Цифровая реометрия в современных почвенных исследованиях (обзор)

Автор: Клюева В.В.

Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil

Статья в выпуске: 121, 2024 года.

Бесплатный доступ

Цифровая почвенная реометрия - это активно развивающееся относительно новое перспективное направление, занимающее на данный момент небольшую долю в почвенных и агрофизических исследованиях. В работе представлен обзор применения реометрического подхода при изучении механического поведения почв в отечественных и зарубежных исследованиях. Описаны основные теоретические положения методов осцилляционной амплитудной развертки (oscillatory amplitude sweep test) и осцилляционного теста с контролируемой деформацией (oscillatory test with controlled strain, resilience test) в приложении к почвенной структуре как объекту исследований. В статье дана характеристика количественных деформационных и прочностных показателей (модуль накопления G`, диапазон линейной вязкоупругости LVE-range, кривая напряжения сдвига t, максимальное напряжение сдвига tmax, индекс восстановления структуры R и др.), описывающих механические свойства почв на микроуровне структурной организации, получаемых упомянутыми методами. Отдельно представлены технические моменты подготовки почвы к реометрическим исследованиям: влияние структуры и влажности образцов, температуры и нормальной силы, задаваемых в протоколе исследования на реометре, на проведение испытания и получаемые данные. В статье рассмотрены направления исследований в рамках описываемого подхода, сформировавшиеся более чем за 20 лет применения реометрии в почвенных исследованиях и кратко представлены результаты работ различных авторов. На основе проведенного анализа исследовательских работ охарактеризованы направления дальнейшего развития реометрического подхода в почвенных исследованиях.

Еще

Реометр, почвенная структура, механические свойства почв, деформационные и прочностные показатели почв, амплитудная развертка, тест на тиксотропию

Короткий адрес: https://sciup.org/143184042

IDR: 143184042 | DOI: 10.19047/0136-1694-2024-121-281-321

Список литературы Цифровая реометрия в современных почвенных исследованиях (обзор)

