Пробоотборник почвенного раствора

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к технике пробоотбора, и может быть использована для отбора проб почвенных растворов с определенной глубины.
Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений, в составе почвенного раствора по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразования. Исключительно велика роль почвенного раствора в питании растений и формировании химического состава поверхностных вод [4]. К тому же, данные о химическом составе почвенных растворов могут быть использованы для ранней диагностики процессов деградации почв под воздействием техногенного загрязнения, для почвенного мониторинга и оценки критических нагрузок на почвы [6]. Поэтому важно знать его химический состав, свойства (реакция, буферность, осмотическое давление) и динамику почвенных растворов.
Почвенным раствором называется влага, находящаяся в почве и содержащая в растворенном состоянии органические и минеральные вещества, газы и тончайшие коллоидные золи [2]. Он образуется в результате взаимодействия воды, поступающей в почву, с ее твердой фазой и растворения некоторых органических и минеральных веществ и их производных. Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании. При орошении дополнительным источником влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.
Содержание влаги в почвах и количество почвенного раствора могут колебаться в очень широких пределах, от десятков процентов, когда вода занимает практически всю порозность почвы, и до долей процента, когда в почве находится лишь адсорбированная вода [8].
Физически прочносвязанная вода (гигроскопическая и отчасти максимальная гигроскопическая) представляет собой не растворяющий объем почвенной воды, поэтому она не входит в состав почвенного раствора как такового.
Не успевают стать специфическим почвенным раствором и гравитационные воды, быстро просачивающиеся через почвенные горизонты по крупным трещинам и ходам корней. Почвенный раствор включает все формы капиллярной, рыхло- и относительно прочносвязанной воды почвы. Другие авторы рассматривают лизиметрическую гравитационную воду и капиллярный почвенный раствор, как различные фракции почвенного раствора, различающиеся по химическому составу и (или) соотношению компонентов [5]. По-видимому, последняя точка зрения наиболее правильна и к почвенному раствору должны быть отнесены все формы почвенной влаги, присутствующей в почве in situ, в естественных условиях [7].
Известные способы выделения почвенного раствора.
Для выделения и изучения почвенных растворов в зависимости от условий и задач исследования применяются различные способы.
Первая группа методов: выделение и изучение почвенных растворов с помощью вытяжек, т.е. извлечение раствора добавлением в почву воды в количестве, значительно превышающем навеску почвы [1].
Вторая группа методов: выделение раствора из почвы в сравнительно неизменном виде. Для выделения почвенного раствора из образца почвы, предварительно отобранного из почвы, необходимо преодолеть силу взаимодействия твердой и жидкой фаз почвы. Поэтому все методы основываются на применении внешней силы:
1. давление, создаваемое прессом;
2. давление сжатого газа;
3. центробежная сила;
4. вытесняющая способность различных жидкостей;
5. метод вакуумной фильтрации.
Практически в современных почвенных исследованиях наиболее часто применяются первый и последний методы, т.е. опрессовывание раствора или вытеснение замещающей жидкостью.
Выделение почвенного раствора замещением его другой жидкостью заключается в том, что через колонку, заполненную исследуемой почвой с естественной влажностью, сверху просачивается вытесняющая жидкость. Наиболее удобен для этой цели этиловый спирт. Для улучшения фильтрационных свойств тяжелых почв их рекомендуется смешивать с хорошо отмытым кварцевым песком. При использовании этих методов после выделения раствора в почве остается еще некоторое количество влаги. Преимущества данных методов - возможность получения растворов при влажности, характерной для почв в вегетационный период, поэтому практически динамику почвенного раствора можно изучить лишь этими методами. Недостаток их - некоторое нарушение карбонатного равновесия и окислительно-восстановительного состояния раствора при его отделении от почвы.
Метод вакуумной фильтрации в настоящее время относится к числу широко используемых [3]. Он дает представление о составе капиллярной и рыхлосвязанной влаги и позволяет отбирать почвенный раствор в естественных условиях. Фильтры для вакуумной экстракции почвенных растворов, в отличие от почвенных лизиметров, имеют небольшие размеры и вносят сравнительно мало нарушений в гидравлический режим почв. Недостатком является захват небольшого объема почвы, поэтому в естественных условиях необходимо установить достаточное количество пробоотборников для получения репрезентативных результатов [9].
Третья группа методов: т.н. лизиметрические методы, действующие по принципу замещения и вытеснения растворов почвенных растворов талыми и дождевыми водами. Для количественного учета и изучения состава, просачивающихся сквозь почву растворов, применяют лизиметры различного устройства. Недостаток всех лизиметрических установок - возможность получения растворов лишь в периоды сильного увлажнения почв. Кроме того, в лизиметрических установках, особенно типа подставных воронок, нарушается в определенной мере естественный ход фильтрации, что не позволяет получать строго количественной характеристики выноса тех или иных компонентов почвы. Поэтому при изучении динамики состава почвенных растворов желательно сочетать лизиметрический метод с другими методами выделения почвенных растворов (отпрессовывание и др.).
Четвертая группа методов: непосредственные исследования водной фазы почв в почве естественного залегания в полевых условиях с применением электродов (ионометрический метод).
Общим недостатком известных пробоотборников почвенного раствора является низкая представительность и достоверности отбираемой пробы (точности анализа) ввиду невозможности достижения необходимой однородности пробы.
Техническим результатом является повышение представительности и достоверности отбираемой пробы.
Технический результат достигается тем, что пробоотборник почвенного раствора представляет собой трубчатый корпус с фильтрационными отверстиями, внутри которого установлен пробосборник в виде трубчатого сердечника с наружным фильтрующим элементом и внутренней капиллярной трубкой, сообщающейся с откачивающей вакуумной магистралью. Наружный фильтрующий элемент выполнен из нетканого материала. Откачивающая магистраль снабжена вакуумным насосом. Трубчатый сердечник выполнен с фильтрационными отверстиями. Нижний и верхний концы трубчатого корпуса снабжены резиновыми уплотнительными элементами. Наружный фильтрующий элемент сменный и может быть с заданной пропускающей способностью. Пробоотборник может быть оборудован штангой заданной длинны.
Сущность полезной модели поясняется схематичным чертежом.
Пробоотборник почвенного раствора содержит трубчатый корпус 1 с фильтрационными отверстиями, внутри которого установлен пробосборник в виде трубчатого сердечника 2 с наружным фильтрующим элементом 3 и внутренней капиллярной трубкой 4, сообщающейся с откачивающей вакуумной магистралью 5. Нижний и верхний концы трубчатого корпуса 1 снабжены резиновыми уплотнительными элементами 6 и 7, а также верхней и нижней головками 8 и 9. Наружный фильтрующий элемент 3 сменный и может быть выполнен с заданной пропускающей способностью. Пробоотборник может быть оборудован штангой заданной длинны. Трубчатый сердечник 2 выполнен с фильтрационными отверстиями и имеет резьбовое соединение с верхней головкой.
Пробоотборник используется следующим образом.
Пробоотборник устанавливается вертикально в предварительно пробуренную на заданную глубину скважину, диаметр которой должен соответствовать внешнему диаметру трубчатого корпуса 1 пробоотборника.
После помещения пробоотборника в скважину включается вакуумный насос откачивающей вакуумной магистрали 5.
В результате создаваемого в откачивающей вакуумной магистрали 5 разрежения проба засасывается через фильтрационные отверстия трубчатого корпуса 1, фильтрующий элемент 3, фильтрационные отверстия трубчатого сердечника 2 и затем через капиллярную трубку 4 поступает в сборную емкость (на чертеже не показана).
После отбора необходимого объема пробы вакуумный насос отключается.
Проба переливается в предварительно подготовленную тару и транспортируется в аналитическую лабораторию. Операцию необходимо повторить не менее трех раз для получения представительной смешанной пробы с обследуемого участка.
Величину единовременно отобранной пробы устанавливают исходя из задач исследования, объема сборной емкости.
Предлагаемый пробоотборник почвенного раствора позволяет выполнять отбор проб почвенного раствора как в полевых условиях, так и в лабораторных экспериментах (из монолита).
Эффективный пробоотбор возможен только капиллярной и рыхлосвязанной влаги, что соблюдается в условиях, близких к полной влагоемкости почвы.
Используя дополнительные штанги и трубки, можно выполнять отбор проб грунтовых вод и почвенных растворов с заданной глубины до 5 метров. Глубина отбора ограничивается глубиной скважины. Откачивание раствора выполняется вакуумным насосом, например, можно использовать медицинский отсасыватель с регулируемым давлением.
Конструктивные особенности пробоотборника позволяют производить смену фильтрующего элемента. Для фильтрования используются стандартные фильтрующие элементы для механической очистки, предварительно уменьшенные в диаметре под размер пробоотборника.
Представленный метод отбора проб можно отнести ко второй группе методов с применением внешнего воздействия.
Предлагаемый пробоотборник почвенного раствора имеет по сравнению с известными аналогами повышенную представительность и достоверность отбираемой пробы.
Источники информации.
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. - 487 с.
2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. Книга 1. М: Наука, 1973. - 447 с.
3. Малинина М.С., Караванова Е.И., Белянина Л.А., Иванилова СВ. Сравнение состава водных вытяжек и почвенных растворов торфянисто-подзолистых глееватых почв Центрального лесного государственного биосферного заповедника // Почвоведение. 2007. №4. - С. 428-437.
4. Роде А.А. Избранные труды. Том 3. Основы учения о почвенной влаге. М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2008. - 664 с.
5. Самойлова Е.М., Демкин В.А. О составе различных фракций почвенного раствора // Почвоведение, 1976. №11. - С. 24-27.
6. Раудина Т.В. Почвенный раствор: от классических представлений к современным понятиям // Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове. - Томск, Издательский Дом Томского государственного университета. 2015. - С. 87-93.
7. Трофимов С.Я., Караванова Е.И. Жидкая фаза почв: учебное пособие по некоторым главам курса химии почв. - Москва: «Университетская книга», 2009. - 73 с.
8. Шеин Е.В. Курс физики почв: Учебник. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 432 с.
9. Grossmann J., Udluft P. The extraction of soil water by the suction cup method: a review // Journal of Soil Science. 1991. V. 42. - P. 83-93.