Микроагрегатный анализ почв методом лазерной дифракции: особенности пробоподготовки и интерпретации результатов

DOI: 10.19047/0136-1694-2017-89-3-20

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89 ВВЕДЕНИЕ

Для каждого из структурных уровней почв характерны свои механизмы стабилизации (Amezketa et al., 2003) . Элементарные почвенные частицы ( ЭПЧ ) – обломки горных пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи и не поддаются разрушению общепринятыми методами пептизации (Шеин, 2005) . ЭПЧ являются первичными и наиболее стабильными структурными единицами почвы. Агрегат – группа частиц, связанных между собой прочнее, чем с соседними почвенными частицами (Kemper et al., 1984; Шеин, 2005) . К микроагрегатам относят агрегаты размерами <0.25 мм (Гедройц, 1926; Edwards et al., 1967б; Шеин, 2005) , от 0.002 до 0.25 мм (Tisdall et al., 1982) или меньше 0.05 мм (Васильев, 1952) . Микроагрегаты – устойчивые совокупности частиц, насыщенных основаниями минеральных почв, состоящие в основном из частиц ила и гумифицированного органического вещества ( ОВ ) и связанные между собой поливалентными ионами металлов (Edwards et al., 1967б) . Водоустойчивость микроагрегатов связывают с ОВ почв, выступающим в роли клеящих веществ (Tisdall et al., 1982) . При этом взаимосвязь между ОВ и микроагрегацией почв не всегда однозначна, т.к. только определенная форма ОВ может быть ответственной за водоустойчивость (Tisdall et al., 1982) . Кроме того, почвенные частицы размерами <2 мкм часто представляют собой микроагрегаты, а не индивидуальные частицы (Chenu, et al., 2006) .

Границы между структурными уровнями почвы опираются в первую очередь на способ пробоподготовки и поэтому являются условными. Так, микроагрегат по Эдвардсу (Edwards, et al., 1967б) и ЭПЧ по Шеину (2005) для некоторых объектов могут совпадать. Кроме того, методы пробоподготовки к анализу сильно отличаются в зависимости от школы почвоведения или поставленной задачи. В настоящей статье рассмотрим способы пробоподготовки почв к микроагрегатному анализу.

Для определения гранулометрического и микроагрегатного составов почв чаще всего используются методы, основанные на явлении седиментации. В последние годы возрастает популярность метода лазерной дифракции ( ЛД ), как наиболее быстрого и

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89 требующего небольшого количества образца для анализа (десят-ки–несколько сотен миллиграмм). Существенным преимуществом метода является форма предоставления результатов в виде непрерывного распределения частиц по размерам.

По ГОСТ 12536-20141 пробоподготовкой к микроагрегатно-му анализу служит кипячение почвенной суспензии (при соотношении почвы и дистиллированной воды от 1 : 25 для глин до

1 : 12.5 для супесей) в течение 1 ч. По Н.А. Качинскому (1958) необходимо    интенсивное    механическое    взбалтывание

(200 уд./мин) пробы в дистиллированной воде (1 : 20) в течение 2 ч. Кроме того, перед диспергацией проводят размачивание проб в воде в течение 24 ч. Известно, что почвы, содержащие значительное количество фракции песка, диспергируются в процессе взбалтывания в жидкой среде лучше, чем более тяжелые по гранулометрическому составу (Edwards et al., 1967б) .

Другая группа методов предполагает химическое воздействие на почву в процессе пробоподготовки. Так, по Шеину, По-чатковой (2007а) используются пирофосфат натрия (0.4% Na 4 P 2 O 7 ). В Международном методе В (цит. по Н.А. Качинскому, 1958) предполагается кипячение в растворе водного аммиака (NH 4 OH), что эквивалентно пробоподготовке к гранулометрическому анализу почв по ГОСТ 12536-2014.

Некоторые исследователи, использующие метод ЛД, добавляют пробу в сухом виде непосредственно в блок пробоподготов-ки при отключенном ультразвуке. И регистрируют динамику изменения распределения частиц по размерам до момента стабилизации суспензии. Амескета и др. (Amezketa et al., 2003) для широкого ряда почв (36 почв, в основном верхние горизонты 0–20 см, средняя часть бассейна р. Эбро, Испания) установили следующее. Для характеристики микроагрегатного состава почв методом ЛД достаточно перемешивания пробы в течение 90 с. При 100% скорости вращения мешалки и циркуляции суспензии образца в течение 450 с увеличение содержания частиц <5 мкм составляет толь- ко 2–4%, что по мнению авторов можно считать незначительным. Чтобы избежать разницы в результатах, вызванной первичной подготовкой образцов к анализу, проводят предварительное взбалтывание суспензии на горизонтальном шейкере (20 мин, 43 мин-1) (Pini, et al., 1998).

Большое число работ посвящено изменению содержания фракций микроагрегатов и их размеров в зависимости от энергии ультразвукового воздействия на водные суспензии (Edwards et al., 1967а; Gregorich et al., 1988; Fristensky et al., 2008; Kaiser et al., 2014) . Перспективность этих исследований обусловливает возможность количественной (Дж/мл) оценки оказываемого воздействия на почвенные агрегаты (North, 1976) и наблюдения динамики процесса дезинтеграции микроагрегатов до ЭПЧ.

Однако до настоящего времени нет работ, которые бы предлагали определенный уровень воздействия с помощью ультразвука в качестве стандартного метода пробоподготовки почв к мик-роагрегатному анализу.

Цель исследования – сравнение различных методов пробо-подготовки образцов почв к микроагрегатному анализу с регистрацией результатов методом ЛД. Требующаяся в этом случае малая навеска образца является, с одной стороны, достоинством данного метода, а, с другой стороны, обусловливает ряд проблем, не позволяющих использовать существующие методы пробоподготовки без их предварительной адаптации к ЛД окончанию. Рассмотрена возможность применения характеристических показателей микроагре-гатного состояния почв, разработанных на основе результатов седиментационных методов, к результатам, полученным методом ЛД.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования были гумусовые горизонты трех основных типов почв европейской части России: P (0–10 см) агро-дерново-подзолистой почвы, Зеленоградский опорный пункт Почвенного института им. В.В. Докучаева, Московская область), AY (0–15 см) серой лесной почвы (Тульские засеки), AU (0–10 см) чернозема миграционно-мицеллярный мощный (Курский НИИ АПП), расположенного под лесополосой 1962 г. посадки (трехрядная, непродуваемой конструкции, основная порода – дуб че- решчатый). Также проанализирован гор. A12 (10–20 см) феррал-литной почвы (о. Норфолк, Ю–З Океания).

Образцы почв предварительно растерты пестиком с резиновым наконечником и пропущены через сито с ячейкой 1 мм. Выбрано 6 способов пробоподготовки к микроагрегатному анализу:

• 1.    Взбалтывание водной суспензии (почва : вода 1 : 300) в течение 1 ч на мультиротаторе Multi Bio RS-24 (Biosan, Латвия), скорость в вращения 80 мин^-1.

• 2.    Кипячение суспензии почвы (почва : вода 1 : 300) в течение 1 ч.

• 3.    Перемешивание в течение 3 мин навески почвы с 1 мл Н 2 О дист (25 мг почвы в 600 мкл воды, после 10 мин насыщения) стеклянной палочкой.

• 4.    Встряхивание водной суспензии (1.5 мл в пробирках типа Eppendorf на 2 мл, концентрация суспензии – от 1.7 до 2.7% в зависимости от дисперсности образца) с помощью вортекса Reax Top (Heidolph, Германия) в течение 1 мин при 1000 мин^-1, в течение 1, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 20, 30 мин при 2500 мин^-1. Амплитуда колебаний 5 мм.

• 5.    Термостатирование образца (1.5 мл в пробирках Eppendorf на 2 мл, концентрация суспензии – от 1.7 до 2.7% в зависимости от дисперсности образца), 16 ч, 80°C с последующим встряхиванием при 2 500 мин^-1 в течение 10 мин.

