Полевые и лабораторные методы определения гранулометрического состава почв
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЧВ (Н.А.Качинский, 1965)
Классификация гранулометрических элементов
Гранулометрический (механический) состав почвы — 1) механический состав почвы, характеризующий относительное содержание в почве частиц различной величины; 2)весовое соотношение в почве частиц разного размера. Под частицами разного размера подразумеваются группы частиц, диаметр которых лежит в определенных пределах. Каждая из таких групп называется гранулометрической (механической) фракцией почвы.
Группировка механических элементов по размерам называется классификацией механических элементов. В нашей стране применяется классификация Н.А. Качинского.
| Название механических элементов | Диаметр механических элементов, мм | ||||
| Физический песок (> 0,01 мм) | |||||
| Камни | > 3 | ||||
| Гравий | 3–1 | ||||
| Песок крупный | 1–0,5 | ||||
| Песок средний | 0,5–0,25 | ||||
| Песок мелкий | 0,25–0,05 | ||||
| Пыль крупная | 0,05–0,01 | ||||
| Физическая глина ( 1 мм) с точки зрения водно-физических свойств не активна, инертна; она не способна удерживать влагу. Песок (d = 1,0–0,05 мм) обладает слабой водоудерживающей способностью. Пыль (d = 0,05–0,001 мм) очень хорошо удерживает воду и обладает хорошей водоподъемной способностью; ил (d Точные определения гранулометрического состава производятся на основании лабораторного анализа. В полевых условиях гранулометрический состав почвы определяют упрощенными способами: «органолептическим» — методом скатывания между пальцами, сухим (метод «зеркала») и мокрым растиранием. Определение может быть кратким (с учетом содержания физического песка и физической глины) и подробным (с учетом дополнительной характеристики по преобладающей фракции). Упрощенные полевые методы при наличии навыка и тщательном выполнении дают результаты, близкие к полученным в лаборатории с помощью приборов. В полевых условиях помимо сухого и мокрого растирания для определения гранулометрического состава применяют метод скатывания шнура, скатывания шарика, пробу ножом по стенке разреза, а на пахотных угодьях — по структурности пашни. Ниже приводится описание техники выполнения этих методов. 1. Сухое растирание (метод «зеркала»). Небольшой комочек воздушно-сухой почвы ( размером с горошину) растирают пальцами и высыпают на сухую ладонь. Почву втирают указательным пальцем в кожу, затем ладонь переворачивают и слегка встряхивают. На ладони остается так называемое «зеркало» за счет оставшихся в бороздках и порах кожи наиболее мелких частиц (фракции физической глины). По «зеркалу» определяют гранулометрический состав почвы. Рыхлые пески «зеркала» почти не дают; у связных песков оно слабое, редкое, но все же ясно заметное; у супесей — ясно заметное, но прерывистое; у легких суглинков — хорошее, почти сплошное и у средних суглинков — сплошное «зеркало». Более тяжелые по составу почвы трудно растирать пальцем в сухом состоянии. Обычно они имеют хорошо выраженную микроструктуру и поэтому могут показаться опесчаненными и даже дать прерывистое «зеркало», что ошибочно укажет на более легкий гранулометрический состав. Методом сухого растирания хорошо определять гранулометрический состав лишь песчаных, супесчаных и легкосуглинистых почв. С его помощью можно дать и дополнительную характеристику гранулометрического состава. Пылеватые почвы и породы при растирании дают ощущение мягкости или «бархатистости»; песчанистые — жесткости, шероховатости; пылевато-песчанистые — мягкости, но и явного присутствия песчинок ( более трех ). 2 . Мокрое растирание. Небольшую щепотку почвы смачивают водой и растирают на ладони . Рыхлые пески не оставляют почти никакого следа, связные — слегка загрязняют ладонь; супеси загрязняют ладонь сильнее; легкие и средние суглинки почти сплошь замазывают кожу, а тяжелые — сплошь; глины дают однородную мажущуюся массу.
