Чем определяют плотность почвы

§ 1. Плотность и порозность почвы

Почва является гетерогенной многофазной дисперсной системой, состоящей из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Обозначим объём почвы как `V_t`, тогда `V_s`, `V_w` и `V_(air)` — это объёмы твёрдой, жидкой и газообразной фаз соответственно. Массы этих фаз обозначим как `m_s`, `m_w` и `m_(air)`. 1

Плотность твёрдой фазы почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к объёму твёрдой фазы: 1

Плотность почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к общему объёму почвы: 1

Плотность почвы это масса единицы объёма абсолютно сухой почвы в её естественном, ненарушенном состоянии. Плотность почвы является одним из основных, фундаментальных свойств почвы. Плотность почвы не является постоянной, а зависит от влажности почвы (в большей мере — для суглинистых и глинистых почв, в меньшей — для песчаных). 1

Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см 3 . Минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0.8 г/см 3 , хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0.1 г/см 3 . 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Общая порозность (пористость) почвы — это объём почвенных пор в почвенном образце по отношению к объёму всего образца: 1

Объёмная влажность почвы — объём воды, содержащейся в объёме почвы: 1

Порозность аэрации (воздухосодержание) — это разница между общей порозностью и объёмной влажностью почвы; объём, занятый воздухом: 1

В ряде случаев рекомендуется использовать величину, обратную плотности почв — отношение объёма почвы к массе этого объёма. Используя её, мы можем найти удельный объём пор почвы — отношение объёма пор почвы к массе твёрдой фазы почвы: 1

Нередко используют и коэффициент пористости (приведённую пористость) — отношение общего объёма пор в почве или грунте к объёму твёрдой фазы почвы: 1

Коэффициент пористости и удельный объём пор почвы полезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, почвенных деформациях, трещинообразовании и т.д. В почвоведении традиционно используется общая порозность почв `epsilon`. 1

Так как почвенный горизонт состоит из более мелких единиц — почвеных педов или агрегатов, можно выделить и объём пор агрегатов, их плотность и порозность. 1

Плотность агрегата — это отношение массы твёрдой фазы агрегата к его объёму: 1

Порозность агрегата — это отношение объёма пор агрегата во всем объёму агрегата: 1

Часто необходимо найти межагрегатную порозность — отношение объёма пор, находящихся в поровом пространстве почвы между агрегатами, ко всему объёму почвы. 1

Для нахождения межагрегатной порозности необходимо сначала найти величину суммарной агрегатной порозности — отношение объёма пор агрегатов ко всему объёму почвы: 1

Получив величину суммарной агрегатной порозности, можно рассчитать межагрегатную порозность: 1

Знание величин порозности важно для оценки состояния почвы. Так, в хорошо агрегированной почве основные запасы питательных веществ, микроорганизмов, влаги находятся внутри агрегатов и именно агрегаты обуславливают почвенное плодородие. Снижение агрегатной порозности является свидетельством ухудшения физического состояния почв. Основная функция межагрегатного пространства это проведение потоков веществ. В основном по межагрегатному поровому пространству происходит перенос воды и растворенных в ней веществ. Поэтому нередко указывают, что агрегатное пространство это хранилище основных почвенных запасов, а межагрегатное пространство это транспортные пути. Таким образом, функции этих частей порового пространства почвы во многом различны (накопление и постепенное расходование воды и веществ из агрегатной порозности, быстрый транспорт веществ в профиле почв по межагрегатной), поэтому при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы. 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Обозначения:
1. Поры «устойчивой аэрации»
2. Поры, заполняемые легкоподвижной водой
3. Поры, заполняемые среднеподвижной водой
4. Поры, заполняемые практически неподвижной водой (недоступной растениям)
5. > 0.3 мм
6. 0.3-0.06 мм
7. 0.06-0.03 мм
8. 0.03-0.01 мм
9. 0.01-0.003 мм
10. 0.003 мм) пор — около 2/3. Вниз по профилю снижается как общая порозность, так и доля крупных пор, зато возрастает доля пор, заполненных связанной водой.
Наименее благоприятны показатели порозности в горизонте `B_2` (60-90 см), что объясняется его оглиненностью и низкой биологической активностью.

