СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ОТДЕЛЬНОСТЕЙ ПОЧВЫ
METHOD OF SEPARATION STRUCTURAL UNITS OF SOIL

Изобретение относится к области физики почв и может быть использовано для получения структурных отдельностей, способных к самоорганизации после разрушения, в том числе водопрочных, а также для оценки их содержания в почве с целью изучения почвенной структуры и процессов, в ней происходящих.
Прототипом являются ситовые методы анализа структуры почвы и получения препаратов структурных отдельностей: ситовой анализ на воздухе и в стоячей воде [Шеин, 2005]. Существенный недостаток этих способов, затрудняющий интерпретацию полученных результатов, их принципиальная неселективность. Так с агрономической точки зрения при просеивании наряду с агрегатами выделяются псевдоагрегаты, имеющие в сравнении с агрегатами малую пористость, высокую плотность, не стойкие в воде, либо наоборот абсолютно устойчивые вследствие цементации [Розанов, 2004]. Кроме того, средний срок существования почвенного агрегата в окружающей среде 27 дней [Plante, 2002], следовательно при просеивании в одну размерную фракцию попадают как свежеобразованные, так и зрелые, а также и готовые распасться агрегаты, свойства которых различные.
Целью изобретения является получение структурных отдельностей, состоящих из «активных» почвенных частиц, способных к самоорганизации после цикла увлажнения-высыхания.
Способ осуществляется следующим образом. Из почвенной массы в воздушно-сухом состоянии набором сит диаметром 3-1 и 0,25 мм выделяют почвенные воздушно-сухие агрегаты естественного сложения размерной фракции 3-1 мм и бесструктурные частицы <0,25.
Выделенные агрегаты 3-1 мм разрушают в ступке до частицы <0,25 мм. Полученные из агрегатов частицы либо, для сопоставления, частицы естественного сложения <0,25 мм (20 г) помещают в чашки Петри и добавляют такое же количество дистиллированной воды (20 мл). Полученную массу высушивают на воздухе при комнатной температуре.
После высыхания частицы образуют сплошную массу, состоящую из самособравшихся агрегатов и неплотно сцепленных почвенных частиц. Для их разделения почвенную корку делят примерно на две равные половины и каждую из них переносят в пластиковую пробирку для центрифугирования на 50 мл с закрывающейся крышкой (типа «Falcon»). Пробирки помещают на оборотный ротатор и встряхивают 90 минут при 25 оборотах в минуту.
Как показали предварительные эксперименты, использование оборотного ротатора для разделения агрегатов и частиц <0,25 мм дает схожие результаты как и с общепринятым разминанием резиновым пестиком без нажима, но варьирование результатов и, соответственно, ошибка среднего гораздо меньше. Было показано, что в первые 60 минут встряхивания содержание агрегатов снижалось, затем в течение следующих 60 минут оставалось постоянным, соответствующим результатам, получаемым разминанием с резиновым пестиком без нажима, после чего начинало снижаться, достигая значений, сопоставимых с ошибкой эксперимента - 1-2%.
После встряхивания полученную массу взвешивают и пропускают через сито 0,25 мм, отделяя самособравшиеся агрегаты от неагрегированных частиц. Определяют массу самособравшихся агрегатов и по разнице с взятой навеской рассчитывают процент самособравшихся агрегатов.
Для выделения водопрочных агрегатов, способных к самосборке после механического разрушения, навеску полученных на предыдущем этапе агрегатов помещают на сито 0,25 мм, ячейки которого предварительно увлажнены (для этого сито на 1 минуту погружают в дистиллированную воду и аккуратно достают, не встряхивая). Дожидаются, когда вода, удерживаемая между ячеек сита силами капиллярного поднятия, увлажнит навеску агрегатов. Если влаги на ячейках сита недостаточно, к низу сетки сита прикладывают переувлажненную фильтровальную бумагу (бумагу погружают в воду, затем дают излишней воде стечь) и достигают полного увлажнения агрегатов за счет капиллярных сил.
По достижении агрегатами насыщения сито погружают в дистиллированную воду на 10 минут. По истечении этого времени проводят просеивание в воде путем повторяемых десять раз колебаний сита в воде вправо-влево на 45° и вверх-вниз. На сите остаются водопрочные агрегаты, способные к самосборке после механического разрушения. Полученные препараты водопрочных агрегатов высушивают на воздухе или при 105°С.
Суспензию с прошедшими через сито частицами <0,25 мм в ходе просеивания в воде высушивают, взвешивают и по данным об изначальной массе почвы, процента самособравшихся сухих агрегатов и взятой их навеске для выделения водопрочных агрегатов рассчитывают количество водопрочных агрегатов, способных к самосборке после механического разрушения (% от самособравшихся структурных отдельностей или от массы почвы).