3. Скатывание шнура (по Н. А. Качинскому). Почву смачивают и разминают пальцами до консистенции теста. В таком состоянии вода не отжимается, а почва блестит и мажется. Хорошо размятую почву раскатывают между ладонями и шнур сворачивают в колечко (толщина шнура около 3 мм, диаметр кольца около 3 см). Пески не образуют шнура; супеси дают зачатки шнура; у легких суглинков шнур образуется, но распадается на дольки; средние суглинки дают сплошной шнур, но при свертывании в кольцо он разламывается на дольки; шнур образуется сплошной, но при свертывании в кольцо трескается — тяжелый суглинок; глины дают сплошной шнур, который свертывается в кольцо, не трескаясь. Сильнокарбонатные почвы следует смачивать не водой, а 8-10 %-ной соляной кислотой для разрушения почвенной микроструктуры. 4. Скатывание шарика. Из сырой или смоченной размятой почвы скатывают шарик диаметром 2-3 см, который затем расплющивают в тонкую лепешку. У рыхлых песков шарик не образуется; у связных песков — легко крошится; у супесей — имеет шероховатую поверхность и при расплющивании распадается на куски; у суглинков — гладкую поверхность, при расплющивании глубоко растрескивается по краям; у глинистых — блестящую поверхность, причем у легкоглинистых — при расплющивании лепешка с незначительными трещинами по краям, а у средне- и тяжелоглинистых — без трещин. 5. Проба ножом. Лезвием ножа делают черту и срез почвы. Черта осыпается, поверхность среза шероховатая, иод ножом слышен треск — песчанистая почва; черта с разорванными краями от выпавших песчинок, поверхность среза шероховатая — супесчаная; черта ровная, шире лезвия ножа, поверхность среза ровная, матовая, под ножом треска не слышно — суглинистая; черта узкая, равна по ширине лезвию, срез гладкий, блестящий — глинистая почва. 6. Определение механического состава почвы по структурности пашни. Почвы разного гранулометрического состава обладают различной способностью образовывать структурные агрегаты. Наблюдая структурность недавно обработанных (заборонованных) участков, можно заметить, что рыхлопесчаные почвы состоят из раздельночастичной бесструктурной массы, связнопесчаные — имеют на поверхности отдельные комки, у рыхлопесчаных — комки занимают менее 1/3 поверхности, у связносупесчаных — до 1/2, у легкосуглинистых — около 3/4, у среднесуглинистых — вся поверхность покрыта комками размером от голубиного до куриного яйца, у тяжелосуглинистых и глинистых — комки покрывают всю поверхность и среди них встречаются глыбы до 10 и более сантиметров. Перед лабораторным анализом проводят подготовку образца, которая заключается в полном разделении почвы на элементарные частицы. Для этого почву растирают, обрабатывают кислотой (для удаления карбонатов) и щелочами, а затем кипятят. Подготовленную суспензию переносят в мерный цилиндр для отбора фракций. Лабораторные методы основаны на различной скорости осаждения фракций разного размера в стоячей воде. Скорость осаждения частиц пропорциональна их радиусу в квадрате. Сущность пипеточного метода заключается в том, что с помощью специальной пипетки с определенной глубины взмученной суспензии через определенное время берут пробы по 20. 25 см3. Пробы выпаривают в заранее взвешенных стаканчиках или чашках, высушивают и взвешивают. По массе фракций в каждой пробе рассчитывают гранулометрический состав почвы. При этом учитывают содержание таких цементирующих веществ, как карбонаты кальция. Почва, в которой содержится значительное количество карбонатов, обладает низкой водопроницаемостью, большой сопротивляемостью почвообрабатывающим орудиям и является тяжелой. Если же такую почву промыть кислотой (чтобы удалить карбонаты), то в результате анализа мы получим данные, указывающие на высокую водопроницаемость и легкую податливость обработке, то есть эта почва будет иметь совершенно иные свойства, чем природная. Источник Гранулометрический анализ методом пипетки по Н.