На прошлой лекции…
Есть ли другие методы «увидеть» поровое пространство? Есть! Микроморфология. Почвенные шлифы
Этапы изготовления почвенных шлифов Микроморфологиче шлиф Микромонолит Профиль почвы
Агродерново-подзолистая почва Горизонт Апах при полевой влажности. Зеленоградский филиал Почвенного института, с. Ельдигино, МО, 2012 г. Реконструкция (один срез) Ортштейны. Фрагмент 3 D модели Поровое пространство
Примеры структурного состояния пахотных горизонтов суглинистых почв Русской равнины Комковатое Массивнотрещиноватое Массивное
Изменение агрегатов при распашке целины (чернозем типичный) Целина Пашня 3 года Пашня 90 лет
Проблемы современного земледелия: - деградация пахотных почв - возвращение в оборот залежных почв
Агрогенное уплотнение пахотных почв Из 135 млн. га пашни уплотнено: Слабо – 17 млн. га Средне – 69 млн. га Сильно – 49 млн. га Потери плодородия при этом равны: 5 -10% 20 -30% 50 -60%
Май 5 -10 см 15 -20 см 25 -30 см Контроль 150 к. П 205 к. П
Май Контроль 150 к. П 5 -10 см 15 -20 см 25 -30 см 60% 205 к. П
Январь 0 -5 см 5 -10 см 10 -20 см 205 к. П Контроль без распашки с распашкой
Апрель 0 -5 см 5 -10 см 10 -20 см 205 к. П Контроль без распашки с распашкой
Анализ микростроения уплотненной почвы показал: Отрицательным результатом уплотнения почвы является не только формирование массивной структуры с низкой пористостью, но также появление пор и агрегатов, вытянутых в горизонтальном направлении
Анализ микростроения уплотненной почвы показал: В ходе зимнего промерзания уплотненная почва разуплотнилась, но агрономически ценные комковатые агрегаты не сформировались Без дополнительной обработки горизонтальные поры сохраняются после весеннего оттаивания почвы
Анализ микростроения залежных почв показал: Залежь (10 -15 см) Целина (10 -15 см) В лесной зоне различия между залежными и целинными почвами сохраняются более 170 лет
Примеры информативности микроморфологических данных Агрогенное уплотнение Деятельность мезофауны
Новая тема: Гранулометрически й состав почв Гранулометрический состав почв
Гранулометрический состав почв 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ЭПЧ. Определение Классификация фракций ЭПЧ Состав фракций ЭПЧ Гранулометрический состав почв Классификация почв по гранулометрии Методы гранулометрического анализа Использование данных по гранулометрии
Схема строения порового пространства почв, агрегатов и микроагрегатов
Определение ЭПЧ • Элементарные почвенные частицы – обломки горных пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи и не поддаются разрушению общепринятыми методами пептизации.
Фракции гранулометрических частиц
Гранулометрические фракции (по А. Аттербергу)
Итак, 3 основные фракции (в большинстве зарубежных классификаций) • Песок (sand) - >0. 05 мм • Пыль (silt) – 0. 05 -0. 002 мм • Глина (clay) - <0. 002 мм
Гранулометрические фракции (по Н. А. Качинскому)
Состав и свойства фракций
Определение Интегральная (кумулятивная) кривая гранулометрического состава – кривая распределения содержания частиц, диаметром меньше заданного, отложенного по оси абсцисс. При построении интегральной кривой по оси ординат откладывают процентное содержание частиц <0. 001, <0. 005, <0. 01, <0, 05, <0. 25, <1 мм. Имеет вид возрастающей кривой от значений процентного содержания ила (<0. 001 мм) до величин, близких к 100%. Дифференциальная кривая – кривая распределения содержания различных фракций гранулометрических частиц. Представляется в виде диаграммы содержания фракций различного размера, либо в виде плавной кривой, как правило, с одним или двумя максимумами
Дифференциальные и интегральные кривые гранулометрического состава почв
Совместно, дифференциальная (a) и интегральная (b) кривые в двух осях
Пункт 4 темы: Гр • Гранулометрический (механическим – уст. , почвенной текстурой) состав почв
Определение Под гранулометрическим (механическим – уст. , почвенной текстурой) составом почв и почвообразующих пород понимают относительное содержание в почве элементарных почвенных частиц различного диаметра, независимо от их минералогического и химического составов. Гранулометрический состав выражается в виде массовых процентов фракций гранулометрических частиц различного размера
Треугольник Ферре для классификации почв по гранулометрии Глина – 23% Пыль - 46% Песок - 31%
Классификация почв по гранулометрии (по Н. А. Качинскому) Содержание физ. глины Подзол. тип Степного почвообр. Название почвы Солонцы и солончаки 0 -5 0 -5 П. рыхлый 5 -10 10 -20 20 -30 30 -40 40 -50 50 -65 65 -80 >80 5 -10 10 -20 20 -30 30 -45 45 -60 60 -75 75 -85 >85 5 -10 10 -15 15 -20 20 -30 30 -40 40 -50 50 -65 >65 П. связанный Супесь Сугл. Легкий Сугл. средний Сугл. тяжелый Глина легкая Гл. средняя Гл. тяжелая
Почему же в классификацию почв по гранулометрии внесен тип почвообразования?
