методика экспериментальных исследований АГРЕГАЦИИ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ

Механизация операций по обработке почвы с применением при осуществлении этих операций мощного механического двигателя — трактора — создала такие возможности воздействия на физическое строение почвы в целях повышения ее плодородия и урожайности, которые были совсем недоступны в*прошлом.

В СССР механизация сельского хозяйства явилась технической базой реконструкции этой отрасли народного хозяйства на основе коллективизации. Все это поставило перед советской наукой ряд новых задач, в частности потребовало быстрейшего разрешения вопроса об условиях правильного взаимодействия при механизированной обработке почвообрабатывающих орудии с почвой.
Понимая важность и значение разработки этих вопросов, я организовал в 1932 г. в Украинском научно-исследовательском институте агропочвоведсния и химизации сельского хозяйства специальную лабораторию механической технологии почв, задачей которой должно было явиться исследование физической и физико-химической природы процессов, происходящих в почве при ее обработке. В связи с малой изученностью вопроса необходимо было начать с лабораторного исследования отдельных элементарных процессов в целях установления основных закономерностей на простых моделях. В качестве одной из первых тем плана работ лаборатории было поставлено исследование сопротивления почв сжатию, сдвигу и растяжению (разрыву) как основных элементарных механических воздействий, имеющих место при обработке почвы. Уже в первых работах лаборатории по этой теме, опубликованных в 1933— Л934 гг., было установлено очень важное положение о записи- мости временного сопротивления почв и грунтов указанным механическим воздействиям от степени влажности их в момент формовки образцов для испытания (8,9). Подобное явление наблюдал впервые в 1924 г. Миддлтон в США (115), но он, повидимому, не оценил большого значения этого факта для механики и механической технологии почв и грунтов,
2 Д. Г. Виленский              17

вследствие чего не продолжил и не развил своих исследований. Чисто эмпирическое отражение это явление нашло и в практике лабораторных испытаний грунтов, формовка образцов которых для испытания, как известно, производится в так называемом «рабочем состоянии» влажности. И только в 1933 г. в работах сотрудников нашей лаборатории Василенко и Сецин- ского этот вопрос получил более полное освещение.
Одновременно в лаборатории, при подготовке образцов почв и грунтов для испытаний иа сжатие, был установлен факт перехода распыленной почвы при перемешивании ее в определенном интервале влажности в агрегированное, комковатое состояние. Почва, распыленная деревянным катком и пропущенная через сито с отверстиями 0,3 мм, подвергалась перемешиванию в фарфоровой чашке деревянной лопаткой при разном содержании воды, вносившейся из бюретки При этом оказалось, что такая распыленная почва при замешивании с водой, начиная с определенного процентного содержания воды, переходила в агрегированное состояние и приобретала комковато-зернистую структуру. Это агрегирование являлось неизбежным следствием перемешивания почвы в определенном, постоянном для каждой почвы интервале влажности и не могло быть устранено ни увеличением продолжительности перемешивания, ни усилением сжатия почвы.
При содержании влаги меньшем, чем нижняя граница интервала влажности, в котором происходит образование агрегатов, почва при всех воздействиях на нее — перемешивании, сжимании (небольшими нагрузками) продолжала оставаться в раздельночастичном, распыленном состоянии. Увеличение влажности выше верхней границы этого интервала тоже переводило почву в бесструктурное, но уже не распыленное, а монолитное, слитое состояние (рис 1).
Установление этого факта вызвало необходимость заняться специальным исследованием процесса агрегации почв и грунтов при обработке их в разном состоянии влажности и изучением свойств образующихся при этом агрегатов Для этого необходимо было прежде всего разработать методику как самого агрегирования почвы, так и измерения величин прочности, связности, скважности, влагоемкости и других свойств агрегатов, так как обычно структура почвы изучалась суммарно и специальной методики исследования отдельных структурных элементов не было.
Главнейшими из существующих методов исследования почвенной структуры являются, а) исследование структуры в полевых условиях способом шлифов, приготовляемых после соответствующего фиксирования почвы (Пигулевский); б) «структурный анализ» почвы, или определение содержания в ней отдельных структурных фракций путем фракционирования на ситах в воздухе или «инертной» (неполярной) жидкости; в) «агрегатный анализ», или определение содержании в почве

