R O C Z N IK I G LE B O ZN A W C ZE T. X X V II, N r 4. W A R S Z A W A 197П
B O H D A N D O B R Z A Ń S K I, I G N A C Y D E C H N IK , J E R Z Y L IP IE C , R Y S Z A R D O R Ł O W S K I
C H A R A K T E R Y S T Y K A S IŁ L E P K O Ś C I W G LEBIE W Y T W O R Z O N E J Z LESSU
Z ak ład A gro fizy k i Polskiej A kad em ii N a u k w L u blin ie K ie ro w n ik — prof, dr Bohdan D obrzański
Lepkość gleb odgrywa istotną rolę w procesie tworzenia i zachowania struktury gruzełkowatej oraz w doborze narzędzi uprawowych. Badania tej cechy gleb są prowadzone od wielu lat [6, 9, 10], ale natura sił lepkości nie została dotychczas dostatecznie wyjaśniona.
D i e r i a g i n i K r o t o w a [4] wiążą to zjawisko z występowaniem sił molekularnych i elektrostatycznych. Wielkość siły lepkości jest więc związana z ilością energii niezbędnej do pokonania siły wzajemnego przy ciągania różnoimiennych ładunków elektrycznych na granicy rozdziału dwu różnych powierzchni.
Inni autorzy przypisują duże znaczenie w p ływ o w i wilgotności gleby na wielkość sił lepkości. W a d i u n i n a [10] tłumaczy to zjawisko powsta waniem na powierzchni cząstek glebowych błonek wodnych, które mają zapewnić pełniejszy kontakt dwu różnych powierzchni.
Dotychczasowe badania wykazują, że wielkość siły lepkości jest wprost proporcjonalna do udziału procentowego frakcji koloidalnej w badanej glebie [1, 3], przy czym największe wartości przybiera w glebach zawiera jących około 60% frakcji koloidalnej. P ow yżej tej wielkości lepkość po nownie zmniejsza się [2, 8]. Duże znaczenie ma także stan strukturalny gleb. Jak wykazała W a d i u n i n a [10], gleby bezstrukturalne mają lep kość średnio dwa razy większą od gleb strukturalnych, ponadto w glebach bezstrukturalnych lepkość zaczyna pojawiać się przy mniejszych w ilgot- nościach. Jest to związane z większą powierzchnią kontaktu gleba-metal w glebach bezstrukturalnych.
W p ływ chemicznego stanu gleby na zjawisko lepkości nie jest jeszcze dostatecznie poznany. Wiadomo jednak, że gleby wysycone sodem w yka zują lepkość dwukrotnie większą w porównaniu do tych samych gleb w y syconych na przykład potasem [9].
4 В. D obrzański i in.
Duży w p ływ na wielkość sił przylepności gleby mają związki próchni- cze. Zwiększenie próchnicy w glebie polepsza jej mikrostrukturę, a tym samym zmniejsza lepkość [1]. P rzy wysokiej zawartości związków próchni czych wilgotność początku zjawiska lepkości i jej maksimum zależy przede wszystkim od ilości próchnicy, na plan dalszy zaś schodzi skład mecha niczny [7].