Значение плотности и порозности почвы

Излишне уплотнённая почва препятствует росту корней, содержит малое количество пор (то есть имеет низкую порозность). При низкой порозности в почве содержится мало воды, а при выпадении осадков поры быстро заполняются водой, что приводит к недостатку воздуха. 1

Излишне рыхлая почва имеет слишком большое поровое пространство и корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. 1

Проблема создания пахотного слоя, оптимального по физическому состоянию, по плотности – одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы разрыхлить почву и не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. Это требует своевременного проведения агротехнических работ, обязательно связанных с распашкой почвы. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным. 1

Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное, или подпочвенное, уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение наблюдается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно: оно незаметно с поверхности почвы так, как видны, например, эрозия или поверхностное уплотнение. Анализ и прогноз этого явления тесно связан с оценкой физикомеханических свойств почв. 1

Таким образом, уплотнение как поверхностное, так и подпочвенное – весьма пагубное явление, неизменно сопровождающее интенсивное сельскохозяйственное производство. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно. С этим связан второй аспект проблемы – разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы несложно. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями. Но вот разрыхлить агрегаты – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы. 1

Методики определения плотности и порозности почвы

Источник

Приборы для точного земледелия. Измерение кислотности и плотности почвы

Одним из наиболее важных параметров в растениеводстве является рН — кислотность почвы.

Одним из наиболее важных параметров в растениеводстве является рН — кислотность почвы. Измерение pH в почве является важной процедурой, поскольку этот показатель напрямую влияет на относительную доступность питательных веществ почв и, как следствие, на потенциал урожайности. Количество присутствующих в почве элементов зависит от ее происхождения и от содержания в ней органических веществ, являющихся источником питательных элементов. Питательные вещества почвы существуют как в виде сложных, нерастворимых комплексов, так и в простых формах, растворенных в почве и доступных растениям. Сложные формы должны быть подвергнуты разложению на более простые и доступные формы, чтобы принести пользу растению.

Из-за неправильной кислотности часть важных питательных элементов могут плохо усваиваться растением, а то и вовсе блокироваться. Если pH находится вне пределов приемлемого диапазона, то урожай будет низким. Как измерить кислотность почвы и повысить потенциал урожайности культур? На сегодняшний день на рынке России существует несколько приборов для измерения pH в почве. Простейший прибор позволяет проводить измерение кислотности зондированием почвы.

Проведение измерений:

1. Уберите любые препятствия мешающие проведению измерений (например, почва на поверхности, трава, листья и камни). Если почва сухая или же содержит много удобрений, то смочите ее водой и оставьте на 25-30 минут до начала проведения измерений уровня pH.

2. Перед проведением измерений тщательно очистите металлическую поверхность электрода прибора мягкой салфеткой. Перед первым применением (новый прибор) рекомендуется погрузить его несколько раз в почву, это поможет удалить с поверхности прибора вероятные масляные пятна, которые могут повлиять на точность измерений уровня кислотности pH и влажности.

3. Для проведения измерений опустите pH-метр в исследуемую почву. Металлическая поверхность электрода должна полностью находиться в земле. Слегка утрамбуйте почву так, чтобы она плотно прилегала к поверхности металлического электрода прибора. Спустя 10 минут после погружения pH метра в почву на дисплее прибора отобразится значение уровня pH или влажности. Иногда прибор может показывать разные значения в зависимости от состояния почвы, плотности ее прилегания к металлической поверхности электрода, влажности и т.д. В связи с этим рекомендуется провести несколько измерений и применить среднее арифметическое значение.

4. После проведения измерений протрите металлическую поверхность электрода прибора мягкой салфеткой для удаления остатков почвы, загрязнений и влаги.

Нормальная кислотность для большинства растений составляет около 7ph, то есть если прибор показывает от 6 до 8, то волноваться не стоит, у почвы нормальная кислотность. Если прибор показывает 5 или 4ph, то кислотность почвы повышена.

Повышенная кислотность почвы не позволяет растениям усваивать многие необходимые элементы, а мы продолжаем их подкармливать удобрениями которые дают кислотную реакцию и растению только хуже, при повышенной кислотности почвы нужно применять удобрения с щелочной или нейтральной реакцией и проводить агроприемы по понижению кислотности.

Усваиваемость железа, марганца и цинка становится меньше по мере увеличения pH от 6,5 до 7,5. Молибден и фосфор, с другой стороны, присутствует в почвах с более высоким уровнем pH. Почва с очень высоким уровнем pH оценивается наличием углекислоты (HCO3), которая может присутствовать в почве в достаточных количествах для того, чтобы поглощать другие ионы, и таким образом вредить оптимальному росту растений.

В последнее время все большую популярность среди фермеров приобретают универсальные рН/ЕС-метры, которые позволяют получить более точные данные не только рН почвы, но и ее электропроводности (качественный показатель содержания в почве минеральных веществ).

Этот прибор и его аналоги широко применяются в растениеводстве, в его работе используется ионометрический метод определения рН. Этот метод основан на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов Н+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН.