водоустойчивых агрегатов путем фракционирования на ситах и воде; предложено несколько методов агрегатного анализа, отличающихся друг от друга способом взятия пробы и подготовки ее к анализу, а также применяемой аппаратурой (Пигулеискпн,
alt="" />
Рис. 1. Образцы моренного суглинка, распыленного, а затем переме'шан- ного и сформованного при разном содержании воДы (слева направо): 10% (бесструктурный, распыленный), 15% (структурный, мелкокомковатый), 19% (структурный, комковатый), 23% (бесструктурный, слитой).

Вершинин, Павлов, Тюлин, Саввинов, Демолон и Энен. и др.); г) определение водоустойчивости структуры'путем размывании ее текучей водой (Вильямс, Чижевский, Саввинов); д) «мп: кроагрегатный анализ» почв по одному из методов мсхаииче: ского анализа с подготовкой почвы по международному ^ето: ду В или одной из его модификаций.
Перечисленные методы, независимо от степени их точности, для наших целей были непригодны, так как они не рассчита-
2*              19

ны на исследование отдельных агрегатов. Поэтому была разработана оригинальная методика исследования как отдельных агрегатов, так и структуры в целом и сконструирована соответствующая аппаратура, пока лишь частично описанная в опубликованных работах (17, 21).
Прежде всего необходимо было разработать методику самого агрегирования почвы. Первоначально перемешивание смоченной почвы производилось рукой в фарфоровой чашке с помощью деревянной лопатки в течение строго определенного
промежутка времени — 1, 3 или 5 минут. В дальнейшем для более точного регулирования процесса был изготовлен специальный прибор. Перемешивание влажной почвы в нем производилось металлическими граблями, зубья которых обтянуты каучуком. Грабли вращаются в толстостенной фарфоровой чашке при помощи вертикальной оси, приводимой в движение электромдтором. Скорость вращения была принята ¦— два оборота в секунду, продолжительность перемешивания — 8 минут. Полученные агрегаты высушивались на воздухе до постоянного веса, затем фракционировались на ситах и поступали обычно в виде фракции 4-—5 мм для различных испытаний.
Так как при работе с агрегатами большое значение имеет знание их объема, то в целях определения объемного веса и скважности агрегатов был сконструирован ртутный волюметр, позволявший быстро производить массовые определения (рис. 2).
При .заполнении одного из цилиндров волюметра ртутью воздух из него вытесняется через отверстие в пробке (пробка плотно привязана), причем имеются два варианта пробок: в одном из них в дно вставлен стеклянный фильтр, не пропускающий ртуть, в другом — очень тонкая капиллярная трубка, которую можно закрыть краном. По окончании определения ртуть перегоняется в другой цилиндр и находящийся в приборе агрегат извлекается. Обычно таким образом определялся объем ?5—50 агрегатов данного образца.
Для определения водоустойчивости агрегатов производились измерения.
а)              размокания в воде как в воздушно-сухом состоянии, так и после предварительного капиллярного насыщения;
б)              размывания каплями воды.
Для первого определения 50 агрегатов, структурной фракции (обычно 4—5 мм), предварительно взвешенных, раскла
дывались на фильтровальной бумаге, помещенной в кристаллизатор и смоченной дестиллированной водой. По истечении часа, когда происходило капиллярное насыщение агрегатов, и кристаллизатор осторожно наливалась вода слоем в 1 см, и затем через час производилось фракционирование в воде для определения степени разрушения агрегатов.
При определении размокания сухих агрегатов в кристаллизатор наливали воду слоем в 1 см, затем туда осторожно бросали агрегаты по одному и через час производили фракционирование в воде*
Размшщгие ‘агрегатов первоначально производилось на проволочной сетке каплями воды, падающими из бюретки Мора с высоты 5 см. Агрегат клался на проволочную сетку с отверстиями 2 мм, и за момент полного разрушения его водой принималось прохождение всей его массы через отверстие сетки. Для испытания бралось 50 агрегатов соответствующей фракции, и прочность (водоустойчивость) их выражалась в мл воды, пошедшей на размывание одного агрегата. В дальнейшем для массовых определений водоустойчивости был сконструирован специальный прибор. Он состоит из сосуда Мари- отта и присоединенной к нему широкой горизонтальной стеклянной трубки с шестью отверстиями, к которым каучуком присоединены узкие, изогнутые коленом трубки с двумя кранами и суженным, как у бюретки, кончиком. Поступающая из сосуда через широкую трубку вода каплями падает через отверстия узких трубок.
Для установки скорости вытекания воды служит верхний кран, а нижний — для открывания и закрывания воды. При наших работах устанавливалась скорость вытекания воды — 2 капли в секунду при объеме капель 0,03 мл. ?
Испытуемые агрегаты помещались по’ одному против каждого крана в особые стеклянные ванночки с 1-мм щелыо в середине, состоящие из двух сближенных между собой под углом 90° и склеенных в таком положении стеклянных пластинок с косо отшлифованным краем.
В дальнейшем вместо ванночек мы применили две стеклянные трубки диаметром 10 мм, соединенные металлическими обоймами таким образом, что щель между трубками точно равнялась 1 мм (рис. 3). Такое изменение значительно упростило изготовление прибора. Над щелью помещались исследуемые агрегаты и, как обычно, размывались каплями воды. Необходимая высота кончика крана над агрегатами была установлена экспериментально и равнялась 5 см. Вода, прошедшая через щель, собиралась в мерные 100-см3 цилиндры для каждого агрегата отдельно, и водоустойчивость определялась количеством воды (в мл), затраченным на полное размывание одного агрегата (прохождение через 1-мм щель)* Полученные для 50 агрегатов данные подвергались соответствующей обработке как для определения средней водоустойчивости, так и