Примеры использования
Пример 1. Изучение распределения частиц, способных к самосборке в размерных фракциях непахотных почв
Способность механически разрушенных частиц структурных отдельностей 3-1 мм и почвенных частиц <0,25 мм самопроизвольно собираться в агрегаты (образования крупнее 0,25 мм) тестировалась в необрабатываемых почвах (типичный чернозем ежегодно косимой степи и дерново-подзолистая почва под лесом).
В необрабатываемых почвах отсутствуют процессы механического разрушения агрегатов и, следовательно, все частицы, способные самопроизвольно собираться в структурные отдельности >0,25 мм, уже агрегированы и в свободном состоянии должны практически отсутствовать.
Результаты, полученные в ходе экспериментов с составляющими необрабатываемых почв, подтвердили выдвинутое предположение. Из частиц в естественном состоянии, в почве, имеющих размеры <0,25 мм, образовывалось меньше 2% структурных отдельностей, которые можно отнести к агрегатам, что сопоставимо с ошибкой эксперимента. Для частиц типичного чернозема этот показатель составил 1.6%, а для дерново-подзолистой почвы 0.2%. По данным проведенного t-теста (α=0.01, n=8) значимых отличий между этими двумя средними не существует.
Таким образом, можно заключить, что в необрабатываемых почвах частицы <0,25 мм практически не обладают способностью самособираться в агрегаты.
Напротив, согласно экспериментальным данным частицы <0,25 мм, полученные механическим разрушением агрегатов 3-1 мм, обладают хорошо выраженной способностью самоорганизовываться: 21.2% частиц агрегатов 3-1 мм типичного чернозема и 6.1% агрегатов дерново-подзолистой почвы самособрались в структурные отдельности >0,25 мм. По результатам оценки значимости отличий по t-критерию (α=0.01, n=8) оба средних отличались как друг от друга, так и от средних значений количества самособравщихся агрегатов из частиц естественного сложения <0,25 мм.
Таким образом, в непахотных почвах в состав структурных отдельностей 3-1 мм входят частицы, способные после механического разрушения самопроизвольно после увлажнения-высыхания образовывать агрегаты, а частицы естественного сложения <0,25 мм этой способности лишены.
Пример 2. Изучение содержания частиц, способных к самосборке в непахотных и пахотных дерново-подзолистых почвах
Способность механически разрушенных частиц структурных отдельностей 3-1 мм и почвенных частиц <0,25 мм самопроизвольно собираться в агрегаты (образования крупнее 0,25 мм) сравнительно тестировалась на дерново-подзолистой почве в пахотном и непахотном варианте использования.
Из разрушенных частиц 3-1 мм дерново-подзолистой пахотной почвы самопроизвольно образовывалось значимо больше агрегатов (27.0%) чем из таковых аналогичной, но необрабатываемой почвы (6.1%). Из частиц <0,25 мм непахотной почвы самопроизвольно структурные отдельности практически не образовывались (0,2%), в то время как этот же вариант пахотной почвы показал значение 15.3%. Все полученные средние значимо отличались друг от друга (t-тест при α=0.01, n=10).
Таким образом, получена информация о структурном состоянии почв. Почвенные агрегаты 3-1 мм дерново-подзолистой пахотной почвы содержат почти в полтора раза больше частиц, способных самостоятельно собираться в агрегаты, в сравнении с частицами <0,25 мм. Следует отметить относительно высокую способность у частиц <0,25 мм пахотной почвы самоорганизовываться по сравнению с таковыми необрабатываемых почв, которые практически лишены этой способности. Вероятно, это связано с использованием почвы для возделывания пропашных культур. Часть агрегатов была разрушена в результате обработки, и их частицы попали в размерную фракцию <0,25 мм, при этом сохранив способность самособираться в агрегаты на момент отбора почвенных образцов.
Пример 3. Сравнение свойств водопрочных агрегатов, выделенных обычным способом из агрегатов 3-1 мм, с водопрочными агрегатами, полученными из частиц, способных к самоорганизации агрегатов 3-1 мм дерново-подзолистой пахотной почвы
Из воздушно-сухих агрегатов 3-1 мм дерново-подзолистой пахотной почвы были выделены водопрочные агрегаты как с помощью общепринятого просеивания в воде [Шеин, 2005], так и разработанным способом. В полученных препаратах было определено содержание органического углерода (ОС). В водопрочных агрегатах, полученных обычным способом, оно составило 1,56% ОС, в водопрочных агрегатах самособравшихся структурных отдельностей 1,88% ОС. Полученный результат демонстрирует, что разработанным способом выделяются обогащенные органическим углеродом способные к самосборке водопрочные структурные отдельности, вследствие чего их можно отнести к наиболее активной структурообразующей части почвы.
Литература
1. Розанов Б.Г. Морфология почв. М.: Академический проект, 2004. 432 с.
2. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.
3. Plante A.F., Feng Y., McGill W.B. A modeling approach to quantifying soil macroaggregate dynamics // Can. J. Soil Sci. 2002. V.82 P.181-190.