Физика почвы. (Качинский Н.А.) - часть 2

Применение агрофизических методов в полевых работах особенно ясно показало недостатки «порошковедения» школы Вольни. Делаются первые попытки изучения физических свойств почвы в образцах с ненарушенной структурой. Для этого конструируются специальные приборы — буры Н. Бурмачевского (1888), А. А. Измаильского (1894), П. Баракова (1903), И. Копецкого (1914) и др.

Изучение физических свойств почвы, преимущественно водного и теплового режимов, прочно вошло в программу работ существовавших и вновь открывавшихся опытных станций — Полтавской, Одесской, Ставропольской, Шатиловской, а позже Московской, Безенчукской, Саратовской и др., опытных полей — Херсонского, Донского, Темирского, Краснокутского и др., а также в программы кафедр земледелия и сельского хозяйства сельскохозяйственных институтов и университетов.

В предоктябрьский период наиболее крупные работы по химии и физике почвы были выполнены проф. Петербургского университета П. С. Коссовичем * и по физике почвы проф. А. Ф. Лебедевым **.

После Великой Октябрьской социалистической революции центрами развития агрофизики стали кафедра общего земледелия Петровской (ныне Тимирязевской) сельскохозяйственной академии (под руководством проф. А. Г. Дояренко) и отдел почвоведения Московской областной сельскохозяйственной опытной станции (под руководством проф. В. В. Геммерлинга и Н. А. Качинского).

А. Г. Дояренко и его ученики в динамическом разрезе изучали комплекс основных физических свойств и режимов почвы — водных, воздушных, тепловых, ее структуры и др. Для изучения этих свойств и режимов в поле и в лаборатории была предложена серия оригинальных приборов ***.

Н. А. Качинским впервые была показана и доказана необходимость изучения всех физических свойств и режимов почв со строгим учетом свойств генетических горизонтов почв и геологических напластований. Им же предложен ряд методов для изучения физических и физико-механических свойств почвы.

В период строительства совхозов и коллективизации сельского хозяйства резко возрастает спрос на почвенные исследования. Программа исследований расширяется. Наряду с картографическими работами требуется углубленная химическая и физическая характеристика почв.

В процессе выполнения крупных производственных работ выявились слабые места как в программе агрофизических исследований, так и в методах. Изучение физических свойств в так называемых

образцах почв с ненарушенной структурой во многих случаях не удовлетворяло производство. Если ранее мы говорили, что почвенные порошки не больше соответствуют полевой почве, чем опилки живому дереву, то и вырезаемые для исследования из почвы куски ее объемом в 100—200—500 см3, конечно, не передавали всех свойств «живой» почвы. Поэтому было выдвинуто требование изучать физические свойства, а тем более физические режимы почвы не только в образцах с ненарушенной структурой, но и в естественном залегании почв, в производственной обстановке.

В период Великой Отечественной войны физика почвы, как и почвоведение в целом, переключались на оборонную тематику. Новый расцвет почвоведения, а в его составе и физики почвы относится к периоду восстановления народного хозяйства, разрушенного войной, и к современному периоду перехода от социализма к коммунизму в нашей стране.

Организуются многочисленные экспедиции с обязательным участием агрофизиков в целях осушения заболоченных пространств и освоения болот, орошения засушливых территорий, выработки наиболее совершенной агротехники сельскохозяйственных культур, мер борьбы с эрозией почв, продвижения земледелия на север и др. Для осуществления этих работ нужны многочисленные кадры почвоведов-агрофизиков, поэтому в университетах, сельскохозяйственных, лесных и мелиоративных вузах вводятся курсы агрофизики. В Московском университете организуется специальная кафедра физики и мелиорации почв (1943). В крупнейших институтах — Почвенном им. В. В. Докучаева, Агрофизическом им. А. Ф. Иоффе, Всесоюзном институте удобрений, агротехники и агропочвоведения им. К. К. Гедройца организованы специальные лаборатории или секторы физики почвы.

