Физика почвы. (Качинский Н.А.) - часть 3

и ила гумусом. В иллювиальном горизонте количество гумуса в илистой фракции также наибольшее, но абсолютно оно невелико, кроме того, эта фракция.здесь богаче тяжелыми минералами и аморфными соединениями железистого типа.

Значительная изменяемость удельного веса твердой фазы различных фракций почвы является фактором, весьма осложняющим точность механического анализа почвы. Как увидим далее, удельный вес твердой фазы почвы входит обязательным членом в формулы вычисления скорости падения механических элементов почвы в жидкостях. Мы вводим его в формулу единой величиной для каждого анализируемого образца почвы, тогда как, строго говоря, его следовало бы давать соответственно каждой фракции анализируемого образца, что практически весьма затруднительно.

Как показано в приведенных исследованиях, все свойства механических элементов почв: химические, физико-химические, физические и физико-механические — закономерно изменяются в связи с их размерами. Отсюда понятно значение характера механического состава почв для оценки их свойств и главнейшего свойства — плодородия, а также внимание, которое уделялось и уделяется учеными и практиками вопросу классификации механических элементов почв и грунтов от истоков земледелия до наших дней.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЧВ ПО ИХ КРУПНОСТИ

Указания на значение механического состава почв при оценке их плодородия мы находим у М. В. Ломоносова (1763), у И. Комова (1789), Дэви (Devy, 1813), Шумахера (Schumacher, 1864) и многих Других.

В настоящее время в почвоведении имеются многие десятки классификаций механических элементов почвы по их крупности. Мы остановимся лишь на некоторых из них, чтобы охарактеризовать историю развития вопроса и современное его состояние в почвоведении различных стран. В таблице 7 приведены как старые классификации, так и первые наиболее подробные классификации (А. А. Фадеева, В. Р. Вильямса, А. Н. Сабанина), легшие в основу большинства современных.

Как видно из данных таблицы, первые классификации (Шене, Лоренца, Осборна, Докучаева) были мало дифференцированными. В них выделяется от четырех до шести различных фракций почвы. Авторы этих классификаций располагали еще ограниченными знаниями о свойствах механических элементов и строили свои классификации преимущественно интуитивно, исходя из практики сельского хозяйства, в которой представление о легких (теплых) и тяжелых (холодных, но богатых питательными веществами) почвах уходит к истокам земледелия. Тем не менее следует отметить, что в приведенных старых классификациях основные по крупности фракции

почвы — каменистая часть, песок, пыль и глина — выделяются весьма согласно. Близки и границы размеров этих фракций в миллиметрах, а весьма важная для классификации почв по механическому составу границ (<0,01 мм) даже полностью в них совпадает. Отсутствует, однако, согласованность в понятиях терминов: пыль, ил, глина. Так, ил по Осборну соответствует пыли по Лоренцу и Докучаеву. У него же ил крупнее пыли. Подобные разногласия в терминологии (см. табл. 8 и 10) свойственны и современным классификациям механических элементов почвы. Наиболее стройной из старых классификаций является классификация Е. Шене (1867) — профессора Петровской сельскохозяйственной академии. Она основана на результатах механического анализа почвы в текучей воде на приборе конструкции того же автора.

При первых наиболее обстоятельных исследованиях почв России в прошлом столетии, а именно при изучении почвенного покрова Нижегородской губернии под руководством В. В. Докучаева (1886 г.), использовалась классификация механических элементов, близкая по характеру к шкале Лоренца (см. табл. 7).

Первая подробная шкала механических элементов почвы, соответствующая современным классификациям, была разработана А. А. Фадеевым и использовалась в курсе его лекций для студентов Петровской сельскохозяйственной академии (1890). В его классификации выделяется 12 фракций механических элементов.

Классификация Фадеева была видоизменена Вильямсом. Он упростил подразделение каменистой части почвы, предложив две градации вместо четырех, расширил границы для пыли (0,25— 0,0015 мм), тем самым переместив границу для фракции ила с <0,01 до <0,0015 мм. В результате отмеченных изменений классификация стала более совершенной (в понимании фракций пыли и ила) и компактной: в ней 9 классификационных подразделений.

