Методы исследования физических свойств почв
Лекция №9
Цель лекции: Определение физических, физико-механических, водных, воздушных тепловых свойств почв
Ключевые слова:плотность, пористость,влажность, набухание пластичность,липкость, связность
Вопросы:
1. Определение общих физических свойств почвы
2. Физико-механические свойства
3. Водные свойства и водный режим почвы
4. Воздушные свойства почвы
5. Тепловые свойства почвы
1. Определение общих физических свойств почвы
Физические свойства почвы связаны с ее дисперсностью (раздробленностью на отдельные частицы) и пористостью (степенью примыкания частиц почвы друг к другу). Благодаря дисперсности и пористости в почвах можно выделить три фазы — твердую, жидкую, газообразную, находящиеся во взаимодействии друг с другом. Наименее подвижная часть твердая фаза почвы и особенно минеральные частицы; более подвижные — органические вещества и еще более динамичные — жидкая и газообразная фазы. Поэтому физические свойства могут быть разделены на общие физические, физико-механические, водные, воздушные и тепловые.
К числу общих физических свойств почвы относят плотность, плотность твердой фазы почвы и пористость.
Плотность почвы — это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при температуре +4° С. Величина относительной плотности почв зависит от плотности входящих в нее частиц минералов и их соотношения, а также от количества органического вещества. Обычно плотность минеральных горизонтов почв колеблется в пределах 2,4—2,8, а органогенных от 1,4 до 1,8 (торф). Плотность верхних гумусированных горизонтов почв в среднем равна 2,5-2,6, нижних — 2,6-2,7.
Плотность твердой фазы почвы — масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженная в г/см 3 . Это одно из важнейших свойств, определяющих способность почвы пропускать и удерживать влагу, воздух, сопротивляться орудиям обработки почвы и т. д. Зависит от типа растительности, механического и минералогического составов почвы (дисперсности), сложения, оструктуренности и степени обработки почв.
Наименьшая объемная плотность обычно наблюдается в верхних горизонтах почв, наибольшая — в иллювиальных и глеевых горизонтах. Величина объемной плотности почв зависит от типа растительности.
Каждый вид растений способен поддерживать объемную плотность почв на том или ином уровне, т. е. в определенном интервале величин. Наиболее благоприятная для растительности величина объемной плотности верхних горизонтов почв колеблется в пределах 0,95—1,15 г/см . Предельной величиной характеризуются глеевые горизонты почв с максимальной объемной плотностью 2,0 г/см 3 . Если объемная плотность почв равна 1,6-1,7 г/см 3 , корни древесных пород практически в почву не проникают (при плотности почвы 2,66—2,70 г/см3), а сельскохозяйственные культуры снижают урожай в 3-4 раза.
Почву считают рыхлой, если объемная плотность гумусовых горизонтов равна 0,90-0,95, нормальной — 0,95-1,15, уплотненной — 1,15-1,25 и сильноуплотненной — более 1,25 г/см 3 .
Пористость (порозность или скважность) — суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы почвы. Ее вычисляют по плотности и объемной плотности почвы и выражают в % объема почвы по формуле. Различают несколько форм пористости, главнейшими из них являются капиллярная и некапиллярная. Капиллярная пористость обычно измеряется в лабораторных условиях и равна количеству воды, удерживаемому тонкими капиллярными промежутками между частицами твердой фазы почвы. Обычно чем больше глинистых частиц, тем больше капиллярная пористость. В оструктуренных почвах вода между комочками вытекает из-за большого размера пор, а в самих комочках удерживается в капиллярах. Разница между общей и капиллярной пористостью составляет некапиллярную пористость.
Наибольшая пористость (80-90%) наблюдается в лесных подстилках, травяном войлоке, торфах, т. е. органогенных горизонтах. В минеральных гумусированных горизонтах она равна 55-65%, в верхних безгумусных 45-55%, в нижних горизонтах почвы может быть ниже 45%. Минимальная пористость наблюдается в глеевых горизонтах почв и равна около 30%.
