КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ АГРЕГАЦИИ ПОЧВ
Как уже было указано выше, установление в 1933 г. в нашей лаборатории факта перехода распыленной почвы при перемешивании ее в определенном интервале влажности в агрегированное структурное состояние привело к изучению
Рис.
влажности.
как самого процесса агрегации почвенных частиц, так и свойств почвенных агрегатов, образующихся при перемешивании почвы в разном состоянии влажности.
В первой нашей работе, опубликованной совместно с В. Н. Германовой в 1934 г., и в последующих были установлены следующие положения (24, 16—22).
1. Перемешивание распыленной почвы при содержании в ней влаги в пределах от границы раскатывания до границы клейкости, по Аттербергу (99), переводит ее из распыленного, бесструктурного состояния в комковатое, структурное. Размер образующихся при этом почвенных агрегатов обусловливается величиной влажности почвы при перемешивании: при низкой
влажности агрегаты образуются мелкие, по мере повышения влажности увеличиваются и размеры агрегатов (рис. 9).
Каждой влажности соответствует определенное соотношение размеров, получаемых при перемешивании агрсгатоз. Прочность (водоустойчивость) и связность (механическая прочность) образовавшихся при перемешивании arpei ;п оп после высыхания их зависят в первую очередь от влажное!и в момент перемешивания. Агрегаты, образовавшиеся при низкой влажности, после высыхания обнаруживают ничтожную прочность и связность, затем, начиная с некоторой влажности,
Рис 10 Водоустойчивость и механическая прочность агрегатов, образовавшихся при перемешивании распыленной черноземной почвы в разном состоянии влажности.
прочность и связность их резко возрастают, при дальнейшем же повышении влажности снова падают (рис. 10).
Нарастание прочности и связности в результате повышения влажности при перемешивании происходит быстро, скачкообразно, и оптимальное состояние влажности лежит в сравнительно узком интервале, названном мною «влажностью струк- турообразования», или лучше «влажностью агрегации» почв.
В пределах этого интервала зависимость прочности и связности агрегатов от влажности при перемешивании шины выражается характерной кривой с максимумом в определенной точке, соответствующей «оптимальной влао/сносги и *ре гации». Прочность агрегатов, образовавшихся при оптимальной влажности агрегации, и во влажном и в сухом состоянии обычно несколько выше прочности природных агрегатов гой же почвы, связность их в сухом состоянии во много раз превосходит связность природных агрегатов. По внешнему виду они не отличаются от природной структуры почв
Положение границ влажности агрегации и оптимальной точки агрегации при данном давлении в момент перемешивания является величиной постоянной и очень характерной для каждой почвы, в зависимости от ее типа и механического состава. Для различных исследованных нами почв оптимальная влажность агрегации (в процентах) была равна: подзолистая почва—15—19, серозем—19, солончак — 22, карбонатный лесной бурозем — 27, солонец — 30, чернозем — 35— 37, краснозем — 58. В пределах типа влажность агрегации тем выше, чем тяжелее механический состав почвы. Как показали дальнейшие исследования (Горьхова, Энен), влажность агрегации большинства почв лежит в пределах пластичности почвы, а оптимальная влажность близка к границе клейкости, но всегда ниже ее. При повышении давления в момент перемешивания наблюдается перемещение этих точек в сторону меньшей влажности до границы раскатывания и даже несколько ниже. Таким .образом, недостаток влаги в известной степени может быть компенсирован увеличением давления.
Таковы были важнейшие выводы первых экспериментальных работ по исследованию процесса агрегации почвенных частиц. Как видим, этими работами было установлено новое положение о зависимости прочности и связности агрегатов от влажности и давления в момент образования их при обработке почвы.
Опубликование в 1934 г. первой нашей работы по агрегации почв привлекло большое внимание к этой новой области исследований. В резолюции по докладу на Всесоюзной конференции по физике почв в Москве в 1934 г. «Влияние влажности почвы при ее обработке на прочность почвенной структуры» (18) указано: «Значительный интерес вызывает работа Украинского научно-исследовательского института агропочвоведения (Виленский) по изучению влияния степени увлажнения почвы на качество обработки и на свойства получаемых при обработке почвенных агрегатов, являющаяся попыткой дать количественное выражение эмпирически известным и важным для практики явлениям (спелость почвы)» (93, стр. 575). В том же году этот доклад был повторен на Международной конференции по физике почв в Версале (125).
В 1935 г. на эту же тему был сделан доклад на сессии Академии bJavK СССР (16), а в 1937 г. на Конференции по почвоведению и физиологии культурных растений при Саратовском государственном университете и на Всесоюзном совещании по агрофизике при Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук ’им. В. И. Ленина. На конференции в Саратове по докладу «Влажность струкгурообразования почв, ее природа и значение в вопросах обработки почв» (19j было вынесено постановление (88, стр. 10):
«1. Признать, что исследование процессов агрегирования распыленных почв и образования прочных агрегатов представляют значительный теоретический интерес, и если удастся это агрегирование произвести в полевых условиях и дока ьать благоприятное влияние его на урожай, то это будет иметь большое практическое значение; считать необходимым продолжить научно-исследовательские работы в данном направлении как з лабораторных, так и, в особенности, в полевых условиях. Считать необходимым установить для различных почв границы влажности, обеспечивающие оптимум условий агрога- тообразования при обработке почв».
