ответы на предмет. 2. Методы исследований на ионномолекулярном уровне, уровне элементарных частиц, микро и макроагрегатов
 Скачать 114.89 Kb.
|
|
2. Методы исследований на ионно-молекулярном уровне, уровне элементарных частиц, микро и - макроагрегатов. Разделение на микро- и макроагрегаты (либо просто – агрегаты) было предложено К.К.Гедройцем и до сих сохранилось в отечественном почвоведении. Границей служит размер 0,25 мм. Разделение по фракциям больше этого размера – агрегатный анализ почвы, меньше – уже рассмотренный выше микроагрегатный анализ. Основной прием определения агрегатного состава – это просеивание почвы на ситах с известными диаметрами отверстий. Поэтому агрегатный анализ почв нередко называют ситовым анализом. Анализ этот хорошо известен, описан в ряде общедоступных руководств. Существует два основных способа ситового анализа почвы: в сухом состоянии (сухое просеивание) и в стоячей воде (мокрое просеивание). В первом случае навеска почвы (от 2500 до 500 г воздушно-сухой почвы) помещается на верхнее из набора сит со следующими диаметрами отверстий: 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0.5 и 0.25 мм, под которым помещается поддон. После равномерных встряхиваний и наклонов набора из стороны в сторону на каждом из сит собирают соответсвующую фракцию; взвешивают. В результате получают распределение фракций агрегатов по следующим размерам: >10 мм (остается на сите с диаметром 10 мм), 10-7 (на сите с диаметром 7 мм), 7-0.25 и <0.25 мм (собирается в поддоне). Содержание этих фракций следует рассчитать в процентном выражении, как отношение массы фракции к взятой навеске почвы. Для более полной характеристики агрегатного состава сухое просеивание рекомендуется сопровождать мокрым просеиванием почвы в стоячей воде, которое позволяет определить водоустойчивость агрегатов. Для этого из каждой полученной фракции берут пробу в граммах, равную половине ее процентного содержания. Не берут лишь фракцию менее 0.25 мм. В этом случае получится проба массой менее 50 г, в которой равномерно представлены все фракции агрегатов, кроме микроагрегатов (<0.25 мм). Расчеты же приводят на навеску 50 г. К микроагрегатам в физике почв относят почвенные агрегаты размерами <0,25 мм. Принципиальное отличие микроагрегатов от элементарных почвенных (ЭПЧ) частиц состоит в том, что микроагрегаты являются устойчивыми структурами при определенных внешних воздействиях, состоящими из ЭПЧ. В случае определения содержания микроагрегатов различного размера степень воздействия на почвенные агрегаты несколько ниже, чем в случае гранулометрического анализа. В частности, в этом анализе применяют значительно более слабые химические и физические воздействия для разделения крупных агрегатов на микроагрегаты. Навеску почвы (для песчаных почв – 20 г, для суглинистых – 10 г), взятую на аналитических весах (желательно с точностью до 0,0001 г) помещают в фарфоровую ступку, в которую по каплям доливают 25 мл 0,4%-го раствора пирофосфата натрия. Через 10 мин пробу почвы с прилитым пирофосфатом размешивают стеклянной палочкой в течение 3-х мин. Полученную пасту переносят в цилиндр через сито 0,25 мм. Оставшиеся на сите комочки почвы смывают из промывалки дистиллированной водой, переносят в тарированный бюкс, выпаривают на песчаной бане, высушивают в сушильном шкафе при 105 С0, и взвешивают на аналитических весах. Рассчитывают содержание фракции микроагрегатов размером >0,25 мм. Содержание остальных фракций определяют пипет-методом, аналогично определению этих фракций в гранулометрическом анализе. 3. Инструментальные методы определения базовых характеристик агрофизического состояния почвы. В настоящее время для определения плотности сложения почвы различными авторами предложен ряд методов (Качинский Н.А., 1965; Воронин А.Д. 1988). Наибольшее распространение получили метод и набор инструментов, разработанные Н.