Для развития корневых систем древесных пород наилучшие условия создаются при пористости почв, равной 55-65%; при пористости 35-40% корни проникают в почву с трудом, а при пористости глеевых горизонтов она практически становится корне непроницаемой. Большое значение имеет некапиллярная пористость. Для наиболее освоенных корнями горизонтов она, как правило, более 10%; при снижении ее до 3% нижние горизонты почв становятся малодоступными для корней. Некапиллярная пористость обеспечивает проникновение воздуха в почву — аэрацию. Для нормального развития растений важно, чтобы почвы имели высокую капиллярную пористость и пористость аэрации не менее 20% объема почвы.
Источник
Методы определения воздушных свойств почв
Определение воздушных свойств почвы
Объём, занимаемый в почве воздухом, определяют буровым методом (Н. А. Качинский) или с помощью специального аэропикнометра.
Буровой метод. Цилиндром определённого объёма берут образец почвы с ненарушенным строением, определяют массу сырой почвы, влажность W, для вычисления массы сухой почвы, плотность скелета почвы Dv (объёмная масса), а также плотность твёрдой фазы почвы D (удельная масса). Отношение сухой почвы к её объёму в цилиндре даёт плотность почвы Dv. Удельная масса для конкретной почвы величина постоянная.
Расчёты ведут по следующим формулам
1. Объём цилиндра (образца почвы), см3
Где D – диаметр цилиндра, см; Н – высота цилиндра, см.
2. Масса абсолютно сухой почвы в цилиндре
Где Р – масса сырой почвы, г; Т – тара цилиндра, г; W – влажность почвы, % к абс. сухой.
3. Объёмная масса почвы, г/см3
4. Объём твёрдой фазы почвы в цилиндре, см3
Где d – удельная масса почвы, г/см3
5. Объём, твёрдой фазы почвы в цилиндре, %
6. Общая пористость, см3
7. Общая пористость, %
8. Масса воды в почве, г
9. Объём пор, занятых водой, см3
10. Объём пор, занятых воздухом, см3
11. Объём пор, занятых воздухом, % к объёму почвы
2. Определение воздухопроницаемости
Разработано несколько методов измерения воздухопроницаемости.
Манометрический метод основан на учёте времени T выращивания градиента давления в сосуде, соединном последовательно с почвой и атмосферой.
Прибор Эванса и Кирсама для измерения воздухопроницаемости поверхности почвы (рис).
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 внутри кольца заливают парафином 2. В сосуд 8 с термометром 6 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 8 и выпускают его в атмосферу (t2). Коэффициент воздухопроницаемости равен
Авторы предложили формулу для вычисления воздухопроницаемости Kb в единицах дарси. Дарси – объём (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.
Где 
– вязкость в паузах; V – объём сосуда; A – отношение радиуса трубки к радиусу кольца; P – атмосферное давление; h0 – высота столба воды в манометре перед опытом; h1 – то же, после опыта.
Определения в поле показали, что воздухопроницаемость поверхности почвы изменяется от десятых долей до 40 единиц Дарси и зависит влажности почвы и её окультуренности.
Этим прибором можно определить воздухопроницаемость по генетическим горизонтам, соответственно обнажив их, а так же в образцах почвы ненарушенного или естественного сложения, которые для этих целей следует брать в специальные цилиндры.
Более подробно о методах изучения воздушных свойств почв можно прочитать у А. Ф. Вадюниной, 1986.
3. Определения интенсивности аэрации
Интенсивность аэрации между почвой и атмосферой определяют косвенно – по количеству выделившейся из почвы углекислоты или другого газа и непосредственно – путём измерения количества проникшего и выделившегося из почвы воздуха – «дыхания» почвы.