Переход от российской к международным классификациям • Осуществить графическую интерполяцию кумулятивной кривой гранулометрического состава; • Определить содержание фракций по зарубежной классификации , т. е. <0. 002 (глина), 0. 002 -0. 05 (пыль) и 0. 05 -2 мм (песок). • Зная содержание глины, пыли и песка, по треугольнику найти соответствующие название почвы по гранулометрии.
Надо запомнить (это важно!): • Российская классификация – двучленная (физические глина <0. 01 мм и песок >0. 01 мм) и учитывает тип почвообразования, а зарубежные – трехчленные (глина <0. 002 мм, пыль 0. 002 -0. 05 и песок 0. 05 -2 мм) и не учитывают тип почвообразования.
5. Методы гранулометрического анализа
Процедура гранулометрического анализа почв включает 2 стадии: • Стадия физико-химической обработки образца (предварительная стадия диспергации) • Определение содержания гранулометрических фракций (собственно, гранулометрический анализ)
Гранулометрический анализ почв • Химическая обработка: ▫ Н 2 О 2 ; ▫ Щелочь+кислота ▫ Пирофосфат Nа • Физическая обработка ▫ Ультразвуковая обработка ▫ Механическое растирание
Джордж Габриель Стокс (1819 -1903) • английский физик, член Лондонского королевского общества. Окончив в 1841 Кембриджский университет, С. начал преподавать там же и в 1849 возглавил «люкасовскую» кафедру, которую в своё время занимал И. Ньютон. Член парламента от университета (1887— 92). В 1889 получил за научные труды титул баронета. • Многие исследования С. связаны с изучением волновых процессов в различных средах. В 1842— 51 изучал стационарное движение несжимаемой жидкости с учётом трения и движение твёрдого шара в вязкой жидкости; эти работы С. имеют фундаментальное значение. . . • Коэффициент кинематической вязкости. : отношение динамической вязкости жидкости или газа к их плотности. Коэффициент кинематической вязкости, наоборот, значительно больше для воздуха, чем для воды, что объясняется существенным различием в их плотности • Физический смысл динамического коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равен касательному напряжению, возникающему между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга со скоростью, равной единице, при расстоянии между этими слоями, равном единице длины. Размерность динамического коэффициента вязкости h в системе СИ есть Па×с: 1 Па×с = 1 кг/(м с)
Вывод уравнения Стокса
Уравнение Стокса
Анализ формулы Стокса
Ограничения закона Стокса • • • Частицы осаждаются независимо друг от друга. Это условие накладывает особенность на концентрацию суспензии – она не должна быть более 1. 5 -2%. Частицы должны быть сферической формы. Поэтому в этом анализе определяем не реальный размер частиц, а так называемый «эффективный радиус» . Плотность твердой фазы всех частиц одинакова и равна средневзвешенной. Закон Стокса применим для определенного диапазона диаметров частиц: >0. 0001 мм и<0. 25 мм. Используется понятие «динамического трения» это трение внутри жидкой фазы, а не на границе твердая частица-жидкость. Поэтому используется вязкость раствора пирофосфата с поправкой на температуру, при которой происходило определение.