Дальнейшим изменениям классификация Фадеева — Вильямса подверглась в работе А. Н. Сабанина (см. табл. 7). Он восстановил классификацию каменистой части почвы по Фадееву. Нижнюю (меньшую) границу для фракции песка принял такой, как в классификациях Шене и Докучаева, тем самым ограничив фракцию пыли рамками 0,05—0,001 мм. В классификации Сабанина 11 фракций механических элементов. Эта классификация получила широкое распространение в почвенных работах в России.

Из описанных классификаций наиболее дробными являются классификации Фадеева (12 фракций) и Сабанина (11 фракций). Однако было бы неправильным предполагать, что классификация тем лучше, чем она более детальна, и что нужно стремиться к дальнейшему дроблению классификации механических фракций почвы. В этом вопросе есть свой оптимум: слишком краткие классификации (например, у Осборна — четыре фракции) неполно характеризуют свойства почвы, а излишне детальные классификации затрудняют пользование ими. Ведь классификации предназначаются не только

для научных работников, но и для практиков. Наряду с содержательностью, они должны быть достаточно просты и легко запоминаемы. Мы считаем, что дробность современных классификаций механических элементов почвы, выделяемых при обычном механическом анализе, достаточна. В дальнейшем необходимо уточнение в них границ механических фракций и научное (с позиций химии, физико-химии, физики и физико-механики почв) их обоснование.

В работах Н. А. Качинского по механическому анализу почвы в 1937 г. были приняты за основу номенклатурные подразделения механических фракций почвы по Сабанину (табл. 7, 8): названия фракций оставлены по возможности привычные для советского почвоведа. Вместе с тем следует помнить, что это сходство только формальное, так как названные фракции почв в методике Сабанина выделяются с принятием скоростей падения механических элементов почвы в воде по формуле Ш е н е (1867), а в методе Качинского — по формуле Стокса (1937, 1943, 1958), следствием этого является различие в величинах одноименных механических элементов, достигающее 100% и более. Это замечание остается справедливым и при оценке величин механических элементов почвы, выделяемых по методу Вильямса (см. табл. 9).

Кроме того, нельзя упускать из виду, что величины механических элементов, отмучивавшихся в анализах по Шене, Вильямсу и Сабанину, не имели строго определенных размеров, так как в этих анализах не принимались поправки на вязкость воды при различных температурах.

По сравнению с классификацией Сабанина в последней классификации упрощено подразделение каменистой части почвы: вместо четырех фракций выделяется одна (каменистая часть почвы—фракции >3 мм). Это сократило в классификационной шкале количество фракций с 11 до 8. По аналогии с предложением Н. М. Сибирцева (1899, 1901), частицы >0,01 мм объединены под названием «физический песок» и частицы <0,01 мм — под названием «физическая глина».

Предложенная Качинским в 1937 г. классификация широко привилась в почвенных исследованиях СССР. Она также опубликована в различных странах: в Болгарии (1947, 1951), Югославии <1947), Венгрии (1949, 1952), Польше (1950), Румынии (1951), Китае (1954), Японии (1954), ГДР (1955), во Франции и Англии (1956), в США (1961).

Учитывая данные, накопленные в лабораториях отдела физики и технологии почв Почвенного института им. В. В. Докучаева АН СССР до 1961 г. и кафедры физики и мелиорации почв МГУ, а также материал производственного опыта, в настоящее время предлагаем несколько видоизменить классификацию механических элементов почвы в сторону ее уточнения, однако таким образом, чтобы не нарушить преемственность новых работ со старыми. Изменения сводятся к уточнению фракций крупного и среднего песка. Как известно, во фракцию крупного песка Фадеев, Вильямс, Саба-нин, а также Качинский относили механические элементы с диаметром от 1 до 3 мм. В то же время каждый почвовед знает, что такого «песка» в природе, как породы, не существует. Существуют минеральные зерна такой крупности, которые иногда, особенно в аллювиальных отложениях, скапливаются в больших количествах как примесь к другим, более мелким механическим элементам, но такой примесью могут быть и камни любых размеров. Кроме того, свойства механических элементов с диаметром 1—3 мм не соответствуют свойствам песка.

Пески природные, обладая значительной водопроницаемостью, в то же время отличаются заметной влагоемкостью (в 5—10—1596) и капиллярными свойствами. В соответствии с этим они пригодны для выращивания культурных полевых растений и лесных, особенно сосны.

Совершенно иными свойствами обладают фракции из механических элементов с диаметром > 1—3 мм. Водопроницаемость таких фракций — провальная. Влагоемкость их и капиллярные свойства ничтожно малы (влагоемкость <3%). По своим свойствам они переходны от почвенного мелкозема к каменистой части. В то же время — это не камни. Находясь в породе или в пахотном слое, они огрубляют их, но, даже в случае высокого содержания, не препятствуют сельскохозяйственному освоению территории.

Мы считаем целесообразным фракцию с диаметром зерен от I до 3 мм выделить как гравий. В соответствии с этим фракции песка изменяются так: песок крупный 1—0,5 мм; песок средний — 0,5—0,25 мм\ песок мелкий остается в прежних пределах — 0,25— 0,05 мм.

Данное изменение классификации не нарушает преемственности в работах: ведь фракция 1—3 мм никогда ые бывает основной даже в песках. В то же время при заметной примеси к другим фракциям (к глине, к пескам) ее нужно будет оттенять термином «гравелистый»: песок гравелистый, суглинок гравелистый и т. д.

Это видоизменение классификации приблизит ее к некоторым зарубежным классификациям механических элементов почвы и в первую очередь к британской и американской классификациям, что в данном случае является обоснованным и полезным (см. табл. 8 и 10).

С принятием указанного изменения наша классификация для собственно механических анализов будет включать 9 фракций.

В некоторых специальных исследованиях требуется расчленять и фракцию ила (<0,001 мм). Для этих целей мы дифференцируем фракцию ила на три части: ил грубый, ил тонкий и коллоиды (см. табл. 8).

Как и прежде, оставляем подразделение:

а) фракции >0,01 мм—«физический» песок;

б) фракция <0,01 мм —«физическая» глина.

Поскольку свойства механических элементов зависят не только от их крупности, но также от формы элемента и его химического состава, постольку совершенно очевидна необходимость изучения свойств механических элементов различных почв и геологических напластований.

Пески кварцевые, слюдяные или карбонатные обладают различными свойствами. Различная степень глинистости наблюдается в «физической» глине подзолистой почвы, чернозема, солонца и т. д. Знание свойств механических элементов различных почв и грунтов позволит дифференцированно подойти к классификации почв по механическому составу.

В грунтоведческих работах в СССР часто применяется классификация механических элементов по Охотину (см. табл. 8). В ней 12 номенклатурных подразделений, из которых 8 падает на песок, хрящ и гравий и лишь 4 на все остальные тонкие фракции. Подробная классификация песка, хряща и гравия вызвана тем, что эти фракции грунтов являются обязательными, а иногда и основными в различных строительных материалах и работах: в производстве бетона, при постройке дорог, фундаментов сооружений и пр.

Почвоведов не удовлетворяют в классификации Охотина суженое понятие пыли (0,05—0,01 мм) и противопоставление «ила» глине (причем «ил» в классификации Охотина оказывается более

грубым, чем глина). Такое понятие об «иле» неудачно позаимствовано Охотиным у Осборна.

В таблице 10 приведены распространенные зарубежные классификации.

Как можно видеть, степень дифференциации их примерно та же, что и в наших классификациях. Наиболее элементарной среди них является немецкая классификация довоенного периода (1930)*, а наиболее подробной — классификация Аттерберга (Atterberg, 1912). Из зарубежных авторов Аттерберг особенно много сделал в вопросе изучения физико-химических, физических и физикомеханических свойств механических элементов почвы. Ему принадлежат первые эксперименты по установлению верхних границ броуновского движения для почвенных частиц и коагуляции их в слабых солевых растворах, детальное изучение водных свойств и пластичности механических фракций почвы. В частности, на основе этих работ им введены понятия о верхней и нижней границах текучести почвы и грунта, о границах клейкости и скатывания в шнур. Эти «константы», как и основанная на них характеристика пластичности почв и грунтов, получили международное распространение, в том числе в почвоведении и грунтоведении Советского Союза.

Отдавая должное классификации Аттерберга, мы должны, однако, помнить, что она разработана на ограниченном количестве почв, распространенных в Швеции, поэтому характеристики Аттерберга и наши иногда существенно расходятся. Мы уже отмечали, что по Аттербергу верхний предел коагуляции механических элементов в слабых солевых растворах соответствует крупности частиц 0,02 мм, тогда как по нашим данным он лежит в пределах 0,005— 0,001 мм. Глинистые свойства частиц Аттерберг обнаруживает во фракциях <0,02 мм\ мы к физической глине относим частицы <0,01 мм. Резко выраженная пластичность фракций по Аттербергу присуща частицам <0,002 мм. По данным В. М. Безрука (1935), П. Ф. Мельникова (1940), Е. И. Кочериной (1954) и А. И. Личма-новой (1962), она смещается до величины частиц <0,001 мм и т. д.

Границы между фракциями каменистой части почвы, песка, пыли, ила, коллоидов в классификации Аттерберга приблизительно соответствуют границам в нашей классификации. Однако в классификации Аттерберга обращает на себя внимание искусственность границ между фракциями, построенная на чередовании цифр 6 и 2. Создается впечатление, что все свойства механических фракций изменяются на этих «магических» границах. Конечно, в природе такой закономерности нет. Нам кажется более естественным и гибким построение наших классификаций, как и ряда зарубежных,.

с использованием дифференцированных границ, выраженных цифрами 1, 2, 3, 5, 25.

Классификации, применяемые в Британии и США (они почти идентичны), в общем, близки к нашей классификации, однако наиболее тонкая фракция, выделяемая в них (<0,005 мм), соответствует нашей мелкой пыли плюс ил (см. табп. 10).

В таблице 10 рядом с классификацией Аттерберга приведена «международная» классификация механических элементов почвы. Нетрудно видеть, что она представляет собой сильно сокращенную и упрощенную классификацию Аттерберга. В ней лишь 6 членов, и изменяются они по величине зерен в порядке десятичной системы: каждая последующая граница в 10 раз меньше предыдущей. Эта шкала была принята как «международная» на втором международном конгрессе почвоведов (1930 г.).

Цель авторов шкалы очевидна: сделать ее легко запоминающейся и доступной для всех. Но очевидна и чрезмерная искусственность этой шкалы. Если мы сомневались в закономерности изменений свойств механических элементов почвы согласно классификации Аттерберга, построенной на сочетании цифр 6 и 2, то очевидно, что эти изменения нельзя уложить в шкалу, где новые свойства предполагаются обязательно при увеличении или уменьшении размеров зерен в 10 раз. Чрезмерная искусственность этой шкалы исключила возможность для нее стать международной, хотя в некоторых странах она применяется, например во Франции (1958), в Румынии (1955), в ФРГ (1959) и в некоторых других.

В 1922 г. К. К- Гедройц, придавая исключительное значение коллоидной фракции почвы, впервые поставил вопрос об ультраме-ханическом анализе. Наша задача в данном учебнике ограничивается рамками собственно механического анализа: от каменистой части почвы (>3 мм) до ила (<0,001 мм). Однако считаем целесообразным в заключение настоящей главы отметить некоторые свойства суспензий, «коллоидов» и «кристаллоидов» (табл. 11).

Попутно заметим, что понятие о «коллоидах» и «кристаллоидах» введено Грэмом (1861).

Коллоидами, которые нас в данном случае особенно интересуют, он считал специфические вещества, как крахмал, альбумин, желатина, клей. Само слово «коллоид» произведено от латинского слова colla, что значит клей. После исследований Оствальда (1909 г. и более поздние) эта точка зрения Грэма была оставлена. На основе современных работ правильнее говорить не о «коллоидах», а о коллоидном состоянии вещества.

В коллоидное состояние могут быть переведены многие минералы и другие вещества. Необходимо лишь соблюдение следующих условий: а) вещество (дисперсная фаза) должно быть минимально растворимо в растворителе — в дисперсионной среде (в нашем случае — в жидкой фазе); б) дисперсная фаза должна быть раздроблена

до размеров <0,1 мк; в) дисперсная фаза (ее поверхность) должна находиться в активном взаимодействии с дисперсионной средой.

В современной химии изменено также понятие Грэма о «кристаллоидах», под которыми сейчас следует понимать истинные, молекулярные растворы.

Употребляя в дальнейшем названия «коллоиды» и «кристаллоиды», мы пользуемся этими терминами лишь как историческими, вкладывая в них современный смысл согласно сделанным выше замечаниям.

содержание .. 1 2 3 4 ..