Определение плотности почвы плотности твердой фазы почвы

§ 1. Плотность и порозность почвы

Почва является гетерогенной многофазной дисперсной системой, состоящей из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Обозначим объём почвы как `V_t`, тогда `V_s`, `V_w` и `V_(air)` — это объёмы твёрдой, жидкой и газообразной фаз соответственно. Массы этих фаз обозначим как `m_s`, `m_w` и `m_(air)`. 1

Плотность твёрдой фазы почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к объёму твёрдой фазы: 1

Плотность почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к общему объёму почвы: 1

Плотность почвы это масса единицы объёма абсолютно сухой почвы в её естественном, ненарушенном состоянии. Плотность почвы является одним из основных, фундаментальных свойств почвы. Плотность почвы не является постоянной, а зависит от влажности почвы (в большей мере — для суглинистых и глинистых почв, в меньшей — для песчаных). 1

Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см 3 . Минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0.8 г/см 3 , хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0.1 г/см 3 . 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Общая порозность (пористость) почвы — это объём почвенных пор в почвенном образце по отношению к объёму всего образца: 1

Объёмная влажность почвы — объём воды, содержащейся в объёме почвы: 1

Порозность аэрации (воздухосодержание) — это разница между общей порозностью и объёмной влажностью почвы; объём, занятый воздухом: 1

В ряде случаев рекомендуется использовать величину, обратную плотности почв — отношение объёма почвы к массе этого объёма. Используя её, мы можем найти удельный объём пор почвы — отношение объёма пор почвы к массе твёрдой фазы почвы: 1

Нередко используют и коэффициент пористости (приведённую пористость) — отношение общего объёма пор в почве или грунте к объёму твёрдой фазы почвы: 1

Коэффициент пористости и удельный объём пор почвы полезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, почвенных деформациях, трещинообразовании и т.д. В почвоведении традиционно используется общая порозность почв `epsilon`. 1

Так как почвенный горизонт состоит из более мелких единиц — почвеных педов или агрегатов, можно выделить и объём пор агрегатов, их плотность и порозность. 1

Плотность агрегата — это отношение массы твёрдой фазы агрегата к его объёму: 1

Порозность агрегата — это отношение объёма пор агрегата во всем объёму агрегата: 1

Часто необходимо найти межагрегатную порозность — отношение объёма пор, находящихся в поровом пространстве почвы между агрегатами, ко всему объёму почвы. 1

Для нахождения межагрегатной порозности необходимо сначала найти величину суммарной агрегатной порозности — отношение объёма пор агрегатов ко всему объёму почвы: 1

Получив величину суммарной агрегатной порозности, можно рассчитать межагрегатную порозность: 1

Знание величин порозности важно для оценки состояния почвы. Так, в хорошо агрегированной почве основные запасы питательных веществ, микроорганизмов, влаги находятся внутри агрегатов и именно агрегаты обуславливают почвенное плодородие. Снижение агрегатной порозности является свидетельством ухудшения физического состояния почв. Основная функция межагрегатного пространства это проведение потоков веществ. В основном по межагрегатному поровому пространству происходит перенос воды и растворенных в ней веществ. Поэтому нередко указывают, что агрегатное пространство это хранилище основных почвенных запасов, а межагрегатное пространство это транспортные пути. Таким образом, функции этих частей порового пространства почвы во многом различны (накопление и постепенное расходование воды и веществ из агрегатной порозности, быстрый транспорт веществ в профиле почв по межагрегатной), поэтому при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы. 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Обозначения:
1. Поры «устойчивой аэрации»
2. Поры, заполняемые легкоподвижной водой
3. Поры, заполняемые среднеподвижной водой
4. Поры, заполняемые практически неподвижной водой (недоступной растениям)
5. > 0.3 мм
6. 0.3-0.06 мм
7. 0.06-0.03 мм
8. 0.03-0.01 мм
9. 0.01-0.003 мм
10. 0.003 мм) пор — около 2/3. Вниз по профилю снижается как общая порозность, так и доля крупных пор, зато возрастает доля пор, заполненных связанной водой.
Наименее благоприятны показатели порозности в горизонте `B_2` (60-90 см), что объясняется его оглиненностью и низкой биологической активностью.

Значение плотности и порозности почвы

Излишне уплотнённая почва препятствует росту корней, содержит малое количество пор (то есть имеет низкую порозность). При низкой порозности в почве содержится мало воды, а при выпадении осадков поры быстро заполняются водой, что приводит к недостатку воздуха. 1

Излишне рыхлая почва имеет слишком большое поровое пространство и корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. 1

Проблема создания пахотного слоя, оптимального по физическому состоянию, по плотности – одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы разрыхлить почву и не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. Это требует своевременного проведения агротехнических работ, обязательно связанных с распашкой почвы. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным. 1

Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное, или подпочвенное, уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение наблюдается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно: оно незаметно с поверхности почвы так, как видны, например, эрозия или поверхностное уплотнение. Анализ и прогноз этого явления тесно связан с оценкой физикомеханических свойств почв. 1

Таким образом, уплотнение как поверхностное, так и подпочвенное – весьма пагубное явление, неизменно сопровождающее интенсивное сельскохозяйственное производство. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно. С этим связан второй аспект проблемы – разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы несложно. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями. Но вот разрыхлить агрегаты – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы. 1

Методики определения плотности и порозности почвы

Источник

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ

Практические занятия

В колбу наливают около 250 мл дистиллированной воды, кипятят примерно 30 мин для удаления воздуха, растворенного в ней, и охлаждают до комнатной температуры.