• 6.    Насыщение образца в течение 14 ч Н 2 О дист (концентрация суспензии – от 1.7 до 2.7% в зависимости от дисперсности образца), с последующим встряхиванием в течение 20 мин при 2 500 мин^-1.

Определен гранулометрический состав почв. Диспергацию суспензии образца (15–25 мг в 15 мл Н 2 О) проводили на ультразвуковом диспергаторе зондового типа Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasonics, США) со стандартным наконечником (standard horn tip) в течение 5 мин. Энергия диспергации достигала 645 Дж/мл и обеспечивала наибольший выход физической глины.

Все определения распределений частиц по размерам проводили на лазерном анализаторе размеров частиц Microtrac Bluewave (Microtrac, США) в трехкратной повторности. Используемые при вычислениях параметры твердой фазы – частицы абсорбирующие, изометричной формы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Каждый из методов пробоподготовки несет свою долю информации о состоянии твердой фазы исследованных почв. Основным условием стандартизации методов определения агрегатного состава служит согласование между оказываемым на образец воздействием и соответствием состоянию почвенных частиц природным условиям (Kemper et al., 1984) . Поэтому так важно понимание того, что происходит в процессе пробоподготовки.

Для образца агродерново-подзолистой почвы в целом стоит отметить малую разницу между используемыми способами про-боподготовки (рис. 1). Этот результат можно объяснить слабой агрегированностью и отсутствием разнообразия в механизмах агрегации. Минимальное физическое воздействие на агрегаты оказывает взбалтывание (80 мин-1, 1 ч) разбавленной (1 : 300) водной. суспензии. Данный способ позволяет идентифицировать в образцах все водоустойчивые микроагрегаты почв. Как видно из рис. 2а, образец агродерново-подзолистой почвы сразу распадается на наиболее стабильные микроагрегаты. По сравнению с други-

И Кипячение (1ч)

■ Взбалтывание на мультиротаторе (80 мин ( 1 ч)

В Перемешивание стеклянной палочкой (3 мин)

□ Встряхивание на вортексе (2500 мин *, 10 мин)

В 16 ч 80°С, встряхивание на вортексе (2500 мин1,10 мин)

Рис. 1. Средний диаметр микроагрегатов ( D 50 , мкм) после различных способов пробоподготовки.

%

60 ----------------------_---------------------------

□Гранулометрический состав (УЗ)

И Кипячение (1ч)

• ■    Взбалтывание на мультиротаторс (80 мин ^!, I ч)

В Перемешивание стеклянной палочкой (3 мин)

I Встряхивание на вортсксс (2500 мин ', 10 мин)

И16 ч 80°С. встряхивание на вортсксс (2500 мин ', 10 мин)

Рис. 2. Содержание фракций ЭПЧ и микроагрегатов после различных способов пробоподготовки в образцах почв: агродерново-подзолистой (а); серой лесной (б).

ми способами пробоподготовки отмечается небольшое увеличение содержания микроагрегатов размерами 50–250 мкм. Отдельно стоит отметить, что по сравнению с другими почвами (рис. 3в, 3г) отсутствуют микроагрегаты >250 мкм, о чем свидетельствуют различия в гранулометрическом и микроагрегатном составахСпо-соб с кипячением суспензии не позволяет использовать массу навески образца, применяемую в микроагрегатном анализе с седиментационным окончанием. Считается, что за 1 ч кипячения происходит удаление защемленного воздуха (Шеин, Початкова, 2007б) . При используемом разбавлении (1 : 300) разрушение микроагрегатов в основном происходит за счет выхода адсорбированного воздуха, солей и, возможно, в результате растворения органических «клеев». При этом также может происходить растворение карбонатов, которые являются одним из факторов агрегации мелкозема.

Процедура перемешивания водных суспензий пробы стеклянной палочкой стандартизации не поддается. В результате субъективного фактора происходит неконтролируемое механическое разрушение части водоустойчивых микроагрегатов почв, например, как в образце ферраллитной почвы.

Термостатирование водной суспензии образца почвы в течение 16 ч при 80°С применяют для экстракции фракции водорастворимого органического вещества (Chan et al., 1999) . Анализ данных микроагрегатного состава, полученных после пробоподго-товки способами 1 и 5 дает информацию о роли водорастворимого ОВ в процессе микроагрегации почв. Согласно Эдвардсу (Edwards et al., 1967б) , для некоторых почв удаление водорастворимого ОВ не влияет на их микроагрегатный состав. Это условие выполняется для образца серой лесной почвы, в то время как для образцов агродерново-подзолистой почвы и чернозема отмечено некоторое уменьшение величины D 50 .

Независимо от способа пробоподготовки для образца фер-раллитной почвы характерен большой разброс между повторностями. Почва обладает высокой микроагрегированностью и представлена частицами размерами 40–350 мкм. Изменение D 50 наблюдается в пределах данного диапазона частиц, при этом почти не происходит выхода частиц ила и мелкой пыли.

• □    Гранулометрический состав (УЗ)

И Кипячение (1ч)

• ■    Взбалтывание на мультиротаторе (80 мин', 1 ч)

s Перемешивание стеклянной палочкой (3 мин)

I Встряхивание на вортексе (2500 мин ', 10 мин)

О 16 ч 80°С, встряхивание на вортексе (2500 мин ', 10 мин)

Рис. 3. Содержание фракций ЭПЧ и микроагрегатов после различных способов пробоподготовки в образцах почв: чернозема типичного (в); ферраллитной (г).

D_so, mkm

240 ----

о Mean

□ Mean±SD

I Mean=0.95 Conf. Interval

Г

SO

б

В

а

О

Без После Без После Без После Без После

Рис. 4. Сравнение результатов микроагрегатного анализа (20 мин, 2500 мин^-1) без предварительного насыщения суспензии и после насыщения: агродерново-подзолистая (а); серая лесная (б), чернозем типичный (в), ферраллитная почва (г).

Насыщение водных суспензий в течение 14 ч перед встряхиванием (20 мин, 2500 мин^-1) не оказывает значимого (α = 0.95, F a = 3.606, p a = 0.423, F б =2.594, p б = 0.902, F в = 4.767, p в = 0.837, F г = 1.383, p г = 0.095), воздействия на результаты микроагрегатно-го анализа (рис. 4).

Применение интенсивного встряхивания водных суспензий с увеличением времени воздействия позволяет определить распределение по размерам микроагрегатов почв различной степени водоустойчивости. Поэтому проследили, через какое время происходит стабилизация суспензии для образцов различных типов почв (рис. 5). Встряхивание водных суспензий в течение различных периодов времени показало, что постепенно происходит уменьшение среднего диаметра частиц ( D 50 , мкм). После 10 мин происходит стабилизация суспензий, D 50 уже значимо (a = 0.95) не изменяется.

Для чернозема типичного отмечено разрушение значительной части микроагрегатов в течение 3 мин ( D 50 уменьшается с 70

Рис. 5. Изменение среднего диаметра частиц ( D 50 , мкм) по мере увеличения времени встряхивания водных суспензий образцов почв: агродерно-во-подзолистой (а); серой лесной (б); чернозема типичного (в); феррал-литной (г).

до 38 мкм, и происходит увеличение содержания частиц <10 мкм с 8.6 до 17%). Интересно проследить, с чем связано изменение среднего диаметра микроагрегатов. Так, в дерново-подзолистой почве происходит разрушение микроагрегатов размерами 500–32 мкм и наблюдается соответственное обогащение фракций ила, мелкой и средней пыли (рис. 6а). В серой лесной почве происходит разрушение микроагрегатов с преимущественными диаметрами 250 и 80 мкм и соответственное накопление частиц меньше 45 мкм, среди которых преобладают частицы размером 25 мкм (рис. 6б). Похожие изменения происходят в образце чернозема (рис. 7в). В ферраллит-ной почве происходит разрушение двух фракций микроагрегатов с преимущественными диаметрами 250 и 74 мкм (рис. 7г) с отчетливым накоплением частиц размерами 0.35–0.14 мкм.

В качестве характеристических показателей микроструктуры почв используют коэффициент дисперсности по Качинскому (1958) , степень агрегированности по Бэйверу (Шеин, Початкова, 2007а) и выводимый из данных гранулометрического анализа фактор

Рис. 6. Разница между распределениями микроагрегатов по размерам после 1 мин взбалтывания (1000 мин^-1) и 30 мин взбалтывания (2500 мин^-1) в образцах почв: агродерново-подзолистой (а); серой лесной (б).

Рис. 7. Разница между распределениями микроагрегатов по размерам после 1 мин взбалтывания (1000 мин^-1) и 30 мин взбалтывания (2500 мин^-1) в образцах почв: черноземе типичном (в); ферраллитной (г).

структурности по Качинскому (1958) . Значения данных показателей для исследованных образцов почв приведены в таблице.

Основные отличия результатов, полученных методом ЛД, заключаются в значительно меньшем количестве илистых частиц

Показатели микроструктурного состояния исследованных образцов почв

Почва	Способ пробоподготовки
	1	2	3	4	5
Коэффициент дисперсности по Качинскому (К д , %)
Агродерново-подзолистая	28	12	12	36	57
Серая лесная	00	13	11	09	12
Чернозем типичный	09	06	10	27	21
Ферраллитная	00	03	12	04	12
Степень агрегированности по Бэйверу ( А г , %)
Агродерново-подзолистая	50	27	35	25	12
Серая лесная	76	73	69	56	66
Чернозем типичный	82	78	78	63	63
Ферраллитная	81	80	69	79	77
Фактор структурности по Вадюниной ( Р )
Агродерново-подзолистая			32.0
Серая лесная			34.1
Чернозем типичный			52.3
Ферраллитная			90.0

(<1 или <2 мкм) по сравнению с методами, основанными на явлении седиментации (Loizeau et al., 1994; Buurman et al., 1997; Beuselinck et al., 1998; Eshel et al., 2004; Шинкарев и др., 2010) . Кроме того, для микроагрегированных почв выход ила при анализе методом ЛД может быть равен 0. Это приводит к искажению коэффициента дисперсности по Качинскому (К д , %). Исследованные образцы почв после различных пробоподготовок почти целиком попадают в градацию почв с высокой микрооструктуренно-стью, что не соответствует действительности. Увеличение диспергирующего воздействия на микроагрегаты почв по К д слабо выражено.

В то же время степень агрегированности по Бэйверу ( А г, %) позволяет оценить различия в микроструктурном состоянии почв с помощью результатов метода ЛД, так как в этом случае учитывает сумму частиц крупнее 50 мкм.

Фактор структурности по Вадюниной ( Р , %) характеризует потенциальную способность почв к микроагрегации. Для исследованных образцов почв значения Р увеличиваются в ряду агродер-ново-подзолистая–серая лесная–чернозем типичный–феррал-литная.

В ферраллитной почве после растворения части ОВ (16 ч, 80°С) с одной стороны происходит увеличение D 50 , с другой, увеличивается выход физической глины и уменьшается величина А г с 79 до 77%. Происходит разрушение части микроагрегатов размерами 50–250 мкм (рис. 3г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Встряхивание в течение 10 мин (2500 мин-1) водных суспензий почв позволяет получить распределение водоустойчивых микроагрегатов почв по размерам. Такой способ пробоподготовки не приводит к модификации свойств твердой фазы, и его можно рекомендовать в качестве стандартного для оценки микроструктуры почв.

Высокая точность метода ЛД допускает сравнение результатов между различными способами пробоподготовки почв к анализу. Это обстоятельство в совокупности с результатом в виде непрерывных кривых распределения частиц по размерам позволяет выявить специфические для каждого из объектов особенности структурной организации почв.