Пипет-метод гранулометрического анализа почв
Другие седиментометрические методы • Метод ареометра (ГОСТ для строительных материалов) • Метод седиграфа (дает плавную кривую)
Ареометр Спиртомер — в процентах алкоголя для измерения крепости напитка; Лактометр — в процентах жира для определения качества молока; Солемер — для измерения солености раствора; Сахаромер — при определении концентрации растворенного сахара;
Метод ареометра Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра (например, <0. 05 мм) Ну, а далее формула Стокса. Рассчитываем время и диаметр частиц. По этой формуле рассчитываем массу частиц соответствующего диаметра. Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра (например, <0. 05 мм)
Другие седиментометрические методы • Метод ареометра (ГОСТ для строительных материалов) • Метод седиграфа (дает плавную кривую)
Метод лазерной дифрактометрии па да ющ ий св ет свет женный Отра
Лазерный дифрактометр Лаз ерн ый луч почвенная частица
Дифракционная картина
Сравнение результатов по методам седиментометрии (пипет-метода) и лазерной диффрактометрии Седиментометрия Лазерный дифрактометр
На электронных фото: частицы органического вещества присутствуют во всех тонких фракция; они отдельны и не окружены минеральными компонентами. Содержание частиц органических веществ уменьшается от пыли к коллоидам. silt clay colloid
Сопоставление результатов двух методов Analysette 22 Седиментация мкм При наличии в пробе частиц > 50 мкм, расхождение данных по содержанию физической глины возрастает
Принцип Культера
Схема строения микроагрегата
Фазы почвы, агрегация: отрицательно заряженные почвенные частицы, пластинки глинистых минералов, органическое вещество и внутрипоровая вода, включающая питательные вещества/катионы и воздушная порозность [по Markgraf W & R. Horn ]
Дифференциальная и интегральные кривые гранулометрического состава Вопросы: 1. Как будет расположена кривая микроагрегатного состава?
Кумулятивные кривые гранулометрического и микроагрегатного составов
Оценки микроагрегированности Коэффициент дисперсности по Качинскому (Кд, %) где Им и Иг – содержание фракции ила (частицы <0. 001 мм) при микроагрегатном и гранулометрическом составах. Степень агрегированности по Бэйверу (Аг, %): где Пм и Пг – содержания фракций песка (частицы >0. 05 мм) при микроагрегатном и гранулометрическом анализах.
Анализы твердой фазы почвы
Оценки агрегатов Агрономически ценные агрегаты 10 -0. 25 мм: • >60% - отличное агрегатное состояние • 60 -40 - хорошее • <40% - неудовлетворительное
Оценка водоустойчивости агрегатов по сумме агрегатов размерами >0. 25 мм (%): <30 - неудовлетворительная 30 -40 - удовлетворительная 40 -75 - хорошая >75 - избыточно высокая. Показатели агрегатного состава: средневзвешенный (СВД) и среднегеометрический диаметр (СГД) Mi - весовой % фракции агрегатов со средним диаметром х, n – количество фракций.
Индекс стабильности структуры(по Хенину) (Henin S. et al, 1958) Обработки образца в 1. В воде 2. Предварительно в спирте - для снижения содержания защемленного воздуха 3. В бензине - для снижения агрегирующих свойств органического вещества
3. Агрегатный состав и продуктивность Каким образом структура почвы влияет на продуктивность?
Мaсса сухого снопа ячменя (г/сосуд) от соотношения почвенных агрегатов (х1=20 -5 мм, х2=5 -2 , х3=2 -0. 5 х4=<0. 25 мм). Засушливый год.
Мaсса сухого снопа ячменя (г/сосуд) от соотношения почвенных агрегатов (х1=20 -5 мм, х2=5 -2 мм, х3=2 -0. 5 мм и х4=<0. 25 мм). Влажный год.
ВАЖНЫЙ ВЫВОД: • Фундаментальные физические свойства, такие, как гранулометрический состав, плотность почвы, микро- и макроструктура, оказывают непосредственное влияние на урожай в виде создания оптимальных диапазонов содержания воды, воздуха, тепла в почве.
4. Формирование устойчивой агрегатной структуры • Коагуляционная гипотеза • «Биологическая» В. Р. Вильямса • Значение амфифильных свойств почвенного органического вещества
Хроматограммы гумусовых веществ из чернозема (а) и дерново-подзолистой почвы Увеличение гидрофобности
Схема образования водоустойчивого агрегата
Значение амфифильных органических веществ в формировании водоустойчивого агрегата «минеральная частица-(гидрофильная-гидрофобная)+ (гидрофобная-гидрофильная)-минеральная частица»
СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ водоустойчивый агрегат гидрофобное вещество гидрофильное вещество разрушающийся в воде агрегат зона высокого расклинивающего давления гидрофильное вещество
Значение амфифильных свойств органического вещества почв • В водной среде частицы соединяются прежде всего за счет сил гидрофобного взаимодействия
Значение амфифильных органических веществ в формировании водоустойчивого агрегата «минеральная частица-(гидрофильная-гидрофобная)+ (гидрофобная-гидрофильная)-минеральная частица»
Как же формируется почвенная структура? Какие вещества и процессы ответственны за формирование агрегатной и водоустойчивой структуры? У структуры 3 важнейших качества: 1. Агрегатность (размеры агрегатов). 2. Порозность агрегатов. 3. Водоустойчивость (водопрочность)
Схема строения микроагрегата
Важно знать! • Содержание органического вещества не всегда коррелирует со стабильностью агрегатов • Возможно, что за стабильность агрегатов отвечает не только содержание, а другие свойства органического его типы, под типы. • Кроме того, за водоустойчивость могут отвечать другие свойства: содержание ионов железа, алюминия, кальция… агрегатов
• The predominance of particles between 2 -100 microns is considered a factor that give low soil structural stability and a high susceptibility to separation from the impact of raindrops (Wolf, 1990; Pla, 1983) because these particle sizes require less energy to separate from the aggregates (Poesen, 1986). This favors rapid sealing surface (surface degradation of soils) and their subsequent effects, requiring at least 10% of fine particles (clay and silt) to crusting (Poesen, 1986; Ambouta et al. , 1996).
Из мексиканцев • Нередко отмечают, что фульвокислоты отвественны за водоустойчивость крупных агрегатов (> 250 microns), гуминовые и гумин – микроагрегатов (<250 microns). • The predominance of гуминовые кислоты and humin indicate that the type of soil present in SOM evaluated not contribute to the stability of the macroaggregates, because humic materials of lower molecular weight (фульвокислоты -AF) are associated the macroaggregates (> 250 microns) and higher molecular weight (гуминовые кислоты AH) to the microaggregates (<250 microns) (Fortun and Fortun, 1989; Puget et al. 1995; Six et al. , 2000). That is, in the soils tested, the type of organic matter associated with microaggregates (<250 microns) and, as Piccolo and Mbagwu (1990), humic acids are the major contributors to their stability, so not contribute importantly to the structural stability. However, not always differences in the stability of the aggregates is directly proportional to сhanges in the content of MO, as this ratio can vary with the method used to measure stability (Haynes, 1993). • The prevalence of AH and humin fractions explains that soils have a high proportion of aggregates with diameter <0. 25 mm
Индекс коркообразования • Crusting index (IE), based on the principal factors affecting aggregate stability, particle size distribution, and the levels of cementing materials 12 (FAO, 1980): where Lg is percentage of coarse silt (20 -50 μm), Lf percentage of fine silt (2 -20 μm), A percentage of clay (< 2 μm), and OM percentage of organic matter. Modified FAO crusting index(1980) (Comerma et al. , 1992):
4. Формирование устойчивой агрегатной структуры • Коагуляционная гипотеза • «Биологическая» В. Р. Вильямса • Значение амфифильных свойств почвенного органического вещества
Хроматограммы гумусовых веществ из чернозема (а) и дерново-подзолистой почвы Увеличение гидрофобности
Схема образования водоустойчивого агрегата
Значение амфифильных органических веществ в формировании водоустойчивого агрегата «минеральная частица-(гидрофильная-гидрофобная)+ (гидрофобная-гидрофильная)-минеральная частица»
СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ водоустойчивый агрегат гидрофобное вещество гидрофильное вещество разрушающийся в воде агрегат зона высокого расклинивающего давления гидрофильное вещество
Значение амфифильных свойств органического вещества почв • В водной среде частицы соединяются прежде всего за счет сил гидрофобного взаимодействия
Значение амфифильных органических веществ в формировании водоустойчивого агрегата «минеральная частица-(гидрофильная-гидрофобная)+ (гидрофобная-гидрофильная)-минеральная частица»
СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ водоустойчивый агрегат гидрофобное вещество гидрофильное вещество разрушающийся в воде агрегат зона высокого расклинивающего давления гидрофильное вещество
Значение амфифильных свойств органического вещества почв • В водной среде частицы соединяются прежде всего за счет сил гидрофобного взаимодействия
Значение амфифильных свойств органического вещества почв • В водной среде частицы соединяются прежде всего за счет сил гидрофобного взаимодействия • Мультик!!!
Метод ареометра Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра (например, <0. 05 мм) Ну, а далее формула Стокса. Рассчитываем время и диаметр частиц. По этой формуле рассчитываем массу частиц соответствующего диаметра. Нам надо найти массу твердой фазы почвы для соответствующего диаметра
Метод лазерной дифрактометрии па да ющ ий св ет свет женный Отра
Дифференциальная и интегральные кривые гранулометрического состава, получаемые Вопросы: на лазерноммаксимумы на дифференциальной кривой? 1. Откуда дифрактометре 2. С чем связана «узость» пика?