Dotychczasowe badania wykazują, że zjawisko lepkości pojawia się w glebach przy wilgotności względnej około 50— 60%, co odpowiada w przybliżeniu maksymalnej pojemności wodnej. W przedziale 60— 80%
- Z О С 1 a .1 Skład me chan i o zny oraz higroskopijnośó maksymalna
i plastyczność badanych gleb
Mechanical composition, maximal h±£rosk op ieity and p la ß t ic it y of the s o i l s in v estigated
Pro cent f r a k c ji mechanici-aych
o 1 гатл W ilgo t ność h ig r o s -Granica Limit VJakdt-nlk p la s tycz A Q 1 N u m er punk tu N o . of p o in t
% o f mechanical fra c tio n s with diameter o f < T l ram kopi^jna maksy malna Maximal h ig r o s -płyn ności of f l u i d ity p la s tycz ności of p la s t i c i ty Ö О чя о м о £> О* гЧ о OJ о f lA O O IfN OJo В o
V
copic mois ture ności P I aßti -H f r-i 0.1 -0 ,0 5 O O 1 O.I o o o i 1Л o o o OJ O r-ł o OJ o oV
w
% zawartości wody do ciężaru próbki moisture content in re la t io n to the sample weight, % c ity index 1 2 15 46 25 3 11 59 39 2,31 30,1 24,9 5,2 2 1 12 46 24 5 12 58 41 2,18 31,2 25,4 5,8о
гН 3 2 11 46 22 7 12 57 41 2,04 30,5 25,3 5,2 1 о 4 2 10 45 24 6 13 55 43 2,19 30,7 24,5 6,2 5 2 11 46 25 5 11 57 41 1,93 30,4 24,5 *6,1 6 1 12 46 24 5 12 58 41 1,89 30,5 24,5 6,0 1 2 12 47 25 5 11 59 39 2,33 50,2 24,3 5,92
1 15 46 22 5 15 59 40 2,00 31,2 25,2 6,03
2
12 46 22 6 12 58 40 2,09 30,3 24,9 5,4я
1 о 4 3 11 44 25 5 14 55 42 2,12 30,5 24,1 6,4 гН 5 2 12 45 25 5 11 57 41 1,84 30,3 24,1 6,2 6 2 11 47 25 5 12 58 40 1,74 50,7 24,2 6,5Lepkość gleby w ytw orzonej z lessu 5
wilgotności względnej lepkość wykazuje nieznaczny wzrost, by przybrać maksymalne wartości w przedziale od 80% wilgotności względnej do dol nej granicy płynności gleb, co odpowiada przedziałowi plastyczności gleb
[2, 6]. Dalsze zwiększanie wilgotności powoduje pojawienie się wolnej wody i zmniejszenie wartości lepkości.
Są to jednak założenia ogólne. Au torzy podjęli pracę zmierzającą do uściślenia charakterystyki wielkości sił lepkości w zależności od stanu wilgotności w glebach wytworzonych z lessów, jako wzorcowych.
M E T O D Y K A B A D A Ń
Badania przeprowadzono w latach 1970/71 na glebach brunatnych wytworzonych z lessów, o stosunkowo wyrównanym składzie mechanicz nym (tab. 1). Próbki glebowe pobierano z 6 punktów w poziomach 0— 10 cm i 10— 20 cm w okresie całego sezonu wegetacyjnego w odstępach co 7 dni. W próbkach tych oznaczano: skład mechaniczny metodą Bouyou- cosa w m odyfikacji Cassagrande’a i Prószyńskiego, wielkość sił lepkości na aparacie A F L -2 [5], posługując się krążkiem stalowym o powierzchni 10 i 15 cm, wilgotność — metodą suszarkową (wyrażoną w procencie w sto sunku do suchej masy), higroskopijną wodę maksymalną — metodą M it- scherlicha z zastosowaniem 10-procentowego H 2S 0 4, granicę płynności — metodą Atterberga.
W okresie przeprowadzania badań największa wilgotność gleby w polu wynosiła około 30%. Dlatego do oznaczania współczynników lepkości przy większych wilgotnościch nasycano próbki glebow e w laboratorium wodą do około 50%.
W Y N I K I B A D A Ń
Wielkości sił lepkości badanych gleb wynosiły od 0,7 G/cm2 przy w il gotności 6,1% do 11,7 G/cm2 przy wilgotności 27,8% w warunkach natu ralnych. Najniższe siły w ystępow ały w czerwcu i sierpniu — od 0,7 G/cm2 przy wilgotności 6,1%, do 1,7 G/cm2 przy wilgotności 13,1% ^tab. 1 i 2), W yższe wartości tych sił wystąpiły w maju i lipcu — do 2,4 G/cm2, a wyraźnie wzrastały we wrześniu oraz w październiku i listopadzie — do 11,7 G/cm2 przy wilgotności 27,8% (rys. 1). P rzy w yższej wilgotności w la boratorium maksymalne siły lepkości wyniosły 21,4 G/cm2.
Każda zmiana lepkości była związana ze zmianą wilgotności gleby (tab. 3). W badanych glebach siły lepkości wystąpiły przy wilgotności ok. 5% i wzrastały powoli do stanu wilgotności 25%. Pow yżej tej wilgotności wartość sił lepkości wzrastała znacznie szybciej, osiągając maksimum w przedziale wilgotności 28— 31%, które w badanych glebach w ytw orzo nych z lessów znajduje się w profilu górnej granicy plastyczności (rys. 2).
б В. D obrzański i in.
T a b e l a 2 Dynamika w ilg otn ości i s i ł lepkości g le b wytworzonych z lessów
Dynamics o f moisture and. stickness fo rc e s o f s o i l s developed from lo e ss
Głębokość 0 - 10 cm Depth o f 0 - 10 cm Głębokość 10 - 20 cm Depth of 10 - 20 cm termin pomiaru measurement date wilgotność w procencie ciężaru próbki moisture in % o f the sample weight s i ł a lep kości G/cm2 stickness fo rc e 2 in G/cm wilgotność w procencie ciężaru próbki moisture in % o f the sample weight s i ł a lepkości G/ cm2 stickness fo rc e 2 in G/cm 3.IX 25,4 6,7^ 22,7 4,96 10. IX 18,2 2,06 19,0 3,04 17. IX 15,3 2,16 17,3 2,56 24. IX 25,1 4,39 18,8 2,41 l.X 24,3 4,87 20,4 4,38 8.X 23,1 3,31 21,0 3,68 15.X 24,4 5,16 21,7 4,52 22.X 22,8 3,38 22,1 3,51 29.X 24,7 3,87 22,9 4,16 6 .XI 21,0 3,40 20,5 3,63 12. XI 2 5 ,8 4,97 24,9 5,57 19.XI 27,8 11,15 25,4 7,19 26. XI 27,8 1 1 ,7 2 25,3 6,87 13.V 12,8 1,55 13,5 1,70 20. V 12,1 1,49 12,9 1,81 27.V 12,2 1,78 12,3 2,00 5.V I 13,1 1,69 ; 13,6 1,69 10 .VI 10,3 1,28 10,8 1,81 17 .V I 0,3 1,22 9,3 1,41 24.VI 6,1 0,68 : 7,8 1,22 8 .V II 13,8 ;2,40 12,9 2,34 23 .V II 10,6 1,80 10,3 1,85 . 5 .V I I I 7,9 1,10 8,8 1,39 12.V I I I 5,8 0,89 7,0 1,21 19.V I I I 5,6 0,86 6,5 1,58 2 .IX 20,6 2,54 13,0 1,66 9.IX 13,6 1,57 11,5 1,50 23.IX 14,4 1,48 13,9 1,79 30.IX 10,8 1,74 12,1 1,84 7.X 15,0 2,05 12,1 1,87 14.X 11,8 1,36 12,2 1,36 21.X 11,7 1,17 12,2 1,21 28.X 10,4 1,26 11,3 1,30 4.XI 1 10,4 1,12 10,9 1,41
Wzrost wilgotności pow yżej granicy płynności powodował całkowity spadek sił lepkości. W warunkach naturalnych stany takie w glebach les sowych są krótkotrwałe.
Przebieg tych badań wskazuje, że głównym czynnikiem kształtującym wielkość siły przylepności jest woda, która, przyjmując za W a d i u n i n ą [10], tw orzy błonki wokół cząsteczek gleby.
Sumaryczny obwód błonek wodnych otaczających cząsteczki gleby i stykających się z metalem decyduje o wielkości siły potrzebnej na
zer-Lepkość gleby w y tw orzonej z lessu
Zależność s i ł lepkości od w ilgotn ości uzyskanych la b o ra to ry jn ie , gleb wytworzonych z lessów Dependence o f stickness fo rc e s on the laboratoryobtained
moisture o f s o ils developed from lc e ss
Głębokość 0-10 cm Depth o f 0-10 cm Głębokość 10-20 cm Depth o f 10-20 cm wilgotność w procencie ciężaru próbki moisture in % o f the sample weight s i ł a lepkości G/cm2 stickness force 2 in G/cm wilgotność w procencie ciężaru próbki moisture in % o f the sample weight s i ł a lepkości G/cm* stickness force in G/cm2 55,^ 1,10 54,42 0,85 54,20 0,80 55,83 1,25 55,50 1,00 52,54 1,70 52,76 1,10 51,51 1,55 51,15 1,00 49,56 1,40 48,02 1,40 48,74 2,00 46,29 1,45 47,72 2,07 45,04 1,25 44,40 3,00 44,52 2,20 43,13 2,80 45,47 2,40 42,65 2,70 42,57 2,80 40,54 2,95 41,58 5,16 39,02 4,20 40,47 5,55 38,10 5,20 59,46 5,47 37,54 4,20 58,77 5,85 56,3’0 6,75 57,49 4,83 35,41 5,45 56,88 6,45 34,65 7,56 55,48 7,82 33,50 8,87 54,54 9,56 32,35 12,60 55,58 12,92 31,56 15,64 52,55 15,18 30,46 14,40 51,59 18,65 29,44 16,28 50,65 21,38 28,38 14,22 29,46 18,64 2 7 ,2 1 13,13 28,59 18,47 26,02 12,00
Rys. 1. D y n am ik a sił lepkości gleby lessow ej w sezonie w egetacyjnym a — krzywa siły lepkości, b _ krzywa wilgotności w procencie ciężaru próbki
Dynam ics of stickness forces of loess soil in the g ro w in g season a — stickness force curve, b — moisture curve in per cent o f the sample w eight
8 В. Dobrzański i in.
Rys. 2. Rozkład sił lepkości gleby lessowej w zależności od jej wilgotności a — granica plastyczności, b — granica płynności, 1 — pom iar p rzy w ilgotn ości p olow ej, 2 —
pom iar p rzy w ilgotn ości próbek nasyconych w od ą w laboratorium
Distribution of stickness forces of loess so*il depending on its moisture content a — plasticity lim it, b — flu id ity lim it, 1 — measurements at fie ld m oisture, 2 — measurements
at m oisture o f w a te r saturated samples at the lab oratory
wanie tych błonek. W wyniku wzrostu wilgotności błonki otaczające po jedyncze cząsteczki gleby łączą się ze sobą i ich sumaryczny obwód maleje, co powoduje zmniejszenie siły przylepności.
P rzy osiąganiu maksymalnej pojemności wodnej uzyskujemy długość obwodu błonek równą obwodowi przylegającego metalu. Wówczas w ie l kość siły przylepności jest równa sile potrzebnej na oderwanie metalu z powierzchni roztworu glebowego.
W N I O S K I
Na podstawie uzyskanych w yników badań można wyciągnąć następu jące wnioski.
1. Siły lepkości w glebie w ytw orzonej z lessu są uzależnione od jej wilgotności i mogą osiągać ekstremalne wartości od 0,0 do ok. 22 G/cm2. 2. Lepkość gleby w ytw orzonej z lessu zmienia się w zależności od jej wilgotności i osiąga swoje maksimum w pobliżu górnej granicy plastyczności.
3. Po przekroczeniu górnej granicy plastyczności w glebie w ytw o rzo nej z lessu siła lepkości maleje i przy osiągnięciu maksymalnej pojemności wodnei jest równa sile potrzebnej na oderwanie metalu z powierzchni roztworu glebowego.
P I Ś M I E N N I C T W O
[1] В a c h t i n P. U.: D inam ika fiziko-m iechaniczeskich sw ojstw poczw s w o p ro - sami ich obrabotki. Tr. poczw. in -ta im. W . W . D okuczajew a, 45, 1954.
[2] B a c h t i n P. U., W o ł o c k a j a W . I.: Fiziko-rniechaniczeskije sw ojstw a sie- rych leśnych poczw sowchoza Tylsk oj Obłasti. Poczwowiedien. 12, 1966, 77.
Lepkość gleby w ytw orzonej z lessu 9
[3] В a c h t i n P. U., W a d i u n i n a A. F.: Die physikalisch-m echanischen B o den eigenschaften als bestimmender Faktor fü r die A rb eit landwirtschaftlicher M a schinen. V E B Deutscher L an d w irtsch aftsverlag, B erlin I960.
[4] D i e r i a g i n B . W . , K r o t o w a N . A .: A dgezija. Izd. A N SSSR, 1948.
[5] D o b r z a ń s k i В., G r o c h o w i c z M., O r ł o w s k i R., W a l c z a k R.: A n electromagnetic apparatus for determination of stickness of soil. Polish J. Soil Sei. 4, 1971, 1.
[6] K a c z i n s k i j N. A.: S w o jstw a poczwy, как faktor opriedielajuszczich usło- w ija raboty sielskochozjajstwiennych maszin. Poczwowiedien. 8, 1937, 1118. [7] K o ł o s k o w a A. W. , B u r ł a k o w a A. A .: К izuczeniju lipkosti niekotorych
tipow poczw T atarskoj A S S R . Poczwowiedien. 7, 1969, 85.
[8] M u s i e r o w i c z A.: G leboznaw stw o ogólne. P W R iL , W a rs z a w a 1956.
[9] S z a w r y g i n P. I.: Fizy czeski je sw o jstw a poczw w zawisimosti od sostawa pogłoszczienych osnowanij. Tr. poczw. im-ta im. W . W . Dokuczaje w a 13, 1936. [10] W a d i u n i n a A. F.: D inam ika lipkosti poczwy w zawisim osti od tipa poczwy,
kulturniogo sostojanija jego i włażnosti. Poczwowiedien. 8, 1939, 1216.
Б. Д О Б Ж А Н Ь С К И , И. Д Е Х Н И К , И. ЛИПЕЦ, Р. О Р Л О В С К И Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А С И Л Л И П К О С Т И В П О Ч В Е О Б Р А З О В А Н Н О Й И З Л Е С С А Отделение агрофизики Польской Академии Н ау к в Люблине Р е з ю м е В почвах образовавш ихся из лессов изучали изменения величин (значений) силы липкости в зависимости от состояния увлажнения. Установлено, что в зависимости от увлажненности лессовой почвы сила липкости обнаруживает максимум, составляющий около 22 Г/см2, который на ходится поблизости верхнего предела пластичности. Выше этого предела сила липкости уменьшается и при влажности эквивалентной полной лвагоемкости она равна силе необходимой для отрыва металла от поверхности почвенного раствора. В. D O B R Z A Ń S K I, I. D E C H N IK , J . L IP IE C , R. O R Ł O W S K I C H A R A C T E R IS T IC S O F S T IC K N E S S F O R C E S IN S O IL D E V E L O P E D F R O M L O E S S
Departm ent of Agrophy:;ics in Lublin, Polish Academ y of Sciences
S i.i m m a г у
C hanges in stickness forces depending on soil saturation with w ater w ere in vestigated in soils developed from loess.
It has been found that, depending on the m oisture content in loess soil, the stickness force w ould reach its m axim um amounting to about 22 g/cm2 and being
10 В. Dobrzański i in.
near the upper plasticity limit. Beyond this lim it the stickness force w o u ld get w eaker, and at the m oisture content corresponding with m axim al w ater capacity it w ould be equal to the force needed for tearing a m etal o ff the soil solution surface.
pro/, dr Bohdan Dobrzański
Zakład A g r o f i z y k i P A N