Метод Штатнова. Биологическую активность почвы определяют косвенно по выделению СО2 почвой. В полевых условиях на поверхность почвы без растительности под колпак (стеклянный сосуд или эксикатор) ставят подставку, на которой устанавливают чашку Петри или широкий бюкс с 0,1 мольным раствором NaOH (поглотителем СО2). Раствор должен покрывать дно сосуда тонким слоем (10 – 20 мл). Одновременно для контроля рядом ставят широкий плоскодонный сосуд с 1 %-ным раствором H2SO4 слоем 0,5-1см для изоляции от внешнего воздуха. На подставке в него устанавливают сосуд с поглотителем, накрытый колпаком – изолятором. Через 1 – 2 часа раствор поглотителя сливают через воронку в коническую колбочку, ополаскивают воронку в фарфоровую чашку дисцилированной водой без СО2 (кипячёной в течение двух часов). Перед титрованием в колбочку прибавляют 1 мл 50 % раствора BaCl2 для связывания поглощённого CO2.
Пример расчёта. На 10 мл 0,1 молярного раствора щёлочи в контрольной пробе израсходовано 9,8 мл 0,1 молярного раствора HCl, а в опытном варианте – 6,4 мл. Следовательно, с изучаемой поверхности почвы за 3 ч на связывание СО2 израсходовано 3,4 мл NaOH, что соответствует
Г СО2.
Поверхность почвы в сосуде равна 500 см2. С площади 1 м2 выделится
С одного гектара – 1,496 кг за 3 г, за 1 г – 0,499;
за сутки – 0,5·24 = 12 кг.
Ревут И. Б. Физика почв / Ревут И. Б. – Л.: Колос, 1972. – 368с.
Николаева И. Н. Воздушный режим дерново-подзолистых почв / Николаева И. Н. – М.: Колос, 1970. – 100 с.
Воронин А. Д. Основы физики почв / Воронин А. Д. Основы физики почв / Воронин А. Д. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. – 244 с.
Вадюнина А. Ф. Методы исследования физических свойств почв / Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. – М.: Агропромиздат, 1986. – 416 с.
Источник
Метод определения воздушных свойств почв
ГОСТ Р 56157-2014
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МЕТОДИКИ (МЕТОДЫ) АНАЛИЗА СОСТАВА И СВОЙСТВ ПРОБ ПОЧВ
Общие требования к разработке
Soil. Procedures (methods) of analysis of composition and properties of soil samples. General requirements for development
Дата введения 2016-07-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Уральский научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «УНИИМ»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 25 «Качество почв, грунтов и органических удобрений»
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Сентябрь 2019 г.
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на почвы и устанавливает общие требования к разработке и пересмотру методик (методов) качественного и количественного анализа состава и свойств проб почв (далее — методики).
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 1.2 Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Порядок разработки, принятия, применения, обновления и отмены
ГОСТ 1.3 Межгосударственная система стандартизации. Правила и методы принятия международных и региональных стандартов в качестве межгосударственных стандартов
ГОСТ 1.5 Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Общие требования к построению, изложению, оформлению, содержанию и обозначению
ГОСТ 8.417 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин
ГОСТ 27593 Почвы. Термины и определения
ГОСТ 29269 Почвы. Общие требования к проведению анализов
ГОСТ ИСО/МЭК 17025 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий
Заменен на ISO/IEC 17025-2019*.
* Вероятно, ошибка оригинала. Следует читать: ГОСТ ISO/IEC 17025-2019. — Примечание изготовителя базы данных.
ГОСТ Р 1.2 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила разработки, утверждения, обновления и отмены
ГОСТ Р 1.4 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения
ГОСТ Р 1.5 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила построения, изложения, оформления и обозначения
ГОСТ Р 1.7 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила оформления и обозначения при разработке на основе применения международных стандартов
ГОСТ Р 8.563-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений
ГОСТ Р 8.568 Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения
ГОСТ Р 52361 Контроль объекта аналитический. Термины и определения
ГОСТ Р 54500.3 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения
ГОСТ Р ИСО 5725-1 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения
ГОСТ Р ИСО 5725-2 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений
ГОСТ Р ИСО 5725-3 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 3. Промежуточные показатели прецизионности стандартного метода измерений
ГОСТ Р ИСО 5725-4 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 4. Основные методы определения правильности стандартного метода измерений
ГОСТ Р ИСО 5725-5 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 5. Альтернативные методы определения прецизионности стандартного метода измерений
ГОСТ Р ИСО 5725-6 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике
ГОСТ Р ИСО 11095 Статистические методы. Линейная калибровка с использованием образцов сравнения
ГОСТ Р ИСО 11464 Качество почвы. Предварительная подготовка проб для физико-химического анализа
ГОСТ Р ИСО 14507 Качество почвы. Предварительная подготовка проб для определения органических загрязняющих веществ
ГОСТ Р ИСО 21748 Статистические методы. Руководство по использованию оценок повторяемости, воспроизводимости и правильности при оценке неопределенности измерений
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если изменен ссылочный стандарт, на который дата датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины, определения и сокращения
3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 8.563, ГОСТ Р 8.568, ГОСТ Р 52361, ГОСТ 27593, [1]-[3], а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1.1 качественный анализ состава [свойств] проб почв: Экспериментальное установление факта присутствия или отсутствия искомого компонента [свойства] в пробе почвы при заданном пороговом значении его содержания [наличия].