В пикнометр (или мерную колбу) на 100 мл наливают прокипяченную и охлаждённую дистиллированную воду до метки, закрывают капилляром, вытирают фильтровальной бумагой, измеряют температуру воды. Затем пикнометр взвешивают на аналитических весах.

Образец почвы просеивают через сито с диаметром отверстий 1 мм. Из этого образца берут 9-10 г воздушно-сухой почвы и помешают в стеклянный стаканчик или в какую-либо другую тару. Одновременно берут навеску для определения гигроскопической влаги, если ее не определяли ранее.

Из взвешенного пикнометра выливают чуть больше половины воды и через воронку переносят в него навеску почвы. Воронку, не вынимая из пикнометра, ополаскивают небольшим количеством воды. Стаканчик, в котором находилась почва, снова взвешивают и по разности масс стаканчика с почвой и пустого стаканчика находят массу воздушно-сухой почвы, взятой для определения плотности твердой фазы.

Воду с почвой кипятят в пикнометре 30 мин для удаления воздуха, не допуская бурного кипения, доливая дистиллированной водой по мере выкипания до половины объема. При этом пикнометр капилляром не закрывают. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры, доливают прокипяченную и охлажденную воду до метки, закрывают капилляром, вытирают снаружи фильтровальной бумагой и взвешивают на аналитических весах. Нужно следить, чтобы температура пикнометра с водой и почвой и первоначальная температура пикнометра с водой были одинаковыми.

Плотность твердой фазы, г/см, вычисляют по формуле:

Источник

Определение плотности почвы плотности твердой фазы почвы

Плотность твердой фазы, согласно существующим в почвоведении представлениям, является одной из фундаментальных характеристик почвы, отражающей ее минералогический и химический составы. Точное определение данного параметра необходимо не только для достоверной оценки состава почвы, но и для расчета таких величин, как скорость падения элементарных почвенных частиц в жидкостях (например, при выполнении гранулометрического анализа методом пипетки) и пористость почвы. Методы изучения плотности твердой фазы основаны на определении объема, занимаемого твердой фазой, соответствующего объему вытесняемой жидкости. В качестве таковой используют полярные (дистиллированную воду, спирт) и неполярные жидкости с низким поверхностным натяжением (керосин, бензин, толуол и др.).

Выделяют две группы методов:

• Метод определения плотности твердой фазы незасоленных почв (с использованием полярных жидкостей).
• Метод определения плотности твердой фазы засоленных почв (с использованием неполярных жидкостей).

Цель нашей работы — изучение влияния различных способов подготовки образцов к пикнометрическому анализу в полярных и неполярных жидкостях на изменение плотности твердой фазы почв.

Объектом исследования был выбран чернозем обыкновенный (карбонатный) — один из зональных подтипов черноземов, доминирующий в почвенном покрове юга России. Чернозем обыкновенный карбонатный характеризуется существенным изменением объема при увлажнении, проявляя способность к набуханию и усадке. Эта его особенность явилась решающей при выборе объекта исследования, так как изменение объема вносит существенные коррективы в результаты определения плотности твердой фазы почвы. Почвенные разрезы закладывали на территории Ботанического сада Южного федерального университета.

Материалы и методы исследования

Определение плотности твердой фазы проводили с использованием дистиллированной воды (без СО2) и керосина пикнометрическим методом в десятикратной аналитической повторности. Подготавливали почву к анализу растиранием образцов резиновым и агатовым пестиками с последующим просеиванием через сита 1 и 0,25 мм соответственно. Выбор пестиков определяется различной твердостью материалов, из которых они выполнены и, соответственно, получаемого при истирании почвы размера зерен.

Проведена математическая обработка полученных результатов; в данной работе приводятся следующие показатели: М — средняя арифметическая величина, n — число наблюдений (определений), t_d — критерий Стьюдента (критерий оценки достоверности разницы), t_st — стандартное (критическое) значение критерия Стьюдента для данной выборки, которая определяется удвоением n, т.к. сравниваются два ряда наблюдений [2].

Результаты исследования и их обсуждение

Проведенные нами исследования показали, что величина плотности твердой фазы одного и того же почвенного образца зависит, с одной стороны, от способа его подготовки, а с другой стороны, от способа количественного учета, т.е. от свойств вытесняемой жидкости.

При этом следует обратить внимание, что в условиях Нижнего Дона определение плотности твердой фазы черноземных почв, а также грунтов в практике инженерно-геологических изысканий, проводят с использованием дегазированной дистиллированной воды. Подготовка образцов к анализу, как правило, проводится растиранием почвы или грунта резиновым пестиком с последующим просеиванием через сито 1 мм.

Этап подготовки образцов к анализу является не менее значимым по сравнению с количественным учетом, поскольку именно он определяет размер и форму зерен, их строение и особенности, например, наличие вновь образовавшихся сколов, степень микроагрегированности и др. Это, в свою очередь, в значительной степени формирует микросложение насыпного слоя почвенного порошка в пикнометре и может стать причиной искажения результатов анализа.

Исследованиями И.В. Морозова и И.Ю. Морозовой [6] установлено, что в настоящий момент в почвоведении нет единой точки зрения относительно способов подготовки почвы к анализу плотности твердой фазы. А соответственно, по мнению авторов, трудно ожидать получения сопоставимых результатов, поскольку на точность анализа и объективность получаемой информации будут влиять следующие факторы:

1. Наличие-отсутствие новообразований и включений.

2. Степень дисперсности анализируемого материала, в том числе соотношение ЭПЧ и микроагрегатов, которое во многом определяется способом растирания образцов и диаметром сита.

Проведенные нами исследования показали, что для образцов с размером зерна

Источник