Почему старые классификации не работают?

С момента появления метода лазерной дифракции (ЛД) в почвоведении появились работы, посвященные сравнению его с классическим пипет-методом. Разница между этими методами обсуждалась не раз (Loizeau et al., 1994; Konert et al., 1996; Buurman et al., 1997; Beuselinck et al., 1998; Eshel et al., 2014). Основное различие между результатами, полученными с использованием рассматриваемых методов, заключается в значительно меньшем содержании частиц размерами <1 мкм или <2 мкм (илистой фракции), получаемом методом ЛД (Рисунок 1). Различия связаны прежде всего с тем, что пипет-метод и метод ЛД имеют различную физическую основу. Пипет-метод основан на явлении седиментации и законе Стокса, результатом является массовое распределение частиц по размерам. Метод ЛД основан на измерении угловой интенсивности рассеянного частицами света, его результатом является
объемное распределение частиц по размерам. Различная плотность и отклонение формы частиц от сферической приводят к неточностям в результатах анализов.

Основные расхождения между результатами седиментационных методов и метода ЛД связывают с отклонениями формы частиц от сферической (Eshel et al., 2014; Pabst et al., 2000; Konert et al., 1997). Почвенные частицы характеризуются различной формой – близкой к сферической, вытянутой или пластинчатой (Рисунок 2). Песчаные частицы часто равномерно развиты во всех направлениях, поэтому можно сказать, что они имеют сферическую форму. Однако их поверхность не является гладкой, а имеет неровности, зазубрины. Частицы пыли имеют преимущественно сферическую форму, илистые частицы - пластинчатую и игольчатую, вытянутую форму (Hillel, 2004). Чем меньше размер частиц, тем больше их форма отличается от сферической (Loveland, et al., 2001).
Стоит учесть, что в последние годы появились приборы, в которых реализованы расчеты по теории Ми для несферических частиц (например, Microtrac Bluewave, США; Mastersizer 3000, Англия). Однако большинство имеющихся на данный момент исследований почв сделано при использовании расчетов для сферических частиц. В таком случае оба метода используют приближение, что частицы имеют форму сферы. Это допущение отражается в результатах противоположным образом: при седиментации размер плоских частиц недооценивается, в то время как в методе ЛД размер плоских или вытянутых частиц будет оценен как более крупный по сравнению со сферической частицей (Taubner et al., 2009). Так как объем частиц рассчитывается через диаметр частиц, пропорционально Dˆ3, завышение размера частиц из-за их несферичности приводит значительному увеличению занимаемого объема частиц при расчете (Campbell, 2003).

Кроме формы почвенных частиц, различия между результатами методов могут быть связаны с разницей в плотности анализируемых частиц. На Рисунке 1 в графическом виде показаны основные различия и их причины, наблюдаемые между результатами метода ЛД и пипет-метода. Менее плотные, чем частицы минералов, органо-минеральные частицы имеют преимущественно размеры мелкой (1-5 мкм) и средней пыли (5-10 мкм) и при седиментометрическом анализе попадают во фракцию ила (Шеин и др., 2006). Частицы органического вещества слабой степени разложения часто соизмеримы с минеральными частицами фракции песка. А также в почвах с большим содержанием свободные органические частицы встречаются в области пыли. Поэтому на рисунке распределение органических частиц показано как бимодальное. После удаления органического вещества (окисления свободных органических частиц и разрушения органо-минеральных компонентов) плотность оставшихся минеральных частиц также не является одинаковой, что обуславливает расхождения в результатах методов (Шинкарев и др., 2010). Если минералы имеют расширяющуюся решетку (то есть сильно набухают в воде), например, как у монтмориллонита, имеющего плотность в сухом состоянии ~2, а в воде ~1 г/смˆ3, то скорость осаждения таких частиц будет сильно уменьшаться.