph в поле и взятых проб грунтовых
Ш
/
I
/ 2
4 6 10 20 40 60 100 г/Л
минермищш epJod
Рис. 122. Градуировочная кривая
минерализации грунтовых вод в
зависимости от электросопротивления
почв.
вод из скважин показала, что
зависимость эта подчиняется
уравнению прямой (рис. 122).
Используя разные разносы,
можно определить
оптимальные величины их для
исследуемой почвы. Так, в лугово-
сазовых почвах Ферганы —
сероземного пояса почв
Узбекистана (глубина грунтовых
вод 1—2 м) — с шагом
опробования 5—10 м (размер
обусловлен неоднородностью
почвенного покрова) ГЭП
производится на трех разносах
питающих электродов АВ,
Величина разносов для
электродов АВ выбиралась в
зависимости от глубины и мощности
залегания водоносного горизонта при бурении контрольной
скважины. Для выбора оптимального разноса АВ установленную
глубину грунтовых вод делят на эмпирический коэффициент 0,3.
Два других разноса АВ берут для контроля в зависимости от
мощности водоносного горизонта (больше и меньше
оптимальной величины разноса). Kamnb рассчитывают по формуле.
Интерпретируют кривые ph—f (С г/л) по палеткам (р) или
используется градуировочная кривая pk^f (С г/л).
Данные, полученные методом ГЭП и контрольным бурением
для исследуемого профиля, проходящего через поля с
различными почвами и культурами, показали тесную связь
электрического параметра (%г.в) и минерализации грунтовых вод (Сг/л).
Это позволяет построить градуировочный график. Многообразие
одновременно влияющих факторов делает зависимость Хг.в —
С г/л региональной. Коэффициент корреляции изменяется в
зависимости от условий исследуемой территории от 0,91 до 0,95
(при /г=50).
Для каждого нового региона исследований необходимо
вычерчивать калибровочную кривую по данным химического
анализа контрольных проб и электропроводности водоносного
горизонта.
Рассмотренный метод позволяет без отбора проб проводить
контрольные и режимные наблюдения за минерализацией
грунтовых вод орошаемых массивов в течение всего периода
вегетации при влагозарядковых поливах, что может служить
дополнительным учетным фактором при нормировании и подаче
воды на участок,
36?
ИЗМЕРЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Величина потенциалов электрического поля зависит от
электрохимических процессов на границе электронных проводников
с ионной средой, диффузией ионов водных растворов, а также
от термоэлектрических и фильтрационных процессов. При более
или менее постоянном течении всех процессов, кроме
фильтрации, изменение потенциала естественного поля будет
обусловлено в основном фильтрационным полем. При измерении
естественного электрического поля применяют способ градиента и
способ потенциала (А. С. Семенов, 1968).
При первом определяют разность потенциалов в замкнутом
полигоне. Градиент потенциала снимают между двумя
соседними точками. После измерения в данной точке первый
электрод оставляют на месте,, второй (задний) переносят на два
интервала вперед. Измеритель устанавливают между электродами.
По данным измерений строят графики градиентов потенциала
или имеют их карту. Второй способ более распространен:
измеряют потенциалы в намеченных точках по отношению к
неподвижной, потенциал которой принят за исходный (нулевой).
Около нее устанавливают и измеритель. Для определения
необходимо иметь измеритель ЭСК-1, неполяризующиеся
электроды и провода.
Неполяризующийся электрод системы ВИГР
(рис. 123) состоит из керамического корпуса 6 и пробки 4
с медным стержнем — электродом,?. Поверхность верхней части
корпуса 5 глазирована. Через нижнюю часть (неглазирован-
ную) пористого сосуда осуществляется контакт с почвой.
В центре пробки имеется отверстие для медного стержня.
Наверху оно оканчивается гнездом 2 %ля подсоединения электрода
к линии. Пробку ввинчивают в корпус прибора. Для
герметизации между корпусом и пробкой помещена резиновая прокладка
3. Нарезку винта делают в керамике или в эбонитовой шайбе,
укрепленной
менделеевской замазкой в корпусе
прибора. В емкость
прибора заливают
насыщенный раствор химически
чистого CuS04 так, чтобы
при закрытии пробки
уровень раствора
поднялся до верха камеры.
При проверке пару
выбранных электродов
погружают в сильно
увлажненную почву или
воду на близком
расстоянии друг от друга
и измеряют их поляриза-
нЭСК-1
Рис. 123. Неполяризующийся электрод.
А —общий вид; Б— в разрезе:
/ -— медный стержень; 2 -~ гнездо; 3 — прокладка;
4 — пробка; 5—верхняя часть корпуса; ff
—керамический корпус.
363
дню на приборе ЭСК-1. У хорошо изготовленных электродов
поляризация не более 1 мВ и стрелка гальванометра
отклоняется от 1 мВ не менее чем на два-три деления. В случае
существенных различий в поляризации электроды соединяют
между собой и оставляют в покое до выравнивания
поляризуемости. Хранить их лучше без электролита. В случае, если
поверхность электрода покрылась пленкой окислов, что
отрицательно сказывается на точности измерений, его в течение
2--3 с промывают в 10 %-ной азотной кислоте.
В описанном электроде контакт с почвой осуществляется
через раствор C11SO4, что может изменить свойства почвы
в точке контакта. В экспедиции МГУ неполяризующиеся
электроды изготовляли из сухих разряженных (спустя четыре-пять
месяцев) элементов Лекланше марки «Сириус», «Сатурн».
В частности, надо взять 3—4 пары сухих элементов
«Сириус», на угольные стержни каждого электрода припаять
медные провода длиной 20—25 см с пластмассовой изоляцией.
Распилив в продольном направлении цинковый корпус, снять его и
бумажную изоляцию, не нарушая желеобразный раствор NH4C1.
Вытащить угольный стержень на 3—5 мм, весь электрод
несколько раз обмотать изоляционной лентой. Концы проводов
освободить от изоляции на 2—4 мм, соединить попарно, поместить
между приведенными в контакт основаниями этой же пары
электродов, электроды скрепить и оставить на несколько суток
для выравнивания потенциалов. Для работы берут электроды,
разность потенциалов которых не более 2—3 мВ. Затем
устанавливают электрод N и рядом М. Измеряют потенциал точки
N — on будет основным (нулевым) для всех измерений по
профилю. Если почва сухая, то в лунку для электрода наливают
воду для лучшего контакта. Затем последовательно,
переставляя электрод М на расстояние шага измерения, определяют
потенциал между нулевым электродом и подвижным М.
Для соединений используют многожильные провода в
эластичной хлорвиниловой изоляции марки ПСМО и телефонные —
марки ПВР, для удобства их наматывают на специальные
катушки. Провод по длине* маркируют через 5, 10, 20 м и т. д.
Концы проводов заделаны в вилке для подсоединения к
электродам.
Перед началом работы составляют на ватмане или восковке
план размещения измерений в пространстве. На план наносят
форму полигонов, маршруты пронумерованных профилей и на
них каждую пятую или десятую точку измерения потенциалов.
Ведут журнал полевых наблюдений, в котором должны быть
записаны участок, номер профиля, длина шага измерений по
профилю, дата наблюдений, погода, время начала и конца
наблюдений, номер точек стояния М, Е (нулевой точки), разность
потенциалов — Д[/ мВ — между нулевой и точкой измерения.
364
ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ (ПОТЕНЦИАЛОВ
Для измерений монтируется установка из измерителя ЭСК-1
или др., катушки с намотанным проводом для электрода М на
стойке и электрода N в нулевой точке. Нулевой электрод
соединяют с клеммой N потенциометра, подвижный — с
клеммой М.
Перемещая электрод М по точкам линии измерения
определяют разность показателей между М и N. После отсчета и
вычисления переносят электрод в следующую точку по условной
команде оператора. Шаг измерения естественных потенциалов
(ЕП) в точках М изменяется в зависимости от масштаба
съемки. После измерения ЕП по первому профилю переносят
измерительную установку на второй профиль. Перед и после
съемки каждого профиля проверяют поляризуемость
электродов. Если разница между исходным и конечным показателем
превышает 2—5 мВ, то в электроде раствор меняют на свежий,
сухие электроды заменяют другими. Для проверки точности
измерения при свертывании провода с электродом М повторно
измеряют ЕП. Если разность между основными и контрольными
измерениями не превышает 2—3 мВ, точность считается
приемлемой. В ходе обработки все данные приводят к одной нулевой
точке.
Определяют знак « + » или «—» измеренного потенциала по
положению ручки переключателя полярности компенсатора, при
котором достигнута компенсация.
Данные всех измерений заносят в полевой журнал.
В случае засоленных горизонтов необходимо вместе с
измерением потенциалов производить съемку электрического
сопротивления р. Сопоставление аномалий по значениям потенциалов
и р дает возможность выявить их природу и исключить
диффузионный потенциал, если в этом появится необходимость.
На карте потенциалов по изолиниям выделяют контуры
с одинаковым значением Еф. Территории, имеющие потенциал со
знаком ( + ), аккумулируют почвенно-груитовые воды, знак «—»
при потенциале означает отток вод с данного участка, равно как
увеличение Еф от канала в каком-либо направлении
свидетельствует о фильтрации воды из него, и, наоборот, возрастание
потенциала к дрене или каналу говорит о приходе воды с
окружающих территорий, как это было показано Л. Б. Боровинской
(1970) на примере Волго-Донского канала.
Метод естественных потенциалов можно использовать для
определения скорости движения почвенно-грунтовых вод. Для
этого нулевой электрод N устанавливают в скважине в
водоносном горизонте, подвижным электродом М по окружности на
разном расстоянии измеряют потенциал для установления
направления движения подземных вод. По разности показаний
потенциалов между эквипотенциальными линиями в разные
промежутки времени определяют скорость потока вод.
365
Диэлектрическая проницаемость
Твердая фаза почвы относится к диэлектрикам с высоким
электрическим сопротивлением (109+1017) или
полудиэлектрикам (10-6+10-9 Ом-м-1). Напомним, что сопротивление
проводников 10~8—Ю-5 Ом-м-1. К -последним могут относиться
почвенные растворы, особенно в засоленных почвах.
Заряженные частицы в диэлектриках связаны с молекулами
вещества и под действием внешнего приложенного поля могут
смещаться, не выходя за пределы данной молекулы.
Упорядоченное смещение их обусловливает поляризацию диэлектрика и
реактивный ток — /г.
В диэлектрике имеется небольшое количество свободных
зарядов, совершающих хаотическое тепловое движение и
формирующих в диэлектрике ток проводимости— /а. Соотношение
1а и 1Г определяет потери напряженности в диэлектрике.
Существенной характеристикой почв является
диэлектрическая проницаемость — 8. Для определения ее пользуются
конденсаторами, обычно в виде двух параллельных пластин
(обкладки). Заряд любого конденсатора Q^CU,
где U — напряжение приложенного поля, С — электроемкость конденсатора.
За единицу измерения С принята Фарада (Ф), равная
емкости конденсатора при заряде обкладки в 1 Кл и разности
потенциала между ними 1 В. Более мелкие единицы:
микрофарада— ЫО""6 Ф и пикофарада—1 • 10~12 Ф. Отношение
емкости конденсатора с почвой (Сп) к емкости его в пустоте (Со)
Сп
называют диэлектрической проницаемостью почвы еп =——.
Со
Величина en— безразмерная, она показывает, во сколько раз
бп>8о вакуума или воздуха. Диэлектрическая проницаемость
почвы характеризует способность формировать электроемкость,
поляризацию ее. Она зависит от вещественного состава почвы,
уменьшается с увеличением частоты тока Д подаваемого на
конденсатор.
Величина е почвенных минералов — 2—12, воздуха—1,
воды — 81.
Повышение температуры в рабочем интервале от 10 до 40 °С
снижает величину е. Причем температурный коэффициент для
адсорбированной (ориентированной) влаги (/Сад) будет иметь
другое значение по сравнению с коэффициентом свободной
влаги Хсв. Определяют температурный коэффициент следующим
образом: в почве, увлажненной до максимальной
гигроскопической влажности, при разных температурах tu t2i... tn измеряют
ВеЛИЧИНЫ 8ь 82, . . ., 8nl
Вычисляют среднее значение из нескольких определений. Так
же определяют коэффициент и для высоких увлажнений. Вели-
366
чину в в поле определяет в основном вода, обладающая
наибольшей поляризуемостью по сравнению с другими
компонентами.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ е И tg6
Для измерения электрических характеристик применяют
мостовые и резонансные схемы. В первой в одно из плеч моста
включают измерительный конденсатор, в другое — эталонную
емкость и сопротивление. Во второй используют те или иные
явления резонансов в колебательном контуре, одним из элементов
которого является измерительный конденсатор.
В лаборатории физики почв МГУ Б. А. Боровинским и
Ю. Г. Ткаченко (1972) собрана установка, позволяющая
измерять значения е, tg б, активное и реактивное сопротивление при
частотах тока в диапазоне 20 Гц — 200 мгГц и увлажнении
почвы от сухой до максимальной гигроскопической влажности.
Установка представляет собой трансформаторный мост,
обладающий высокой чувствительностью к активному Ra и
реактивному (Сх) сопротивлению. Звуковой генератор типа ГЗ-33
(рис. 124) является источником синусоидальных колебаний,
а выходной трансформатор его служит индуктивно связанными
плечами мостовой схемы. Ламповый вольтметр ВЗ-13
используется в качестве индикатора равновесия. Многопредельность
вольтметра облегчает компенсацию по Rx и Сх. Компенсировали
Rx почвы с помощью безреактивного магазина сопротивлений
МСРБ-48, переменного резистора (R\) типа Tesla, lM61g-BF и
переменного резистора (R<2) СПО-4,7 А-1ВТ. Система позволяет
измерять Rx в пределе от 0,01 Ом до 5,7 мОм. Резисторы
помещают в металлическую коробку, к которой прикреплена градуи-
рзчз
L-- л. jL 1л n<i
\Ш-£25/15Р\\У .||-fo MCPZ-48
-аг
Рис, I24. Рабочая схема моста с индуктивно связанными
плечами,
367
ровочная шкала. Градуировали
шкалу при помощи моста Е12-2.
Резисторы устойчивы. После
нескольких тысяч определений они
не изменяют своих значений по
градуировочной шкале.
Емкостная составляющая
полного тока (Сх)
компенсируется магазинами емкостей типа
МЕ6/1 и МЕ-3, что позволяет
измерять емкости от единиц пико-
фарад до одной микрофарады.
Подстроечный конденсатор типа
КПК-2-25/150 предназначен для
компенсации паразитных
емкостей установки при ее наладке.
Конденсатор защищен экраном
от внешних электромагнитных
полей. Монтаж схемы
выполняют экранированным
многожильным кабелем типа
РКУ75-4-16, причем отрезки его
между отдельными узлами должны быть по возможности
короткими и не иметь изгибов.
После сборки установки и ее тщательного заземления
рукоятки магазинов емкостей устанавливают на нуль и, подав
небольшое напряжение в схему от генератора, подстроечным
конденсатором добиваются минимального отклонения стрелки
вольтметра. При этом участки кабеля в месте подключения
конденсатора с почвой должны быть разъединены, а система
сопротивлений иметь наибольшее значение. После настройки
установка готова к работе. Проверка установки на
сопротивлениях типа БЛП и слюдяных конденсаторах различных
номиналов показала, что измеряемый tg б в параллельной цепи
конденсатора и емкости может достигать 80. При этом измеряемые
значения емкостей и сопротивлений зависят от частоты и не
отличаются от своих паспортных данных больше, чем на 8 % во
всем диапазоне частот.