Содержание работ по агрофизике значительно расширилось. Наряду с механическим, микроагрегатным и структурным составом почв, водными, воздушными и тепловыми свойствами и режимами, большое внимание привлекают физико-механические и технологические свойства почв, электрические, естественная радиоактивность.

Расширение содержания физики почв потребовало расширения и усовершенствования методов работ с использованием достижений современной теоретической механики, физики и химии, современной аппаратуры: рентгеноструктурного, спектрального и термического анализов, аппаратуры и методов для работы с мечеными атомами, с электронным микроскопом, камерами искусственных температур, с гидроплощадками, аэродинамическими трубами и т. д.

Во много раз выросли кадры агрофизиков Союза. Широкую известность, теоретическую и практическую значимость получили исследования в области агрофизики А. Ф. Лебедева, П. И. Андрианова, А. А. Роде, Ф. Е. Колясева, М. К. Мельниковой, А. Ф. Ва-дюниной и др. — по вопросам почвенной влаги; В. Р. Вильямса,

К. К- Гедройца, С. А. Захарова, А. Ф. Тюлина, Н. И. Саввинова, И. Н. Антипова-Каратаева, П. В. Вершинина, И. Б. Ревута — по вопросам структуры почвы; В. П. Горячкина, М. X. Пигу-левского, Н. В. Щучкина и др.— по вопросам физико-механики почвы и многие другие работы по разным разделам агрофизики. Подробнее мы коснемся их в специальных главах настоящего труда.

Повседневное участие почвоведов—физиков-мелиораторов в разрешении широких производственных задач, как покорение пустынь, освоение заболоченных территорий, использование полимеров для искусственного оструктуривания н мелиорации почв, выработка приемов агротехники в связи со скоростной вспашкой, борьба с эрозией, использование электричества для рассоления почв и др., позволит проверить теоретические основы агрофизики и методы агрофизических исследований и сделать обобщения для поднятия физики почвы на новую, теоретически высшую ступень.

В завершение этой главы отметим, что за истекшее время физика почвы успешно развивалась и в ряде зарубежных стран. В Англии на Ротамстедской опытной станции в 1913 г. был открыт специальный отдел физики почв. В США в ряде университетов открыты кафедры и лаборатории по этой специальности. По различным разделам физики почв развернуты или расширяются работы в Японии, ГДР и ФРГ, Австрии, Франции, Швейцарии, Швеции, Китае, Индии, Пакистане, Югославии, Венгрии, Чехословакии, Польше, Румынии, Финляндии и в других странах. Имена ученых-почвоведов из разных стран, прямо или косвенно способствовавших развитию физики почвы, приобрели международную известность. Это Родевальд, Митчерлих, Эренберг, Фагелер, Кубиеа, Янерт, Цункер — в ФРГ и ГДР; Кин, Робинзон, Рессел, Свен Оден, Скофильд, Гейнес — в Англии; Бриджмен, Гарднер, Букинхам, Таннер, Бевер, Ричардс, Буйякос, Киркхам — в США; Дарси, Демолен, Уден, Хенин — во Франции; Вигнер — в Швейцарии; Аттерберг, Маттсон — в Швеции; Маршалл — в Австралии; Пури — в Индии и Пакистане; Копецкий и Новак — в Чехословакии; Кирица — в Румынии; Сте-бут — в Югославии; Мусерович, Добжанский — в Польше; Зиг-монд — в Венгрии; Секера — в Австрии и многие другие.

За рубежом выпущен в свет ряд монографий по физике почвы. Среди них:

1. Handbuch der Bodenlehre, Herausgegeben von Dr. E. Blanck; Sechster Band; Die physikalische Beschaffenheit des Bodens. Berlin 1930.

2. Bernard A. Keen — The physical properties of the soil (физика почвы). London. New-York. Toronto, 1931. (Работа переведена на русский язык).

3. Gessner Hermann — Die Schlammanalyse. Leipzig, 1931.'

4. Vageler P.— Der Kationen und Wasserhaushalt des Mineralbo-dens. Berlin, 1932. Русское издание — Сельхозгиз, Москва, 1938.