А. Качинскому.1. Подготовленную одним из приведенных ранее методов навеску почвы используют для анализа. Для этого суспензию из колбы пропускают через сито с отверстиями 0,25 мм, которое устанавливают на стеклянной воронке, вставленной в мерный цилиндр объемом 500 или 1000 мл. почву на сите слегка протирают пальцем и промывают водой из промывалки. Нужно следить, чтобы воды в цилиндре не набралось больше метки. 2. Остаток с сита (частицы 1-0,25 мм) смыть в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и выпарить воду на этернитовой плитке, а затем высушить в сушильном шкафу при 105 0 и взвесить /Р/. 3. Объем суспензии в цилиндре доводят дистиллированной водой до метки и отсюда берут пробы пипеткой для определения механических элементов размером За минуту до истечения срока отстаивания цилиндр поставить под пипетку и осторожно опустить ее в цилиндр на заданную глубину. 6. По истечении времени, положенного для отстаивания, набрать в нее суспензию. После этого пипетку осторожно вынуть из цилиндра и суспензию из пипетки слить в заранее взвешенную фарфоровую чашку. После стекания пробы промыть пипетку небольшим количеством дистиллированной воды, сливая промывные воды в ту же чашку. 7. Взятую пробу выпарить на этернитовой плитке до полного высыхания, а затем высушить в сушильном шкафу при 105 0 до постоянного веса и взвесить на аналитических весах с точностью до 4-го знака после запятой. 8. Взяв первую пробу, суспензию в цилиндре снова взбалтывают и по истечении определенного времени берут вторую пробу и так далее. Время отстаивания отсчитывают после каждого взбалтывания. Доливать цилиндр водой после взятия проб нельзя. Расчет результатов механического анализа почвы. 1. Результаты взвешивания и расчет процентного содержания проб записывают в тетрадь (таблица) 1. Содержание крупного и среднего песка 91-0,25 мм) вычисляют по формуле:
где Р – количество крупного и среднего песка (в %); б – вес частиц (в г), оставшихся на сите; с – навеска почвы (в г), взятая для механического анализа4 н – процентное содержание фракции меньше 1 мм, которую определяют при ситовом анализе (смотрите ранее написанную методику); кГ – коэффициент гигроскопичности для пересчета на абсолютно сухую почву. 2. Последующие фракции механического состава вычисляют с учетом веса взятых пипеткой проб суспензии по формуле:
v – объем цилиндра в мл; Н – процентное содержание фракции меньше 1 мм, которую определили при ситовом анализе; кГ – коэффициент гигроскопичности; V1 – объем взятой пробы в мл; С – навеска почвы (в г), взятая для анализа; 4. Рассмотрим результат анализа на конкретном примере. Взято для механического анализа 10 г почвы (С=10г), общее содержание фракций меньше 1 мм = 88,5% (Н=88,5%), объем цилиндра равен 500 мл /V=500 мл/; коэффициент гигроскопичности равен 1,05 (кГ=1,05), объем суспензии в пипетке равен 25 мл (V1=25). Данные взвешивания проб и расчет процентного их содержания приведены нами в таблице. 5. После расчетов определяют процентное содержание фракций мелкого песка (0,25-0,05 мм), пыли (крупной, средней и мелкой) и ила. Чтобы студенты яснее могли представить принцип расчета, мы приводили схему, на которой указано, в состав какой пробы входит та или иная фракция. Крупный и средний песок – (1-0,25 мл) – остаток на сите. Мелкий песок (0,25-0,05 мм) – 88,5 % минус сумма всех остальных фракций – в нашем примере. Если в почве нет фракций крупнее 1 мм (т.е. вся почва прошла через сито с отверстиями 1 мм и в ней нет камней и гравия), то 100% минус сумма всех остальных фракций: Пример: (0,25-0,05 мм)=88,5 – (П1+Р) = 88,5 – (23,70+11,66)= Крупная пыль – 0,05- 0,01 мм Средняя пыль – 0,01 – 0,005 мм Мелкая пыль – 0,005 – 0,001 мм Ил — 0 | |||||
| 15 0 | 20 0 | 25 0 | 30 0 | ||
| 0,05 | 2,40 | 2 мин 29 сек | 2 мин 12 сек | 1 мин 57 сек | 1 мин 45 сек |
3.4 Микроагрегатный анализ почв по Н.А. Качинскому
Ход анализа. 1. На технико-химических весах взвесить 10 г почвы, которая была подготовлена для механического анализа, т.е. растертая резиновым пестиком и просеянная через сито с отверстиями 1 мм.
2. Навеску почвы переносят в колбу емкостью 500 мл и приливают 250 мл дистиллированной воды. Колбу закрывают пробкой и оставляют стоять на 24 часа.
3. После 24-х часов настаивания содержимое колбы встряхивают на ротаторе в течение двух часов.
4. Содержимое колбы переносят через сито с отверстиями 0,25 мм в литровый цилиндр (как при механическом анализе).
5. Остаток с сита (микроагрегаты 1-0,25 мм) смывают в предварительно взвешенную фарфоровую чашку, выпаривают воду, затем высушивают в сушильном шкафу и взвешивают.
6. Цилиндр доливают дистиллированной водой до 1 л, перемешивают и берут пипеткой пробы с тем же интервалом как и при механическом анализе, т.е. дальше выполняют анализ точно по методике механического анализа почвы, начиная с третьего пункта.
Определение коэффициента дисперсности и структурности почвы.
На основе данных механического и микроагрегатного анализов можно вычислить показатели дисперсности и структурности почвы, которые характеризуют потенциальную ее способность к оструктуриванию.
Однако необходимо отметить, что все формулы вычисления дисперсности и структурности могут быть применимы только к почвам тяжелого механического состава, начиная от средних суглинков и тяжелее. В песчанных, супесчаных и легко суглинистых почвах проведения этих определений не имеет смысла, т.к. эти почвы обладают благоприятными физическими свойствами и в бесструктурном состоянии.
Фактор дисперсности почвы, или степень ее распыляемости в воде, под которым понимают процентное отношение ила (частиц …. 0,001 мм) «микроагрегатного» к илу «гранулометрическому» определяют по формуле:
Источник
Сравнительный анализ методов определения гранулометрического состава почв
Цель исследования – сравнительный анализ результатов определения гранулометрического состава почв, полученных различными методами: полевым методом шнура, методом пипетки, а также регламентированными международным (ISO 11277:2009) и межгосударственным (ГОСТ 12536-2014) стандартами.
Исследования гранулометрического состава чернозема обыкновенного карбонатного показали, что причины несоответствий полученных результатов анализов одних и тех же почвенных образцов с использованием метода пипетки и ареометрического метода по ГОСТ 12536–2014 и ISO 1127762009, связаны исключительно с различными подходами к подготовке почвенных образцов к лабораторным испытаниям и, прежде всего, различным соотношением навески почвы и объема диспергатора.
Ключевые слова: гранулометрический состав, метод пипетки, ареометрический метод, классификация почв по гранулометрическому составу, чернозем обыкновенный карбонатный
Shkuropadskaya Kristina V., Pshenichnaya Alyona A., Boldyreva Veronika E., Morozov Igor V.
Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
The aim of the study is a comparative analysis of the results of determining the particle-size distribution of soils obtained by various methods: the field wet method, the pipette method, and also regulated by international (ISO 11277: 2009) and interstate (GOST 12536-2014) standards.
Investigations of the particle-size distribution for ordinary calcareous chernozems have shown that the causes of inconsistencies in the analyzes results of the same soil samples using the pipette-method and the areometric method according to GOST 12536–2014 and ISO 1127762009 are exclusively associated with different approaches to preparing soil samples for laboratory tests. First of all, the analyses data are depended on the ratio of the soil sample mass and the dispersant volume.
Keywords: soil texture, pipette-method, aerometric method, soil textural classification, ordinary calcareous chernozem
Введение
Гранулометрический состав, являясь одной из фундаментальных генетических характеристик почвы, определяет спектр исследований в области не только отдельных разделов почвоведения, связанных с изучением физических, химических, физико-химических свойств, процессов и режимов почв, но и учитывается при решении многих инженерных задач: мелиоративных, инженерно-геологических и инженерно-экологических.
Причем, в случае инженерных изысканий гранулометрический анализ почв и грунтов является обязательным. В свою очередь, обязательность выполнения того или иного анализа регламентирована соответствующими методами метрологии и стандартизации.
В случае гранулометрического состава сложилась парадоксальная ситуация: для решения научных задач российский исследователь вправе выбрать любой из имеющихся в почвоведении методов, а при решении инженерных задач только те методы, которые регламентированы межгосударственным стандартом «ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава» [1].
В настоящее временя в почвоведении отсутствуют стандартные методы, регламентирующие не только процедуру количественного учета фракций элементарных почвенных частиц (ЭПЧ), но весь этап подготовки почвенных образцов к анализу. Многочисленные литературные источники показывают, что результаты исследований, полученные при разных способах количественного учета ЭПЧ и подготовки почвенных образцов к анализу, могут существенно отличаться по содержанию отдельных фракций и даже целых групп фракций в одной и той же почве, что отрицательно сказывается на решении не только научных, но и прикладных задач.
При отсутствии стандартных методов у исследователей может сложиться ложное представление о том, что выходом из создавшейся ситуации является использование методов, регламентированных ГОСТ 12536-2014 [1]. Анализу ошибочности такого подхода и посвящена данная работа.
Цель исследования – сравнительный анализ результатов определения гранулометрического состава почв, полученных различными методами: полевым методом шнура, методом пипетки, а также регламентированными международным (ISO 11277:2009) и межгосударственным (ГОСТ 12536-2014) стандартами [1, 2].
Объект исследования
Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный слабогумусированный тяжелосуглинистый крупнопылевато-иловатый на желто-бурых лессовидных тяжелых суглинках (Ботанический сад, Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия). Изучение гранулометрического анализа проводили по следующим почвенным горизонтам: Апах (0—14 см); Ап/пах (14—45 см); В1 (45—60 см); В2 (60—80); ВС/С (80—137 см).
Методы исследования
Для определения гранулометрического состава чернозема обыкновенного карбонатного нами использованы международный (ISO 11277:2009) и межгосударственный (ГОСТ 12536-2014) стандарты, которые используют аналитические испытательные лаборатории в Российской Федерации. Для исследования использовали ареометрический метод [1, 2].
В качестве метода сравнения использован метод пипетки с пирофосфатным способом подготовки почвенных образцов к анализу, принятый в почвоведении, а также грубо-эмпирический (полевой метод шнура) для предварительной оценки гранулометрического состава исследуемых почв [3].
Гранулометрический состав ареометрическим методом проводят путем измерения плотности суспензии ареометром в процессе ее отстаивания. Для определения гранулометрического состава чернозема обыкновенного в обоих стандартах был один и тот же набор средств измерения и посуды.
При этом этап подготовки почвенных образцов согласно международному и межгосударственному стандартам существенно различаются (таблица 1).
Таблица – 1 Особенности подготовки почвенных образцов к гранулометрическому анализу по ГОСТ 12536-2014 и ISO 11277:2009
Подготовка почвенных образцов
к методу пипетки с пирофосфатом натрия [3]
Навеска средней пробы 3
1 см 3 25 %-ного раствора аммиака
25 мл буферного раствора гексаметафосфата натрия
20 см 3 пирофосфата натрия (Na4H2O7) для суглинков и глин
Кипячение, в час
Объем стабилизатора коагуляции, в см 3
Диаметр сита при переносе суспензии в цилиндр, в мм**
Объем суспензии для анализа в цилиндре, в л
*Примечание: Согласно международному стандарту ISO 11277:2009, требуется удаление легко- и труднорастворимых солей, а также органического вещества. Для разрушения органических остатков пробу оставляют на сутки, затем добавляют 30 мл 30% перекиси водорода. В нашем случае почва вскипает по всему профилю, из-за чего происходила бурная реакция, которую контролируют добавлением октан-2-олом. После 24 часов взвесь кипятили до исключения барботажа. Затем суспензию промывали водой до нужного нам значения электропроводности, доводя объем до 180–200 мл.
**Для каждого метода применяли различные классификационные шкалы ЭПЧ, согласно указанным в соответствующих стандартах (таблица 2), для метода пипетки использована классификация механических элементов Н. А. Качинского [3].
Таблица 2 – Набор сит с диаметром ячеек, применяемых при подготовке почвенных образцов к гранулометрическому анализу по ГОСТ 12536-2014 и ISO 11277:2009
Размер ячеек, мм
Согласно требованиям рассматриваемых стандартов, перед началом анализа в отобранных при естественной влажности почвенных образцах определены следующие показатели: плотность твердой фазы (или плотность частиц грунта), содержание органического углерода и гигроскопическая влажность (таблица 3).
Таблица 3 – Показатели гигроскопической влажности, плотности ЭПЧ и содержания органического углерода в черноземе обыкновенном карбонатном (Ботсад ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, Россия)
Источник