научная статья по теме ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗЛИЧИЙ СЕДИМЕНТОМЕТРИЧЕСКОГО И ЛАЗЕРНО-ДИФРАКЦИОННОГО МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗЛИЧИЙ СЕДИМЕНТОМЕТРИЧЕСКОГО И ЛАЗЕРНО-ДИФРАКЦИОННОГО МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 3, с. 310-317

ФИЗИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ

УДК 631.414

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗЛИЧИЙ СЕДИМЕНТОМЕТРИЧЕСКОГО И ЛАЗЕРНО-ДИФРАКЦИОННОГО МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО

СОСТАВА ПОЧВ*

© 2007 г. Г. Н. Федотов1' 2, Е. В. Шеин2, В. И. Путляев3, Т. А. Архангельская2,

А. В. Елисеев3, Е. Ю. Милановский2

Московский государственный университет леса, 141005 Мытищи-5, Московская обл., ГУВПО МГУЛ 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы 3Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы

Поступила в редакцию 13.10.2005 г.

Сравнение гранулометрических составов различных почв показало, что седиментационный метод (метод пипетки по Качинскому) дает более высокое (в 1.5-5 раз) содержание ила, чем метод лазерной диффрактометрии. Это связано со значительным варьированием плотности твердой фазы почвы, которая в седиментометрическом методе принимается константной. В связи с этим во фракцию ила попадают частицы, которые имеют значительно большие размеры и меньшую плотность. Методами оптической, электронной и конфокальной микроскопии показано, что низкая плотность почвенных частиц, попадающих в седиментометрическую фракцию ила и имеющих размеры пыли, связана с наличием оболочки из органо-минеральных коллоидных структур на микрочастицах почвы. Эта оболочка способствует связыванию микрочастиц между собой в агрегаты при значительном уменьшении средней плотности образующихся частиц. В результате при проведении гранулометрического анализа седиментометрическим методом эти агрегаты имеют значительно больший размер и меньшую плотность и поэтому оседают с той же скоростью, что и мелкие частицы со средней плотностью твердой фазы.

ВВЕДЕНИЕ

Гранулометрический состав (ГС) является одной из важнейших характеристик почв и широко используется в мелиорации и почвоведении для оценки прогнозирования поведения почв [3, 5, 12]. Считается, что ГС показывает, какого размера и в каком количестве содержатся в почвах элементарные почвенные частицы, то есть частицы, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи [1, 13].

Для определения ГС почв уже более 100 лет применяют приемы, основанные на разделении частиц при седиментации. Методы эти хорошо разработаны [2, 11, 14] и широко внедрены в практику. В настоящее время в почвоведении, седиментологии, коллоидной химии, других науках и в практике широко распространяется метод лазерной дифракто-метрии, основанный на анализе углового распределения рассеянного излучения, характеризующего распределение частиц по размерам [16-18]. Опубликованные данные по сравнению результатов определения гранулометрического состава почв се-диментационным и лазерным дифракционным методами показывает заметное уменьшение содержания в суспензии илистой фракции при использова-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ гранты 03-0348216, 04-04-48586, 04-04-49606 и 05-04-48655.

нии лазерного метода [16-18, 20]. Как правило, авторы связывают эти различия со сложностью форм почвенных элементарных частиц и возникающими при этом некоторыми несоответствия их поведения стоксовскому [17-19, 21]. Имеются однако сообщения о том, что и для форм частиц, близкой к сферической, эти различия также наблюдаются [8]. Кроме того, проверки лазерного дифрак-тометрического метода на стандартных смесях и частицах строго определенного диаметра показали его высокую точность [18].

Целью работы была попытка объяснить физико-химическую основу несоответствия данных, получаемых седиментационным и лазерным методами, с позиций организации почвенных коллоидов в органо-минеральные гелевые структуры, включающие в свой состав большие количества почвенного раствора и обладающие определенной устойчивостью.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В качестве объектов исследования были выбраны образцы, взятые из гаусовокумулятивных горизонтов дерново-подзолистой почвы из окрестностей поймы р. Яхрома, кубанского выщелоченного чернозема и тепличного субстрата,

а также из профиля серой лесной оподзоленной почвы Владимирского ополья.

При определении ГС почв путем седиментации использовали хорошо известный и широко распространенный метод пипетки [12, 14].

При определении гранулометрического состава почв лазерным дифрактометрическим (оптическим методом) использовали лазерный микроанализатор размеров частиц "Analesette 22" - прибор универсального применения для определения распределения частиц по размерам в суспензиях, эмульсиях, аэрозолях. Данный прибор использует систему сходящегося лазерного луча (гелий-неоновый лазер с длиной волны 632.8 нм). Для определения распределения частиц по размерам прибор использует физический принцип дифракции электромагнитных волн. Свет параллельного лазерного луча преломляется твердофазными частицами и отклоняется на фиксированные углы, которые зависят от диаметра и оптических свойств частиц. Сходящиеся в одной точке линзы фокусируют рассеянный свет в кольце на центральной панели, где детектор измеряет распределение световой энергии (спектр Фурье). Распределение частиц по размерам вычисляется в соответствии с теорией Фраунгофера и расчетной процедурой Ми [1б, 20].