5. Puri A. N. D. Siph D.— Soils, Their physics and chemistry. N.-Y., 1949.

6. Baver L. D.— Soil physics, New-York, 1940, 1948, 1956.

Эти работы, как и ряд других, с некоторыми критическими

замечаниями будут использованы нами при дальнейшем изложении курса.

Физика почвы как один из важнейших разделов почвоведения получила признание в международной науке. В международной ассоциации почвоведов (МОП) физика почвы представлена первой комиссией. Доклады этой комиссии на международных конгрессах почвоведов занимают одно из ведущих мест *.

Курс физики почв в настоящее время включает следующие разделы: механический и микроагрегатный состав почвы, удельные веса, скважность или порозность почв, учение о почвенной поверхности и поверхностной почвенной энергии, структура почвы, формы воды в почве, водные свойства и режимы почв, воздушные свойства и воздушный режим почв, тепловые свойства и тепловые режимы почв, электроемкость и электропроводность почв, радиоактивные свойства почвы, физико-механические свойства (твердость, коэффициенты трения, липкость, вязкость, пластичность, набухаемость, сдвиг, усадка), динамика физических свойств почвы.

В такой последовательности мы и рассмотрим эти свойства и отчасти режимы почвы, кратко обобщая отечественные и зарубежные исследования по этому разделу почвоведения.

ГЛАВА ВТОРАЯ

МЕХАНИЧЕСКИЙ И МИКРОАГРЕГАТНЫЙ СОСТАВЫ ПОЧВЫ

Механический и микроагрегатный составы являются одними из главнейших показателей при характеристике почв и грунтов в поле и в лаборатории. В соответствии с этим механический анализ — самый распространенный из анализов в почвенной и грун-товедческой практике. Данное обстоятельство диктует необходимость выработки согласованной методики анализа и классификации почв. В противном случае исключается возможность сопоставления исследований различных авторов, а также составления обобщающих сводок по этому вопросу, необходимых в почвоведении, геологии, географии, грунтоведении и других дисциплинах.

Особенно большие различия наблюдаются в методах подготовки почв к анализу, а также в технике разделения механических элементов и микроагрегатов почвы, что препятствует использованию при характеристике почв единой классификационной шкалы.

Стремясь устранить означенные недостатки, мы даем критический разбор наиболее известных в СССР и за рубежом методов механического и микроагрегатного анализов почвы и предлагаем ряд уточнений к ранее опубликованным нами рекомендациям по технике анализа и классификации почв по механическому составу.

Остановимся лишь на тех методах, которые являются логическими звеньями в развитии описываемого вопроса или сохранили теоретическую и практическую значимость в почвоведении и агрономии на сегодня.

Ограничиваем также свою задачу характеристикой в анализе механических фракций почвы от каменистой ее части до ила в суммарном его понимании, не останавливаясь детально на свойствах коллоидов *.

В книге, наряду со сводкой литературных данных, приводятся новые материалы, полученные за последнее десятилетие в лабораториях физики и технологии почв Почвенного института Академии

наук СССР и кафедры Фнзикн и мелиорации почв Московского государственного университета *.

Последовательно рассматриваем следующие вопросы: а) происхождение, свойства и классификация механических элементов почвы; б) подготовка почвы к механическому и микроагрегатному анализам; в) техника механического и микроагрегатного анализов; г) классификация почв по механическому составу; д) оформление данных механического анализа почвы; е) необходимая точность работы при механическом анализе почвы; ж) бонитировка почв по механическому составу.