Измерения электрических характеристик почв проводятся
в конденсаторе (рис. 125), корпус которого представляет собой
цилиндр из винипласта высотой 50 мм и внутренним диаметром
72 мм. Обкладки конденсатора 3, 6 изготовлены из
полированных пластин нержавеющей стали, диаметр которых равен
внутреннему диаметру корпуса. Одна из обкладок имеет охранное
кольцо, снижающее краевую емкость. С помощью винтового
пресса исследуемая почва между прокладками конденсатора
может быть уплотнена до нужного предела.
Перед работой конденсатор необходимо откалибровать.
Калибровка заключается в определении геометрической емкости
Рис. 125. Схема измерительного
конденсатора:
/ — винтовой пресс; 2 — корпус
конденсатора; 3 — подвижная обкладка
конденсатора; 4 — измерительное
пространство; 5 —охранное кольцо; 6 —
неподвижная обкладка конденсатора.
368
Со с учетом краевой емкости конденсатора. Для этого измеряют
емкость конденсатора в воздухе Св и при заполнении его
тщательно очищенной водой, диэлектрическая проницаемость
которой при 20 °С равна 80,36. Рабочие стороны обкладок при
калибровке конденсатора должны быть тщательно обезжирены.
Геометрическая емкость имеет выражение
С Cfe — Св
0= — Г"»
е/г — 1
где 8а — электрическая проницаемость воды, а Си — емкость конденсатора
с водой.
Диэлектрическую проницаемость почвы рассчитывают по
формуле
где Сх — емкость конденсатора с почвой.
Выражение для tg б имеет следующий вид:
g в 2nfRxCx •
где / — частота в герцах; Сх — емкость конденсатора с почвой, Ф; Rx —
сопротивление конденсатора с почвой, Ом.
Удельное электрическое сопротивление почвы рассчитывают
по формуле
р== 0,785Я*— Ом-м-1,
где d —диаметр электрода, м; 5 — толщина образца, м.
При определении Сх и Rx в лабораторных условиях почву
просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Навеску
40 г абсолютно сухой почвы загружают в датчик и уплотняют,
объем заполненной части датчика измеряют геометрически.
Измеряют Сх и Rx путем компенсации полного тока в почве с
помощью магазинов сопротивления емкостей. В случае больших
величин Rx (>10 000 Ом) в схему измерения вводят резистор
Ru Если же измеряемое сопротивление >1 Ом, то подключают
резистор /?2. При малых сопротивлениях (/?ж<10 000 Ом)
используют магазин сопротивления МСРБ-48. При измерении Сх
вольтметр ВЗ-13 устанавливают на низкую чувствительность,
В схему подают напряжение ^10 В и рукоятками магазинов
емкостей и сопротивления устанавливают стрелку вольтметра
на «0». Затем .повышают чувствительность вольтметра.
Проводят дополнительно компенсацию по Rx и Сх до наибольшей
чувствительности.
По шкалам магазинов сопротивления и емкостей снимают
отсчет Rx, Cx и вычисляют величину г почвы и значения tgd
и р по формулам, приведенным выше,
т
МАГНЕТИЗМ ПОЧВ
Магнитные свойства
дисперсных систем имеют существенное
значение для физической
характеристики почвогрунтов и при
использовании магнитного поля
в их технологии.
Способность вещества
намагничиваться характеризуется
магнитной восприимчивостью.
Объемная магнитная
восприимчивость связана с магнитным
полем Я и намагниченностью /
I
и=
н
Напряжение магнитного поля Я изучено геофизиками и
в среднем для Земли равно 0,5 Э. В системе СИ оно измеряется
в А/м (1 А/м=12,6-10"3 Э), в тех же единицах измеряется и
намагниченность.
Б состав почвы входят вещества, обладающие различной
магнитной восприимчивостью:
1. Диамагнетики %<0 намагничиваются в магнитном поле
противоположно внешнему магнитному полю (рис. 126).
Величина % в них колеблется в пределах (3,78—11,3) 10"6 СИ. К диа-
магнетикам относятся ортоклаз, кальций, кварц, вода и
органическое вещество.
2. Парамагнетики и антиферромагнетики имеют %>0 в
пределах (12,6—1172) К)-6 СИ. К ним относятся доломит,
мусковит, биотит, гематит, сидерит, лепидокрокит, гетит и др.
3. Ферромагнетики и ферримагнетики — это базальты,
андезиты, габбро, магнетит, маггемит и др. Магнитная
восприимчивость их высокая: (3,15—6,05) 10~3 СИ у базальтов,
андезитов; до (37,8—100,8) 10~3 СИ у маггемита и магнетита. Таким
образом, магнитная восприимчивость почв складывается из
магнитной восприимчивости диа-, пара- и ферромагнетиков.
Намагниченность диа- и парамагнетиков линейно зависит от
внешнего поля Я, тогда как у ферромагнетиков она с
увеличением напряженности магнитного поля вначале увеличивается
линейно на очень малом участке (ОЕ), затем резко возрастает
и наконец приближается к состоянию насыщения (/s), когда все
магнитные моменты (домены у ферромагнетиков)
ориентированы в направлении внешнего поля. При уменьшении
напряженности магнитного поля от Я до 0 тело размагничивается и /
уменьшается уже по кривой А1ГС. При снятии поля, когда Я
проходит через нуль, у ферромагнетиков намагниченность
частично сохраняется. Чтобы их размагнитить, нужно приложить
противоположное поле величиной — Яс, называемой коэрцитив-
/ 10 гаусс
-1Г Ферромпгнвтик
1-х И
Рис. 126. Петля гистерезиса
ферромагнетика.
370
ной (удерживающей) силой. Дальнейшее увеличение
отрицательного поля приведет в точку С — намагниченность
насыщения (—/в) в другом направлении, а последующее уменьшение
отрицательного поля — к остаточной намагниченности (—1Г).
При повторном увеличении поля от —Н до +Н
намагниченность растет по кривой С1ГА. Несовпадение кривых
намагничивания и размагничивания обусловлено магнитным гистерезисом.
При циклическом изменении магнитного поля Я
намагниченность описывает петлю гистерезиса. Следовательно,
намагниченность ферромагнетиков и их магнитная восприимчивость не
являются однозначной функцией напряженности (как у диа- и
парамагнетиков), а зависят от величины Н и от
предшествующего состояния намагниченности: одной и той же величине
напряженности #i соответствуют три значения / (на рис. 126 1, 2,
3). Поэтому для сопоставимости значений к у ферромагнетиков
измерение необходимо проводить при величине Н, т. е. на
участке ОЕ кривой. Этому условию удовлетворяет прибор ИМВ-2.
Для физической характеристики почв и грунтов определяют
% — объемную или % — весовую намагниченность насыщения
(Is); остаточную намагниченность (/г); коэрцитивную силу
(—#с); гистерезисную петлю.
Магнитная восприимчивость % наиболее изученная
характеристика.
В лабораториях физики почв МГУ и Ижевского
сельскохозяйственного института (А. А. Лукшин, Т. И. Румянцева)
установлено, что х Для разных типов почв и их генетических
горизонтов является характерной физической величиной.
Максимальное значение ее в красноземах (на базальтах и
андезитах) и черноземах, минимальное — в почвах тундры и во
всех гидроморфных. В профиле почв наибольшая % в горизонте
А и иллювиальном горизонте В. Величина % может служить
хорошим индикатором ряда элементарных почвенных процессов
(оглеение, оглинение, осолодение, дернового) для изучения
железистых минералов в почве — их миграции и трансформации
в процессе почвообразования (А. Ф. Вадюнина, В. Ф. Бабанин,
1972).
ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ
Магнитную восприимчивость измеряют на приборе ИМВ-2
серийного выпуска, портативном и легком.
В полевых условиях им можно воспользоваться для
определения объемной восприимчивости непосредственно в разрезе.
В лаборатории воздушно-сухую почву измельчают в ступке и
просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Образец
почвы помещают в коробку объемом 100—150 см3 из
немагнитного материала. Почву взвешивают (рв), затем вычисляют
плотность почвы в коробке dv, равную — (V — объем, занятый
почвой).
371
Рис. 127. Функциональная схема прибора ИМВ-2 для
измерения магнитной восприимчивости.
Плотность, необходимая для измерения удельной магнитной
восприимчивости, рассчитанной на единицу массы, равна
х=-
dy
где « — объемная восприимчивость, измеряемая на ИМВ-2 с отсчетом
значения ее на микроамперметре при поднесении коробки с образцом к датчику.
Датчик прибора действует по принципу дифференциального
магнитного моста, представляющего собой сердечник (рис. 127)
Я-образной формы из листового пермаллоя. На концах магни-
топровода размещены четыре одинаковые катушки (я, б, в, г),
питание которых производится от генератора переменного тока
с рабочей частотой 950—50 Гц. В межполюсном пространстве
моста создается магнитное поле: Н=;39,8—55,7 А/м.
Индикаторную катушку g устанавливают на перемычке, где магнитные
потоки каждой пары катушек направлены навстречу друг другу и
взаимно компенсируются. В результате этого ЭДС,
индуцированная в индикаторной катушке, равна нулю,. При замыкании
одного из плеч магнитного моста образцом почвы равновесие
плеч нарушается и в катушке возникает ЭДС разбаланса,
пропорциональная магнитной восприимчивости образца почвы.
Сигнал разбаланса подается через делитель на усилитель.
Делитель позволяет измерять и от 10~3 до 1,26* 10~5 СИ, С выхода
усилителя сигнал попадает на фазовый детектор, который
служит для исключения сигналов, возникающих в результате
электропроводности почвы.
Сигналы, обусловленные магнитными свойствами почвы,
отличаются по фазе на 90° от сигналов, вызванных
электропроводностью, что позволяет их разделить.
Детектором укрепляют сигналы, поступающие с генератора,
питающего магнитный мост. С детектора сигнал поступает на
измеритель — стрелочный микроамперметр со шкалой.
37?
Перед началом измерений шкалу калибрую? по эталону и
с помощью специального потенциометра («калибровка» — на
панели прибора). Поэтому на шкале снимают непосредственно
величину н.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПОЧВ,
ГРУНТОВ И ГОРНЫХ ПОРОД НА ПРИБОРЕ,
ИЗГОТОВЛЕННОМ В ЧССР
Прибор состоит из автоматического автобалансного
индуктивного моста с автоматической установкой нуля и
компенсацией термического дрейфа разбаланса моста. Измерительные
катушки в форме компенсационного соленоида 6-го порядка.
Измерение основано на изменении индуктивности катушки,
вызванном присутствием образца почвы. Первичная обмотка
дифференциального трансформатора снабжается переменным
напряжением частотой 920 Гц с генератором (рис. 128). С его
вторичной обмотки снимаются два вторичных напряжения,
одинаковые по величине и противоположные по фазе. С вторичной
обмоткой трансформатора связаны измерительные катушки —
L — для образца (S) почвы и аналогично L1 с ферритовым
сердечником для ручной балансировки моста. Выводы катушек (не
идущие к трансформатору) образуют выход моста, с которого
снимается сигнал разбаланса. Для повышения чувствительности
и обеспечения требуемого выходного сопротивления выход
моста соединяют с нулевой точкой конденсатора — Си В точку «Р»
через резистор (Ri) подается сигнал компенсации,
производящий баланс моста в процессе измерения. Измерительный блок
на лицевой стороне имеет переключатель диапазонов измерения,
индикацию включения, серию диодов, указывающих, в каком
состоянии находится измеритель (WAIT, READY, MEASURE,
*— Compensating
signal
*i
*- Un 6afa nee
signal
т
Рис. 128. Упрощенная диаграмма цепи КЬУ-2:
G — генератор; L-—V — катушки; d — конденсатор; Ri — резистор;
S — образец.
373
HALT) и цифровой дисплей, с которого снимают показания.
Образец готовят в форме кубика (2x2 см). В виде порошка его
высыпают в цилиндрический сосуд из немагнитного материала
вместимостью 40 см3 и уплотняют.
Отсчет прибора дает объемную магнитную восприимчивость
Чтобы вычислить удельную восприимчивость на единицу
массы взятого образца (М) известного объема (У), вычисляют
плотность почвы
Тогда удельная магнитная восприимчивость и = —— •
dy
Вначале устанавливают нужный диапазон измерений.
Счетчик стазят на нуль. Если мост находится в состоянии WAIT,
надо дождаться перехода в READY (автоматично). Затем
нажимают кнопку START/RESET, мост переходит в состояние
MEASURE. Быстро вводят образец в рабочую область датчика.
Через 3 с появляется звуковой сигнал, мост переходит в
состояние HALT, а на цифровом дисплее появляется число
величины ку в системе СИ. Затем образец вынимают из датчика
(через 4 с).
Мост КЬУ-2 имеет высокую точность и скорость измерения,
дает возможность получать соответствующие характеристики
в слабо магнитных почвогрунтах. Изготовитель снабжает КЬУ-2
устройством подключения к ЭВМ серии EIC.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ
Магнитометрический способ основан на определении
магнитного поля образца. Он применяется в нескольких
модификациях, отличающихся между собой типом индикатора магнитного
поля и относительным положением образца и индикатора.
Наиболее распространенный астатический магнитометр
МА-21 может быть использован как в полевых, так и в
лабораторных условиях, довольно транспортабелен (масса в упаковке
39 кг), прост в эксплуатации.
В нем использовано взаимодействие магнитного момента
измеряемого образца с постоянными магнитными астатической
системы. Зная величину поля, отклоняющего систему на единицу
угла, по величине отклонения можно определить разность
магнитных полей, действующих на систему со стороны измеряемого
образца.
Особенностью двухмагнитной системы является
стабильность ее положения при изменении внешнего однородного поля,
и в частности Земли. Это позволяет производить измерения
слабомагнитных пород.
374
Чувствительность прибора прямо пропорциональна величине
магнитного момента магнитов астатической системы и обратно
пропорциональна модулю кручения нити подвеса. Угол поворота
системы определяется по отклонению блика в
автоколлимационной (зрительной) трубке. Образцы (монолиты или насыпные,
закрепленные клеем или парафином) помещают в специальные
контейнеры из органического стекла на фиксированных
расстояниях от астатической системы, а те в одну из кареток, которые
могут передвигаться вдоль стола для образцов и имеют 9
фиксированных позиций. Магнитометр градуируют катушкой с
током, величину которого регулируют и определяют при помощи
специального пульта. По измеренной напряженности поля,
расстоянию от центра образца до системы и объему образца можно
определить значения / и и, а зная плотность заполнения
контейнера, можно вычислить удельную намагниченность, как и
в случае с удельной магнитной восприимчивостью.
ЕСТЕСТВЕННАЯ ОСТАТОЧНАЯ НАМАГНИЧЕННОСТЬ
Естественная остаточная намагниченность (7?г)
сформировалась при остывании расплавленных пород, содержащих
ферромагнетики. Породы хранят «память» в течение сотен тысяч лет
о магнитном поле Земли в период их образования, причем в
изверженных кристаллических породах 1п связана с процессом
ориентации ферромагнитных соединений в направлении
существующего магнитного поля при охлаждении пород, нагретых
выше точки Кюри. В осадочных, особенно карбонатных, породах,
меньше ферромагнетиков, в них 1п значительно ниже, чем
в изверженных, и составляет (10—15) • 10~~3 А/м. В зональных
почвах и их генетических горизонтах 1п изменяется в пределе
4—50• 10"~3 А/м (Вадюнина, Смирнов, 1976). Намагниченность
При магнитном поле Земли, равном 39,79 А/м, индуктивная
/г=Х'Я=%-39,79. Между 1п и h существует связь, которая
реализуется через параметр Q =
%l' ЗУi/У
На формирование остаточной намагниченности оказывал
влияние ряд факторов. Учитывая это, в настоящее время (по
Т. Нагата, 1965) ее подразделяют на изотермическую (7Г),
вязкую (Irv)> термоостаточную It, осадочную (1по) и химическую
Для измерения 1п используют рок-генератор ИОН-1, ИОН-2.
ИОН-1 разработан в палеомагнитной лаборатории МГУ и
состоит из электромотора, опорного генератора, электронного
усилителя, фазовращателя, осциллографа и лампового вольтметра.
Выпускается серийно. Измеряет направление вектора и
величину намагниченности в диапазоне от 5-Ю5 до 2- Ю-1 СИ об
разцов кубической формы с размером ребра 24 мм,
375
Образец в поле отбирают так, чтобы одна из граней кубика
была направлена на север (по компасу). Образец вырезают
ножом и пропитывают немагнитным силикатным клеем. В таком
виде он сохраняется в лаборатории.
При измерении образец почвы помещают в индукционную
катушку прибора или около нее. Возникшую ЭДС фиксируют
по фазе и амплитуде. Равномерность вращения образца
регулируется мотором. Принцип измерения нулевой —ЭДС
компенсируется по фазе и амплитуде.
Образец почвы устанавливают в трех положениях по осям х,
у, z. При каждом направлении измеряют проекцию вектора 1п
и угол ф между проекцией и соответствующей координатной
осью.
Вычисляют
Ifl I 21 п — Jyz -Т 'х2 ~Г I Ху
По измеренным углам ср*, сру, ф2 определяют направление
вектора. Остаточная намагниченность имеет наибольшую величину
в горизонтах А2 и В, в дерново-подзолистой, серой лесной и
темно-каштановой почвах—примерно 50- 1(Н СИ. В черноземах
она меньше.
После определения 1п почву размагничивают переменным
током, затем намагничивают в постоянном Я-поле до
намагниченности насыщения (18) и размагничивают противоположно
направленным магнитным полем. При этом определили
коэрцитивную силу — Нс. В горизонтах А\ и В дерново-подзолистой почвы
она равнялась 31,84• 104 А/м, в серой лесной— (33,43—39,81) X
ХЮ~4 А/м, в черноземе в горизонтах А и С 15,92—26,47 А/м,
что говорит о высокой стабильности 1п в подзолистой и серой
лесной и меньшей в черноземах.
СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО
И ЭЛЕКТРОННОГО РЕЗОНАНСА
Спектроскопические исследования выявляют взаимодействие
электромагнитного излучения и вещества, дают информацию
о структуре и характере связей, внутри- и межмолекулярных
процессах.
Железо и минералы, содержащие железо, играют большую
роль в процессах почвообразования (Зонн, 1982),
формировании физических свойств почв, в частности магнитных.
ЭФФЕКТ МЕССБАУЭРА ИЛИ МЕТОД ЯДЕРНОЙ
ГАММА-РЕЗОНАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ (ЯГРС)
При распаде источника излучения 57Со, ядро его переходит
в ядро 57Fe с энергией <у-квантов 14,4 кэВ и очень узкой
резонансной линией. Это позволяет обнаружить малейшие измене-
т,
{контроль фор
мы. сигнала
1 движения
|-«—
блок
задания
дШения
т
| графопо- 1
cm роите/1ь
шг—т™ ~ ■
т
магнитофон
t_
1
анализатор
У ТА 4024
ШШ на.
перфоленту
_±_
j
1
1 1
г
контроль
загрузки
эцвм те/в
■1
!■-.■■«« *
1 Ш 1
\ПерфОЛ9Н№1 \
Рис. 129. Спектрометр ЯГРС.
ния в окружении атомов железа, находящихся в составе
различных соединений. Если на пути уквантов, излучаемых
ядрами 67Fe, поставить образец, содержащий атомы железа, то
часть излучения будет поглощена резонансно. Энергия
излучения 14,4 кэВ за время 2- 10~~7 с поглотится железом, а затем
будет вновь излучаться им в виде ^-квантов. Различие
химического состояния железа в соединении нарушает условия
резонанса.
Для компенсации этого нарушения необходимо изменить
энергию гамма-излучения. Достигают этого с помощью эффекта
Допплера (энергия излучения возрастает при сближении
образца и источника и уменьшается при удалении. Величина
приращения энергии пропорциональна скорости относительного
движения).
Спектрометр ЯГРС (рис. 129) состоит из источника
излучения 57СО, помещенного в матрицу из нержавеющей стали,
хрома, палладия или платины; образца почвы, детектора
излучения (фотоумножителя), счетчика гамма-квантов с
запоминающим устройством (анализатор NTA-1024). Движение источника
задается с помощью электродинамического вибратора,
колеблющегося с частотой около 10 Гц, поэтому к стабильности системы
движения предъявляются высокие требования. Спектрометр
разработан и собран в лаборатории физики твердого тела
Ярославского политехнического института (Н. А. Бобров и др.).
В него входят серийные элементы: многоканальный анализатор
(NTA-1024) ЭЦВМ Р646/В, графопостроитель, перфоратор,
магнитофон и др.
Спектр ЯГРС (рис. 130) представляет собой кривую или
систему точек, при построении которых на оси абсцисс отклады-
377
oC=Fe ООН
-* 0 4-
Скорость>мм/с
Рис. 130. Спектр ЯГРС.
oC=Fe203
4-5 6
i 1 1 1 1 1 oc = Fe203
Fe* г 1 Fez
вали скорость относительного движения в мм/с, а на оси
ординат— число гамма-квантов, записанное в памяти анализатора.
Значение скорости, соответствующее максимуму поглощения
гамма-квантов, характеризует степень различия в окружении
378
ядер образца по сравнению с ядрами источника. При полной
идентичности окружений ядер образца и излучателя скорость
равна нулю. Параметрами спектров ЯГРС являются
интенсивность и ширина линий резонансного поглощения, изомерный
или химический сдвиг, величина эффективного магнитного поля
Я8фф (внутреннее поле на ядре железа, созданное собственными
электронами и электронами соседних атомов).
Интенсивность линии, определяемая в эксперименте
как площадь под кривой поглощения, может служить мерой
количества атомов железа в образце. В этом случае измеряют
интенсивность излучения при наличии и отсутствии резонанса.
Измерение резонансного поглощения в зависимости от
температуры позволяет изучать прочность связи железа в структуре
вещества и на поверхности частиц.
Ширика резонансной линии (Г) измеряется на
полувысоте кривой поглощения и выражается в мм/с. Ширина линии
определяется временем жизни (2-10~7 с) возбужденного
состояния из соотношения неопределенностей и составляет около
10~8 эВ (в единицах частоты 1 мГц). В спектрах реальных
веществ линия обычно значительно шире теоретической, что
связано с близким, но различным окружением; с существованием
магнитного поля на ядре, недостаточного для проявления
сверхтонкой структуры спектра (СТС). Проводя съемки спектра при
специальных условиях (изменение температуры в широких
пределах; съемка во внешнем магнитном и электрическом полях),
можно из ширины линии получить информацию о динамике
движения атомов железа, размере кристаллитов, оксидов и гидрок-
сидов железа в составе почвы.
Изомерный (химический) сдвиг (ИС). Если атомы железа
источника и образца находятся в неэквивалентных химических
состояниях (разная валентность, различны координации, степени
ионности связи), то энергия испускаемых гамма-квантов будет
немного больше или меньше энергии, необходимой для
наблюдения резонанса. Скорость относительного движения,
требующаяся для восстановления резонанса, называется химическим
или изомерным сдвигом (ИС), выражается в мм/с.
Определяется ИС относительно вещества, принятого за стандарт, для
которого ИС = 0 (обычно нитропруссид натрия). Кислородные,
силикатные и многие другие минералы железа содержат атомы
в ионном состоянии, для которых ИС однозначно дает
представление об окисленном состоянии железа. В пределах валентного
состояния небольшие изменения ИС определяют степень
ионности связи. Характерные значения ИС для Fe3+ 0,4-4-0,9 мм/с,
для Fe2+ 1,0—1,8 мм/с.
Квадруполыюе расщепление (б, КР). Если атом железа
в веществе находится в окружении других атомов с симметрией
ниже кубической, то синглетиая линия расщепляется —
происходит так называемое квадрупольное расщепление. В спектрах
КР определяется как расстояние между линиями дублета,
372
выражается в мм/с. Величины КР для Fe2+ и Fe3+ лежат в
пределах 1,5—3,7 мм/с и 0,0—1,0 мм/с и по-разному зависят от
температуры, что позволяет разделять их спектры в случае
совпадения параметров. КР более чувствительно, чем ИС к
симметрии электрического поля окружения атомов железа. Мессбауэ-
ровский спектр позволяет определить число атомов в первой
координационной сфере. Области значений КР для четвертной
и шестерной координации как для двух-, так и для
трехвалентного железа сильно различаются.
Магнитное расщепление резонансных линий. Ядро железа
57Fe обладает магнитным моментом, поэтому при помещении
ядер в магнитное поле взаимодействие ядерного момента с
полем приводит к расщеплению резонансной линии на шесть и
более компонентов. На кривой 4 (см. рис. 130) последние
пронумерованы цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 (вдоль оси абсцисс). Это
явление называется сверхтонким расщеплением или сверхтонкой
структурой (СТС) мессбауэровской линии. Линии магнитной
структуры расположены симметрично относительно центра
спектра в случае порошкообразного образца и имеют
соотношение интенсивностей 3:2:1:1:2:3. Магнитоупорядоченные
соединения типа магнетита, маггемита, гематита, гетита,
находящиеся в почве, практически недоступны для исследования
обычными методами (дифференциальный термический анализ ДТА,
рентгеноструктурный анализ).
Эти минералы хорошо идентифицируются с помощью ЯГРС,
так как каждое из этих соединений обладает магнитной
структурой и определенным эффективным магнитным полем #Эфф на
ядрах железа. #Эфф может быть найдено из спектров по
положению линий секстета. Например,
2#9фф (fii + |*о) = тг-1- = Яб—£"i
или
где jlii — величина магнитного момента на ядре в возбужденном состоянии;
Но—-величина магнитного момента ядра в основном состоянии; AVe, i —
расстояние между первым и шестым пиком секстета в мм/с; Е0 — энергия
резонансного перехода (14,4 кэВ); С— скорость света.
Множитель перед Д Ve.i состоит из табличных величии
(Справочник физических величин), подстановка их дает совсем
простое выражение для определения #9фф:
ЯЭфф (кЭ)^31,09-Д1/б>1 (мм/с).
380
Характерные значения ЯЭфф (в кЭ) для основных соединений
железа почв при комнатной температуре: a=FeOOH—364±7;
a==Fe203—510±8; магнетит —507 и 450 (дваполя); маггемит—•
499; -б = FeOOH—383—383 ±25 кЭ.
МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦОВ
И СЪЕМКИ СПЕКТРОВ
Образец для съемки растирают в ступке до размера частиц
0,1—0,5 мм и помещают в кювету из оргстекла (диаметр ее
30 мм, толщина стенок 0,1—0,2 мм). Масса образца зависит от
содержания железа: для съемки железистых конкреций она
составляет 150—200 мг, для почв, бедных железом,— 600—800 мг.
Следует исходить из расчета: на каждый см2 кюветы должно
приходиться железа-57 не более 10 мг. Высокотемпературная
съемка ведется в кювете из меди с бериллиевыми окнами.
Влажные образцы снимают в кювете, заклеенной вазелином.
При активности источника в 40—50 мК на один образец при
исследовании большинства почв СССР требуется 1—2 ч. На
почвы с низким содержанием железа затрачивают до 12 ч и
более.
Для определения размеров кристаллитов соединений железа,
изучения динамических явлений в спектрометре предусмотрены
печь и криостат. На рис. 130 представлены спектры ЯГР
некоторых почвенных образцов, имеющие характерный вид. Все
кривые приведены к единому масштабу. Но для более точного
определения параметров дублетные спектры целесообразно
изображать в масштабе ±1 мм/с для трехвалентного железа и
±2 мм/с для двухвалентного. Хорошо разрешенный дублет
(рис. 130, кривая 1) при £~20 °С по величине ИС и КР
относится к трехвалентному железу с шестью атомами в первой
координационной сфере (Беикрофт, 1973). Съемка того же образца
при температуре жидкого азота 195 °С приводит к появлению
дублета в центре спектра и линий СТС (кривая 2). По ширине
первой, второй и других линий видно, что спектр представляет
собой суперпозицию двух секстетов. Разложение спектра на
составляющие, определение #Эфф по приведенным формулам дает
величины, характерные для гематита и гетита. Появление СТС
при съемке образца при 80 °К указывает на то, что часть
железа в конкреции, ответственная за сверхтонкую структуру
(СТС), состоит из микрокристаллов с размером 5—15 нм. В
состав темно-каштановой почвы (рис. 130, кривая 5) входит
двухвалентное железо (в структуре алюмосиликатов) и
трехвалентное в виде оксидов и гидроксидов и входящего изоморфно в
кристаллы алюмосиликатов. Соотношение между двух- и
трехвалентными формами можно найти по площади соответствующих
пиков весовым методом. Для этого на спектр, снятый в удобном
масштабе, накладывают кальку, проводят базовую линию и
381
линию спектра, ножницами выстригают спектр и взвешивают.
Затем вырисовывают левое крыло крайнего правого пика
(Fe2+) симметрично правому крылу, выстригают и
взвешивают. Массы пиков в этом случае пропорциональны их площади
Fe^-b 2т Fe*+ ^ S2
Fe2-b+Fe3+ ~ m (Fe^-b + Fe3+) ~ (S2 + S3) '
где mFe2+ — масса кальки крайнего правого пика; m(Fe2++Fe3+)— масса
всего спектра; 52 — площадь пиков дублета двухвалентного железа; 5з —
площадь дублетов трехвалентного железа.
Зная валовое железо, можно найти соответствующие
количества двух- и трехвалентного железа.
Спектр дерново-подзолистой почвы (рис. 130, кривая 4)
разложить на составляющие без соответствующего опыта
вручную трудно, так как центральная часть секстета представляет
собой суперпозицию спектров двух- и трехвалентного железа
различных соединений и двух (третьего и четвертого) пиков от
секстета гематита. Тем не менее из этого спектра можно найти
соотношение хорошо окристаллизованной формы железа и
общего его содержания или первой формы и суммы железа, окри-
сталлизованного и входящего изоморфно в решетку
алюмосиликатов. Исходя из соотношения интенсивностей линий секстета
3:2:1:1:2:3, можно по величине площади 1, 2, 5, б линий,
хорошо разрешенных в спектрах, найти площадь (массу) всего
спектра гематита. По разности общей массы и массы секстета
можно найти массу пиков, принадлежащих неокристаллизован-
ной части железа (силикатного; железа, входящего в состав
органических соединений; высокодисперсного — с размером частиц
9—10 нм). На кальку переносим спектр, определяем полную
5
массу (М) и массу 1, 2, 5 и 6 пиков. В этом случае /п = — токр
6
(т01<р — масса пиков окристаллизованиого железа), тогда токр —
= —т. Масса пиков неокристаллизованных форм железа
будет равна
тНеокР=М — — т.
5 i
Соотношения окристаллизованиого и валового,
окристаллизованиого и неокристаллизованного железа находим по
формулам
Fe0Kp 6т Fe0Kp 6т
FeBar Ш ' FeHe0Kp ЪМ — 6т
Зная валовое железо, можно найти количество различных форм.
В более сложных объектах спектры необходимо разлагать
с помощью ЭВМ. В описываемом спектрометре для этой цели
предназначается цифровая ЭЦВМ Р666 В, связанная с
периферийными устройствами (перфоратор, графопостроитель, магни-
382
тофон) и анализатором. Спектр из анализатора вводится в ЭЁМ
для расчетов интенсивности и положения линии, ее полуширины.
Линии в спектрах ЯГР имеют лоренцевскую форму. Для одной
линии число гамма-квантов, зарегистрированных в t-том
канале многоканального анализатора, определяется формулой
(i — V)2 Н- Г2/4
для А-линий
Ni-v - ^ Lj—
+ Г)1А
где No* — число зарегистрироЬанных нерезонансных гамма-квантов (на
крыльях спектров, рис. 130); А$—интенсивность поглощения /-той
компоненты (линии) спектра; Vj— положение /-той линии; fj —ее полуширина.
Критерием правильности разложения экспериментального
спектра на линии является минимум суммы взвешенного
среднеквадратичного отклонения:
[Ni-Ntf
*-£
Ni
1=1
где N{ — число гамма-квантов, зарегистрированных, в i-том канале; Ni —•
теоретическое приближение, рассчитанное по приведенным формулам.
Математическое ожидание величины %2 равно п—S + 1,
где п — число экспериментальных точек; S — число параметров (iVM, Aj, Vj,
Tj), I — число связей, налагаемых на параметры.
Таким образом, задача сводится к нахождению минимума
функционала многих переменных.
Разработана программа для обработки спектров на
вычислительных машинах с небольшим объемом памяти (до 16 К)
и невысоким быстродействием, основанная на алгоритме Пау-
элла при одновременном поиске методом Девисоиа—Свена—
Кемпи. Такие машины широко распространены и имеются
практически во всех лабораториях («Электроника ДЗ-28», «Мир»,
«Наири» и др.).
Программа позволяет разлагать спектр на дублеты,
секстеты, одиночные линии и комбинации их. Спектры сложных
объектов состоят из вкладов различных форм соединений
железа (рис. 130, кривые 2—5). Они изображаются в виде
прямых, на которых штрихами отмечены положения линий. По
положению линий, их интенсивности рассчитывают ИС, КР,
НЭфф, соотношения различных форм соединений железа.
Например, сильномагнитная часть дерново-подзолистой почвы
Московской области дает сложный спектр (рис. 130, кривая
5), разложение которого с помощью ЭВМ свидетельствует
383
о содержаний гематита, магнетита, двух- и трехвалентного
железа в составе алюмосиликатов и трехвалентного в виде
высокодисперсных окисей и гидроокисей железа.
Для уменьшения времени обработки спектра предусмотрено
первоначально экспериментальные данные обрабатывать через
точку, начиная с 70-го и кончая 210-м каналом, затем через
одну все 255. После этого % минимизируется для всего массива
данных. Описанная программа приводит к неверному решению,
если интенсивность линий не превышает разброса фона л/Nqo
(Noo — количество гамма-квантов, записанное в памяти
анализатора на «крыльях» спектра —вне резонанса).
Метод ЯМР дает в месте положения образца магнитное
поле с индукцией В, равной 1,5 Тл(тесла), которое
обусловливает расщепление энергетических ядерных уровней
соответствующей частоте 60 МГц.
Протоны в различном химическом окружении резонируют
при разных напряжениях приложенного поля, что определяется
как химический сдвиг (б). О величине его судят по отношению
расстояния между центрами резонансных кривых (vi— v)
стандарта и воды в почве или суспензии к рабочей частоте vo.
Химический сдвиг используется для изучения взаимодействия
молекул между собой и поверхностью адсорбента.
Ширина и форма линий определяется процессом
релаксации—время (Г), в течение которого разность между
избыточным числом ядер в возбужденном состоянии и в состоянии
теплового равновесия уменьшается в «е» раз. Различают спин-
решетчатую релаксацию (7i) и спин-спиновую (Г2). У молекул,
находящихся в адсорбционном силовом поле, линии спектра
шире линии свободной воды. Подвижность молекул оценивают
по 7Y Связь между шириной линии на половине высоты пика и
Тонкая структура спектра наблюдается при высоком
разрешении. Она обусловлена спин-спиновым взаимодействием
магнитных ядер и информирует о неизвестных молекулах и
молекулярной структуре.
Резонанс ядер водорода ]Н и 2Н дейтерированной воды
используют для изучения взаимодействия молекул воды с
поверхностью почвы.
С помощью ЯМР можно идентифицировать функциональные
группы гумуса почвы (гуминовые и фульвокислоты).
МЕТОД ЭПР-ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Спектр проявляется при наличии в веществе неспаренных
электронов (парамагнетики).
Для свободных электронов вещества, помещенного в
магнитное поле с индукцией fi, резонанс наблюдается при
hV = 2\xB,
384
где h — постоянная Планка; V — частота поглощаемого электромагнитного
излучения; ц —магнетон Бора.
Спектр ЭПР наблюдается на микроволновых частотах в
диапазоне 103—104 МГц и в полях до 1 Тл. Наступление резонанса
наблюдается по сильному поглощению излучения. Условия
резонанса
где g — экспериментальный параметр, характеризующий молекулу, ион,
кристалл.
Для свободных радикалов он изменяется в интервале 1,9—
2,1; для ионов переходных элементов, входящих в состав
молекулы, кристаллическую решетку или адсорбированных, g
изменяется от 0 до 5—9.
Структура спектра ЭПР обусловлена сверхтонким
взаимодействием электрона и магнитных ядер молекулы. Магнитное
ядро создает локальное магнитное поле, которое в зависимости
от относительной ориентации ядерного спина и приложенного
поля увеличивает или уменьшает локальное поле, действующее
на электронный спин. Радикалы с разными ориентациями
ядерного спина резонируют при разных индукциях приложенного
поля. Спектр образца со многими радикалами будет состоять
из многих линий, соответствующих индукциям приложенного
поля.
По методу ЭПР можно изучать свойства веществ путем
наблюдения магнитных полей, при которых наступает резонанс
с используемым излучением. При этом возможна информация
о количестве парамагнитных центров, по форме линий
представится возможность судить о взаимодействии парамагнитных
частиц, о распределении их в димагнитной среде и расстоянии
между ними *.
Магнитные спектроскопические методы позволяют изучить
твердую фазу почвы на атомно-электронном уровне и могут
быть использованы при интерпретации дистанционных
измерений.
Подробно методы описаны в ряде руководств (А. Керринг-
тон, Э. Мак-Лечлан. Химические применения мессбауэровской
спектроскопии, 1970).
* Методы спектроскопии в пособии описаны В. Ф. Бабаниным,
заведующим кафедрой физики Ярославского политехнического института, при
участии А. Ф. Вадюниной.
РАДИОИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ
Радиоизотопкые методы находят все более широкое
применение в почвоведении лля изучения естественной и
искусственной радиоактивности почв, почвенного воздуха и грунтовых
вод. Радиоактивные изотопы используют для определения
физических свойств почв (влажности, плотности, порозиости) и
как индикаторы процессов передвижения воды и питательных
веществ в почве и в системе почва — растение.
Радиоактивные свойства почвы обусловлены наличием в ней
элементов, ядра атомов которых находятся в неустойчивом
состоянии и претерпевают с течением времени самопроизвольный
распад, превращаясь в другие, более устойчивые элементы.
Известны следующие превращения радиоактивных
элементов:
Альфа-распад присущ ядрам тяжелых элементов. Из
ядра элемента выбрасываются положительно заряженные а-
частицы с массой в 4 и зарядом в 2 единицы. У ядра вновь
образованного элемента соответственно меньше массовое число
и заряд, что имеет место при распаде полония с образованием
свинца: 28°Ро->-28гРЬ +а-частицы, а-Излучеиие обладает
большой ионизирующей способностью и считается поэтому
наименее проницаемым излучением.
Бета-распад происходит в радиоактивных изотопах,
имеющих в ядре избыточное количество нейтронов, которые
превращаются в протоны, а ядро при этом испускает р-частицы.
В ядре нового элемента увеличивается заряд на 1 единицу,
массовое число остается неизменным. Примером такой реакции
является распад кобальта с образованием никеля: ^CO^IeNi-b
Н-р-частицы.
Если в ядре избыток протонов, то они превращаются в
нейтроны.
.Электронный захват. Ядра некоторых
радиоактивных изотопов захватывают с ближайшей оболочки электрон.
Один протон в ядре при этом превращается в нейтрон, из
ядра вылетает нейтринобеззарядная частица, масса ее равна
массе электрона. При этом создаются условия для
перемещения электронов с удаленных оболочек на ближайшие, что
сопровождается рентгеновским излучением. Массовое число при
этом распаде остается неизменным, а заряд ядра уменьшается
на единицу. Так происходит превращение радиоактивного 40К в
40Аг (аргон).
386
Деление ядер самопроизвольное или под действием
нейтронов. Образуется два ядра и вылетает 2—3 нейтрона. Ядра
образующихся элементов находятся в сильно возбужденном
состоянии и испускают у-кванты. Например, ядра 80Ni,
образованные при превращении 60Со, интенсивно испускают их. *
Гамма-излучение, таким образом, является следствием
перехода ядра из возбужденного состояния в основное. При этом
заряд и масса не меняются, не происходит превращений одного
химического элемента в другой. Такое излучение наблюдается
при распаде элементов группы радия и тория.
Все-виды радиоактивных излучений в той или иной мере
поглощаются в материальной среде или претерпевают
отражения, воздействуя при этом на свойства почвы.
Рентгеновское и у-излучение могут нарушить кристаллическую решетку
минералов, поток а-частиц — вызвать ионизацию воздуха.
Нейтроны приводят в возбужденное состояние ядро и др.
Энергия радиоактивного излучения измеряется в джоулях
(Дж). Активность радиоизотопов определяется числом актов
распада в единицу времени и измеряется в беккерелях (Бк),
имеющих размерность с-1. В жидкостях удельную
радиоактивность препарата выражают в Бк/кг. Важной единицей
рентгеновского и у-излучения является экспонирующая доза,
измеряемая в кулонах (Кл) на 1 кг вещества. Мощность
экспозиционной дозы выражается в А/кг. Мощность дозы — Р/с=
= 2,58-10"4 Кл/кг, Р/мин = 4,30-10~6 Кл/кг. Доза излучения
оценивается по его биологическому воздействию — коэффициенту
качества К- Для рентгеновского и у-излучения К=1, для
тепловых нейтронов К=3.
Радиоактивные вещества сильно токсичны для организмов.
Допустимые концентрации их в воздухе 3,7-Ю-8—
3,7-10—2 Бк/см3 в зависимости от свойств излучателя (группы
токсичности его). Допустимая удельная токсичность колеблется
в пределах 7,4-107—7,4-1010 Бк/кг в зависимости от степени
токсичности радиоактивных элементов. Наиболее токсичными
являются 90Sr, 226Po, 226Ra и др., слаботоксичны изотопы 3Н,
14С, I3N и 88С1. .
При работе с радиоактивными веществами необходимо
соблюдать следующие правила предосторожности:
Работающий (оператор) должен быть огражден от
источников радиоактивного излучения защитным экраном из свинца
или плексигласа, и время пребывания его здесь должно быть
сокращено до минимума.
Хранить источник излучения можно только в контейнерах
в специальных помещениях. Отбросы радиоактивных веществ
должны собираться в особые сосуды — контейнеры, которые
отправляют специальным транспортом «в могильники».
Работы с радиоактивными веществами (высушивание,
выпаривание) ведут только в вытяжном шкафу. В лаборатории
должен быть набор дистанционных инструментов (манипуля-
387
торы, щипцы и т. д.), длина которых определяется характером
излучения и активностью препарата.
Состояние загрязнения лаборатории радиоактивными
источниками контролируется службой техники безопасности с
помощью дозиметров.
Ремонт или перезарядку блока источника производят
специальные организации, имеющие на то разрешение.
Категорически запрещается это делать оператору.
Оператор должен ознакомиться с указаниями по технике
безопасности, изложенными в инструкции по эксплуатации
радиометрических приборов.
РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОЧВ И ГРУНТОВ
Радиоактивноть определяют радиометрическими и химико-
аналитическими методами. При изучении физических свойств
почв и грунтов используют главным образом радиометрические
методы, основанные на измерении интенсивности
радиоактивных излучений.
Для определения наличия в почве радиоактивных изотопов
U, Th, Ra и др. применяют а-, р- и ^-спектрометрические
методы измерения.
РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
Радиометрическая аппаратура состоит из следующих
узлов: детектора, усилителя, пересчетного устройства, счетчика и
питания.
Детектор преобразует энергию радиоактивного излучения
в электрический ток или импульсы. В качестве детектора
используют ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилля-
ционные счетчики.
Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики (трубки)
представляют собой конденсаторы с газовым диэлектриком,
имеющие форму цилиндра, колпака и т. п. Емкость трубки
заполнена газовым диэлектриком: воздухом, аргоном или азотом
с органическими добавками (этилен, ацетилен, пары этилового
и метилового спирта — счетчик Гейгера — Мюллера) или
галогенными газами (бром, хлор — галогенные счетчики) для
гашения электрических зарядов в счетчике.
В ионизационной камере при наложении высоковольтного
напряжения под влиянием радиоактивного излучения газ,
заключенный между прокладками воздушного конденсатора —
электродами, ионизируется. Возникает ток, сила которого
пропорциональна количеству ионизированных частиц и,
следовательно, количеству радиоактивного элемента и не зависит от
напряжения. Силу тока измеряют электрометром.
Электрическая емкость камеры С и добавочное сопротивление в измери-
388
тельной цепи R характеризуют
постоянную времени
ионизационной камеры RC. При высоком
значении RC камеру используют
для измерения суммарного
радиоактивного излучения, Обычно
же ее применяют для
определения газообразных эманации —
радона, торона и актиона.
Газоразрядный
счетчик Гейгера — Мюллера
работает при более высоких
напряжениях, чем ионизационная
камера, причем возникает
дополнительная ионизация за счет
актов ударной ионизации.
Ионизация заполнителя трубки тем
больше, чем выше напряжение, поэтому такие счетчики
называют пропорциональными.
Счетчик Гейгера —Мюллера представляет собой
стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта
эмульсией графита или другим токопроводящим материалом,
исполняющим роль катода трубки. Катод заземляют. Металлическая
нить внутри трубки служит анодом. Трубка наполнена
разреженным аргоном с примесью паров спирта или амилацетата.
Вероятность регистрации ядерной частицы, попавшей
в объем детектора, называют эффективностью его счета к
данному излучению, а- и р-частицы имеют большую удельную
ионизацию, поэтому эффективность счета их счетчиком Гейгера —
Мюллера близка к единице. Они имеют разное устройство
(рис. 131). Для -у-из лучения и жесткого р-излучения используют
цилиндрические трубки типа СТС-6, а для регистрации мягкого
(3-излучения — торцевые в форме колпака или цилиндрическую
трубку СТС-5 со слюдяным окошечком.
Для измерения жесткого р-излучения в жидкостях берут
счетчики погружения или цилиндрический с рубашкой.
Радиоактивность газов измеряют на проточных счетчиках,
причем исследуемый газ вместе с наполняющим инертным и
гасящими добавками вводят внутрь счетчика.
Сцинтилляционный счетчик регистрирует
излучение по световым вспышкам (сцинтилляциям) с обильным
выделением фотонов, которые возникают в люминесцирующем
веществе под воздействием радиоактивного излучения. Атомы
сцинтиллятора (фосфора) при этом приходят в возбужденное
состояние с последующим переходом в исходное. Вследствие
комптоновского рассеяния и фотоэлектрического поглощения
заряженные частицы образуются в самом сцинтилляторе.
В качестве источника люминесценции используют кристал-
лофосфор Nal(Tl) и CsI(Tl), активированные таллием (Т1).
Рис. 131. Счетчики
Гейгера-Мюллера:
/ — цилиндрический ft- или v-счетчик;
2 —торцевой; 3 — погружения; 4 —
цилиндрический с рубашкой для
измерения активности жидкостей; 5 -~
4п-счетчик, 6 — проточный
(внутреннего наполнения) для измерения
активности газов.
389
Интенсивность сцинтилляции Nal(Tl) пропорциональна
поглощенной энергии. Nal(Tl) очень гигроскопичен, что может
приводить к выделению I и порче препарата. Значительно лучше
монокристалл CsI(Tl), который широко применяют в гамма-
спектрометрической аппаратуре.
Усилители подключают в измерительную цепь тогда, когда
мощность импульсов в счетных трубках недостаточна для
приведения в действие регистрирующих устройств.
В качестве усилителей в радиометрической аппаратуре
применяют электронные ламповые триоды, полупроводниковые
усилители и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Дискриминаторы позволяют разделять импульсы по
величине их амплитуд, что дает возможность выделять излучения,
свойственные тому или иному радиоактивному элементу. Так,
можно отделить жесткое излучение ториевого ряда от более
мягкого уранового.
Счетчик-нуменатор состоит из электромагнита со счетным
механизмом, который соединен с циферблатом. Импульс
проходит через обмотку электромагнита, намагничивает
сердечник, который притягивает к себе подвижный якорь и
передвигает стрелки по циферблату. После прохождения импульса
якорь возвращается в исходное положение. Наиболее
распространенным является счетчик типа СИМ-17, СБ-1М.
Пересчетное устройство. Число импульсов может достигать
нескольких тысяч в минуту. Электромеханические счетчики не
в состоянии регистрировать такую высокую частоту.
Пересчетные установки ПС-64, М-ЗО-М с помощью
пересчетных каскадов передают на нумератор счетчика не все
импульсы, а каждый 2, 4, 8, 16, 32, 64-й. В последнее время
выпускаются счетчики декадные, регистрирующие 10-й и 100-й и
т. д. импульсы.
Питание детекторов в радиометрах идет от гальванических
батарей или от электросети. Питание от батарей отличается
стабильностью напряжения на счетчике, но требует
тщательного контроля за их износом.
Напряжение от сети довольно резко меняется в связи с
подключением различных приборов. Для стабилизации
напряжения, подаваемого на детекторы, используют выпрямители: для
газонаполненных счетчиков — ВСМ, ВСЭ, для низковольтных
галогенных —СВК-1 и для сцинтилляционных —ВСФ («Орех»)
и др.
РАДИОАКТИВНОСТЬ ПОЧВ И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Почвы обладают естественной радиоактивностью в связи
с содержанием радиоактивных элементов (уран, торий,
радий) или изотопов (калий, кальций, рубидий и др.).
Искусственная радиоактивность обусловлена поглощением
радиоактивных изотопов, образующихся при ядерных взрывах и при
промышленном использовании ядерной энергии, Из ни?с долго-
390
Живущие изотопы ■=—90Sr, I37Cs и 14С —имеют большое значение
в жизни почвы.
В накоплении и миграции естественных и искусственных
радиоактивных изотопов на земной поверхности определенную
роль играют растительный покров и свойства почвы. Так,
способность поглощать радиоактивные изотопы и
аккумулировать их в своих органах зависит от вида растений. Почвы
глинистые поглощают больше радиоактивных элементов, чем
песчаные. Высокая водопроницаемость почв обусловливает
миграцию этих элементов в профиле почвы и вынос их.
В почве определяют общую радиоактивность — отдельно р-
и Y-излучение. (3-излучение почвы преимущественно (70—90 %)
обусловлено активностью изотопа калия (40К), в меньшей
мере — урана и тория. Дает мягкое р-излучение также изотоп
рубидия (87JRb). у-излУчеыие испускают главные радиоактивные
изотопы почвы: 40К (около 26,3 % суммарного), U и Th
(соответственно 32,2 и 41,5 %).
В связи с низким содержанием в почвах радиоактивных
изотопов (JRa — 8 • 10~п, U — 1 ■ 10~4 Г/Г) естественная
радиоактивность их слабая, за исключением районов залегания руд
и районов «выпадений», причем радиоизотопы «выпадений»
(90Sr, 137Cs) сосредоточены в основном в поверхностном слое
почвы (0—5—10 см). Из почвы радиоактивные вещества могут
поступать в растения, а из них и в животные организмы. Это
обстоятельство и обусловливает необходимость
систематического контроля за радиоактивностью почвы.
При определении радиоактивности почв форма почвенного
образца и его размеры (площадь, масса, толщина слоя)
должны быть одинаковыми. Во избежание ошибки, обусловленной
самопоглощением и саморассеиванием р-излучеиия препаратом,
для исследования берут тонкий слой почвы. Для 7"ИЗЛУ~
чения толщина слоя существенного значения не имеет.
Держатель (кассету) образца изготавливают из однородного
материала с одинаковой толщиной во всей емкости. Для
сравнительной оценки измерения проводят на одной и той же
установке, при одинаковом расположении образца по отношению
к счетной трубке и одной и той же кассете.
Взятые в поле образцы почвы по генетическим горизонтам
доставляют в лабораторию. Почву доводят до
воздушно-сухого состояния, измельчают в ступке, просеивают через сито
с отверстиями диаметром 1 мм. Перед определением
радиоактивности почву высушивают в термостате до абсолютно
сухого состояния. Навеску в кассете закрепляют в прободержа-
теле на определенном расстоянии от окошечка торцового
счетчика (установка Б-2) или счетную трубку помещают в
почвенный датчик (рис. 132). При слабой радиоактивности время
счета препарата и фона берут одинаковым, а фон определяют
до и после счета числа импульсов от почвы. При определении
естественной радиоактивности длительность счета от препарата
391
StE
У
и фона 30 или 60 мин, контроль
счета тройной. После счета
вычисляют среднее значение числа
импульсов от препарата (It) и фона /ф
за время t и вычисляют истинное
значение радиоактивности (/п):
в имп/мин
/ - 7* — 7Ф
Jn — ;
или в имп/мин «г
_ /г
/п =
/ф
Рис. 132. Установка для
определения радиоактивности
почвы:
/ — разрядный счетчик; 2 —
выпрямитель; 3 —почва; 4 — контейнер;
5 — распределительный блок.
t-m
где т — масса исследуемого образца в имп/
/мин «г.
Пример расчета. Пусть
количество импульсов от
исследуемой почвы составляет 3740
имп/мин, истинная активность —
имп/мин-г, фон — 40
3700 имп/мин.
Радиоактивность почвы можно выразить также в процентах
содержания радия или урана. Полученные показания имеют
относительный характер, их можно использовать для
сравнительной характеристики почвенных типов и различных
горизонтов одной и той же почвы.
Радиометрические измерения разделяются на
интегральные—измеряющие суммарное излучение (а, р или у) и
спектрометрические, учитывающие излучение отдельных изотопов
путем анализа их энергетических спектров.
Интегральные радиометры состоят из счетной трубки СТС-5
или СТС-6 (первая лучше считает р-излучение, вторая — у-
кванты). Блок БГС-2 — входной каскад преобразования слабых
электрических сигналов, которые здесь усиливаются и
поступают на блок счета. Он состоит из пересчетного устройства
ПС-64 и электромеханического счетчика. Под счетчиком
находится прободержатель, изготовленный из плексигласа,
в виде вытянутого прямоугольного четырехугольника без
лицевой стороны. В параллельных стенках его, с открытой стороны,
имеются пазы для закрепления кассеты с исследуемым
веществом. Кассета представляет собой пластинку из органического
стекла с углублениями цилиндрической формы (диаметр 24 мм,
глубина 5 мм).
В лабораторных условиях для жидких препаратов
изготавливают чашечки из фольги одинакового размера с кассетой.
В них можно выпаривать жидкости, поместив их на
специальном держателе под лампу инфракрасного излучения или
простую лампу с высоким накалом.
Проверка пересчетного устройства. Проверяют правильность
действия пересчетной установки. Прибор подключают в
положение «Проверка» и вычисляют импульсы «фона» или какого-
392
нибудь радиоактивного препарата при всех кратностях
пересчетной установки: 2, 4, 16, 32 и 64. Отсчет ведут в течение
2 мин, затем вычисляют среднее количество импульсов в 1 мин.
При проверке прибора и в процессе работы для точности
необходимо снимать со счетчика не менее 1000 импульсов.
Импульсы, не переданные в момент остановки счета на счетчик,
снимают с горящих неоновых ламп и прибавляют к общему
числу их (п).
Пример записи при проверке пересчетной установки
Контрольные
определения
1
2
4
Кратности
16
32
64
1 751X4+1 = 3005 187X16+8=3000
2 749X4+0=2996 187X16+13=3005
3 754X4+2=3010 187,5X16+13=3006
Среднее 3004 3004
Расхождения между количеством импульсов при всех
кратностях не должны превышать 2—3 %, большие
расхождения свидетельствуют о неправильной работе пересчетной
установки.
В пересчетной установке М-ЗО-М исправность тиратронов
проверяется по их миганию при включении. Если тиратрон не
мигает, а светится непрерывно или совсем не зажигается, то
он неисправен.
Определение рабочего напряжения трубки —«плато».
Разряды в трубке возникают только после некоторого предела
напряжения, который называют потенциалом зажигания. По мере
увеличения напряжения количество импульсов возрастает и при
некоторых значениях становится постоянным, после чего резко
•возрастает.
При определении «плато» на трубку подают напряжение
сначала 100 В, затем 200, 300, 400 и так до 1500 В. При
каждом напряжении отсчитывают импульсы и затем строят кривую
для данной счетной трубки. По оси ординат откладывают
число импульсов, по оси абсцисс — напряжение в вольтах
(рис. 133).
Горизонтальная часть кривой получила название «плато».
Плато показывает, при каком напряжении можно вести работу
на данном счетчике. В нашем случае для счетной трубки
СТС-6 плато располагается в интервале напряжения от 350
до 800 В. Для работы берут напряжение ближе !к .началу
плато — 400 В. Характеристику трубки можно снимать на
препарате и на фоне космического излучения, но это требует много
времени, так как для отсчета при каждой кратности со
счетчика надо снимать не менее 1000 имп/мин.
Определение фона. В атмосферу из мирового пространства
проникает радиоактивное излучение, которое как фон необхо-
393
2W\
2300\
2200
HOO
jm димо учитывать при точных определе-
гш\ ^ ниях. Импульсы фона вычитают из
общего числа полученных из излучаемого
препарата. При определении импульсов
фона на трубку подают рабочее напря-
А У — жение.
mamrnmm mi Поправка на самораспад
радиоактивного изотопа. В ряде руководства
приведена таблица коэффициента распада
Рис. 133. Характеристи- д- некоторых изотопов. При отсутствии
ческая кривая для счет- r r, r ^J
чика СТС-6 (кривая без ее величину К вычисляют с помощью
нагрузки). ур авнения
0.693 t
К=е Т ,
где е —основание натуральных логарифмов; tf —период времени, за который
определяется распад; Т — период полураспада'изотопа.
Пример вычисления. Период полураспада изотопа
60Со равен 5,32 года или 64 месяца. В начале опыта препарат
имел активность 400 имп/с. Требуется определить его
активность через 5 месяцев.
Коэффициент самораспада
0,693-/ _.
5
# = е г ; 1П к = 0,693- -i- = 0,0541
64
или, переходя к десятичным логарифмам,
lg К = 0,0541 • 0,4343 = 0,02350,
откуда К—1,056.
Через пять месяцев активность препарата уменьшится в 1,056
раза и станет равной
400 - = 379 имп/с.
1,056
Формула применима для определения коэффициента
самораспада любого изотопа.
В спектрометрических методах измерения используют
детекторы, амплитуда электрических импульсов которых на выходе
пропорциональна энергиям поглощенных частиц или квантов
излучения. При измерении у-спектров применяют
полупроводниковые детекторы и ионизационные камеры, а в
гамма-спектральном анализе сцинтилляционные и полупроводниковые
детекторы. В качестве приборов используют анализаторы разных
марок.
Главной характеристикой спектрометра является
разрешение спектральной линии
Д£
*-—•
где Д£ —ширина пика на половине его высоты; Е — энергия частицы.
§94
232
Th
Г 1
\1
230
1 Thdo)
c?x.. N-T
228 224
Th Ru
i
и
1
60
5(9
100
120 Ц0
Номер канала
a
Номер канала
6
Рис. 134. Альфа-спектры изотопов урана (а) и тория (б).
При непрерывном фоне распределения импульсов
выделяются пики полного поглощения энергии квантов — фотопики.
Скорость счета имульсов по различным каналам дает
возможность определить присутствие радиоактивного элемента и его
изотопов, как это показано на рис. 134.
Для проведения спектрометрических измерений применяют
многоканальные анализаторы импульсов АИ 2516-6, АИ 1024,
АИ 4090 и др., работающие в комплексе со сцинтилляционными
полупроводниковыми и германиево-литиевыми детекторами.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
Радиоизотопные методы обеспечивают экспрессные
определения влажности и плотности почвы без таких трудоемких
операций, как взятие образцов, взвешивание и сушка. Они
позволяют наблюдать изменения влажности и плотности почвы в
одних и тех же объектах, не нарушая естественного сложения и
не изменяя ее состава. В настоящее время широкое
распространение получил нейтронный метод определения влажности и
метод рассеянного гамма-излучения для определения плотности
почвы. В ряде случаев применяют гаммаскопический метод
измерения влажности почвы.
Гамма-лучи, проходя через почву, частично поглощаются
твердой частью ее и водой. При постоянстве массы твердой
части почвы изменение интенсивности -у-излучения определится
в основном влагосодержанием.
395
Ослабление Y-лучей веществом подчиняется
экспоненциальному закону
1 = 10е-*,
где /о — интенсивность излучения в начальный момент, имп/мин; / — то же,
после прохождения через вещество; е — основание натуральных логарифмов;
\х — линейный коэффициент ослабления излучения веществом слоем /, см
(при определении влажности — водой, плотности почв.— почвой).
Коэффициент ослабления для воды (^Н20) вычисляют по
формуле
In Ip — In I
где h — интенсивность излучения в воздухе; / — интенсивность ^-излучения
после прохождения слоя воды толщиной /, см.
Толщину слоя /, если определено значение |лнао, можно
рассматривать как запас влаги в почве W в см. Тогда
1 = 10е-^,
откуда
In Io — In I
или, выражая запас влаги в мм,
^MM;=10.JEiojzi2l.
И-НоО
При другом способе расчета вначале определяют запас
влаги Wo в мм в данном слое почвы (метод сушки) и измеряют
соответствующее значение интенсивности излучения I через
установленные для определения влажности промежутки времени
t% определяют изменение содержания влаги:
И-НоО
Общий запас влаги в почве (в мм)
№общ==№0 + Л№-
Этот метод более точен и прост по сравнению с первым.
В качестве радиоактивного источника у-ъзпучтш
используется радиоактивный кобальт 2?С° с периодом полураспада
5,32 года.
Влажность почвы в лаборатории определяют,
просвечивая образец ^лучами. Препарат радиоактивного
кобальта помещают в свинцовый контейнер, через коллиматор
(щель) которого на изучаемый объект падает пучок лучей.
396
Сначала определяют коэффициент линейного поглощения
водой уизлучения (цн.,о)-
Над контейнером устанавливают цилиндрический сосуд, на
котором на высоте 10—20 см помещают счетную трубку,
соединенную с измерителем, и измеряют интенсивность уизлучения:
/о = 173 имп/с. В цилиндр наливают воду слоем в 5 см и
определяют интенсивность уизлучения;/=139 имп/с. Следовательно,
Нио '•
In 173 — In 139
==^0,044.
Затем повторяют определения при /==10 см и /=15 см и из
трех определений выводят среднее значение величины (цНй0)-
При определении влажности почвы необходимо сохранять
постоянный объем ее твердой фазы. Навеску абсолютно сухой
почвы в 1—2 кг загружают в сосуд цилиндрической формы,
под который подводят контейнер с G0Co так, чтобы пучок кол-
лимироваииых лучей проходил через центр цилиндра. Над
почвой устанавливают счетчик -у-квантов (рис. 135) и измеряют
интенсивность излучения 1о в воздухе. Изменяя влажность
взятого образца, определяют значение I при каждой степени
увлажнения.
Влажность в мм вод. ст. рассчитывают по формуле или
строят предварительно градуировочную кривую, где по оси
ординат откладывают имп/мин, а по оси абсцисс — влажность
в % или мм. Тогда в последующих определениях при
сохранении постоянной плотности почвы влажность определяют по
кривой на основании установленного числа импульсов.
Однако для массовых определений в лаборатории гамма-
скопический метод рекомендовать нельзя, он может быть
использован для специальных исследований.
Определениевлаж-
ности почвы в поле.
Гаммаскопический метод
применяют в стационарных
условиях, где в течение
всего периода измерений масса
почвы остается постоянной.
На панели прибора
расположены входной блок для
подключения счетной
трубки у квантов типа СТС-6—1,
тумблер для включения
напряжения, прибор,
контролирующий ПОСТОЯНСТВО на- рис# 13б. Схема установки для опре-
пряжения на счетной труб- деления зависимости между счетом у-
ке; электромеханический квантов и влажностью почвы:
ПТРТЧИК И СИСТема ЫеОНОВЫХ ' — изотоп «Со; 2-счетчик -у-квантов; з~
СЧегчик исиыема п^пиошл пересчетнып прибор; 4-сосуд с почвой; 5-
ЛаМП ДЛЯ учета ИМПУЛЬСОВ, свинцовый контейнер.
Пииои
оДо@Ао
397
к S
Рис. 136. Схема измерения влажности почвы в поле при вертикальном (А)
и горизонтальном (Б) просвечивании у-лучами:
1, 7 — в контейнере изотоп 60СО; 2 — металлическая трубка; 3 — стержень с
контейнером; 4, 5 — пересчетное устройство: 6 — счетчик ^-квантов.
не зарегистрированных нумератором, считающим каждый 64-й
импульс. Датчик прибора — изотоп кобальта в свинцовом
контейнере с узким коллиматором —прикреплен к металлическому
стержню. Для удобства погружения в почву датчика и трубки
используют обсадные трубы.
Влажность определяют следующим образом (рис. 136).
Контейнер с радиоактивным изотопом устанавливают в скважине
так, чтобы пучок коллимированиых лучей шел
перпендикулярно просвечиваемому слою почвы. Против датчика на той же
глубине в другой скважине устанавливают счетную трубку,
соединенную с пересчетной установкой. Исходную влажность в
изучаемом слое определяют методом сушки и вычисляют в мм
вод. ст. Измеренное излучение при этой влажности
соответствует I. Через установленный интервал времени определения
влажности (3—5 и более дней) вновь измеряют интенсивность
излучения (h) значения AW и Т^общ вычисляют по формулам.
Изменение горизонтального пучка у-лучей дает возможность
измерить влажность в любом слое почвы. Для этого на
изучаемой глубине устанавливают параллельно две трубы из
винипласта или другого материала (см. рис. 136, Б) на расстоянии
40—50 см друг от друга. В одну помещают источник
излучения, в другую —счетчик ^-квантов, присоединенный к
пересчетной установке.
Пример вычисления. Предварительно установлено, что
за)пас влаги в слое почвы 20 см равен 60 мм; интенсивность
398
измеренного излучения 1 = 17 363 имп/мин; после дождя
интенсивность -у-излучения уменьшилась и 1*= 16 542 имп/мин; (iH20==
= 0,04. Изменение влагосодержаиия:
ДУ=Ю- Ш17363-1П16542
0,04
№обЩ = 60 + 6,28 = 66,28 мм.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НЕЙТРОННЫМ ВЛАГОМЕРОМ
Нейтронный метод основан на преимущественном
рассеянии и замедлении быстрых нейтронов ядрами водорода,
входящего главным образом в состав воды. В результате этого
вокруг источника быстрых нейтронов, введенного в почву,
образуется поле медленных нейтронов. С повышением влажности
плотность потока последних увеличивается, а линейные
размеры поля уменьшаются. О плотности потока можно судить
по скорости счета медленных нейтронов, налетающих на
детектор.
По методическим возможностям и конструктивным
решениям нейтронные влагомеры подразделяются на глубинные
(скважинные), поверхностные приставные, поверхностные
штыревые и двухскважинные поверхностно-глубинные. Первые
состоят из блока излучателя (1), детектора (2), зонда (3),
датчика с кабелем (4), регистратора импульсов (5),
выдаваемых детектором; источника питания и контрольно-транспортного
устройства (рис. 137, а). При измерении зонд помещают в
заданную глубину и измеряют влажность в некотором объеме
почвы (6)—в форме эллипса. При измерении влажности в
поверхностном слое (в полуокружности п до глубины 15 см)
зонд укладывают на поверхности почвы (рис. 137, б).
Штыревой датчик (рис. 137, в), состоящий из блока излучателя (7)
и детектора (5), тоже измеряет влажность в поверхностном
слое на глубине излучателя плюс 10 см.
I 23» I
NSK
К
и
/
• с
и
>-'у
7 &
/
IF п
А
/
X.
\
^у
Рис. 137. Схемы нейтронных способов:
а — скважинные измерения глубинным зондом; б —измерения в поверхностном слое
приставным датчиком с расположением излучателя и детектора по поверхности почвы;
в — измерения в поверхностном слое штыревым датчиком; г — по двум скважинам; 1,
6' —блок излучателя; 2, 8 — детектор; 3 — зонд; 4— датчик с кабелем;
5—регистратор импульсов; 6 — объем почвы.
399
Измерения по двум скважинам (рис. 137, а) регистрируют
ослабление горизонтального нейтронного излучения между двух
вертикальных скважин (в одной находится излучатель, в
другой— детектор). Определяют влажность в слое просвечивания.
В настоящее время промышленность серийно выпускает
радиоизотопные поверхностно-глубинные плотномер ППГР-1 и
влагомер ВПГР-1. Влагомер разработан во ВНИИГИМе имени
Н. А. Костикова под руководством профессора В. А.
Емельянова. Приборы (по заказу) поставляет Киевское
республиканское отделение В/О «Изотоп».
ПОВЕРХНОСТНО-ГЛУБИННЫЙ ВЛАГОМЕР ВПГР-1
Влагомер ВПГР-1 (рис. 138) предназначен для единичных и
массовых определений объемной влажности почв и грунтов.
В отличие от выпускавшихся ранее НИВ-2 прибор измеряет
влажность в верхнем слое почв. У него меньше диаметр зонда,
активность источника, масса, длительность измерений. В
приборе обеспечена автоматическая остановка счета электронным
таймером, прямая индикация показаний регистратора
импульсов в цифровой форме.
Влагомер ВПГР-1 состоит из блока-источника быстрых
нейтронов (1) в виде стакана из нержавеющей стали, детектора
(2)—блока ПВИ с измерителем преобразования влажности
и счетчика медленных нейтронов СНМ-17,
усилителя-дискриминатора электрических импульсов (3) и преобразователя
высокого напряжения (4). Все выше перечисленные компоненты
прибора располагаются в зонде (5), который с помощью
кабеля КТШ-03 (6) соединяется со счетчиком СИП-1М (13).
Зонд размещается в обсадной трубе (7), которая
стыкуется с каналом УКТ.
Контрольно-транспортное устройство (УКТ) (11)
представляет собой тонкостенный дюралюминиевый цилиндр, имеющий
внутренний осевой канал. Часть канала, в которой хранится
источник излучения, находится в полиэтиленовом блоке (10)
для защиты оператора от излучения при транспортировке и
контроле работоспособности влагомера. В нижней части УКТ
имеется дополнительный горизонтальный канал А для
определения влажности по схеме, в верхней части расположен
указатель глубины введения зонда (12). На внешней поверхности
УКТ имеются две ручки (3), предназначенные для намотки
кабеля в транспортном положении, и фиксатор блока
источника (9).
Во внутренней части УКТ имеется отверстие, в котором
расположен разборный удлинитель, выполненный в виде штыря
(14).
Счетчик (СИП-1М) обеспечивает автоматическую
регистрацию импульсов, выдаваемых ПВИ, и его питание
стабилизированным низковольтным напряжением достоянного тока. Заре-
400
'С?
Рис. 138. Структурная схема влагомера ВПГР-1:
/ — источник быстрых нейтронов; 2 — детектор медленных нейтронов СНМ-17; Я —
усилитель-дискриминатор электрических импульсов; 4 — преобразователь высокого
напряжения, обеспечивающий питание детектора напряжением 1700 В; 5 — глубинный зонд;
6 — кабель; 7 — обсадная труба; А — горизонтальный канал для размещения блока
ПВИ при поверхностных измерениях; 8 — ручки УКТ; 9 — фиксатор блока источника
(БИ); 10 — полиэтиленовый блок; // — контрольно-транспортное устройство (УКГ);
12 — указатель глубины введения зонда; 13 — счетчик электрических импульсов СИП-1М;
14 — удлинитель; 15 — блок ПВИ в положении для поверхностных измерений; 16 —
блок источника (БИ).
гистрироваиные импульсы индуцируются на цифровом табло
в виде скорости счета импульсов в секунду. Длительность их
счета задается таймером: 1, 10, 30, 100 и 300 с.
В съемной крышке счетчика (13) расположен блок
питания, выполненный в виде кассеты, в которую вставляют восемь
гальванических элементов типа 373. В зависимости от схемы
измерения блок источника сочленяется с ПВИ при глубинных
измерениях или с удлинителем —при поверхностных.
Градуировочный график дается заводом-изготовителем
(рис. 139).
Абсолютная скорость счета импульсов (имп/с)
откладывается на оси у, а объемная влажность №об на оси х. Заводская
401
градуировка проводится по
дюралюминиевым трубам
внутреннего диаметра 38 мм,
внешнего — 40—42 мм.
Измерять можно в скважинах,
армированных другими
трубами, или без труб в
простой скважине. В таком
случае нужно провести
корректировку градуировочной
кривой, для чего берут
почву с низкой влажностью.
Скорость отсчета будет N\
(рис. 140) в условиях
заводской градуировки.
Затем зонд помещают в
используемую скважину,
скорость счета в точке а—N2i
в точке б при более
высокой величине N по
заводскому графику
соответственно N* и NA. Можно взять
и третью точку между а и
6—2. Таким образом, новая
градуировочная линия
пройдет по прямой аб.
Корректировать заводской график следует на почвах
засоленных. При однородном засолении корректировка аналогична
описанной. В случае разного засоления горизонтов градуировка
проводится для каждого из них при разных величинах Wy.
Измерение влажности. Перед измерением
необходимо проверить правильность соединения блоков и
работоспособность счетчика СИП-1М, руководствуясь инструкцией,
приложенной к прибору. В исправном счетчике цифровой отсчет
колеблется в пределах 781—783 имп/с. Исправность зонда
влагомера проверяется путем измерения скорости счета,
регистрируемой зондом в транспортном положении. Для этого ПВИ
соединяют с СИП-1М с помощью разъема, расположенного на
кабеле. При контрольных измерениях скорости счета NYKr в
помещении следует располагать УКТ не ближе 1 м от стен.
В полевых условиях контрольные измерения влагомера
следует проводить перед и после работы. Буром АМ-26 надо
заложить скважину и армировать ее дюралюминиевой трубой,
УКТ установить на обсадную трубу.
Поддерживая зонд за кабель или штырь, поворачивают
ключ на 90° и оттягивают на себя, затем устанавливают зонд
(или штырь) на заданной глубине по индикатору глубины.
Выбрав время измерения скоростей счета, измеряют
скорость счета импульсов N в почве так же, как и при нахожде-
1500
20 40 60 60 100
OfoeMucw блажнотьу %
Рис. 139. Градуировочный график
влагомера ВПГР-1:
i—для глубинных измерений; 2 — для по-
верхностных измерений при заглублении
источника нейтронов на 10 см.
402
мш
" с
BOO
h
BOO
400
200
/?
?
1A
'Z
w
I
I
I
I
. I.... I
У
/
io го
JO 40 50 Щ'Л
Рис. 140. Корректировка градуировочного графика
ВПГР-1 применительно к новым скважшшым
условиям:
/ — имеющийся график; 2 — скорректированный график.
нии NyKT. Время счета при глубинных измерениях следует брать
30—100 с.
По градуировочиому графику находят влажность почвы,,
соответствующую данной скорости счета. Если измерения
проводят на глубине 10 и 15 см, то в полученные по градуировочиому
графику результаты вводят поправку к W.
По окончании измерений выполняют следующие операции:
нажимают кнопку «Выкл» СИП-1М, поднимают зонд в УКТ до
упора и поворачивают его до совмещения риски 'на корпусе
ПВИ с меткой на индикаторе глубины, поворачивают ключ на
90° и вынимают его из УКТ, соединяют разъем ПВИ от
разъема «Вход» СИП-1М и наматывают кабель на ручки УКТ.
Размещение зонда на глубинах, меньших 30 см,
осуществляется только по меткам на кабеле. Для установки на глубине
30 см и более можно пользоваться как метками, так и
индикатором глубины. Метки наносят на кабель следующим образом.
Отмеряют расстояния от заводской метки «0» на кабеле,
соответствующие глубинам измерений 10, 15 см и т. д.
Закрепляют метку на кабеле любым доступным способом (краской,
алюминиевой проволокой, изоляционной лентой и т. п.).
Расчет влажности
Глубина измерения влажности, см Глубина погружения зонда, см
0—20
0—30
0—40
0—60
0—80
0—100
10
15
10,30
10, 30, 50
10, 30, 50, 70
10, 30, 50, 70, 90
403
По величине N на заводском градуировочном графике
определяют объемную влажность почвы. При определении влаго-
запасов верхнего слоя 0—20, 0—30 см зонд вводят в почву на
глубину 10 и 15 см соответственно.
Влагозапасы по слоям вычисляются по формулам
о WlQ + 2W30 -
#0-50 ^ — ЬММ,
хэ0«.в0= -о мм;
о
Во-мо = W1Q + 2WS0 + 2W60 + 2№90 -10 мм,
где W—объемная влажность на соответствующих глубинах.
Основные характеристики влагомера: диапазон измерений
Wv от 1 до 100%, погрешности при доверительной
вероятности 0,8—0,9±1,0—1,5 %, диаметр зонда 35,5 мм, скважины 40—
50 мм, питание сетевое и автономное от элементов типа 373,
температурные условия работы от минус-10 до 40 °С.
Для измерения влагозапасов на полях больших площадей
предварительно нужно установить точки наблюдения на
основании массовых данных с математической (статистической)
обработкой. Это дает возможность определить число
контрольных скважин при отсутствии таких данных. На визуально
выбранных типичных точках следует заложить три армированные
скважины.
ОБЛЕГЧЕННЫЙ НЕЙТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР
В ближайшее время планируется серийное производство
облегченного нейтронного влагомера, выполненного на основе
ВПГР-1 и отличающегося от него меньшими активностью
излучателя, массой и габаритами, глубиной измерения. В новом
влагомере дискретный счетчик импульсов заменен аналоговым
регистратором, что позволяет непосредственно считывать
величины объемной влажности со шкалы микроамперметра. На его
пульте имеется только один орган управления — тумблер
«Вкл.» — «Выкл.».
Основные технико-эксплуатационные данные облегченного
нейтронного влагомера
Диапазон измерений объемной влажности, % . . . 5—45
Случайная погрешность при доверительной
вероятности 0,9, об % 1,5
Время единичного измерения влажности, с .... 30—-60
Глубина измерений, м 0,15—-1,0
Диаметр штанги-зонда, мм 35,5
Питание автономное от аккумуляторной батареи
напряжением, В 13
Температурные условия эксплуатации, °С .... 5—50
Масса, кг 4,0
404
Рис. 141. Схема облегченного влагомера:
) —пульт (вид сверху, крышка снята); 2 — пульт с крышкой; 3 —
штанга-зонд; 4 — кабель; 5 —счетчик СНМ.-17; 6 — излучатель; 7 —
полиэтиленовый блок биологической защиты.
Облегченный влагомер (рис. 141) в отличие
от ВПГР-1 имеет штанговую конструкцию зонда
(шаг 5 см) и предназначен для глубинных
измерений. Поэтому при определениях в верхнем 30-
сантиметровом слое вводят поправки.
Единичное измерение этим влагомером
несколько продолжительнее, чем ВПГР-1. Однако общие
затраты времени на получение конечного
результата у обоих приборов примерно одинаковы, так
как со шкалы облегченного прибора информация
считывается непосредственно в единицах
влажности.
Влагомер кабельной модификации при той же
массе будет работать и на глубинах до 6 м.
«,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЮ
Радиоизотопными методами определяется плотность почвы
в естественном сложении, быстро и с высокой точностью. Они
позволяют контролировать естественное изменение состояния
цочвы во времени, а также после воздействия ходовых частей
комбайнов, тракторов и машин.
Гаммаскопический метод используют для послойного
определения плотности почв и грунтов в лабораторных условиях. Он
основан на ослаблении интенсивности пучка гамма-квантов при
прохождении его через слой вещества, пропорционального
плотности.
В зависимости от геометрии измерения различают
абсолютный гаммаскопический и гамма-гаммаскопическнй метод.
В абсолютном гаммаскопическом методе регистрируют
нерассеянные -у-кваиты. Для этого либо коллимируют излучение
применением свинцовых или вольфрамовых
экранов-коллиматоров, либо при использовании сцинтилляционных детекторов
подавляют регистрацию рассеянных уквантов
радиотехническими приемами.
Установлено, что линейный коэффициент поглощения 7-кван-
тов почти прямолинейно зависит от плотности пород.
Исследуемый образец помещают между источником 7"из"
лучения и датчиком импульсов и просвечивают у-лучами. Во
влажной почве интенсивность I параллельного пучка ^-квантов
уменьшается согласно уравнению
I = I0 e — (\indv + |xBWV),
где м-п и м»н 0— массовые коэффициенты ослабления излучения / почвой
и водой; dy и Wv — плотность почвы и объемная влажность ее.
405
Соответственно плотность (г/смд) влажной почвы
dVh~dv + Wv.
Величина коэффициента ослабления интенсивности
излучения почвой (\iu) и водой (|лв) зависит от характера источника
Y-квантов:
босо 0,057 0,063
iaCs 0,075 0,087
При энергии у-излучения 0,5—3 Мэв отношение -^- =1,11 ,
следовательно, плотность влажной почвы (г/см3)
, lnlo —lnl _0tUW .
плотность сухой почвы (г/см3)
dyga InTo —lnl =_hUWvt
Пример вычисления плотности. Скорость счета
у-квантов в воздухе 10 = 8580 имп/мин; при просвечивании слоя
почвы 30 см 1 = 425; объемная влажность 0,25 г/см3. При
излучателе ^Со [Хн = 0,057. Плотность влажной почвы
0,1Ь0,25=1,72.
Ы-у в —
ь сухой
А..— -
In 8580 —In 425
0,057-30
почвы
In 850 — In 425
1,11-0,26=1,47.
0,057-30
Плотность чаще определяют по калибровочному графику,
на котором по оси ординат откладывают скорость счета /, по
оси абсцисс — плотность, причем интервалы градуировки 0—
10, 10—20, 20—30, 30—40 %.
Однако на практике из-за сложности коллимирующих
систем и радиотехнических схем его используют только при
необходимости тщательной послойной дифференциации изучаемого
объекта.
В настоящее время в практике используется полевой
почвенный поверхностно-глубинный р адиоизотопный плотномер
ППГР-1 серийного выпуска.
РАДИОИЗОТОПНЫЙ ПОВЕРХНОСТНО-ГЛУБИННЫЙ
ПЛОТНОМЕР ППГР-1
Основной принцип действия плотномера ППГР-1 (рис. 142) —
рассеяние и поглощение у-излучения источника твердой фазой
почвы, причем ослабление у-излучения пропорционально плот-
406
Рис. 142. Внешний вид
плотномера ПГТГР-1,
ности почвы. По техническим и экономическим показателям
прибор превосходит ранее изготовляемые отечественные и
некоторые зарубежные плотномеры.
На ППГР-1 измеряют плотность пахотного слоя и на
глубине 1—5 м в пределе 0,80—2,00 г/см3 с точностью ±0,06—0,04,
что вполне приемлемо для полевых определений. Активность
источника у-излучения в 15 раз меньше по сравнению с
предыдущими гамма-плотномерами.
Основные узлы плотномера. Блок источника (БИ) y-H3JIY-
чения типа ИГИ-Ц-ЗТУ-957204—76 с изотопом цезия 137.
Мощность экспозиционной дозы его на расстоянии 1 м —
5,9-10"12 А/кг. В транспортном положении на поверхности
УКТ — 7,17-10"10 А/кг, на расстоянии 1 м от УКТ —0,215х
X 10~10 А/кг. Источник излучения надежно фиксируется в
контейнере, в целях безопасности его вынимают из контейнера
через нижнее отверстие.
Блок ППИ-1 состоит из детектора у-излучения, в качестве
которого используется Nal (T1) и фотоумножитель ФЭУ-67Б,
которые помещены в алюминиевый стакан и имеют экран из
пермаллоя. Блок включает усилитель дискриминатора,
обеспечивающий формирование стабильных по амплитуде импульсов
тока. Подключается блок к пульту кабелем К^ПМ-0,3.
407
0,3 1,2 16 2,0 2А
Плотность, г/см3
Рис. 143. Градуировоч-
ный график плотномера
ППГР-1:
/ — для глубинных
измерений; 2 —для поверхностных
измерений при заглублении
источника v-излучения на
20 см.
Зонд состоит из блока (БИ) и ППИ,
имеет форму стакана. В нем закреплен
излучатель и свинцовый экран. ППИ —
герметический цилиндр со сциитилляци-
онным детектором, свинцовым экраном
и преобразователем высокого
напряжения.
Счетчик СИП-1М выполнен в виде
отдельного переносного прибора. Он
обеспечивает выдачу постоянного
стабилизированного напряжения питания
для работающих с ним в комплексе
измерительных преобразователей и
регистрацию счета импульсов — N.
Длительность измерения зависит от числа
импульсов, поступающих на вход счетчика:
до 105 с-* — 1 с, 104—10—30 с, 103—30—
100 с.
Обычно для почв длительность счета
10 или 30 с в трехкратной повторное™.
Из результатов измерений определяют среднее число
импульсов в секунду.
Питание прибора автономное — от восьми элементов
типа 373 ГОСТ 12333—74 или четырех сухих батарей типа
3336 Л с напряжением 12 В.
При лабораторных измерениях можно пользоваться сетевым
переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц при
помощи блока низковольтного питания типа БПН-2 с надежным
заземлением.
Контрольно-транспортное устройство — КТУ
состоит из контейнера — цилиндра со свинцовым экраном
внутри, который защищает оператора от ионизирующего
излучения. Контейнер имеет две ручки, используемые для намотки
кабеля, переноски прибора и в качестве подставки при
горизонтальном расположении ППИ-1 для измерения плотности
почвы с поверхности. Контейнер снабжен шкалой-индикатором
глубины погружения, внутри его имеется зажим для фиксации
(закрепления) ППИ-1. КТУ ППГР-1 аналогично КТУ ВПГР-1,
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ
Перед измерением проверяется исправность основных узлов
измерителя —ППГР-1 так же, как и при определении
влажности прибором ВПГР-1.
При глубинном измерении плотности в почве в намеченных
точках закладывают буром скважины, которые армируют
трубами из дюралюминия. При этом блок источника излучения
и преобразователь излучения ППИ сочленяют, образуя зонд
прибора, который вводят в скважину на нужную глубину.
408
ППГР-i измеряет плотность от 0—0,3 м и до Б м по разным
глубинам. Со счетчика СИП-1М снимают отсчет N импульсов
в почве.
В случае наличия естественной радиоактивности почв
вводят поправку. Для этого по каждой измеренной глубине
учитывают скорость счета почвы с одним ППИ (зонд без блока
источника) и полученную скорость (Л^) вычитают из отсчета
N. Истинный отсчет в почве — Nn=*N—No. Пользуясь
заводским градуировочным графиком, определяют плотность почвы
dy г/см3 на разных глубинах.
При измерении плотности почвы с поверхности блок
датчика вводят в скважину на глубину 15—20 см. При этом
измеряют усредненную плотность с поверхности почвы до 30 см —
N\. По этому отсчету, пользуясь графиком (рис. 143, кривая 2),
определяют плотность сухой почвы ненарушенного сложения*.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
При распаде родоначальиых радиоактивных элементов —
22eRa ThX (224Ra) и АсХ (223Ra) — в почвенный воздух
поступают инертные радиоактивные газы-эманации: радон (222Rn),
торой (220Rn) и актинон (219Rn). Из них 222Rn имеет период
полураспада 3,825 дня, торон и актинон — короткоживущие
радиоэлементы. У торона период полураспада 54,5 с, у актинона —
3,92 с. Концентрацию радиоактивных эманации выражают
в Бк/см3 (эман=1,(Н0кюри/л). Коэффициент эмаиирования Кэ
равен количеству выделившейся в почвенный воздух эманации
в % от образовавшейся при распаде в почве Th и U.
В почвах СССР радиоактивность почвенного воздуха
колеблется в пределе (0,2—1,8)-Ю"2 Бк/см3, коэффициент
эмаиирования Кв—10—70%. С увеличением пористости почвы Кэ
возрастает, а с увеличением плотности — уменьшается.
• Радиоактивность почвенного воздуха в поле и лаборатории
измеряют эманационным методом. Метод основан на том, что
радон, торон и актинон при распаде испускают сс-частицы,
сильно ионизирующие воздух. Сила возникшего при этом
ионизационного тока пропорциональна содержанию
радиоактивных элементов (подробнее см.: «Лабораторные работы по
радиометрии». Под ред. В. И. Баранова. МГУ, 1967).
* Материал по радиоизотопным приборам ВПГР-1, ППГР-1 и
облегченному влагомеру подготовлен сотрудником ВНИИГиМа Г. К. Спиридоновым
и обработан совместно с авторами учебника.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Абсолютная влажность 149
Абсорбция 259
Адсорбция 259
Адсорбционная емкость почвы 263
Альбедо 298
Альфа-распад 386
«Анатомирование» почвенного агрегата
86
Аппарат Варбурга 271
Ареометрический метод механического
анализа 22
Аэропикнометр 261
Б
Балансомер 298
Балансирный конус Васильева 116
Бета-распад 386
— Измаильского 146
— Качинского 147
— Некрасова 148
— Смертина 148
— Розанова 148
В
Вакуум-капилляриметр 107
— ВНИИГиМ 108
Верхняя граница пластичности см. нижняя
граница текучести
Влагоемкость 55
Влагопроводность 192
— объемная 192
— поверхностная 192
Влага завядания ПО, 111
Влажность 146
— завядания 166
— набухания 120
Водовместимость (полная влагоемкость)
171
Водопроницаемость почв и грунтов 218,
Водопрочность 57
— методы определения 59
Воздухоемкость 260
Воздухообмен 272
Воздухопроницаемость 264
Воздух
— сорбированный почвой 259
— свободный 258
Волюметр Виленского 101
Воронка Люндегорда 268
Высота капиллярного подъема воды 198
Г
Гаммаскопический метод 396
Гексаметафосфатный метод 11
Гидравлическая ценность 16
Гидравлический градиент 219
Гигроскопическая влажность 159
Гравий 18
Граница клейкости 114
Граница текучести
верхняя 114
нижняя 114
Гранула 5
410
Гранулометры 14
Гранулометрический показатель
структурности 62
Д
Давление набухания 120
Дезагрегация 9, 19
Дзета-потенциал см. электрокинетическнй
потенциал
Диапазон активной влаги 150
Динамометрический лом Захарова 143
Диспергация 6, 10, 47
Диэлектрическая проницаемость 366
Диффузионный газообмен 274
Диффузия 274
Е
Естественная остаточная намагниченность
375
3
Закон
— Дарси 219, 244
— первый Фика 274
— второй Фика 274
И
Игла-бур
— Вершинина и Поясова 279
— Ястребова 280
Изготовление шлифа
из крупных агрегатов 84
из мелких агрегатов 85
Изоомы 358
Ил 41
Испарение 207
Испаряемость 207
Испаритель
-ГГИ-500 213
— гидравлический 213
•—гидростатического взвешивания 214
— микроиспаритель 215
— Попова 212
— П-3 213
К
Калориметр 300
— Андрианова 301
Капиллярная кайма 201
Капилляриметры 176
Квадрупольное расщепление 379
Классификация
— Н. А. Качинского 43
— В. В. Охотина 44
Коэффициент
—влагопроводности 193
— внутреннего трения 132
— «дыхания» 271
— завядания 160
— порозности 105
— сдвига 132
— структурного сопротивления 330
— температуропроводности 310
— теплопроводности 307
— теплоусвояемости 316
— трения 126
— электроосмоса 333
Коагуляция 6
Конический пластометр 117
Кривая
— водоудерживания 196
— дифференциальная 42
—- интегральная 42
Криоскоп 184
Л
Лизиметры 233
Липкость 123
Лопата-твердомер Киквадзе 143
М
Магнитная восприимчивость 370
Максимальная гигроскопическая
влажность ПО, 159
Максимальная молекулярная влагоемкость
165
Международный метод «А»
Мелкозем G, 14
Мерз лотом ер Данилина 327
Метод Каминского 10
Метод ключей 4
Методы определения удельной
поверхности
адсорбция паров воды 48
визуальный микроскопический 47
геометрический 47
БЭТ 49
Кутелика 52
Дайела—Гендрикса 52
Ми тч ер лих а 52
Методы определения полного потенциала
почвенной влаги
криоскопический 183
психрометрический 189
гигроскопический 191
Механический состав почв б
Микропенетрометр 142
Моделирование процессов фильтрации 245
Мотобур 148
Н
Набухание 119
Нижняя граница пластичности 114
Номограмма 27, 317
Нейтронный влагомер 399
О
Общая влагоемкость
определение 169
Объемометр Крохииой 102
Объемная масса см. плотность скелета
почвы
Окислительно-восстановительный
потенциал 295
Оксалатиый способ диспергирования 10
Окультуренность почв 95
Определение влажности завядания
методом
вегетационным 167
обезвоживания 166
Определение влажности методом
адсорбционным 160
горячей сушки 152
горящего спирта 154
' ДИСТИЛЛЯЦИИ 151
— — — карбидным барометрическим 157
карбидным весовым 157
нерастворяющего объема 161
незамерзающей воды 164
пикнометрическим 156
спиртовым 156
сушкой инфракрасными лучами 154
. — холодной сушки 154
Определение водопроницаемости методом
заливаемых площадей 222
лизиметрическим 233
прибором ПВИ 226
полива опытных делянок 228
трубок 228
Определение испарения методами
водного баланса 210
лабораторными 209
на установке Дерягнна и
Мельниковой 209
полевыми 210
расчетными 208
теплового баланса 208
трубок 209
турбулентной диффузии 208
Определение капиллярно-адсорбционного
потенциала методом
мембранного пресса 180
тензиометрнческим 176
разрежения 183
Определение коэффициента фильтрации
методом индикаторов 238
Определение максимальной молекулярной
влагоемкости методом
высоких колонн 165
пленочного равновесия 165
центрифугирования по Лебедеву
165
Определение плотности скелета почвы
буровым методом 97
с помощью жидкости 100
песчаным методом 102
Определение плотности твердой фазы
почвы 89
заболоченных и торфяных почв
94
засоленных почв 93
незасолениых почв 91
Определение порозности почвы
— с помощью приборов 107
Определение фильтрации водойасыщенных
горизонтов методом
заполнения скважины водой 235
непрерывной откачки 236
Осаждение ила
— коагуляцией 21
— электрическим током 22
Отмучнвание частиц струей различной
скорости методом
Конецкого 16
Сабанииа 17
Шене 16
Относительная влажность 150
Относительная транспирацня 216
П
Песок
— крупный 18, 19
— средний 18, 19
— мелкий 18
— тонкий 18
Поверхностно-глубинный влагомер 400
Пикнометр 89, 90
Пирофосфатный метод 11
Пластическая прочность 119
Пластичность 114
Плотномеры 97
Плотность
— почвы в естественном ее состоянии 88
105
— скелета почвы 88, 95
— сложения 95
— сухой почвы ненарушенного сложения
см. плотность скелета почвы
— твердой фазы почвы 88
Поверхностная проводимость 329
удельная 330
Поглотители
— аммиака 283
— паров воды 283
— сероводорода 283
411
— углекислоты 283
Показатель нагреваемости почв 317
Порозность почвы 64, 105, 106
агрегатная 106, 110
активная 106
межагрегатная 106, 110
общая 109, ПО
отдельного агрегата 106
Поры
— аэрации 106, 198
— влагопроводящие 106, 198
— влагосохраняющие 106
— занятые прочно связанной водой 198
— инфильтрации 106, 198
Потенциал
— почвенной влаги 172
— протекания 356
Потенциометр 296
Прибор
— для измерения «дыхания» почвы 272
— Качинского для определения липкости
почвы 124
— Литвинова 129
— ПНГ 120
— Синеокова для определения
коэффициента трения 127
— Тима 242
— Эванса и Кирхама 264
-ЭГДА 250
Приведенная порозность см. коэффициент
порозности
Продуктивная влага 150
Профильная диаграмма 43
Прочность 54
Психрометр 189
рН-метр 296
Пьезометры 206, 244
Пыль 18
Р
Радиационный баланс 297
Радиоактивность почв 390
Радиоизотопный поверхностно-глубинный
плотномер ППГР-1 406
Растворенный почвенный воздух 259
Реометр 266
С
Связность 54
Сдвиг почвы 128
Седиграф 5000 Д 30
Скелетная часть почвы 6, 14
Скорость седиментации 29
Солемеры 350
Спектрометр ЯГРС 377
Стеклянный домик Макарова 269
Степень агрегатности 61
Степень (деформация) набухания 120
Структура почвы 53, 54
Структурность 53
Счетчик Культера 15
Т
Твердая фаза почвы и грунта 5
Твердомеры 135
-ВИСХОМа 135
— Качинского 138
— Ревякина 141
— Алексеева 142
Твердость 134*
Температурный коэффициент 300
Температуропроводность 310
Тензиометры 176 V»
— К. Н. Шишкова 176
-полевой АМ-20-11 178
— установка Московского
гндромелиорактивного института 180
Тепловое значение калориметра 301
Теплоемкость 304
— удельная массы 304
— объемная удельная 304
Теплота смачивания 300, 303
Теплопроводность 307
Термометры
— сопротивления 320
— ртутные 321
— электрические 321
— пахотные 322
термометр-щуп 323
Термопары 319
Точечный дистанционный
электротермометр 323
Турбулентный теплообмен 299
У
Усадка 122
Установка для определения
сорбированного воздуха по Соболеву 263
Удельная поверхность почвы
внешняя 47
внутренняя 47
Удельное сопротивление почвы 143, 338
Ультратермостат 306
Ф
Фактор
— дисперсности 61
— структурности 61
Физический «песок» 6
Физическая «глина» 6
Фильтрация 218
Формула
— Гарднера 193
— Гельмгольца—Смолуховского 329
— Жюрена 107
— Качинского для удельного сопротивле*
ния почвы 144
— Лапласа 199
— Стокса 28
— Ричардса 190
— Эркина 236
— Н. В. Щучкина для расчета тягового
сопротивления почвы при обработке
плугом 144
X
Хемосорбция 259
Хроматографы 288
ц
Циклограммы 42
Ч
Число (показатель) консистенции 117
Число пластичности 115
Ш
Шлиф 83
Э
Эвдиометр 263
Эквивалентный диаметр пор 107
Электрокинетический потенциал 328
Электронный захват 386
Электроосмос 333
Электропроводность 338
Электросопротивление твердых взвесей 14
Электрофоретическая подвижность 328
Эффект Мессбауэра 376
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ
Гранулометрический (механический) состав почв 5
Классификация гранулометрических элементов 5
Методы подготовки почвы к гранулометрическому анализу ... 7
Физические методы 7
Химические и физико-химические методы 9
Методы определения гранулометрического состава 12
Определение гранулометрического состава визуально и на ощупь 12
Принципы электрической гранулометрии 14
Гидравлическая гранулометрия 16
Ареометр ический метод 22
Гранулометрия на основе закона Стокса 28
Автоматический гранулометрический анализ на седиграфе ... 30
Определение гранулометрического состава по средней пробе в
стоячей воде. Метод пипетки 31
Способы выражения и использование данных гранулометрического
анализа ,42
Классификация почв и грунтов по гранулометрическому составу 43
Удельная поверхность почвы 47
Методы определения 47
Структура почвы 63
Морфологическая характеристика структуры 58
Методы изучения структуры 58
Микроагрегатный анализ 59
Коэффициент дисперсности и структурности 61
Методы определения водопрочности макроструктуры 62
Косвенные методы определения водопрочности агрегатов ... 72
Определение механической прочности агрегатов 78
Определение порозиости агрегатов 79
Плотность и порозность почвы 88
Плотность твердой фазы почвы и ее определение 88
Определение плотности твердой фазы почвы 89
Плотность скелета почвы 95
Техника работы 98
Плотность почвы в естественном состоянии 105
Порозность почвы и ее определение 105
Определение порозиости с помощью приборов 107
Определение дифференциальной порозиости методом расчета
но Качиискому НО
Физико-механические свойства почв и грунтов ИЗ
Пластичность 114
Определение верхней границы пластичности [Wi] 115
Определение нижней границы пластичности [W2] 116
Определение структурно-механических свойств коническим пласто-
метром Ребиндера 117
Набухание 119
413
Усадка 122
Липкость 123
Коэффициент трения 126
Сопротивление почв и грунтов сдвигу 128
Твердость и ее определение 134
Определение твердости приборами различной конструкции . . .135
Расчет удельного сопротивления и тяговых усилии по
твердости почв 143
Расчет тяговых сопротивлений комбайнов по твердости почв . . 145
ГИДРОФИЗИКА ПОЧВ
Влажность 146
Взятие образцов почвы на влажность 146
Способы выражения влажности 149
Непосредственный учет воды 151
Методы определения влажности. Методы сушки 152
Определение влажности по изменению концентрации реагента.
Химические методы 156
Гидрологические характеристики почвы 159
Прочно связанная вода 159
Рыхло связанная вода 164
Общая влагоемкость : 168
Определение общей влагоемкости в полевых условиях . . . .169
Водовместимость (полная влагоемкость) 171
Энергетическое состояние и передвижение почвенной влаги 172
• Потенциал почвенной влаги 172
Методы измерения потенциала почвенной влаги 175
Методы определения капиллярно-адсорбционного потенциала . . .176
Тензиометрические методы 176
Метод мембранного пресса 180
Метод определения потенциала путем разрежения 183
Определение полного потенциала почвенной влаги 183
Криоскопический метод 183
Психрометрический метод 189
Гигроскопический метод -. . 191
Влагопроводность 192
Зондовый метод определения коэффициента влагопроводности 193
Использование кривых водоудерживания для определения
гидрофизических и механических свойств почв 196
Скорость и высота капиллярного подъема воды 198
Теоретические расчеты 199
Определение высоты капиллярного подъема воды в полевых и
лабораторных условиях 201
Метод определения с помощью капиллярнметра 204
Определение гидрологических характеристик на почвенном монолите,
монтированном по Астапову 204
Методы измерения испарения воды из почвы , 207
Расчетные методы 208
Лабораторные методы 209
Полевые методы 210
Водопотребление растений 216
Водопроницаемость почв и грунтов 218
Методы определения водопроницаемости 222
Полевые методы 222
Лабораторные методы 240
Моделирование процессов фильтрации 245
Техника изготовления моделей 247
Техника определений . . 248
414
АЭРОФИЗИКА ПОЧВ
Метбды изучения воздушных свойств почв и состава почвенного воздуха 258
Физическое состояние почвенного воздуха 258
Воздушные свойства почв и методы их определения 260
Воздухоемкость 260
Методы определения воздухоемкости почвы 260
Выделение и учет адсорбированного воздуха 263
Воздухопроницаемость 264
Газообмен между почвой и атмосферой (аэрация) 268
Определение газообмена по содержанию СОг в приземном слое
воздуха 268
Воздухообмен в почве 272
Анализ почвенного воздуха 278
Метод вытеснения почвенного воздуха жидкостью 281
Определение состава почвенного воздуха 282
Методы определения состава почвенного воздуха 284
Определение растворенных газов в почвенном растворе 292
Аэрация почвенного раствора и окислительно-восстановительный
потенциал 295
ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ
Тепловые свойства почв и методы их измерения 297
Радиационный баланс 297
Тепловой баланс 298
Теплофизические характеристики почвы 299
Теплота смачивания 300
Теплоемкость и ее определение 304
Теплопроводность 307
Температуропроводность 310
Коэффициент теплоусвояемости 316
Температура почвы и методы ее измерения 318
Измерение глубины промерзания почвы 326
ЭЛЕКТРОФИЗИКА ПОЧВ
Электрокинетические свойства 328
Определение электрокинетического потенциала 328
Поверхностная проводимость 329
Электроосмос 333
Потенциал протекания : 335
Электропроводность и методы ее измерения 338
Методы измерения электросопротивления 329
Определение удельного сопротивления почвы и раствора с
помощью реохордного моста 343
Измерение электросопротивления на приборе ЭСК-1 346
Определение влажности по удельной электропроводности . . . 347
Электросопротивление и температура 348
Определение засоления по удельному сопротивлению почвы . . . 349
Полевые методы измерения электрического сопротивления почв и
естественных потенциалов 350
Метод микровертикального электрического зондирования (МкВЭЗ) 351
Метод горизонтального электрического профилирования (ГЭП) 356
Метод электрокаратажного профилирования (ЭКП) 359
Измерение р в почвенном разрезе 360
Измерение естественных потенциалов 363
Диэлектрическая проницаемость 366
Методы измерения е и tg б . 367
415
Магнетизм почв .... * ; 370
Измерение магнитной восприимчивости . 371
Определение магнитной восприимчивости почв, грунтов и горных
пород на приборе, изготовленном в ЧССР 373
Определение остаточной намагниченности 374
Естественная остаточная намагниченность 375
Спектроскопия ядерного и электронного резонанса 376
'Эффект Мессбауэра или метод ядерной гамма-резонансной
спектроскопии (ЯГРС) 376
Методы подготовки образцов и съемки спектров 381
Метод ЭПР-парамагнитный резонанс 384
РАДИОИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ
Радиометрические методы исследования почв и грунтов 388
Радиометрическая аппаратура 388
Радиоактивность почв и ее измерение 390
Использование радиоизотопных методов при исследовании
физических свойств почв 395
Определение влажности почвы нейтронным влагомером .... 399
Определение плотности по гамма-излучению 405
Измерение плотности почвы 408
Определение радиоактивности почвенного воздуха 409
Предметный указатель 410
Александра Федоровна Вадюнина,
Зинаида Алексеевна Корчагина
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
Зав. редакцией Е. С. М о н о в а
Редактор Н. И. Герасимова
Художественный редактор Б. К. Дормидонтов
Технический редактор Л. А. Бычкова
Корректор Н. Я. Туманова
ИБ № 5712
Сдано в набор 20.08.85. Подписано к печат 18.02.86. Т-02175. Формат
60x907i6. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл.
печ. л. 26. Усл. кр.-отт. 26. Уч.-изд. л. 27,95. Изд. № 169. Тираж 8000 экз.
Заказ № 2413. Цена 1 р. 20 к.
Ордена Трудового Красного Знамени ВО «Агропромиздат*, 107807, ГСП,
Москва, Б-53, ул. Садовая-Спасская, 18.
Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзпо-
лиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли. 191126, Ленинград, Социалистическая ул.; 14.