Фирма FRITSCH использует свою собственную запатентованную оптическую конструкцию - обратную оптику Фурье. Проба попадает в сходящийся в одной точке лазерный луч, и расстояние от измерительной ячейки до детектора равно фокусной длине сходящихся в одной точке линз. Измерительный диапазон меняется простым смещением ячейки вдоль оптической оси. При этой конструкции измерительный диапазон можно перекрыть одним измерением. Прибор позволяет определять размеры частиц в интервале 0,1-1000 мкм без использования законов Стокса.

Образцы готовили по общепринятой методике для определения ГС [12]. Использовали воздушно-сухие почвы, которые тщательно перетирали в ступке с 4% раствором пирофосфата натрия при комнатной температуре, пропускали через сито с размером ячеек 250 мкм, помещали в цилиндр объемом 1 л с дистиллированной водой и тщательно перемешивали.

Изучение размеров частиц проводили на оптическом микроскопе МБИ-11У в суспензиях перечисленных выше почв, которые после отстаивания должны были содержать частицы размером менее 1 мкм. Суспензии наносили на предметные стекла и изучали размер частиц непосредственно в суспензии и после ее высушивания.

Флуоресценцию почв изучали при помощи люминесцентного спектрометра Perkin-Elmer Lambda LS 55 с двумя монохроматорами. Использовали детектор R928 (напряжение 650, 900 В). Измерения проводили в режимах возбуждения/эмиссии с

"cut-off" фильтром 290, 390, 515 нм. Ширина щели 10 нм.

Высушенные на предметном стекле суспензии илистой фракции почв изучали при помощи лазерного конфокального сканирующего микроскопа SOLAR-TII, используя излучение He-Cd лазера (к = 441.6 нм) с диаметром луча лазера на мишени 0.8 мкм. Лазерный луч сканировал поверхность, возбуждая флуоресцентное излучение, что позволяло получать изображение поверхности на выбранной длине волны испускания. Прибор позволяет производить сканирование по объему 100 х х 100 х 80 мкм с разрешением до 200 нм по осям X и Y, до 500 нм по оси Z на определенной длине волны. В результате можно получить данные о составе и структуре образца по его объему за сравнительно короткое время. Кроме того, возможно провести сканирование по длинам волн от 445 до 1000 нм с разрешением ~2 см-1. Размеры точки фокусировки светового пучка ~800 нм, что позволяет работать с микроскопическими образцами.

Предварительные эксперименты показали, что максимальное отличие в интенсивности флуоресценции стеклянной подложки и почв наблюдается на длине волны 600 нм, на которой и были получены изображения поверхности. С целью большей наглядности двухмерные микрофотографии были преобразованы в трехмерные.

Электронно-микроскопическое исследование проводили на растровом электронном микроскопе SUPRA 50 VP (фирмы Carl Zeiss, Германия) с автоэмиссионным источником при ускоряющих напряжениях 3-10 кВ с использованием детектора вторичных электронов типа InLens.

При электроннонушкроскопических исследованиях использовали те же образцы, что и на оптическом микроскопе, но при этом их разбавляли и наносили на свежий скол природной слюды. После испарения воды на образцы напыляли углерод (термический испаритель Univex-ЗОО, фирмы Leybold, Германия).

Было проведено также исследование почвенных суспензий методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM-2000 FX (фирмы JEOL, Япония) при ускоряющем напряжении 200 кВ. При приготовлении образцов каплю суспензии помещали на дырчатые углеродные подложки (некоторые подложки перед нанесением суспензии гидрофилизовали в тлеющем разряде установки Fine Coat JEOL, Япония).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При сравнении результатов по определению гранулометрического состава почв седиментаци-онным и лазерным методами, в первую очередь, обращало на себя внимание резкое уменьшение содержания в суспензии илистой фракции при использовании лазерного метода (табл. 1 и 2). Ана-

Таблица 1. Результаты определения ГС почв различными методами (вес. %)

Метод Размер частиц, мкм

<1 1-5 5-10 10-50 50-250 >250

Тепличный субстрат

Метод пипетки 0.6 5.6 2.3 46.2 25.5 19.8

Лазерный метод 0.32 7.13 6.3 33.77 35.59 20

Чернозем

Метод пипетки 24.3 16.4 9.1 25.9 24.1 0.2

Лазерный метод 4.25 52.95 23.9 18.9 0 0

Торфяная почва

Метод пипетки 3 12.4 10.5 46 27.5 0.6

Лазерный метод 0.75 10.05 8.47 47.92 32.69 0.12

Таблица 2. Результаты определения ГС (вес. %) серой лесной оподзоленной почвы методом пипетки (над чертой) и лазерным методом (под чертой)

Глубина отбора

Размер частиц, мкм

проб,см <1 1-5 5-10 10-50 50-250 >250

10-15 14.8/3.44 12.9/21.46 8.6/15.39 51.7/49.07 11.9/9.04 0.1/1.6

30-35 25.7/4.34 11.4/20.98 9.0/13.62 48.2/59.91 5.7/1.15 0.1/0

40-45 33.4/5.04 11.0/22.79 8.2/16.39 40.9/55.77 6.5/0.01 0/0

50-55 31.2/4.97 10.1/21.92 9.2/15.33 42.1/57.62 7.4/0.16 0/0

60-65 30.9/4.93 9.7/20.13 8.8/13.53 44.4/60.81 6.2/0.6 0/0

70-75 29.4/4.42 9.7/17.76 8.0/11.95 46.7/62.45 6.2/3.42 0/0

логи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком