Аналіз ґрунтів: визначення гранулометричного складу, типу ґрунту та агрегатної структури з використанням методу лазерної дифракції

Аналіз ґрунтів є одним з найбільш важливих засобів пізнання генезису, діагностики і класифікації ґрунтів. Проведення аналізу для сільськогосподарських цілей дозволяє зробити агроекологічну оцінку ґрунтів, спрогнозувати зміни властивостей ґрунтів у процесі їхнього природнього розвитку і використання, допомогти у виборі оптимального режиму природокористування. Проведення таких досліджень варто замовляти як власникам великих аграрних ділянок, такі і тим хто тільки замислюється про купівлю землі.

Якість ґрунту є не лише важливою частиною екосистеми, але й неймовірно складною системою у процесі будівництва житлових і комерційних будівель.

Отже, для початку обговорення цієї теми наведемо приклади і покажемо чому важливо аналізувати якість ґрунту і які це дає переваги надалі:

Як бачимо, аналіз ґрунту має багато переваг, які допоможуть запобігти втратам бізнесу, приватного будинку та здоров’я, вберегти і відродити нашу землю. Першочерговим є чітке розуміння цільового призначення земельної ділянки і бажання отримати інформацію про потенціал ґрунту. Це отримало додаткову актуальність в Україні у зв’язку з відкриттям ринку землі, так як постає питання оцінки вартості з боку продавця та оцінки доцільності придбання ділянки для покупця. Детальний аналіз ґрунту допоможе профільним фахівцям визначити родючість землі, її потенціал, ризики, небезпеку, і, зрештою, за сукупністю цих даних –  обґрунтувати її ринкову вартість та інвестиційну привабливість.

Перелік показників, за якими можна проаналізувати ґрунт, дуже великий,  але першим кроком до його характеризації є визначення типу ґрунту та належності його до певного класу, яке базується на його механічному (гранулометричному) складі, який також називають текстурою ґрунту.  Від текстури залежить водний, повітряний і тепловий режими ґрунту, режим його живлення, а тому гранулометричний аналіз має важливе значення при аналізі ґрунтів.

Гранулометричним складом ґрунту називають масове співвідношення твердих частинок різного розміру, що входять до його складу, які можна виділити у межах безперервного ряду умовних розмірних груп, так званих гранулометричних фракцій. Так, приміром, фракцію розміром частинок від 0.01 до 1 мм відносять до піску. Якщо така фракція складає левову частку, це означає, що такий ґрунт є не пластичним, легким і насиченим повітрям, однак бідним на органічні поживні речовини, легко пропускає воду і сприяє швидкому розкладанню добрив, тому у ньому потрібно вирощувати культури, яким найкраще підходить піщаний ґрунт, але при цьому необхідно забезпечити можливість регулярного поливу та підвищені норми підживлення.

Гранулометричний склад є релевантним критерієм для системи класифікації ґрунтів, так як значною мірою він успадкований від ґрунтоутворюючих порід. Тому, за допомогою даних гранулометричного аналізу можна провести швидкий і зручний опис та порівняння різних типів ґрунтів. Однією з поширених в Україні є класифікація ґрунтів за гранулометричним складом, запропонована у 1965 році вченим-ґрунтознавцем Н. А. Качинським, яка може бути представлена у вигляді таблиці (табл. 1).

В міжнародній практиці класифікацію ґрунту для визначення його типу проводять за допомогою тривимірної діаграми – трикутника Фере, який зображений на Рис. 1.

Аналіз, на якому базується класифікація Качинського, заснований на седиментаційному методі визначення розміру частинок. Його принцип полягає у тому, що кінцева швидкість осадження сферичної частинки залежить від діаметра частинки і властивостей суспензії. За даним методом зразок ґрунту поміщують у лабораторний циліндр, заповнений водою, після чого залишають частинки ґрунту осідати в спокійній суспензії. В ході цього процесу через певні проміжки часу вимірюється зменшення щільності (питомої ваги) суспензії.

І хоча даний метод все ще є поширеним, він є рутинним та довготривалим, а за його допомогою можна проводити аналіз всього кількох зразків за один день. За різними літературними і нормативними даними, з метою адекватної оцінки природного стану аналіз ґрунту необхідно повторювати кожні 2-3, максимально 5 років, відбираючи в середньому 10 зразків з кожного гектара ділянки. В Україні у 2022р. тільки пшеницею було засіяно 6.73 млн. га полів, тобто якщо 10 тис. тестів будуть проводитись паралельно, знадобиться більше 6ти років щоб протестувати цю територію методом седиментаційного аналізу, а враховуючи періодичність аналізу – отримані дані вже втратять свою актуальність. Також суттєвим недоліком методу Качинського є те, що швидкість осадження залежить не тільки від розміру частинок, а і від їх густини, що призводить до істотної неточності вимірів.

Альтернативним та сучасним методом аналізу гранулометричного складу ґрунтів, який широко використовується  у всьому світі, є метод лазерної дифракції. В його основу покладено вимірювання кутового розподілу інтенсивності розсіяного світла частинками грунту при проходженні лазерного променя через диспергований у супензії зразок. Далі застосовується математичний апарат теорії розсіювання світла для перерахунку зареєстрованого розподілу інтенсивності в об’ємний розподіл частинок за розмірами.

Аналіз методом лазерної дифракції використовується для всіх фракцій ґрунту і дає найбільш повний розподіл елементарних ґрунтових частинок і макроагрегатів в ході одного аналізу. Даний метод має гарну відтворюваність результатів та є стандартизованим у країнах Європи та США (ISO 13320, ASTM E 3340-22, USP 429). При проведенні аналізу зразок диспергують: можливе сухе диспергування повітрям та диспергування у рідинах з використанням різних дисперсантів, в залежності від типу ґрунту. Більш детальну інформацію щодо використання рідинних дисперсантів для дослідження різних типів ґрунтів скоро зможете прочитати у нас на сайті. Далі його вносять у прилад для отримання повної картини розсіювання. Вимірювання методом лазерної дифракції є швидким (до 5 хв на аналіз), точним та не вимагає великої кількості зразку.

Результати аналізу отримують у вигляді графіків (рис. 2)

Результати досліджень

Лазерні аналізатори розміру часток характеризуються точністю, широким діапазоном вимірювань, простотою в експлуатації та високою швидкістю проведення аналізу. За допомогою аналізатора розмірів частинок можна визначити необхідні заходи щодо покращення стану даної землі для відповідних цілей.

Даний метод вимірювання дозволяє отримати результати аналізу в табличному вигляді:

та у вигляді трикутника Фере (рис. 4).

Аналізу отриманих даних дозволяє встановити, що досліджуваний зразок належить до супіщаного ґрунту.  На території України, на Поліссі є поширеними супіщані дерново-підзолисті ґрунти. Даний тип ґрунту є бідним на гумус (0,7-2,0%), для підвищення їх родючості вносять органічні і мінеральні добрива.

Висновки

Метод лазерної дифракції широко використовується для визначення розмірів частинок в діапазоні від десятків нанометрів до кількох міліметрів. Цей метод є стандартизованим, простим у використанні, швидким, точним і відтворюваним, а також дозволяє застосовувати різні способи диспергування зразків (стисненим повітрям і різними рідкими дисперсантами в залежності від типу ґрунту), що робить його універсальним інструментом для продуктивного, автоматизованого і точного аналізу десятків зразків протягом одно дня одним оператором.

ТОВ «Новації» представляє в Україні відомого і визнаного виробника лазерних аналізаторів розмірів частинок – Bettersize Instruments Ltd. Для аналізу ґрунту, залежно від типу зразків, кількості зразків для щоденного аналізу та бюджету лабораторії, може бути запропоновано кілька моделей – Bettersizer 2600, Bettersizer ST, Bettersizer S3 та Bettersizer S3 Plus. Аналізатор моделі Betterrsizer S3 Plus дозволяє проводити аналіз не лише розміру, а і форми частинок, що дає додаткову інформацію для наукових досліджено у галузі ґрунтознавства. Більш детально ознайомитись з характеристиками і застосуваннями таких аналізаторів можна у нас на сайті за посиланнями: Bettersizer 2600, Bettersizer ST, Bettersizer S3/S3 Plus. Також ви можете зателефонувати до нашого офісу і  фахівці ТОВ «Новації» проконсультують вас та за вашим запитом зможуть провести демонстраційний аналіз ваших зразків.