Абрукова В.В., Манучаров А.С. Некоторые особенности деформации почв при реологических исследованиях // Почвоведение. 1985. № 6. С. 89-96.
Абрукова В.В., Манучаров А.С. Реологическая характеристика тундровой поверхностно-глеевой почвы // Почвоведение. 1986. № 9. С. 44-52.
Абрукова Л.П. Кинетика процессов тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях // Почвоведение. 1970. № 3. С. 104-114.
Абрукова Л.П. Реопексия при реологических исследованиях почв // Почвоведение. 1976. № 5. С. 121-126.
Абрукова Л.П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8 // Почвоведение. 1980. № 8. С. 83-91.
Воларович М.П., Лазовская Н.В. Ротационные вискозиметры для исследования реологических свойств дисперсных систем и высокомолекулярных соединений (Обзор) // Коллоидный журнал. 1966. Т. 28. № 2. С. 198-213.
Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. 204 с.
Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.
ГОСТ 12248.1-2020. Грунты. Определение характеристик прочности методом одноплоскостного среза. М.: Стандартинформ, 2020. 20 с.
ГОСТ 12248.3-2020. Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия. М.: Стандартинформ, 2020. 33 с.
ГОСТ 12248.4-2020. Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия. М.: Стандартинформ, 2020. 19 с.
ГОСТ 5180-2015. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Стандартинформ, 2019. 24 с.
Качинский Н.А. Физика почвы. М.: Высшая школа, 1965. 321 с
Клюева В.В. Реологические свойства почв и их связь с физическими и химическими свойствами на примере дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного: Дис. … канд. биол. наук. М.: МГУ, 2019. 142 с.
Клюева В.В., Хайдапова Д.Д. Реологические свойства образцов естественного и нарушенного сложения дерново-подзолистой и агродерново-подзолистой почвы // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89. С. 21-35. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-89-21-35.
Клюева В.В., Хайдапова Д.Д. Возможности использования реологических параметров почв в качестве физических показателей трансформации их структурного состояния // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 103. С. 108-148. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-103-108-148.
Манучаров А.С., Харитонова Г.В., Шеин Е.В. Реология в почвоведении. М.: Университетская книга, 2013. 80 с.
Манучаров А.С. К использованию реологических исследований в почвоведении // Вестник Московского университета. Серия Почвоведение. 1983. № 3. С. 36-40.
Манучаров А.С., Абрукова В.В. Структурно-механические свойства дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 1983. № 4. С. 64-73.
Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высш.школа, 1968. 631 с.
Месчян С.Р. Механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения (с учетом временных эффектов). М.: Недра, 1974.192 с.
Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.
Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избраннные труды. М.: Наука, 1979. 384 с.
Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Осипов В.И., Трофимов В.Т. Грунтоведение. Издание третье, перерабатанное и дополненное. М.: Издательство Московкого университета, 1971. 595 с.
Теория и методы физики почв: коллективная монография /под ред. Е.В.Шеина, Л.О. Карпачевского. М.: Гриф и К., 2007. 616 с.
Трофимов В.Т. Королев В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А., Васильчук Ю. К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение. Москва: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.
Хайдапова Д.Д., Холопов, Ю.В., Забоева, И.В., Лаптева, Е.М. Реологические особенности коагуляционной структуры северотаежных торфянисто-подзолисто-глееватых почв европейского северо-востока // Вестник Московского университета.Серия 17. Почвоведение. 2014. № 1. С. 20-25.
Хайдапова Д.Д., Честнова В.В., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Реологические свойства черноземов типичных (Курская область) при различном землепользовании // Почвоведение. 2016. № 8. С. 955-963. https://doi.org/10.7868/S0032180X16080049.
Хитров Н.Б., Хайдапова Д.Д. Вязкоупругое поведение вертикового солонца Каменной Степи // Почвоведение. 2019. № 7. С. 843-858. https://doi.org/10.1134/S0032180X19070050.
Холопов Ю.В., Хайдапова Д.Д., Лаптева Е.М. Реологические cвойства cеверо-таежных автоморфных и полугидроморфных криометаморфических почв Европейского северо-востока России (Республика Коми) // Почвоведение. 2018. № 4. С. 439-450. https://doi.org/10.7868/s0032180x18040056.
Цытович Н.А. Механика грунтов. Ленинград, Москва: Стройиздат, Наркомстрой, 1940. 388 с.
Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 432 с.
Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии / Пер. с анг. И.А. Лавыгина / под ред. В.Г. Куличихина. М.: КолосС, 2003. 312 с.
Ajayi A. E., Holthusen D., Horn R. Changes in microstructural behaviour and hydraulic functions of biochar amended soils // Soil & Tillage Research. 2016. Vol. 155. P. 166-175.
Ajayi A.E., Horn R. Biochar-induced changes in soil resilience: Effects of soil texture and biochar dosage // Pedosphere. 2017. Vol. 27. P. 236-247.
Andrews S.S., Karlen D.L., Cambardella C.A. The Soil Management Assessment Framework // Soil Science Society of America Journal. 2004. Vol. 68. No. 6. P. 1945-1962. https://doi.org/10.2136/sssaj2004.1945.
Anton Paar GmbH. Modular Compact Rheometers. Products, 2023. URL: https://www.anton-paar.com/corp-en/products/details/rheometer-mcr-102-302-502/?sku=241353.
Barré P., Hallett P.D. Rheological stabilization of wet soils by model root and fungal exudates depends on clay mineralogy // European Journal of Soil Science. 2009. Vol. 60. P. 525-538. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2009.01151.x.
Batista R.F., Reichert J.M., Holthusen D., Batistão A.C., Daher M., Schünemann A.L., Filho E.I.F., Schaefer C. E.G.R., Francelino M.R. Freeze- thaw cycles affecting rheological properties of Antarctic soils // Geoderma. 2022. Vol. 428. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116220.
Batistão A.C., Holthusen D., Reichert J. M., dos Santos L.A.C., Campos M.C.C. Resilience and microstructural resistance of Archaeological Dark Earths with different soil organic carbon contents in Western Amazonia, Brazil // Geoderma. 2020. Vol. 363. P. 114130. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114130.
Baumgarten W., Dörner J., Horn R. Microstructural development in volcanic ash soils from South Chile // Soil & Tillage Research. 2013. Vol. 129. P. 48-60. https://doi.org/10.1016/j.still.2013.01.007.
Baumgarten W., Horn R. Assessing soil degradation by using a scalespanning soil mechanical approach: A review. In: Advances in GeoEcology - Soil Degradation. Catena Verlag, 2013. P. 3-61.
Czibulya Z., Tombacz E., Szegi T., Micheli E., Zsolnay A. Standard state of soil dispersion // Applied Clay Science. 2010. Vol. 48. P. 594-601.
Das B.M. Advanced Soil Mechanics. CRC Press, 2008. 594 p.
Encyclopedia of agrophysics. J. Gliński, J. Horabik, J. Lipiec (Eds). Dordrecht: Springer, 2011. 1028 p.
Ghezzehei T.A., Or D. Rheological properties of wet soils and clays under steady and oscillatory stresses // Soil Science Society of America Journal. 2001. Vol. 65. P. 624-637. https://doi.org/10.2136/sssaj2001.653624x.
Holthusen D., Batistão A.C., Reichert J.M. (2020a) Amplitude sweep tests to comprehensively characterize soil micromechanics: brittle and elastic interparticle bonds and their interference with major soil aggregation factors organic matter and water content // Rheological Acta. 2020. Vol. 59. No. 8. P. 545-563. https://doi.org/10.1007/s00397-020-01219-3.
Holthusen D., Jänicke M., Peth S., Horn R. Physical properties of a Luvisol for different long-term fertilization treatments: I. Mesoscale capacity and intensity parameters // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2012a. Vol. 175. No. 1. P. 4-13. https://doi.org/10.1002/jpln.201100075.
Holthusen D., Jänicke M., Peth S., Horn R. Physical properties of a Luvisol for different long-term fertilization treatments: II. Microscale behavior and its relation to the mesoscale // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2012b. Vol. 175. P. 14-23. https://doi.org/10.1002/jpln.201100076.
Holthusen D., Pértile P., Awe G.O., Reichert J.M. Soil density and oscillation frequency effects on viscoelasticity and shear resistance of subtropical Oxisols with varying clay content // Soil Tillage Research. 2020b. Vol. 203. P. 104677. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104677.
Holthusen D., Pértile P., Reichert J.M., Horn R. Controlled vertical stress in a modified amplitude sweep test (rheometry) for the determination of soil microstructure stability under transient stresses // Geoderma. 2017. Vol. 295. P. 129-141. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.034.
Holthusen D., Pértile P., Reichert J.M., Horn R. Viscoelasticity and shear resistance at the microscale of naturally structured and homogenized subtropical soils under undefined and defined normal stress conditions // Soil Tillage Research. 2019. Vol. 191. P. 282-293. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.04.014.
Holthusen D., Peth S., Horn R., Kühn T. Flow and deformation behavior at the microscale of soils from several long-term potassium fertilization trials in Germany // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2012. Vol. 175. P. 535-547. https://doi.org/10.1002/jpln.201100073.
Horn R., Holthusen D., Dörner J., Mordhorst A., Fleige H. Scaledependent soil strengthening processes - What do we need to know and where to head for a sustainable environment? // Soil & Tillage Research. 2019. Vol. 195. P. 104388. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104388.
Hosseinpour-Ashenaabad R., Keller T., Larsbo M., Hallett P.D. Dualplatform micromechanical characterization of soils: Oscillation shear rheometry and spherical indentation // Soil Tillage Research. 2022. Vol. 223. P. 105467. https://doi.org/10.1016/j.still.2022.105467.
ISO 17892-12:2018. Geotechnical investigation and testing. Laboratory testing of soil. Part 12: Determination of liquid and plastic limits.
Keedwell M.J. Rheology and Soil Mechanics. London, New York: MacMillan, 1984. 323 p.
Lal R. Soil Structure and Sustainability // Journal of Sustainable Agriculture. 1991. Iss. 4. P. 67-92. https://doi.org/10.1300/J064v01n04_06.
Markgraf W., Horn R. Rheological-stiffness analysis of K+-treated and CaCO3-rich soils // Journal of Plant Nutriton and. Soil Science. 2006. Vol. 169. P. 411-419. https://doi.org/10.1002/jpln.200521934.
Markgraf W., Horn R. Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Scan Analyses and Rheological Investigations of South-Brazilian Soils // Soil Science Society of America Journal. 2007. Vol. 71. P. 851-859. https://doi.org/10.2136/sssaj2006.0231.
Markgraf W., Horn R., Peth S. An approach to rheometry in soil mechanics-Structural changes in bentonite, clayey and silty soils // Soil Tillage Research. 2006. Vol. 91. P. 1-14. https://doi.org/10.1016/j.still.2006.01.007.
Markgraf W., Moreno F., Horn R. Quantification of Microstructural Changes in Salorthidic Fluvaquents Using Rheological and Particle Charge Techniques // Vadose Zone Journal. 2012. Vol. 11. P. 1-11. https://doi.org/10.2136/vzj2011.0061.
Markgraf W., Watts C., Whalley R., Horn R. Influence of mineralogical compounds and organic matter on rheological properties: Classifying stiffness degradation in soils // Extended Abstracts - 21st Australian Clay Minerals Conference. Brisbane. 2010. P. 121-124.
Markgraf W., Watts C.W., Whalley W.R., Hrkac T., Horn R. Influence of organic matter on rheological properties of soil // Applied Clay Science. 2012. Vol. 64. P. 25-33. https://doi.org/10.1016/j.clay.2011.04.009.
Mezger T.G. The Rheology Handbook. For users of rotational and oscillatory rheometers. 4th edition. Hanover: Vincentz Network, 2014.
Mitchell J.K., Soga K. Fundamentals of soil behavior. 3rd edition. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 577 p.
Naveed M., Brown L.K., Raffan A.C., George T.S., Bengough A.G., Roose T., Sinclair I., Koebernick N., Cooper L., Hackett C.A., Hallett P.D. Plant exudates may stabilize or weaken soil depending on species, origin and time // Eurasian Journal of Soil Science. 2017. Vol. 68. P. 806-816. https://doi.org/10.1111/ejss.12487.
Pértile P., Holthusen D., Gubiani P.I., Reichert J.M. Microstructural strength of four subtropical soils evaluated by rheometry: properties, difficulties and opportunities // Scientia Agricola. 2018. Vol. 75. No. 2. P. 154-162. https://doi.org/10.1590/1678-992X-2016-0267.
Pértile P., Reichert J.M., Gubiani P.I., Holthusen D., da Costa A. Rheological parameters as affected by water tension in subtropical soils // Revista Brasileira de Ciencia do Solo. 2016. Vol. 40. P. 2-14. https://doi.org/10.1590/18069657rbcs20150286.
Rabot E., Wiesmeier M., Schlüter S., Vogel H.-J. Soil structure as an indicator of soil functions: A review // Geoderma. 2018. Vol. 314. P. 122-137. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.11.009.
Sobucki V., Holthusen D., Batistão A.C., Mota J. C. A., Reichert J. M. Potential of rheometry in detecting cohesive soils in Brazil as an additional tool to morphological field description and tensile resistance quantification // Geoderma Regional. 2022. Vol. 30. P. e00553. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2022.e00553.
Stoppe N., Horn R. Microstructural strength of tidal soils - A rheometric approach to develop pedotransfer functions // Journal of Hydrology and Hydromechanics. 2018. Vol. 66. P. 87-96. https://doi.org/10.1515/johh-2017-0031.
Suklje L. Rheological aspects of soil mechanics. London: Wiley Interscience, 1969. 590 p.
Tanner R.I. Engineering rheology. Oxford University Press: New York, 2000. 559 p.
Tarchitzky J., Chen, Y. Polysaccharides and pH effects on sodium montmorillonite: flocculation, dispersion, and rheological properties // Soil Science. 2002. Vol. 167. P. 791-801.
Terzaghi K., Peck R.B., Nesri G. Soil Mechanics in Engineering Practice. New York - Chichester - Brisbane - Toronto - Singapore: John Wiley & Sons, 1996. 417 p.
Vogel H.J., Balseiro-Romero M., Kravchenko A., Otten W., Pot V., Schlüter S., Weller U., Baveye P.C. A holistic perspective on soil architecture is needed as a key to soil functions // European Journal of Soil Science. 2021. Vol. 73. P. 1-14. https://doi.org/10.1111/ejss.13152.
Vyalov S.S. Rheological fundamentals of soil mechanics. Development in geotechnical engineering. Elsevier: Amsterdam, 1986. 560 p.
Yudina A., Kuzyakov Y. Dual nature of soil structure: The unity of aggregates and pores // Geoderma. 2023. Vol. 434. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116478.

Еще

Статья обзорная