СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОПРОЧНОСТИ ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТОВ
METHOD FOR DETERMINING WATER RESISTANCE OF SOIL AGGREGATES

Область техники
Изобретение относится к сельскому хозяйству и почвоведению, а именно к средствам и способам определения водопрочности почв для прогнозирования возможной почвенной эрозии.
Уровень техники
Известен способ определения водопрочности почвенных агрегатов влажным просеиванием по методу Савинова (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа, 1973. с.72-75). В известном способе используют навеску воздушно-сухих агрегатов массой 50 г. Навеска состоит из агрегатов различных диаметров. Их соотношение определяют рассевом сухого почвенного образца на колонке сит и расчетом процента, который каждая размерная фракция (%) занимает от общей массы образца навески. При проведении опытов навеску агрегатов помещают в цилиндр с водой, который переворачивают несколько раз. Затем перемещают агрегаты на колонку сит различных размеров, которая расположена в емкости с водой. Навеску рассеивают в воде, затем сита вынимают, смывают содержимое каждого сита в отдельную емкость, проводят удаление воды высушиванием и определяют массу оставшихся на сите агрегатов. Для удобства выражения результатов используют расчет средневзвешенного диаметра агрегатов.
Основным недостатком данного метода является низкая производительность. Эксперимент в одной повторности занимает около 9 часов. При использовании нескольких цилиндров и наборов сит возможно повысить производительность измерений (один образец в трехкратной повторности в сутки). Кроме того, методы ситового анализа наиболее информативны для почв с повышенной водопрочностью, таких как черноземы. Однако при работе с менее водопрочными почвами, например, дерново-подзолистыми, чувствительность метода будет заметно ниже, что, в первую очередь, связано, с отсутствием удаления защемленного воздуха, который вносит неконтролируемый вклад в разрушение агрегатов при оценке их водопрочности.
Из того же источника информации известен также способ определения водопрочности почвенных агрегатов в стоячей воде (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа, 1973. с.72-75). Он заключается в отборе агрегатов размером 3-5 мм, переносе их на сито, закрытое кружком фильтровальной бумаги, помещении сита в кристаллизатор, заполнении кристаллизатора водой и учете количества распавшихся агрегатов за 10 минут.
Основным недостатком данного способа является недостаточная точность при определении водопрочности почвенных агрегатов из-за отсутствия четких различий между распавшимися и нераспавшимися агрегатами. При этом в поле зрения при определении водопрочности должны находиться несколько десятков агрегатов (50 или 100 в зависимости от объема выборки), а процесс подсчета происходит с интервалом в одну минуту, что дополнительно затрудняет получение достоверной информации о водопрочности. В принципе, возможно использование оптических компьютеризированных устройств, которые будут автоматически фиксироваться на каждом агрегате через определенные промежутки, фотографировать их и заносить в память компьютера. Однако, во-первых, такие системы слишком сложны и дорогостоящи, а во-вторых, обработка полученной информации занимает очень много времени, что снижает производительность способа.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ определения водопрочности почвенных агрегатов посредством их рассева в условиях вакуумирования (Ревут И.Б. Физика почв. Изд. 2-е, дополн. и переработ. Л.: Колос, 1972. 368 с.). Способ фиксации результатов аналогичен тому, что описан для метода Савинова. При этом проведение экспериментов в вакууме позволяет устранить неконтролируемое влияние защемленного воздуха на разрушение агрегатов.
Основными недостатками метода являются низкая производительность, а также низкая чувствительность в отношении почв с низкой водопрочностью.
Несмотря на существенные различия в методиках к оценке водопрочности в них можно выделить общие, характерные для всех подходы:
• все перечисленные методы базируются на действии механических сил разной природы и величины, разрывающих связи, удерживающие вместе части агрегатов;
• агрегаты погружены в воду или увлажнены до влажности, близкой к полной влагоемкости;
• однако все известные способы характеризуются довольно низкой производительностью и отсутствием универсальности - пригодны только в отношении почв с невысокой водопрочностью.
Как следует из литературы (Vogelmann E. S., Reichert J. M., Prevedello J., Awe G. O., Mataix-Solera J. Can occurrence of soil hydrophobicity promote the increase of aggregates stability? // Catena. 2013. V. 110. P. 24-31.), водопрочность почв связана с их гидрофобностью, т.е. количеством (плотностью) гидрофобных связей. Согласно предложенному механизму (Шеин Е.В. Курс физики почв.: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.), гидрофильные участки гумусовых веществ (ГВ) взаимодействуют с глинистыми минералами, а гидрофобные участки взаимодействуют друг с другом, обеспечивая водопрочность почвенной структуры.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания высокопроизводительного способа определения водопрочности почвенных агрегатов.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в сокращении времени проведения эксперимента по определению водопрочности почвенных агрегатов при упрощении способа такого определения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе определения водопрочности почвенных агрегатов, включающем отбор агрегатов, их вакуумирование с последующим насыщением водой в вакууме и дальнейшее механическое воздействие на подготовленные таким образом агрегаты, согласно техническому решению, перед увлажнением отобранные агрегаты помещают в кассету, обеспечивающую снижение их подвижности; а после увлажнения агрегатов отключают вакуум и воздействуют на насыщенные водой группы линейно расположенных в кассете агрегатов лезвиями с постепенным увеличением нагрузки и ее фиксацией в момент разрушения почвенных агрегатов, при этом водопрочность агрегатов определяют по средней предельной нагрузке разрушения, приходящейся на 1 агрегат. Для снижения подвижности агрегатов используют металлические уголки, размещенные в кассете на фиксированном расстоянии друг от друга. Лезвия располагают вдоль уголков с размещенными в них рядами агрегатов. При воздействии на агрегаты лезвиями ведут контроль их смещения на 3-5 мм при помощи лазерного луча.
Предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность и производительность при определении водопрочности почвенных агрегатов.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими изображениями, где
на фиг.1 представлено изображение известного из уровня техники прибора, используемого для определения водопрочности почвенных агрегатов (Ревут И.Б. Физика почв. Изд. 2-е, дополн. и переработ. Л.: Колос, 1972. 368 с.), позициями на котором обозначены:
1. Станина.
2. Стойка.
3. Цилиндр с вакуумом.
4. Цилиндр без вакуума.
5. Колонки сит.
На фиг.2 схематично представлена кассета, используемая для определения водоустойчивости почвенных агрегатов в рамках заявляемого способа, а также общая схема экспериментальной установки.
Позициями обозначены:
6. Алюминиевые уголки, соединенные между собой;
7. Хлопчатобумажные фитили;
8. Почвенные агрегаты;
9. Емкость с водой;
10. Весы;
11. Площадка с закрепленными на ней лезвиями;
12. Мерный стаканчик с песком;
13. Добавляемый в мерный стаканчик песок;
14. Луч лазера, направленный на мерную шкалу стаканчика.
На фиг.3 приведено сравнение результатов предельных напряжений разрушения воздушно-сухих агрегатов различных типов почв (кривая I), полученных в результате применения заявляемого способа, с данными по водопрочности при рассеве агрегатов в воде в вакууме И.Б. Ревута (кривая II, табл. 1).
Осуществление изобретения
Для оценки производительности заявляемого способа предварительно был реализован процесс оценки водопрочности агрегатов с использованием способа, выбранного в качестве прототипа.
На колонки сит устройства (фиг.1) нанесены образцы, состоящие из агрегатов от 0,25 до 7,0 мм, крышку цилиндра плотно закрывают и к цилиндру при помощи крана подсоединяют вакуум-насос. Затем включают насос и производят откачку воздуха из цилиндра. Наступление вакуума в 1 мм рт. ст. регистрируется при помощи щупа. При достижении заданного значения вакуума кран к вакуум-насосу перекрывают, краны, соединяющие оба цилиндра с водопроводом, открывают, оба цилиндра заполняют водой таким образом, чтобы верхний уровень воды в них был на 3-4 см выше среднего крайнего уровня колонки сит в цилиндре. Скорость опускания и подъема колонок сит регулируется. В обоих цилиндрах сита имеют одинаковое число колебаний, и колебания в них происходят синхронно. Таким образом, в данном приборе исключено субъективное воздействие пользователя на результаты анализа, так как скорость колебаний сит и предельные их уровни остаются постоянными или регулируются с помощью коробки скоростей в пределах от 2 до 22 колебаний в минуту. После окончания промываний колонки сит извлекают. Оставшиеся на них агрегаты переносят в фарфоровые чашки, высушивают их до воздушно-сухого состояния и взвешивают (Ревут И.Б. Физика почв. Изд. 2-е, дополн. и переработ. Л.: Колос, 1972. 368 с.). Расчет средневзвешенного диаметра (СВД) агрегата производился по формуле:
Х = (а*100) / р,
где X - содержание агрегатов какого-то размера, %; а - масса агрегатов, г; р - навеска, взятая для анализа, г.
По описанной методике (прототип) была изучена водопрочность агрегатов следующих почв: 1. Подзолистые почвы; 2. Деградированные черноземы; 3. Мощные черноземы; 4. Обыкновенные черноземы; 5. Каштановые почвы; 6. Сероземы; 7. Красноземы; 8. Подзолы субтропиков.
Длительность проведения эксперимента в одной повторности с учетом определения СВД составляет около 9 часов.
Для оценки эффективности разработанной методики в сравнении с прототипом полученные воздушно-сухие агрегаты помещали в кассету, представляющую собой 2 алюминиевых уголка, закрепленных таким образом, чтобы угол был ориентирован по направлению действия силы тяжести (фиг. 2А). В нижней части уголка были размещены фитили из хлопчатобумажной ткани. В алюминиевые уголки на фитили укладывали по 14 почвенных агрегатов так, чтобы они касались друг друга для создания близких по увлажнению условий. Количество агрегатов лимитировалось исключительно размерами емкости, куда кассету с агрегатами помещали для вакуумирования. При использовании другой емкости количество агрегатов может быть другим. Посредством вакуумирования удаляли из агрегатов воздух в течение 15 минут при разрежении 15 кПа. Условия были подобраны в ходе изучения водопрочности воздушно-сухих агрегатов в предварительных экспериментах. После этого агрегаты в вакууме через фитили капиллярно увлажняли до значений, близких к насыщению. Ввиду неодинаковой смачиваемости агрегатов различных почвенных типов, для каждого из них время капиллярного увлажнения подбирали индивидуально. Так, для образцов черноземов время увлажнения составило 30 минут, а его увеличение до 60 минут значимо не изменяло водопрочность.
После увлажнения агрегатов в вакууме кассету с агрегатами извлекали из эксикатора и помещали в расположенную на весах емкость с водой таким образом, чтобы фитили агрегатов поддерживали насыщение агрегатов водой, достигнутое на этапе вакуумирования. Затем на линейно расположенные агрегаты помещали устройство, представляющее собой два параллельно ориентированных лезвия, закрепленных на площадке, на которую устанавливали стаканчик с мерной шкалой. Использование двух лезвий обеспечивало устойчивость устройства при воздействии на агрегаты, а также увеличивало количество агрегатов, которые одновременно рассекались лезвиями. Добавляя песок в стаканчик, повышали нагрузку на агрегаты, которую фиксировали при помощи весов. Луч лазера, закрепленного на другом штативе, направленный на мерную шкалу стаканчика, позволял хорошо контролировать процесс разрушения агрегатов. По достижении критической нагрузки площадка с лезвиями опускалась, рассекая при этом почвенные агрегаты. Остановка перемещения площадки свидетельствовала о завершении процесса испытания. Величину критической нагрузки фиксировали в граммах.
С целью стандартизации получаемых данных рассчитывали предельное сопротивление разрушения агрегатов. Экспериментально определяемую нагрузку в граммах выражали в миллиньютонах (мН). Для получения удельной характеристики нагрузку делили на общее количество агрегатов в повторности - 28 штук.
Эксперименты проводили в шестикратной повторности с последующей статистической обработкой результатов с использованием программного обеспечения OriginPro, в котором рассчитывали доверительный интервал, который не превышал 10% при 95% уровне значимости.
Разработанный метод позволяет проводить оценку 3-4 почвенных образцов в сутки.
Для проверки возможности использовать полученные при помощи разработанного метода данные для оценки водопрочности было проведено сравнение результатов предельных напряжений разрушения воздушно-сухих агрегатов различных типов почв (фиг. 3, кривая I) с данными по водопрочности при рассеве агрегатов в воде в вакууме И.Б. Ревута (Ревут И.Б. Физика почв. Изд. 2-е, дополн. и переработ. Л.: Колос, 1972. 368 с.) (фиг.3 кривая II) (табл. 1).
Табл. 1. Водопрочность почвенных агрегатов по методу мокрого просеивания в условиях вакуумирования (прототип) в сравнении с методом лезвий (заявляемый способ).
№ почвы
ПочвыКривая II/ Кривая I
Водопрочность по прототипу, %
Водопрочность по заявляемому методу, мН/агрегат
1.
Подзолистая / дерново-подзолистая почва
30
21,5
2.
Деградированный чернозем
72
-
3.
Мощный чернозем / чернозем типичный
100
36,1
4.
Обыкновенный чернозем
72
-
5.
Каштановая почва / каштановая почва
45
19,9
6.
Серозем / серозем
20
16,2
7.
Краснозем / красно-коричневая (красноцветная) почва
95
35,1
8.
Подзол субтропиков
40
-
Представленные в таблице результаты, а также ход полученной кривой с представленными на ней точками экстремумов качественно соответствует данным (фиг.3 кривая II), представленным И.Б. Ревутом, что подтверждает возможность использования метода лезвий для оценки водопрочности. При этом, разработанный метод позволяет определять водопрочность 3-4 образцов в шестикратной повторности в сутки, что более чем в 10 раз превосходит производительность прототипа, в котором проведение оценка водопрочности одного образца в одной повторности занимает около 9 часов.
Таким образом, предлагаемый метод позволяет повысить производительность экспериментов по определению водопрочности почвенных агрегатов в сравнении с прототипом более чем в 10 раз, позволяя получать сходные, достоверные результаты.