Всесоюзным совещанием по агрофизике в Москве 10— 12 марта 1937 г. по докладу «О роли влажности почв в процессе агрегации последних» . было вынесено следующее постановление:
«Отметить, что доложенными работами доказана крупная роль состояния влажности почв в момент обработки в образовании благоприятного агрегатного состояния последних, в связи с чем мы получаем возможность определения момента физической спелости почв.
Исходя из вышеизложенного, совещание выражает следующие пожелания: Признать необходимым продолжение и расширение этих работ с обязательным перенесением их в полевые условия. Считать возможным уже сейчас рекомендовать использование установленных положений в практике при определении сроков обработки и междурядных рыхлений. Возможность создания агрегированного поверхностного слоя путем обработки при определенном состоянии влажности требует конструирования специальных орудий, которые при известных операциях обработки смогли бы заменить борону».
Последнее постановление, как видим, не ограничиваясь общей констатацией теоретического и практического значения изложенных работ, указывает возможные направления практического приложения установленных нами положений:
а) для определения физической спелости почвы и в связи с этим установления правильных сроков обработки почв и междурядных рыхлений;
б) для конструирования специальных орудий, которые вместо обычного рыхления производили бы агрегирование поверхностного слоя почцы и при некоторых операциях обработки почвы могли бы заменить борону.
Как увидим далее, к (моменту совещания и в дальнейшем данная работа и развивалась в двух указанных направлениях.
Помимо этих постановлений конференций и совещаний, работы по изучению агрегации почв скоро вызвали ряд о i кликов как в научных журналах (см., например, 3, 56), так и непосредственно на местах, у работников производства — агрономов и инженеров. В качестве примера этих последних откликов приведем выдержки из некоторых писем, полученных редакцией журнала «Почвоведение» после опубликования указанных работ.
Агроном Я. С. Тюпенько (п. о. Елшанка I, Бузулукского района, Оренбургской области) писал:
«Прочитав статью профессора Виленского «Новейшие исследования процесса агрегирования распыленных почв» в журнале «Почвоведение» № 9 1937 г., отмечаю:
В практике сельского хозяйства, особенно на средних и тяжелых суглинистых черноземах, изрядно выпаханных и распыленных, влажностью структурообразования пользоваться не научились потому, что нс придерживаются старинного указания бороновать спелую почву. Спелость же почвы находится в пределах влажности, указываемой в статье, и бывает выше или ниже в зависимости от содержания гумуса.
При рыхлении спелой почвы агрегация ярко выражается даже при простом ощупе рукой. При последующих дождях не наблюдается такого распыления и заплывания, как в случае рыхления неспелой почвы — замазывания.
Применение же в практике приема боронования неспелой почвы, как показал опыт моей работы в 1937 г., носит характер классовой борьбы.
В условиях юго-востока в борьбе за влагу теряют последнюю лишь только потому, что боронуют неспелую почву. Этим самым не используются природные силы, способствующие агрегации. В результате такой гонки пашня превращается в слитную массу, быстро растрескивающуюся, и при обработке плугами (зябь) получается сильно глыбистой, а на солонцеватых разностях совершенно не поддающейся обработке. Это на сухих массивах, т. е. в сухом земледелии.
В орошаемом земледелии как ирригаторы, так и агрономы вовсе нс пользуются влажностью структурообразования, несмотря па то, что гам имеются широчайшие возможности при умелом орошении».
Инж. В. С. Зммшщкнй (Лепит рад) писал:
«Работа «Новейшие исследования процесса агрегирования распыленных почв», напечатанная в журнале «Почвоведение» № 9 1937 г., многое осветила мне в вопросе воздействия воды на распыленные почво-грунты, особенно в отношении приобретения последними связности, структуры и прочности структурных агрегатов. Мне, как почвоведу и инженеру, приходится много сталкиваться с вопросами механики почво- грунтов (при изысканиях, проектировании и строительстве дорог) и еще в 1930 г. мое внимание обратил на себя тот факт, что влажные (не песчаные) почво-грунты, будучи уплотненными во влажном же состоянии (около 15—20% влажности) , оказывают большое сопротивление вдавливанию, например, укатанная (проездом) после влажного периода грунтовая дорога, укатанное полотно, утрамбованный «ток» для обмолота на гумнах крестьян и др. Но такого сопротивления
вдавливанию не оказывают почво-грунты, если они укатаны и утрамбованы в сухое время. Накатанная в сухое время дорога по пашне всегда (до дождей) остается рыхлой. Взятые мною образцы почво-грунтов (с ненарушенной структурой и строением) и испытанные в лаборатории подтвердили указанное положение. Я назвал сопротивление таких грунтов вдавливанию (увлажненных до 15—20%, перемешанных и уплотненных в таком состоянии ц высушенных) «максимальной несущей способностью» их и способ определения его — «способом определения максимальной несущей способности».
