Материалы и методы

Для измерения твердости почв применяют пенетрометры — устройства, предназначенные для введения в почву металлических тел (плунжеров) определенной формы с минимальным нарушением строения почвы. Пенетрометры бывают динамические и статические. В первых из них плунжер вводится в почву с помощью удара или падающего веса (массы). Статические пенетрометры вводят плунжер в почву медленно и постепенно, избегая динамического эффекта.

Обычно это клин (для очень твердых почв и пород), конус, шар или плоский диск (для умеренно твердых и распахиваемых почв). Измеряется в кгс/см2 или в подобных единицах — Н/м2, Па, кПа, мПа (1 кгс/см2 = 1×105 Н/м2 = 1×10 2 Па = 1×103 кПа = 1×10° мПа). Показатели твердости легко трансформировать в работу (измеряемую, как известно, в джоулях), если затраченное усилие умножить на расстояние, которое преодолевает в почве наконечник твердомера.

Для измерения твердости почвы существует огромное количество приборов. Наиболее распространены из них твердомеры Горячкина, Качинского, Голубева, Ревякина, Высоцкого, Оганесяна. Большинство твердомеров описано в широко известных руководствах (Методическое руководство …, 1969; П. У. Бахтин, 1969; А. Ф. Вадюнина и др., 1973). Твердомер Ю. Ю. Ревякина в силу его простоты и надежности и особенно после сравнительных испытаний, предпринятых П. У. Бахтиным (1954), постепенно вытеснил многочисленные другие приборы на советском, а впоследствии и на постсоветском пространстве и получил наибольшую известность. П. В. Горохов (1990), удлинив шток и планку для крепления диаграммы, предложил еще более удобную конструкцию твердомера Ревякина, позволяющую проводить измерения до глубины 45 см [5].

В зарубежной практике также имеется большое количество твердомеров (пенетрометров) разнообразных конструкций, особенно в тех странах, где исследования физико механических свойств почв, достаточно популярны (США, Великобритания Германия, Япония). В США, как уже было упомянуто, используется преимущественно конический наконечник, параметры которого (угол атаки и площадь сечения) стандартизированы. Считается, что стандартизация позволяет сопоставить данные твердости, полученные на разных объектах и разными авторами. По мнению П. В. Горохова (1990), наиболее совершенный твердомер предложили J.-F. Billot et al. (1977). В качестве регистрирующего элемента в нем используется тензозвено, а погружение плунжера в почву осуществляется с помощью направляющей, что повышает точность измерений [6,7].

В исследовательской практике восточно-европейских стран также использовали большое количество пенетрометров (Кирице, Кунце, Флореску-Зелингера, Гетке, Бориша и других). Отличительной их особенностью было использование не только плоских и клиновидных плунжеров, но и многих других форм. Это расширяло возможности исследования различных видов сопротивлений почв. В нашей практике был использован твердомер Ю. Ю. Ревякина, имеющий плоский плунжер с рабочей поверхностью 1 см². В специальных модельных опытах применяли также другие формы плунжеров. В полевых условиях глубина погружения плунжера в почву достигала 30−40 см, охватывая пахотный и верхнюю часть подпахотного слоев, включая плужную подошву. Погружали плунжер в почву медленно, без рывков, с равномерным усилием. Количество повторностей — не менее.

10 с равномерным их размещением на элементарной делянке. Обязательно определяли влажность на глубинах 0−5, 15−20, 30−40 см не менее чем в 3-х кратной повторности. Миллиметровую бумагу для помещения в самописцы готовили заранее. Заготовок было столько, сколько предполагалось выполнить погружений твердомера в течение рабочего дня. Конечным результатом определений была профильная (1-D — одномерная) твердограмма с непрерывным распределением твердости по глубине. Исходные данные снимали с миллиметровки, а потом переводили в кг в соответствии с предварительной калибровкой. 1 мм на миллиметровой бумаге соответствовал 1 кгс/см2 твердости. Широко использовали также 2-Dи 3-D (соответственно 2-мерная и 3-мерная) диаграммы. Они получаются в случае измерения твердости на поле при закладке регулярной сети точек и последующей обработки данных с помощью геостатистических средств. Примеры таких диаграмм будут продемонстрированы в книге далее. К твердомеру прилагается несколько пружин с диаметром проволоки — 3, 4 и 5 см. В зависимости от диапазона параметров твердости почв в работе использовали 1−2 пружины [8].

Калибровали их ежегодно перед началом измерений. Калибровку проводят в лабораторных условиях, постепенно увеличивая нагрузку на пружину и одновременно записывая сжатие пружины. Общий вид твердомера в момент проведения исследования почвы представлен на рисунке 1.

Твердость почвы Р в килограммах на квадратный сантиметр следует определить по формуле.

Измерением ряда ординат через 1 см длины диаграммы и вычислением их среднего арифметического значения.

Среднее значение твердости почвы на всем участке следует подсчитывать как среднее арифметическое из пяти опытов (диаграмм).