Данный прибор позволяет измерить другой, важный для успешного растениеводства показатель — электропроводность почв. Ее вычисляют по измеренному сопротивлению. Для этого готовят раствор электролита, электропроводность которого известна Xv. измеряют его спротивление Rv в данном сосуде и затем вычисляют константу датчика при известной температуре. Затем, с помощью датчика измеряется сопротивление почвы и с помощью температурных коэффициентов вычисляется электропроводность почвы.

Измерение плотности почвы

Одним из важнейших свойств, влияющих на урожайность сельхозкультур, является плотность почвы. С переуплотнением почвы и «плужной подошвы», как результатом многолетнего применения вспашки, сегодня сталкиваются многие аграриям. Но решить проблему уплотнения, пока не определены его зоны и глубина «плужной подошвы», невозможно.

По мнению ученых, возникновение уплотнений возможно при любом типе почвы. При вспахивании и обработке почвы колеса тяжелой сельскохозяйственной техники давят на поверхность почвы. При постоянном давлении частицы почвы плотнее прилегают друг к другу и заполняют воздушные промежутки, образуя в местах движения техники мощное уплотнение почвы — «плужную подошву». Уплотнения препятствуют поступлению влаги и нормальному развитию корневой системы культур.

Одни типы почв подвержены риску возникновения уплотнений в большей степени, чем другие. При движении техники по поверхности, уплотненный слой почвы будет постоянно утолщаться.

Рис. 1. Определение плотности почвы с помощью измерителя плотности почвы

Согласно результатам многолетних исследований зарубежных и российских ученых, переуплотнение почвы сильно влияет не только на урожайность сельхозкультур, но и рентабельность сельхозпроизводства в целом. Обработка уплотненной почвы требует больших усилий, временных и денежных затрат. Большинство фермеров знают о проблеме уплотнения, но не могут точно определить, где находится уплотненный слой. Попытки найти уплотнения почвы и разрушить плужную подошву при помощи более глубокого вспахивания — это пустая трата сил, времени и денег. К сожалению, сегодня практически отсутствуют экспресс-методы определения плотности почвы, а используемый в сельскохозяйственной практике определения плотности почвы метод «вырезных цилиндров» не только трудоемок, но и требует длительного времени для получения конечного результата.

В последнее время на российском рынке появилось несколько приборов для измерения плотности почвы – плотномеров, которые условно разделяются на два типа: механические и ультразвуковые.

Простой и удобный в работе пенетрометр может не только обнаружить уплотнение почвы, помочь увеличить урожай и уменьшить затраты. С помощью измерителя плотности почвы можно проводить определение плотность почвы; способствовать развитию корневой системы; повысить эффективность минеральных удобрений; обеспечить проникновение влаги в глубокие слои почвы и избежать застоя влаги в поверхностных слоях.

Как работает механический измеритель плотности:

1. Проверить плотность почвы необходимо до проведения операций по ее обработке.

2. Введите щуп пенетрометра медленно в землю с постоянным усилием.

3. Индикатор даст показания в фунтах на квадратный дюйм — это величина усилия, для проникновения в почву или значение плотности.

4. Запишите значения плотности на различных уровнях, отмечая уровни, где усилие сначала увеличивается, а потом уменьшается, т.е. определите слои уплотнения.

5. Проведите несколько измерений в одной и той же зоне для получения наилучшего результата.

6. Проверьте несколько зон. Обратите внимание на то, что влажность почвы может влиять на показания прибора. Когда содержание влаги в почве высоко, данные могут казаться обманчиво низкими. И наоборот, когда почва сухая, то измерения могут оказаться завышенными.

Более точно определить уплотнение почвы позволяет измеритель уплотнения почвы с ультразвуковым датчиком глубины (например, модель SC 900 / SC 900 Soil Compaction Meier).

Этот прибор измеряет сопротивление проникновению с помощью динамометра, дополнительно измеряя глубину проникновения щупа с помощью ультразвукового датчика. При погружении щупа датчик посылает импульсы, улавливает отраженные от почвы импульсы и по временной разнице рассчитывает дистанцию. Получает данные о плотности почвы с каждых 2,5 см глубины. Уплотнение измеряется и отображается на дисплее в PSI (фунт/сила на квадратный дюйм) или в кПа. Запоминающее устройство и порт RS-232 позволяют производить измерение уплотнения почвы с привязкой к координатам местности. Память устройства хранит до 772 профилей (или 579, если используется функция GPS). Включает в себя также кабель подключения к компьютеру для загрузки данных.

Мониторинг плотности почвы на поле является одной из составляющих технологии «точного земледелия». GPS сегодня открывает возможность собирать информацию по состоянию почвы в любой точке поля и принимает решения по выбору технологии механического воздействия, направленного на создание «оптимальной плотности почвы поля». Для подключения GPS приемника требуется 2 кабеля: GPS/DGPS кабель и последовательный интерфейсный кабель.

Источник