А. Качинским. На неутоптанной площадке (1×1 м) рядом с разрезом забивают в почву цилиндр-бур деревянным молотком, предварительно накрыв его плотной пластинкой из дерева или металла (10×10 см). После того как цилиндр полностью погружен в почву, его окапывают вокруг ножом, подрезают снизу под цилиндром и вынимают цилиндр из почвы. Почву в верхней и нижней частях цилиндра подрезают ножом вровень с его краями. Очищают от почвы наружные стенки цилиндра. Почву из больших цилиндров очень аккуратно без потерь переносят в полиэтиленовые мешочки, из маленьких – во взвешенные металлические бюксы. После этого снимают слой почвы, плотность которого определяли, выравнивают площадку на следующем почвенном горизонте и повторяют операцию. 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. При взятии пробы необходимо следить, чтобы цилиндр погружался в почву строго вертикально. В лабораторно-камеральный период практики производится просушивание почвы при 105 °С до постоянного веса. Зная массу, бюкса с высушенной почвой и массу пустого бюкса, находят массу абсолютно – или воздушно-сухой почвы. Затем, разделив массу сухой почвы на ее объем (объем кольца), получают плотность сложения почвы. Плотность твердой фазы почвы ρs или d – это отношение массы твердой фазы почвы (минеральные, органические и другие твердофазные частицы) к ее объему, т. е. – это масса твердых компонентов почвы в единице объема без учета пор (синонимы: удельный вес твердой фазы, собственно плотность). Плотность твердой фазы определяется пикнометрически, в двух повторностях. Этот анализ проводят в стационарных условиях в лаборатории. Пикнометр – это стеклянный мерный сосуд с узким горлышком, емкостью 50, 100 мл. Определение плотности твердой фазы пикнометрическим методом Ход анализа 1. Воздушно-сухую почву просеивают через сито в 1 мм и берут на технических весах навеску 10 грамм. 2. Чистый пикнометр заполняют дистиллированной водой, комнатной температуры. Вытирают снаружи фильтровальной бумагой и, держа его за горлышко (чтобы не нагревать рукой), ставят на технические весы и взвешивают с точностью до сотых грамма. 3. Отливают из пикнометра больше половины объема воды и через сухую воронку высыпают навеску почвы. Приставшие к стенкам воронки и горлышку колбы частички почвы из промывалки смывают водой в пикнометр, примерно до половины сосуда. 4. Подготовленный подобным образом пикнометр ставят на плитку и кипятят 30 мин. Отсчет времени берут с момента закипания, не допуская разбрызгивания, если начинает разбрызгиваться, убавить температуру. 12 5. После кипячения пикнометр охлаждают до комнатной температуры, доливают водой до метки, обтирают досуха фильтровальной бумагой и взвешивают на технических весах с точностью до сотых долей. Существует два основных способа ситового анализа почвы: в сухом состоянии (сухое просеивание) и стоячей воде (мокрое просеивание). Оба эти анализа предложены известным почвоведом-физиком Н.И. Саввиновым. Первым количественным показателем структуры является содержание воздушно-сухих агрегатов различного размера. Получается этот показатель благодаря рассеву воздушно-сухого почвенного образца в лаборатории на ситах с различным диаметром отверстий. Как правило, используют сита с диаметрами отверстий 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм, соединяя их в последовательный набор – от большего диаметра к меньшему. На верхнее сито с диаметром 10 мм высыпается предварительно взвешенный средний образец почвы, сита встряхивают, и агрегаты располагаются в ситах соответственно их размерам. Содержание каждой фракции легко можно рассчитать как соотношение этой фракции к взятой навеске. Естественно, что самые крупные агрегаты – глыбы и самые мелкие - пылеватая часть почвы, указывают на неблагоприятное агрофизическое состояние почвенной структуры. А агрегаты размерами 10–0,25 мм – самые важные, они придают почвенной структуре ее уникальный вид и определяют почвенное плодородие. Поэтому их и называют агрономически ценными. Содержание агрономически ценных агрегатов - важнейший показатель ее состояния: чем выше их содержание, тем лучше почва. Процедура ситового анализа в стоячей воде, мокрое просеивание, является обязательным дополнением при агрегатном анализе почв, так как позволяет охарактеризовать водоустойчивость (водопрочность) агрегатов. Для определения водопрочности 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. 