3.1.2 количественный анализ состава [свойств] проб почв: Экспериментальное определение значений одного или нескольких показателей, характеризующих состав [свойства] проб почв.
3.1.3 методика (метод) анализа состава и свойств проб почв: Документированная процедура, полностью описывающая процесс выполнения качественного и (или) количественного анализа состава и свойств пробы почвы, устанавливающая требования к его надежной и безопасной реализации, способы представления результатов анализа и контроль их качества.
1 Методики количественного анализа являются методиками (методами) измерений. При этом результаты количественного анализа, получаемые по ним, являются результатами измерений определяемых величин и должны сопровождаться установленными характеристиками погрешности или неопределенностью. Методики количественного анализа разделяют на эмпирические и рациональные.
Результаты измеряемых величин по эмпирическим методикам определяют через саму процедуру измерений, например при определении содержания подвижных соединений фосфора и калия и т.п.
Рациональные методики количественного анализа предназначены для получения результатов измерения величин, не зависящих в рамках установленной точности от процедуры измерений.
2 Методики качественного анализа обычно содержат измерительные процедуры и средства их реализации, но результаты качественного анализа не являются результатами измерений. Результаты качественного анализа принято сопровождать информацией об их достоверности. Методика качественного анализа может являться составной частью методики количественного анализа.
3 Методики регламентирует требования к необходимым для проведения анализа средствам измерений, стандартным образцам, оборудованию, материалам и реактивам, требования к условиям окружающей среды, операторам, требования безопасности и др.
3.1.4 проба почвы: Часть почвы, отобранная и, при необходимости, специальным образом обработанная в соответствии с документированной процедурой, а затем поступившая для анализа ее состава и свойств.
1 Приведенное определение соответствует понятию «лабораторная проба почвы».
2 Документированные процедуры, описывающие процесс отбора и подготовки проб почв, являются методиками отбора и подготовки проб почв, которые принято оформлять отдельными от методик (методов) анализа проб почв нормативными или методическими документами.
3.1.5 валидация методики (метода) анализа состава и свойств проб почв: Подтверждение на основе представления объективных свидетельств того, что методика анализа может быть применена для решения поставленной аналитической задачи в границах установленной номенклатуры объектов анализа.
Примечание — Валидация методики является многоэтапным процессом, включающим определение критериев валидации, оценку показателей эффективности (характеристик) методики, проверку того, что методика соответствует установленным критериям, и объявление о применимости методики для решения поставленной аналитической задачи.
нормативы качества почв: Показатели, характеризующие состав, строение и свойства почв, при которых они сохраняют способность выполнять свои функции.
3.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:
АС — аттестованная смесь;
ВО — вспомогательное оборудование;
ГХ — градуировочная характеристика;
ИО — испытательное оборудование;
СИ — средство измерений;
СО — стандартный образец.
4 Общие положения
4.1 Разработка методики, выполняемая компетентным персоналом, предусматривает проведение теоретических и экспериментальных исследований, в том числе валидационной направленности, и создание документа на методику.
4.2 Методики количественного анализа должны соответствовать метрологическим требованиям к измерениям, в том числе к точности измерений [1].
Источник