Мною для дорожных целей проделаны испытания различных грунтов по этому способу (подзолистых, дерновых, деградированных черноземов, солончаков, сероземов, разных лёссов, черноземов и др.) по генетическим горизонтам, а также таких грунтов, как трепел и чистый мел. Эти лабораторные и полевые наблюдения имеются у меня в виде цифрового материала. Ими подтверждается ряд выставленных в работе проф. Виленского положений».
Приведенные выдержки из писем двух работников производства — агронома и инженера — интересны тем, что показывают две области разного практического применения установленных нами закономерностей процесса агрегации почв и грунтов. Если в сельском хозяйстве обработкой при влажности агрегации можно придать почве рыхлое структурное строение, то в дорожном и других видах строительства укатыванием почвы или грунта при той же влажности, как увидим далее, можно превратить ее в сплошную монолитную слитую массу, необходимую для получения высокой несущей способности.
Вместе с тем очень скоро после нашеи первой работы по изучению процесса агрегации почв был опубликован ряд работ, специально направленных на проверку и дальнейшее развитие установленных нами положений '.
В этих работах, помимо данных, подтверждавших и развивавших установленные нами положения, содержался также ряд ценных указаний о возможной области и эффективности практического их приложения в сельском хозяйстве. Этот же вопрос затрагивался и в ряде специальных работ2 Сюда относятся работы Михайлова (Омский сельскохозяйственный институт им С М Кирова, 72), Вершинина и Константиновой (Научно-исс ледова- 1епьский физико-aiрономический институт в Ленинграде, П), Горьковой (Научно-исследовательский институт почвоведения МГУ и Почвенный институт АН СССР 31,32, 33, 34), Энена и его же и Арены (Центральная агрономическая опытная станция в Версале, Франция, 109, ПО), Копосова (Азово-Черноморский сельскохозяйственный институт в Новочеркасске (61, 62, 63,64), Германовой (Украинский институт социалистического земледелия в Киеве, 28), Захваткиной и Постниковой (Всесоюзный научно-исследовательский институт удобрений, агротехники и агропочвоведения в Москве, 49), Будаковой (Научно- исследовательский институт почвоведения МГУ, 7) и др См , например, работы Журбицкого (Всесоюзный научно-исследовательский институт овощного хозяйства в Москве — 47), Рыжова и Ефимова (Стап-
3 Д. Г Виле ский 33
Кроме того, установленные" нами положения нашли подтверждение и в ряде других работне связанных непосредственно с исследованием процесса агрегации почв, а относящихся к области физической химии и механики почв и грунтов, а также специальных вопросов обработки почв в
сельском хозяйстве и дорожном строительстве.
Рассмотрим кратко основные выводы главнейших из этих работ, пока только по одному вопросу — о влиянии влажности в момент обработки на последующую прочность и связность почвы в сухом состоянии.
Еще в 1924 г. Миддлтон (115), исследуя факторы, влияющие на силу сцепления почвенных коллоидов, наблюдал, что временное сопротивление почв сжатию в основном зависело от четырех условий: 1) содержания воды в почве при формовании образцов для испытания (кубиков); 2) обработки почвы перед формованием образцов; 3) давления, производимого на почву при формовании образцов; 4) способа сушки образцов.
Зависимость сопротивления сжатию от влажности в момент формования образцов выражалась кривой с максимумом сопротивления в некоторой точке, соответствовавшей оптимальной влажности (рис. 11). Эту оптимальную влажность Миддлтон назвал «критической». При такой же влажности ция механизации Всесоюзного научно-исследовательского хлопкового института в Каунчах, 82), Захваткиной (Всесоюзный научно-исследовательский институт удобрений, агротехники и агропочвоведения в Москве, 49), Смолика (Брно, Чехословакия, 133) и др
1 Сюда принадлежат работы Миддлтона (США, И5), Василенко, Василенко и Сецинского (Украинский научно-исследовательский институт агропочвове- дения и химизации сельского хозяйства в Киеве 8, 9), Мельникова (Научно- исследовательский институт почвоведения МГУ, 71), Охотииа, Демидова и Богданова (Центральный научно-исследовательский институт автогужевых дорог и дорожных машин в Ленинграде, 74), Тюлина и Скляр (ВИУАА в Москве, 91) Чижевского и Колобовой (Сельскохозяйственная академия им. Тимирязева, 96), Цыганова (Омский сельскохозяйственный институт им Кирова, 94), Каспирова (Ленинградский сельскохозяйственный институт, 55) и др.