степени однородности агрегатов по этому признаку. Производя фракционирование в воде и пипетный анализ более тонких фракций, получали представление о степени разрушения агрегатов при их размывании. Рядом исследований была установлена высокая чувствительность описанного метода.

Так, например, Рыжов и Ефимов, сопоставив его с микроагрегат- ным анализом, пришли к выводу, что этот метод позволяет гораздо более тонко и точно вскрыть водоустойчивость агрегатов (82).
Для определения связности (механической прочности) агрегатов первоначально применялись весы, в которых одна чашка

Рис. 3. Общий вид прибора для определения водоустойчивости агрегатов.

была заменена специальным приспособлением, состоящим из двух круглых металлических пластинок, прикрепленных к металлическим же серьгам (рис. 4). Нижняя серьга неподвижна и может только приподниматься и опускаться с помощью маховичка, а верхняя подвижно, на шариковом шарнире, подвешена к рычагу весов. Испытуемый агрегат помещался на пластинку верхней серьги, нижняя серьга маховичком опускалась до прикосновения ее пластинки к агрегату, и затем разновесами, помещаемыми на другую чашку весов, определялась нагрузка, при которой происходило раздавливание агрегата между пластинками. Для испытания брались 50 агрегатов, и связность выражалась в граммах нагрузки, разрушавшей один агрегат.
В дальнейшем был сконструирован прибор (рис. 5), представлявший неравноплечие весы, к более короткому плечу которых (1) подвешено приспособление из серег (2), точно

соответствующее описанному, а на длинном плече помещался ползунок (3), передвигавшийся электромоторчиком (4) с помощью тросика — шелковой нитки (5),. переброшенной через блок. В момент разрушения агрегата вследствие прекращения контакта, вызванного отклонением стрелки весов (6), моторчик останавливался и ползунок автоматически регистрировал потребовавшуюся для разрушения агрегата нагрузку. Специальное приспособление на круглых пластинках серег позволяло измерять прибором нагрузку, необходимую как для раздавливания, так и для расклинивания агрегата. Последнее производилось равносторонней стальной призмой.

Рис. 4. Прибор для определения механической прочности агрегатов.