Во всех случаях механический состав почвы, как и все другие физические ее свойства, должен изучаться в строгой приуроченности к генетическим горизонтам почвы, или к характеру геологических напластований.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЧВЫ И МИКРОАГРЕГАТЫ

В почвенной литературе дается ряд определений о механическом элементе почвы. К. К. Гедройц относит к механическим элементам «отдельные микро-, ультра- и амикрокристаллики» (1926). А. Ф. Тюлин (1936, 1950) и согласное ним И. Н. Антипов-Каратаев (1945) считают таковыми частицы (частицу), все элементы которых находятся в химической взаимосвязи. А. А. Роде (1931) вводит обязательное условие, чтобы все части механического элемента принадлежали к одной кристаллической решетке. В последнее понятие необходимо внести два уточнения. Первое сводится к замечанию, что механические элементы почвы могут быть не только кристаллическими, но и аморфными, например, Si02, гидраты окисей железа, частички того или другого органического вещества в почве, а также органо-минеральных соединений (гуматов). В этом случае понятие механического элемента точнее определяется по Тюлину и Антипову-Каратаеву. Второе замечание связано с наличием в почве механических элементов, представляющих собой частички (осколки) не минерала, а сложной породы. В этом случае (например, в граните) мы будем иметь в одном механическом элементе сочетание нескольких кристаллических решеток, механически удерживающихся в одном куске. Считаем возможным обобщить предложенные определения в следующей формулировке: под механическим элементом почвы следует понимать обособленные куски, кусочки (осколки) пород и минералов, а также аморфных соединений в почве, все элементы которых (последних) находятся в химической взаимосвязи.

* Исследования выполнялись автором и под его руководством Е. И. Ко-чериной, А. Ф. Макаровой, В. Е. Кореневской, Е. Н. Платовой, Р. С. Потрав-новой, А. И. Личмановой, А. Д. Ворониным и Я о Сянь-Лян.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЧВЫ

В почве присутствуют механические элементы трех типов: минеральные, органические и органо-минеральные. Первое место по количеству (за исключением торфяных почв) занимают минеральные механические элементы, второе — гуматы и третье — свободные органические кислоты и полуразложившиеся органические остатки.

Все механические элементы почвы произошли в результате выветривания исходных горных пород (физического, химического, физико-химического и биологического), а также как следствие вторичных реакций при взаимодействии продуктов выветривания и биологических процессов в почве. Процессы, приводящие к образованию механических элементов в почве, протекают одновременно, но роль их на различных фазах образования механических элементов — минеральных, органических и органо-минеральных — неравноценна.

При образовании минеральных механических элементов на первых стадиях дробления породы, обладающей сравнительно малой абсолютной и относительной поверхностью, превалирует физическое к биологическое выветривание под влиянием сменных температур, механического воздействия воды, ветра, корневых систем растений, мхов, лишайников, бактерий. На этой стадии выветривания порода распадается на куски породы же (камни), потом на составляющие ее минералы и продукты их изменения.

По мере дробления, увеличения поверхности и свободной поверхностной энергии продуктов выветривания прогрессивно возрастает роль биологического фактора и химических процессов: растворение наиболее податливых элементов, окисление или восстановление их, вынос растворимых простых и сложных солей, взаимодействие высвободившихся частей с образованием новых соединений, новых минералов, окислов, вторичных алюмо- и ферросиликатов и др.

По исследованиям В. Р. Вильямса (1895), каменистая часть почв (>3 мм) обычно состоит из кусков породы (гранит, порфирит и др.) и осколков крупнозернистых минералов. В песчаных фракциях также встречаются кусочки породы, но преобладающей частью являются минералы — продукты распада исходных пород: кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка и др.

По мере дробления песчаных зерен до размеров мелкого песка возрастают абсолютная и удельная поверхности песка, а значит и сфера воздействия на твердую фазу почвы воды, воздуха и биологических факторов; в составе песка остаются наиболее стойкие к химическому выветриванию минералы, главным образом кварц, тогда как менее стойкие (полевые шпаты, слюды и др,.) распадаясь, дают материал для. образования пыли и илов. J'

В крупной пыли (0,05—0,01 мм) еще в значительном количестве присутствует кварц. В средней пыли (0,01—0,005 мм), образован-ной из кислых пород, количество кварца резко сокращается, уступая место аморфной кремнекислоте, гидратам ее и безводным формам. Мелкая пыль (0,005—0,001 мм) по составу является переходной к илам, в которых сосредоточена большая часть продуктов химического и биологического выветривания: гидрослюды, окислы железа, алюминия, марганца и гидраты их, каолинит, фосфаты, гумусовые вещества, карбонаты кальция (в карбонатных почвах) и др.

Аналогичный процесс образования минеральных механических элементов при выветривании горных пород отмечают в своих исследованиях К. Д. Глинка (1906), Б. Б. Полынов (1934), А. А. Роде (1938), Е. И. Кочерина (1954), А. Д. Воронин (1958), Яо Сянь-Лян (I960), А. И. Личманова (1962), подчеркивая, однако, что различным почвам свойствен и различный минералогический состав их механических элементов. Это проистекает «не только в силу того, что они образовались из различных горных пород, но и в силу того, что породы эти выветривались при различных внешних условиях» (Глинка, 1906). Поданным перечисленных авторов, кварц и полевые шпаты (в основном кислые плагиоклазы и кали-натровые полевые шпаты) сосредоточены преимущественно во фракциях >0,005 мм, а слюды во фракциях 0,001—0,005 мм.

В последние десятилетия, в связи с разработкой новых методов исследования, углубленному минералогическому анализу подвергнута илистая, а в ее составе — коллоидная часть почв. В нашей стране этому вопросу большое внимание уделено А. Е. Ферсманом (1914, 1934, 1937), П. А. Земятченским (1935, 1938), И. Н. Антиповым-Каратаевым (1945), И. Д. Седлецким (1938, 1948), Н. И. Горбуновым и др. Н. И. Горбунов, используя в работе методы рентгенографический, термический и электронномикроскопический, дал характеристику минералогического состава илистой фракции различных почвенных типов СССР. По его данным * «наиболее распространены минералы монтомориллонитовой группы (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит), каолинитовой группы (коалинит, галлуазит), гидрослюдистой группы (иллит), минералы полуторных окислов (бёмит, гидраргиллит, гетит, гематит), а также аморфные вещества (аллофан, кремнекислота, опал, гидраты окисей железа и алюминия, органические и органо-минера л ьные вещества)» (1956). Приводим сводную таблицу из последней работы Н. И. Горбунова, любезно предоставленной нам автором (табл. 1), и термограммы илистой фракции светлокаштановой тяжелосуглинистой солон-цеватой почвы (по А. Д. Воронину, 1959) и типичного суглинистого серозема (по Яо Сянь-Лян, 1960) *.

* По данным Горбунова и Кочериной, в илистой фракции дерново-подзолистой суглинистой почвы содержится в процентах к весу фракции: монт-мсриллонитовой группы 30—60 (возрастает в глубинных горизонтах); слюд 15- 30; гидрослюд 15—20; кварца 5—10.

монографии 3. А. Ваксмана (1936), И. В. Тюрина (1937, 1949) и М. М. Кононовой (1951, 1956, 1963). Особенно наглядно стадии гумификации органических веществ показаны в работах М. М. Кононовой и ее сотрудников.

Физическое выветривание (механическое дробление) органических остатков в больших размерах наблюдается лишь в условиях сухого климата (в сухой степи, в полунустыне и пустыне), где высушенные стебли растений, а иногда и корни переносятся ветром вместе с минеральной частью почвы и истираются в труху, позже подвергающуюся биологическому разложению, воздействию химических н физико-химических процессов.

Крупные органические частицы (недоразложившиеся листья, стебли, корни и т. д.) отбираются из почвенной пробы перед анализом и, таким образом, в механическом анализе не учитываются. Гумусовые же вещества, если они предварительно не сжигаются, полностью фиксируются в анализе. Основная масса гумусовых веществ в форме гуматов, меньшая — в форме свободных гумусовых кислот попадают в илистую фракцию (<0,001 мм) и фракцию мелкой пыли (0,005—0,001 мм). В составе илистой фракции гумусовые кислоты в большей своей части представлены частицами коллоидальных размеров (<0,2—0,1 мк), причем, по данным К. Д. Глинки (1926), И. В. Тюрина (1949), В. В. Геммерлинга (1952), М. М. Кононовой (1951, 1956, 1963), наиболее крупными (наиболее конденсированными) в каждом почвенном типе являются частицы гуминовых кислот, а наименее конденсированными — фульвокислот, коллоидальная частица которых приближается к молекулярным размерам.

Органо-минеральные механические элементы, или гуматы, образуются в почве при взаимодействии органических и минеральных соединений. Как уже отмечалось, в основной своей массе при механическом анализе они попадают в илистую фракцию и частично в мелкую пыль. В крупных фракциях гуматы фиксируются лишь в конкрециях, например в ортштейнах.

Механические элементы при определенных условиях могут слипаться, склеиваться, свертываться (коагулировать). Происходит это под влиянием поверхностной энергии, свойственной частицам и представленной электрическими силами (электровалентные связи), водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. * Наиболее эффективно означенные силы выражены для частиц коллоидальных размеров. Верхний предел коагуляции в слабых солевых растворах проявляется: по А. Аттербергу—для частиц с диаметром 20 мк (1912), по новейшим данным Е. И. Кочериной (1954) и А. И. Личмановой (1962) — для механических элементов с диаметром в 5 мк.

* Ван-дер-Ваальсовы силы — силы притяжения между незаряженными атомами или молекулами, относительно малые в сравнении с силами химическими (валентными). О водородной связи см. в главе VI.

Совокупность взаимносвязанных и «сцементированных» механических элементов образует агрегат. По предложению К. К. Гед-ройца (1926) условно принято структурные отдельности с диаметром <0,25 мм называть микроагрегатами, а крупнее этой величины —м акроа грегатами почвы. При м и к р о-агрегатном анализе, который в современных почвенных исследованиях часто осуществляется параллельно с механическим анализом почвы, учитываются микроагрегаты диаметром <0,25 мм (0,25—0,05; 0,05—0,01; 0,01—0,005; 0,005—0,001 и <0,001).

СВОЙСТВА МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЧВЫ

Мы отмечали, что различные по величине механические элементы почвы сильно отличаются по своему минералогическому составу. Следствием этого должен быть и неодинаковый химический состав механических элементов почвы разной крупности и различны их свойства.

Ниже приводим результаты исследования химического состава механических элементов почв, некоторых физико-химических и физических их свойств (табл. 2, 3, 4, 5 и рис. 2, 3). В таблице 2 приведены некоторые данные о валовом составе механических фракций почв и грунтов. Сопоставляются генетически различные объекты: лёсс, покровная глина, подзолистая почва, серая лесная земля, светлокаштановая почва, американские почвы. Естественно, что состав их механических фракций во многом количественно отличен. Это относится к содержанию SiО2, Fe2О3, А12О3 и других компонентов. Тем не менее основная закономерность в изменении состава фракций по мере уменьшения их размеров одна и та же: а) в мелких фракциях, особенно в илистой (<0,001—0,002 мм), резко падает содержание SiО2, б) столь же и еще более резко в них возрастает содержание соединений железа, алюминия, кальция, магния, калия, натрия, а в лёссе — и извести.

Наличие этой закономерности подчеркивается в ряде работ, в том числе в исследовании С. С. Морозова (1949). Однако мы не согласны с Морозовым, когда он названную закономерность облекает в строго количественные рамки, утверждая, что даже породы, сформировавшиеся в различных почвенных зонах и в различной степени подвергшиеся выветриванию, обладают «удивительной близостью химического состава механических фракций одной и той же крупности».

Закономерно изменяются в механических фракциях почв и другие их компоненты, а также свойства. Как явствует из таблиц 5 и б и рисунка 2, по мере уменьшения эффективного диаметра механических элементов во фракциях в десятки раз возрастает содержание гумуса и емкость поглощения. В том же направлении увеличиваются гигроскопичность и максимальная гигроскопичность, вла-гоёмкость

содержание .. 1 2 3 ..