наблюдалась наибольшая усадка образцов при нысыхании и наибольший вес, т. е. увеличение временного сопротивления сжатию было связано с увеличением плотности почвы. Все описанные явления в более резкой форме наблюдались у суглинистой почвы серии Marshall и в смягченной — у супесчаной почвы серии Norfolk. «Критическая влажность» у почвы Marshall была 15,5%, у почвы Norfolk 11%. В своих последующих работах Миддлтон к этому вопросу не возвращался.
В 1932 г. Мельников (71), исследуя роль воды при прессовании битуминозно-грунтовой массы (деградированный черно-
* Рис. 12. Зависимость механической прочности сухих образцов битуминозно-почвенной массы при испытании ударами копра от содержания воды при формовке образцов (по Мельникову).
зем -(- смола), наблюдал, что образцы, увлажнявшиеся при формовке, обнаруживали после высыхания более значительное 'Временное сопротивление сжатию при нагрузке статической и- динамической (ударами копра), чем образцы, формовавшиеся без воды. Оптимальная влажность для исследованной почвы была около 15%, более же значительное увлажнение почвы при формовке образцов вызывало понижение их прочности в воздушно-сухом состоянии (рис. 12).
В 1933 году в лаборатории Украинского научно-исследовательского института агропочвоведения и химизации сельского хозяйства Василенко и Сецинский (8 и 9) показали, что временное сопротивление почв и грунтов сжатию, сдвигу и растяжению (разрыву) в воздушно-сухом состоянии завис» i от влажности в момент приготовления образцов для пспи- тания.
С увеличением влажности в момент формовки обра щои временное сопротивление, начиная с известном влажное i и, быстро возрастало и при оптимальной влажности помигало максимума (рис. 13). Дальнейшее увеличение плажиоегм при формовке образцов приводило после высыхания к понижению временного сопротивления деформирующим усилиям. При оптимальной влажности, обусловливавшей максимальную прочность почвы, наблюдалось наиболее резко ныражепное агре-
3* 35
тированное, структурное состояние ее, и эта влажность совпадала с оптимальной влажностью агрегации почвы.
В том же году была выполнена и в следующем, 1934 г., опубликована наша работа совместно с Германовой по экспериментальному исследованию агрегации почв (24). В дальнейшем было последовательно опубликовано еще несколько наших работ по этому вопросу (16, 17, 18, 19, 20, 21, 22).
Одновременно в нашей лаборатории сначала в Киеве (Украинский научно-исследовательский институт агропочвоведения) , затем в Москве (Научно-исследовательский институт почвоведения МГУ и лаборатория эрозии почв Почвенного института им. Докучаева АН СССР) был исследован ряд дополнительных вопросов, связанных с агрегацией почвы, а именно:
Рис. 13. Зависимость временного сопротивления почв и грунтов в воздушно-сухом состоянии сжатию от влажности при формовке образцов для испытания (по Василенко и Сецинскому),
Воспроизводимость процесса агрегации при повторном распылении и перемешивании одного и того же образца почвы, влияние многократного повторного распыления и перемешивания почвы на структурный состав и прочность агрегатов (Будакова) . Влияние на процесс агрегации изменения состава обменных катионов, агрегация различных почв, насыщенных кальцием, натрием и водородом (Будакова). Агрегация бентонита и каолинита — при перемешивании с разными количествами воды, солевых растворов и неполярных жидкостей (Горькова). Агрегация солончаковой почвы до и после промывки и после удаления СаС03 (Горькова). Положение оптимальной влажности агрегации среди констант влажности почвы (Горькова).
Физические свойства агрегатов — скважность (пористость) и влагоемкость. Влияние на образование, прочность и связность агрегатов внесения в почву извести, минеральных и органических удобрений (Германоьа). Влияние на образование и прочность Агрегатов внесения в почву торфа и навозной жижи (Будакова). Динамика агрегатообразования в полевых условиях при
обработке черного пара и ярового поля (З^хваткина и Поп никова). • Зависимость скорости размокания и размывания целых образцов почвы от влажности в момент их формования (Тол- стопятов). Агрегация почвенных частиц и устойчивость почв и отношении эрозии (Виленский, Толстопятов, Горькова). Влажность уплотнения почв и грунтов и ее влияние на их временное сопротивление сжатию и скорость размокания (Виленский, Иванова).
В дальнейшем мы приведем главнейшие выводы, полученные в этих работах, сейчас же продолжим рассмотрение работ по агрегации почв и грунтов в хронологической последовательности их появления.
В 1934 г. Смолик (133), перемешивая образцы почвы при разной влажности, наблюдал подобно тому, как то годом раньше было показано в нашей лаборатории, что размеры образующихся почвенных агрегатов зависят от влажности в момент перемешивания, а сама влажность суг гранулометрического состава почв. Оптимальная влажность агрегирования для песчаной почвы была 14%, для суглинистой 25% и глинистой— 38%. По мнению Смолика. с этим явлением тесно связано хорошо известное сельским хозяевам состояние физической спелости почв, при которой влажность почвы создает оптимальные условия сцепления (adhesion) почвенных частиц и наиболее благоприятна для обработки почвы.
В 1935 г. Охотин и Богданов (74), нсслбдуя временное сопротивление почв и грунтов сжатию, пришли к совершенно таким же выводам, как Миддлтон, Василенко и Сецинскии.
В 1936 г. была опубликована работа Уитинга по Дрению глин при различной влажности, соответствующей константам Аттерберга (127). Максимум трения наблюдался на границе раскатывания, когда ориентированная водная пленка достигала максимальной толщины (1р) и упругости. С увеличением влажности, когда появлялась свободная *вода и начинало сказываться ее смазывающее действие, трение понижалось. В ре-
Рис. 14. Зависимость временного сопротивления сжа^ тию образцов чернозема в воздушно-сухом состоянии от содержания воды в них и нагрузки при формовке (по Охотину и Богданову).
зультате кривые трения при разной влажности очень напоминали характерные кривые зависимости прочности сухих агрегатов от влажности агрегации, что, очевидно, связано с зависимостью обоих явлений от близких факторов.
В том же 1936 г. была опубликована работа Михайлова о восстановлении структуры почв при помощи удобрения и обработки (72), выполненная в условиях лабораторного, вегетационного и полевого опытов. Как указывает автор, «продолжая работу в направлении, указанном Д. Г. Виленским, мы изучили влияние принятых структуровосстановителей на повышение водопрочности и выход структурных отдельностей». При этом «положение Виленского о связи образования структурных элементов с влажностью получило полное подтверждение как в лабораторных условиях, так и в поле» (72, стр. 70). Внесение органического вещества, как, например, навоза, с последующей обработкой в состоянии оптимальной влажности дает возможность получения необходимого размера и соотношения структурных отдельностей. При наличии в почве достаточного количества органического вещества процесс образования прочных агрегатов идет более совершенно.
В следующем 1937 г. было одновременно опубликовано несколько работ по вопросам агрегации почв, причем все эти работы ставили своей целью экспериментальную проверку установленных нами положении.
Вершинин и Константинова (И), проверяя выводы наши и Василенко и Сецинского, получили точно такие же типичные
Рис. 15. Зависимость временного со- Рис. 16. Зависимость скорости раэ- противления сжатию образцов подзо- мывания образцов подзолистой суглинистой суглинистой почвы в воздуш- нистой почвы от влажности их при но-сухом состоянии от влажности при формовке. Скорость размывания опре- их формовке (по Вершинину и Кон- делилась по методу * Вершинина (по стантиновой). Вершинину и Константиновой).
кривые временного сопротивления сжатию (рис. 15) и водоустойчивости (рис. 16V в сухом состоянии в зависимости от влажности при формовке образцов, как и в наших работах. Оптимальная влажность агрегации для исследованной подзолистой почвы равнялась 30%, что соответствовало 54,5% полной влагоемкости, для кварцевой пыли — 40%. При этой же оптимальной влажности в момент формовки наблюдалась наибольшая плотность сухих образцов и наибольшая водоустойчивость агрегатов подзолистой почвы (разм. 2—3 мм). Таким образом, исследования Вершинина и Константиновой, пользовавшихся иной методикой измерений, полностью подтвердили наши выводы.
Как и 1в работе Охотина и Богданова, увеличение сопротивления сжатию образцов при постоянной влажности было далеко не пропорционально прилагаемым для уплотнения об-
разцов нагрузкам: чтобы увеличить сопротивление сжатию в 2,7 раза, требовалось увеличить давление на грунт в 20 раз.
Энен в целях проверки выводов нашей работы обрабатывал при разной влажности образцы суглинистой почвы Версаля тремя способами (109): Перемешиванием рукой в течение 15 секунд.
Рис. 17. Зависимость механической прочности и водоустойчивости в воздушнопсухом состоянии агрегатов, полученных при перемешивании суглинистой почвы Версаля, от влажности при перемешивании (по Энену).
Перемешиванием в течение 5 минут шпателем со слабым давлением на почву. Перемешиванием в течение 5 минут рукой с сильным сжиманием почвы.
Результаты последующего испытания агрегатов на прочность и связность, произведенного по методу Демолона и Энена, «подтвердили, — по словам Энена, — существование оптимума вл-ажности для образования прочных структурных элементов. Структурные элементы, образовавшиеся при этой влажности, как то уже было показано Виленским, обнаруживали максимальную прочность и связность».
Действительно, несмотря на иную методику как самого агре-
гирования почвы, так и измерения прочности и связности агрегатов, полученные Эненом кривые (рис. 17) имеют ту же- типичную форму с максимумом в определенной точке, соответствующей оптимальной влажности агрегации.
Энен подтвердил также установленное еще в первой нашей работе положение, что увеличение продолжительности перемешивания почвы и производимого на нее давления вызывало повышение прочности и связности агрегатов.
Наконец, Энен одновременно с Горьковой установил, чт оптимальная влажность агрегации близка к влажности. границы клейкости по Аттербергу, но всегда несколько ниже ее. Сжатие почвы передвигает этот оптимум в сторону меньшей влажности. По мнению Энена, если принять во внимание, что*, граница клейкости (точка прилипания — sticky point) соответствует полному насыщению водой при данном давлении всех коллоидных частиц почвы, то станет понятным, почему дальнейшее повышение влажности приводит к понижению прочности к связности агрегатов: образование толстых водных
оболочек вокруг частиц препятствует сближению их и возникновению между частицами тесного контакта.
Энен на основании своих исследований сделал ряд практических выводов, в частности указал оптимальную влажность, при которой следует обрабатывать почвы в окрестностях Версаля.
Копосов, исследуя агрегацию ряда черноземов — обыкновенного, обыкновенного карбонатного, южного, предкавказско- го и др., взятых с целины; залежи и старопашни (61), тоже полностью подтвердил наши положения и пришел к выводу, что давление и влажность в процессе структурообразования являются важнейшими факторами, определяющими в значительной мере основные свойства структурных агрегатов. При этом наибольшей связностью и прочностью обладают агрегаты, образовавшиеся при оптимальной влажности^ причем эта влажность почти (всегда соответствует степени увлажнения, обеспечивающей наибольший выход агрономически полезных, прочных структурных фракций. Этот последний момент лишний раз подчеркивает большое значение давления и влажности как факторов образования структуры при обработке почи.
Оптимальной влажностью, обеспечивавшей, в условиях экспериментов Колосова, образование наиболее прочных агрегатов, было для горизонтов Ai и А2 обеих разновидностей обыкновенного и южного черноземов — 40—45'Vo, для прсдкавк.чз- ского чернозема — 30—35% в горизонте Ai и 40—45% и горизонте А2 (рис. 18).
Сравнение механической прочности и водрпрочпости искусственных и естественных агрегатов позволило Колосову констатировать, что свойства искусственных агрегатов а этом отношении почти не хуже, а во многих случаях даже лучше естественных.
«Прочность искусственных агрегатов по отношению к размывающему действию воды испытывалась двумя методами (Виленского и Тюлина) в совершенно одинаковых условиях с естественными. В обоих случаях данные испытания одинаковы — искусственные агрегаты по прочности не уступают естественным» (рис. 19 и 20).
На основании своих экспериментов Колосов пришел к выводу, что «механическая обработка почвы не является по-
Рис. 18. Зависимость водоустойчивости в воздушно-сухом состоянии агрегатов различных подтипов чернозема, полученных перемешиванием распыленной (lt;0,25 мм) почвы, от влажности при перемешивании. Водоустойчивость определялась по методу Виленского (по
Колосову).
стоянным и безусловным фактором разрушения структуры: должны быть и имеются условия (оптимальная влажность), при которых возможно противоположное влияние механической обработки, характеризующее ее как фактор восстановления или, по крайней мере, сохранения агрегатного состава. Влияние механической обработки на структуру почвы различно в зависимости от влажности в момент обработки. Предположительно можно утверждать, что при влажности ниже оптимальной механическая обработка разрушает структуру почвы. При оптимальной влажности возможно восстановление структуры.
Приведенная точка зрения определенно ставит вопрос о полезных и вредных для структурообразования сроках обработки».
Рис. 19. Водоустойчивость природной структуры различных подтипов чернозема и структуры, полученной перемешиванием почвы при оптимальной влажности агрегации почв. Водоустойчивость определялась по методу Тюлипа
(по Колосову).
/>
Рис, 20. Механическая прочность природной структуры различных: подтипов чернозема и структуры, полученной перемешиванием при оптимальной влажности агрегации почвы. Механическая прочное»». определялась по' методу Виленского (по Копосопу)
В дальнейшем Колосов опубликовал еще несколько работ по этому вопросу (62, 63, 64), в которых развил указанные положения и применил их, в частности, к задачам мелиорации песков,
В 1941 г. Вершинин, Константинова и Кириленко исследовали зависимость клеющей способности коллоидов, выделенных из почвы, а также различных органических и минеральных коллоидов от содержания в них воды (12). Ими было установлено, что эта зависимость выражается характерными кривыми, очень напоминающими кривые влажности агрегации с максимумом прочности склеивания при определенной, различной для разных исследованных коллоидов влажности.
В 1940 г. Иноземцев (52), исследуя зависимость механических свойств связных грунтов от их влажности, пришел к выводу, что увеличение сцепления грунта, наблюдающееся при его усадке во время высыхания, находится в строго определенной зависимости от происходящего в процессе усадки сближения грунтовых частиц за счет уменьшения толщины водной пленки между ними. При этом сцепление увеличивается обратно пропорционально квадрату уменьшения толщины водной пленки между грунтовыми частицами в местах их контакта
Сцепление можно выразить непосредственно в функции от влажности, пользуясь зависимостью между пористостью н влажностью грунта при его высыхании.
Наибольшее сцепление соответствует некоторой оптимальной влажности. Точно так же сцепление при срезывании и растяжении и временное сопротивление грунта сжатию приобретают максимальное значение при некоторой оптимальной влажности.
Почти одновременно с указанными выше работами по изучению агрегации поч-в были произведены исследования зависимости уплотнения почв от состояния влажности в момент уплотнения. Указания на существование подобной зависимости были даны Проктором (116) в 1933 г., более обстоятельное же исследование по этому вопросу опубликовано в 1939 г. Ивановым и Телегиным (51).
Проктор на основании лабораторных опытов по уплотнению более 200 различных почв, а также полевых опытов с укаткой почв при разной влажности пришел к выводу, что наиболее важным фактором уплотнения почв (the most important principle of soil compaction) является влажность почвы. Влияние влажности на объемный вес почвы как непосредственно после уплотнения, так и в сухом состоянии выражается характерными кривыми, с оптимумом влажности в определенной точке. Аналогичные результаты были получены при уплотнении в полевых условиях катками разного веса (рис. 21).
По Иванову и Телегину, работа, затрачиваемая на уплотнение, наиболее эффективно используется при определенных пределах влажности.
Зависимость достигаемой плотности при постоянной работе от влажности выражается кривой с максимумом уплотнения в определенной точке, соответствующей оптимальной влажности уплотнения.
Характер кривых уплотнения определяется прежде всего механическим составом грунта. Для несвязных песчаных грунтов влияние влажности на уплотнение незначительно. Максимальное уплотнение у них может быть достигнуто и при влаж мости, близкой к нулю, вследствие лучшей упаковки частиц под влиянием сотрясения. Введение воды в такой грунт сначала затрудняет уплотнение вследствие упругого действия обра iy ющихся водных пленок, в дальнейшем же способствует ему н результате смазочного действия воды. После достижения
Рис. 21. Влияние уплотнения почвы легким (А), средним (В) и тяжелым (С) катками при разной влажности на ее объемный вес (по Проктору).
оптимальной влажности дальнейшее введение воды начинает препятствовать сближению частиц и понижает эффективность уплотнения.
Гораздо более резко указанные явления представлены в суглинистых грунтах, где зависимость уплотнения от влажности выражается характерной кривой (рис. 22) с максимумом в определенной точке, соответствующей оптимальной влажности уплотнения и последующим довольно крутым падением плотности. * -
Растертые и просеянные глинистые грунты при малых влажностях вели себя, как грунты несвязные, при увеличении же влажности, как суглинистые, показывая существование хорошо выраженного оптимума влажности уплотнения. Увеличе- ние работы, затрачиваемой на уплотнение, во всех случаях сдвигало этот оптимум в сторону меньшей влажности.
Как указывают Иванов и Телегин, «практически оптнмаль ная влажность представляет количество воды, равное об нему пор за вычетом 2—3% защемленного воздуха. Очевидно, чем больше давление и в частном случае работа, затраченная на уплотнение, тем оптимальная влажность получается ниже.
Таким образом, оптимальную влажность уплотнения для данного грунта можно считать постоянной только при определенных уплотняющих снарядах.
Для более связных грунтов она будет находиться между пределом пластичности и 0,6 предела текучести» (51, стр. 17).
Для исследованных грунтов они дают следующие соотношения между границами пластичности и оптимальной влажностью уплотнения (табл. 1).
Рис. 22 Зависимость уплотнения суглинистого грунта от влажности и затраченной на уплотнение работы (по Иванову и Телегину)
Таблица 1
|
Гранулометрический состав грунта |
Граница раскаты вания А']' |
Нижняя граница текучести F |
0,6 F |
Оптимальная влажность уплотнения, найденная опытным путем (в °/L) |
|
Суглинистый . |
10,81 |
21,58 |
13,96 |
12—14 |
|
Глинистый |
15,85 |
36,01 |
21,60 |
20-23 |
|
Суглинистый пылеватый |
17,76 |
32,40 |
19,42 |
/>20—21 |
|
Супесчаный |
10,27 |
15,92 |
9,56 |
12—13 |
|
Мелкий супесчаный , |
15,79 |
16,51 |
9,94 |
10—12 |
Одновременно аналогичная работа была произведена в лаборатории строительства канала Москва — Волга (54) и ею тоже было подтверждено существование оптимальной влажности уплотнения, при которой «достигается наибольшая плотность, однородность и монолитность грунтового тела при минимальной затрате уплотняющей работы» (54, стр. 193). Кривые зависимости уплотнения от влажности, полученные в лаборатории, аналогичны кривым, полученным в работе Иванова и Телегина (рис. 23).