Был сконструирован и изготовлен также специальный чувствительный прибор для определения свйзности влажных агрегатов.
Определение влагоемкости агрегатов производилось путем взвешивания их до и после капиллярного насыщения в специальных тонкостенных латунных ванночках диаметром 10 мм.
Кроме, методики исследования отдельных агрегатом были разработаны оригинальные методы исследования почвенной структуры в целом, в том числе на образцах с ненарушенным природным строением.
Для определения скорости размоканип почвы был применен следующий метод. Из почвы вырезывался цилиндрическим

буром образец размером 3,5 X 6 см, или же образец такого же размера искусственно готовился из почвы, просеянной через 1-мм сито и замешанной при заданной влажности. Обычно для этого бралась навеска 200 г почвы и после тщательного перемешивания с нужным количеством воды, прилитым из бюретки, ею заполнялся стальной цилиндр диаметром 3,5 см, состоящий из двух половинок, вставленных в цельный стальной цилиндр с несколькими винтами в стенках, при ввинчивании крепко сжимающими половинки внутреннего составного цилиндра. Далее, в зависимости от заданий работы, почва в цилиндре или только формовалась при помощи вставляемого в цилиндр деревянного шомпола, на конце окованного, или же подвергалась соответствующему прессованию.

Затем винты наружного цилиндра отпускались, внутренний цилиндр осторожно вынимался и две его половинки отнимались от образца-. Приготовленные таким образом почвенные цилиндры, а также цилиндры, вырезанные буром из почвы, высушивались при обычной температуре лаборатории до воздушно-сухого состояния, после чего поступали в испытание на скорость размокания. Образцы, вырезанные из природной почвы с ненарушенной структурой, частично испытывались и непосредственно после взятия их в состоянии полевой влажности. Перед испытанием верхние и нижние 2 см цилиндра парафинировались, и только средние 2 см оставлялись свободными от парафина. Парафинирование производилось путем погружения в чашечку, в которую был налит расплавленный парафин с низкой температурой плавления, притом очень тщательно, чтобы вода не могла проникнуть в запарафини-
рованную часть. Когда все цилиндры были подготовлены, производилось их испытание. Для этого цилиндр при помощи специального металлического хомутика, надеваемого на верхнюю запарафинироваиную часть, подвешивался на пилоч ке над стеклянным сосудом с водой (рис. 6). Обычно одновременно подвешивались три одинаково приготовленных цилиндра, затем в сосуд доливалась вода, так, чтобы она покрыла всю незапарафинированную часть цилиндра до начала Еерхней запарафинированной части. После этого по секундомеру учитывалась скорость размокания, принимая за момент полного размокания отваливание и падение на дно сосуда нижней, запарафинированной части цилиндра.
Определение скорости размывания почвенной структуры на целых образцах почвы производилось в специальном приборе, позволявшем исследовать как размывание током воды., идущим снизу, так и струйками воды, падающими на образец сверху (рис. 7).
Прибор состоит из металлического цилиндра (1), книзу конически суживающегося к отверстию (3), переходящему в трубку, на которую надевается каучук, присоединенный к крану (8). Сверху цилиндр герметически закрывается металлической крышкой (2) с не пропускающей воду резиновой прокладкой. Эта крышка привинчивается к цилиндру с помощью винтов (4) и наверху снабжена отверстием, переходящим в трубку (6). В цилиндр вставлены одно над другим три сита, с отверстиями 0,25, 0,5 и 1 мм. На верхнее сито насыпалась навеска почвы 100 г, которая и подвергалась размыванию током воды, идущим снизу. Скорость тока воды устанавливалась с таким расчетом, чтобы обеспечить отмучивание частиц меньше 0,01 мм. Частицы же крупнее 0,25 мм распределялись при отмучивании по фракциям на трех ситах, откуда после окончания испытания смывались в фарфоровые чашки, высушивались и взвешивались. Отмучи- вание продолжалось до того момента, пока не начинала и пи из отверстия прозрачная вода. В результате испытания получались данные как о продолжительности размывания в минутах, так о неразмываемой части структуры крупнее 0,25 мм и распределении ее по фракциям.
Размывание образца сверху струями воды пром пюдилось при помощи сита-дождевателя (9), которое с помощью зажима (10) устанавливалось на штативе таким обргпом, чтобы уровень отверстий его находился на высоте 5 см над уровнем образца на верхнем сите, вставленном в цилиндр (1). Диаметр