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. Методика определения сопротивления пенетрации (твердости почвы). Определения сопротивления пенетрации проводят специальными приборами – пенетрометрами, которые ранее назывались твердомерами. В результате при использовании пенетрометров мы экспериментально определяем силу, которая необходима для внедрения штампа (конусного либо цилиндрического) в почву. Эту силу можно измерить с помощью пружины, как в пенетрометре МВ-2,такконструкции Н.А. Качинского. Значения регистрируемой силы F следует относить к постоянной площади цилиндрического или конусного основания штампа S, получая значения сдавливающего напряжения (или давления). Зависимость показания шкалы пенетрометра от придаваемой нагрузки линейная. Поэтому для пружинных пенетрометров (МВ-2 и Качинского) необходимо найти константу прибора К – величину напряжения сжатия (МВ-2) или растяжения (пенетрометр Качинского) на единицу шкалы h (Па/см или (кг/см2)/см, т.е. давление/длина). 4. Понятия и методы определения плотности сложения, агрегатного состава, водопрочной структуры. Плотность сложения ρb или dv (объемная плотность, объемная масса,объемный вес, удельный вес скелета почвы) – это масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы со всеми свойственными естественной почве пустотами или, другими словами, это масса единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии. В настоящее время для определения плотности сложения почвы различными авторами предложен ряд методов (Качинский Н.А., 1965; Воронин А.Д. 1988). Наибольшее распространение получили метод и набор инструментов (прил.1), разработанные Н.А. Качинским. На неутоптанной площадке (1×1 м) рядом с разрезом забивают в почву цилиндр-бур деревянным молотком, предварительно накрыв его плотной пластинкой из дерева или металла (10×10 см). После того как цилиндр полностью погружен в почву, его окапывают вокруг ножом, подрезают снизу под цилиндром и вынимают цилиндр из почвы. Почву в верхней и нижней частях цилиндра подрезают ножом вровень с его краями. Очищают от почвы наружные стенки цилиндра. Почву из больших цилиндров очень аккуратно без потерь переносят в полиэтиленовые мешочки, из маленьких – во взвешенные металлические бюксы. После этого снимают слой почвы, плотность которого определяли, выравнивают площадку на следующем почвенном горизонте и повторяют операцию. 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. При взятии пробы необходимо следить, чтобы цилиндр погружался в почву строго вертикально. В лабораторно-камеральный период практики производится просушивание почвы при 105 °С до постоянного веса. Зная массу, бюкса с высушенной почвой и массу пустого бюкса, находят массу абсолютно – или воздушно-сухой почвы. Затем, разделив массу сухой почвы на ее объем (объем кольца), получают плотность сложения почвы. В почве механические элементы находятся как в раздельно-частичном состоянии, так и соединенными между собой под действием различных сил в комки разной формы, размера и качественного состава, которые называют почвенными агрегатами. Совокупность агрегатов различной формы, размера и качественного состава называют почвенной структурой, а способность почвы распадаться на агрегаты при механическом воздействии — структурностью. Существует два основных способа ситового анализа почвы: в сухом состоянии (сухое просеивание) и стоячей воде (мокрое просеивание). Оба эти анализа предложены известным почвоведом-физиком Н.И. Саввиновым. Первым количественным показателем структуры является содержание воздушно-сухих агрегатов различного размера. Получается этот показатель благодаря рассеву воздушно-сухого почвенного образца в лаборатории на ситах с различным диаметром отверстий. Как правило, используют сита с диаметрами отверстий 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм, соединяя их в последовательный набор – от большего диаметра к меньшему. На верхнее сито с диаметром 10 мм высыпается предварительно взвешенный средний образец почвы, сита встряхивают, и агрегаты располагаются в ситах соответственно их размерам. Содержание каждой фракции легко можно рассчитать как соотношение этой фракции к взятой навеске. Естественно, что самые крупные агрегаты – глыбы и самые мелкие - пылеватая часть почвы, указывают на неблагоприятное агрофизическое состояние почвенной структуры. А агрегаты размерами 10–0,25 мм – самые важные, они придают почвенной структуре ее уникальный вид и определяют почвенное плодородие. Поэтому их и называют агрономически ценными. Содержание агрономически ценных агрегатов - важнейший показатель ее состояния: чем выше их содержание, тем лучше почва. Большое значение для характеристики почвы имеет водопрочность ее структуры — количество прочных, неразмываемых водой отдельностей. Наибольшей водопрочностью обладают агрегаты размером от 0,25 до 10 мм. Такие агрегаты образуют агрономически ценную структуру. Процедура ситового анализа в стоячей воде, мокрое просеивание, является обязательным дополнением при агрегатном анализе почв, так как позволяет охарактеризовать водоустойчивость (водопрочность) агрегатов. Для определения водопрочности 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. 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. 5. Гидрофизические свойства почвы. Методы изучения. Водными (водно-физическими, гидрофизическими) свойствами называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды в ее толще. Основными водными свойствами почвы являются влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность. 1) Влагоемкость – способность почвы поглощать и удерживать определенное количество воды. В зависимости от сил, удерживающих воду, влагоемкость дифференцируют на полную влагоёмкость, максимальную адсорбционную, максимальную молекулярную, капиллярную, наименьшую (или полевую). Полная влагоёмкость соответствует состоянию полной насыщенности почвы водой, когда ею заполнены все поры. Её величина зависит от пористости почвы и рассчитывается по формуле: W = P/d, где W – полная влагоемкость (в % от сухой почвы); Р – пористость (в % от объема почвы); d – плотность почвы (г/см3). Полная влагоёмкость почв обычно колеблется в пределах 40–50%. Максимальная адсорбционная влагоемкость – наибольшее количество прочносвязанной (адсорбированной) воды, содержащейся в почве. Максимальная молекулярная влагоемкость – это верхний предел содержания рыхлосвязанной (пленочной) воды, которая удерживается силами молекулярного притяжения на поверхности почвы. Капиллярная влагоёмкость – наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Наименьшая влагоёмкость (или полевая) – это наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое может удержать почва после стекания избыточной влаги при глубоком залегании грунтовых вод. С этой влагоёмкостью связано представление о дефиците влаги в почве, и по величине наименьшей влагоёмкости рассчитывают поливные нормы. Величина всех видов влагоемкости зависит от механического состава, структуры почвы, ее гумифицированности, и возрастает с переходом от легких почв к тяжелым, от бесструктурных к структурным, от почв с низким содержанием гумуса к почвам хорошо гумусированным. Определение полевой влагоемкости почвы. Для определения полевой влагоемкости (ПВ) на выбранном участке двойным рядом валиков огораживают площадки размером не менее 1x1 м. Поверхность площадки выравнивают и покрывают крупным песком слоем 2 см. Выполняя данный анализ, можно использовать металлические или плотные деревянные рамы. Рядом с площадкой по генетическим горизонтам или отдельным слоям (0—10, 10—20 см и т. д.) бурами берут образцы почвы для определения ее пористости, влажности и плотности. По этим данным определяют фактический запас воды и пористость почвы в каждом ее отдельном слое и в общей толще изучаемой почвы (50 или 100 см). Вычитая из общего объема пор объем их, занятый водой, определяют количество воды, необходимое для заполнения всех пор в изучаемом слое воды. Для гарантии полного промачивания количество воды увеличивают в 1,5 раза. Вычисленное количество воды равномерно подают на площадку и защитную полосу так, чтобы слой ее на поверхности почвы был толщиной 2—5 см. После впитывания всей воды площадку и защитную полосу закрывают полиэтиленовой пленкой, а сверху соломой, опилками или другим мульчирующим материалом. В дальнейшем через каждые 3—4 дня отбирают пробы для определения влажности почвы через каждые 10 см на всю глубину изучаемого слоя до тех пор, пока в каждом слое установится более или менее постоянная влажность. Эта влажность и будет характеризовать полевую влагоемкость почвы, которую выражают в процентах к массе абсолютно сухой почвы, в мм или м3 в слое 0—50 и 0—100 см на 1 га. 2) Водопроницаемость – способность почв впитывать и пропускать сквозь себя воду, поступающую с поверхности. Водопроницаемость может определяться временем, за которое вода проходит определенное расстояние по порам почвы сверху вниз. При поступлении воды в почву сначала происходит поглощение и прохождение ее от одного слоя к другому, ненасыщенного водой. Потом, когда почвенные поры полностью наполнятся водой, начинается ее фильтрация сквозь толщу почвы. Считается, что почва имеет хорошую водопроницаемость, если она пропускает за один час при напоре воды в 5 см и температуре 10 °С от 70 до 100 мм воды. Чрезмерно высокая водопроницаемость (от 500 мм до 1000 мм) обусловливает высокую фильтрацию воды за границы заселенного корнями слоя. И наоборот, чрезмерно низкая водопроницаемость (менее 30 мм) может привести к застаиванию воды на поверхности почвы, стоку ее по склону, смыву и размыву почвы. В полевых условиях для определения водопроницаемости в почву на глубину 5--10 см вдавливают металлический каркас размером 25 х 25 см или цилиндры. Вокруг каркаса врезают другой, но большей площади (50 х 50 см). Почву у стенок каркаса тщательно уплотняют. Внутри каждого каркаса устанавливают линейку для контроля уровня воды, в оба каркаса помещают термометры. Учитывают расход воды по внутреннему каркасу, а внешний выполняет защитную роль. Напор воды должен равняться 5 см. В первый час опыта расход воды учитывают через каждые 10 минут, во второй час - 30 минут, в третий и каждый последующий час - спустя 60 минут. Одновременно отмечается температура воды. В жаркую погоду делают поправку на испарение воды с поверхности. Для этого рядом с площадкой ставят сосуд с водой. По испарению воды с его поверхности, отмечаемому каждый час и рассчитанному на единицу площади, вносят поправку в показатели водопроницаемости почвы. Перед определением водопроницаемости с соседнего участка берут образцы почвы на влажность до глубины не менее 1 м. При каждом отсчете поглощенной почвой воды водопроницаемость определяют по формуле: К = (Q 10) / (ST), где К-водопроницаемость, мм воды в минуту; Q-количество впитавшейся воды, см3; 10 - коэффициент перерасчета воды, см3, мм вод. ст.; S - площадь учебной площадки, см2; Т- время опыта, мин. Полученные результаты приводят к температуре воды 10°С по формуле: К = (Kt) / (0,7 + (0,03 t)), где К10 - коэффициент водопроницаемости при температуре воды 10°С; полевой гумусовый почвенный Kt - коэффициент водопроницаемости при данной температуре; t - температура воды. 3) Водоподъемная способность – способность почвы вызывать восходящее перемещение воды посредством капиллярных сил. Они наиболее сильно проявляются в порах диаметром 0,1– 0,003 мм; более мелкие поры заполнены связанной водой. Поэтому водоподъемная способность возрастает от песчаных почв к суглинистым и снижается в глинистых. Водоподъемная способность определяется временем, за которое вода проходит определенное расстояние снизу вверх (это способность выпаривания воды) или высотой поднятия воды. Максимальная высота поднятия воды над уровнем грунтовых вод для песчаных почв составляет 0,5–0,8 м, для средних суглинистых почв – 2,5 – 3 м, для глины тяжелой – до 6 м. В структурных почвах капиллярная вода менее подвижна. Водоподъемную способность почвы определяют в лабораторных условиях. Для этого в штатив устанавливают стеклянные трубки диаметром 2,5—3 см (с сантиметровыми делениями и длиной 1 м). Нижние концы трубок обвязывают полотном. Каждую трубку заполняют исследуемой почвой, нижние концы трубок погружают в стаканы или ванночки с водой на глубину 0,5 см. зависимости от размера частиц, а отсюда и размера капилляров в почве вода с неодинаковой скоростью будет подниматься вверх. По изменению окраски увлажненной почвы в трубках следят за скоростью и высотой поднявшейся по капиллярам воды, отмечая ее уровень через 5, 10, 30 и 60 мин и далее через каждый час до прекращения подъема уровня. По 3—5 пробам почвы получают результаты ее водоподъемной способности. |