Таким образом, всеми перечисленными работами с несомненностью доказано, что Агрегация почвенных частиц происходит в определенном интервале влажности почв, соответствующем их пластическому состоянию. Механическое воздействие на почву в этом интервале влажности — перемешивание, уплотнение — способствует агрегации, приводя, в случае перемешивания, к образованию комковатой структуры, являющейся важнейшим производственным свойством почвы при ее сельскохозяйственном использовании.
Рис 23 Зависимость уплотнения суглинистого грунта от влажности и затраченной на уплотнение работы (по данным лаборатории Управления канала Москва — Волга)
Свойства, приобретенные почвой при агрегации ее частиц в соответствующем интервале влажности, сохраняются и после ее высыхания, обусловливая водоустойчивость и высокую связность полученной структуры. Зависимость этих свойств почвы в воздушно-сухом состоянии от ее влажности и давления в момент механического воздействия выражается характерной кривой с оптимумом влажности в определенной точке. Эта зависимость выражена настолько четко и ясно и подтверждена такими многочисленными экспериментальными данными, полученными различными исследователями, работавшими разными методами и иногда независимо друг от друга, что должна быть признана природным законом.
Помимо экспериментов, производившихся со специальной целью исследования и проверки этого закона, мы имеем большое число указаний, подтверждающих его, в ряде исследований, ставившихся в других целях и попутно затрагивавших данный вопрос. Так, Пухнер еще в 1889 г. (117) указал, что глина
распадается на комочки более или менее значительных размеров при влажности, соответствующей 60% капиллярной влаго- емкости. Гельригелю удавалось соответствующим добавлением воды к почве создавать в ней комковатую структуру, после чего его способ стал часто применяться при закладке вегетационных опытов. По словам Панкова (77), А. Ф. Лебедев на одном из Всесоюзных съездов почвоведов демонстрировал подобный же опыт получения искусственной структуры при смачивании воздушно-сухой почвы водой. Росс и Шенон (в 1926 г.), при своих исследованиях физических свойств бентонита и других глин, наблюдали у них наличие критической влажности, совпадающей с нижним пределом пластичности; при увеличении влажности деформации грунтов происходили с гораздо большей скоростью, чем при влажности, лежащей ниже этого предела. Тюлин и Скляр (91) в 1933 г., на основании исследования влияния давления на образование и изменение агрегатов в почве, пришли к выводу, что
«1. Механическое давление повышает количество водоупорных почвенных агрегатов, если почва сильно измельчена, lt;0,1 мм; на слабо измельченной почве до 0,5 мм подобного эффекта ^уже не наблюдается. Присутствие поверхностно-активных веществ в почве значительно понижает образование водоупорных агрегатов из сильно измельченной почвы, что указывает на зависимость цементации от тонких водных пленок (курсив наш — Д. В.). Скорость капиллярного насыщения водой у прессованной почвы понижается, а механическая прочность повышается».
Чижевский и Колобова в 1935 г. (96), изучая устойчивость в отношении размывающего действия воды комков красной глины (природных и искусственно приготовленных шариков) путем перемешивания в пластичном состоянии, обратили внимание на «гораздо большую устойчивость в отношении размывающего действия воды фракций искусственных комков сравнительно с фракциями природных комков тех же размеров, отсеянных из той же глины». Это объясняется, по их мнению, теми механическими воздействиями, которые производились при изготовлении искусственных фракций шариков. В результате применявшегося скатывания в шарики замешанной на воде глины происходило значительное сжатие и вызываемое им сближение при высушивании имеющихся в глине механических элементов. В силу происшедшего сближения механических элементов увеличилась сила сцепления, увеличилась связность, что и вызвало усиление устойчивости искусственных фракций в отношении размывающего действия воды сравнительно с естественными фракциями. Таким образом, указывают Чижевский и Колобова, «механическое уплотнение во влажном состоянии и сжатие механических элементов, входящих в состав комков, имеющих связность без цементации их, приводит к ж увеличению прочности комков в отношении размывающего действия воды».
Можно было бы привести и ряд других аналогичных наблюдений.
Еще по теме КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ АГРЕГАЦИИ ПОЧВ:
- ОСНОВНЫЕ ИТОГИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ АГРЕГАЦИИ ПОЧВ
- ТЕОРИЯ АГРЕГАЦИИ ПОЧВ
- 1. 2. Краткий очерк истории экологии
- Виленский Д.Г. Агрегация почв, ее теория и практическое приложение, 1945
- КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СУДЕБНОЙ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ
- ГЛАВА XIV КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ ЭКОЛОГИИ РАСТЕНИЙ
- Часть 1 ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ЗАДАЧИ АГРОХИМИИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АГРОХИМИИ. ПОВЫШЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ
- методика экспериментальных исследований АГРЕГАЦИИ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ
- Секретные проекты и их краткая характеристика
- КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О НОВОКАИНЕ
- Генетические признаки почв Антропогенно-естественные признаки почв