снта-дождевателя 10 см, высота бортика — 5 см, дно равномерно покрыто 50 коническими углублениями с диаметром основания в 1 см и круглыми отверстиями в центре углублений диаметром в 0,5 мм. Сверху сито-дождеватель имеет крышку с двумя отверстиями разного диаметра, закрытыми пробками. Сквозь меньшую из пробок в него пропущена трубка для подвода воды, сквозь большую же — широкая стеклянная
alt="" />трубка (12), показывающая уровень воды в приборе. При высоте столба воды в широкой трубке в 12 см сито давало через свои отверстия ровный мелкий дождь с расходом воды 1 литр в минуту. Размывание продолжалось до того момента, пока из нижнего отверстия цилиндра не начинала итти прозрачная вода. Неразмытый остаток на ситах, распределенный по фракциям крупнее 0,25 мм, высушивался и взвешивался, как и в предыдущем случае.
Кроме описанных определений измерялась также скорость смыва- ния ппврруногТн рочвы Это изме- ¦рение производилось на цилиндрических образцах диаметром в 10 см и высотой в 3 см. При исследовании почвы в естественном сложении эти образцы вырезывались при помощи специального бура, при опытах же с искусственными образцами формовались с помощью стальной цилиндрической формы этого же бура описанным выше способом. Вырезанные из почвы или сформованные при различной влажности образцы затем высушивались при обыкновенной температуре до постоянного веса, после чего поступали в испытание. Это испытание производилось на специальном приборе, изображенном на рис. 8. Прибор состоит из сита-дождевателя (2), устроенного так же, как в только что описанном приборе для определения скорости размывания почвы, и круглой площадки под ним (4), диаметром в 10 см, приводимой во вращательное движение пружинным механизмом (7) со скоростью 1 оборота в минуту. Сито уста

навливалось на штативе в стороне от круглой площадки так, чтобы уровень отверстий в дне его находился на высок' 5 см над уровнем образца на круглой площадке Далее на *гу площадку клалась круглая стеклянная пластинка диаметром в 10 см, на которую помещался испытуемой образец, после чего пускался в ход пружинный механизм, вращавший площадку с образцом со скоростью 1 оборота в минуту. Сито, подающее воду, устанавливалось над образцом на высоте 5 см и образец подвергался размыванию в течение 15 минут. Это размывание производилось над металлической ванной или стеклянным сосудом, и в случае надобности проводился агрегат ный и микроагрегатный анализ материала, полученного при смывании образца. Остаток образца на стекле по окончании испытания на смывание снимался с круглой площадки вместе со стеклом, высушивался, взвгши* вался, и по убыли определялось количество смытых частиц Результаты испытаний выражались в виде процента смытой почвы по отношению к исходному образцу в целом или с перечислением на единицу времени. Обычно бралось среднее из трех параллельных испытаний. Если же образец размывался целиком раньше 15 минут, то отмечалось время размывания в минутах.
Описанная методика после предварительных испытаний была применена для изучения процесса агрегации почвенных частиц, а также для исследовании почвенной структуры в других целях, в частности при исследовании эрозии. Постановлением Первого Всесоюзного совещания по борьбе с эрозией почв в СССР в 1936 г. в Москве эта методика была рекомендована в целом, как одно из двух существующих направлений лабораторного и лабораторно-полевого исследования почв для выяснения свойств их, определяющих податливость эрозии. Определение по описанной методике скорости размокания и размывания отдельных hi рега- тов и целых образцов почв было признано совещанием необходимым при всякого рода эрозионных обследованиях (6, стр. 17). Точно так же методы исследования водоустойчивости агрегатов Всесоюзным совещанием по крупномасштабному картированию почв колхозов и совхозов были рекомен-

дованы для применения как в почвенно-химических лабораториях, так и в агрохимических лабораториях МТС при почвенных анализах для картографических целей ¦ (53).

<< | >>

Источник: Виленский Д.Г. Агрегация почв, ее теория и практическое приложение. 1945

Еще по теме методика экспериментальных исследований АГРЕГАЦИИ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -