Что такое объем почвы

Что такое объем почвы

Глава 5. ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ПОЧВ

Свойства почвы как единого физического тела во многом определяются составом, соотношением, взаимодействием и динамикой твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. В этом аспекте особую роль играют физические свойства почвы. К ним относятся общие физические, физико-механические, водные, воздушные, тепловые свойства, структура. Физические свойства влияют на характер почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений.

§1. Общие физические свойства

К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и порозность.

Плотность почвы (объемная плотность, плотность сложения) – вес в граммах 1 см 3 почвы в естественном сложении (вместе с почвенным воздухом). Плотность почвы характеризует взаимное расположение почвенных частиц и агрегатов. Поскольку в объем почвы входят имеющиеся в ней поры, плотность почвы будет всегда меньше плотности твердой фазы. Обозначают d_V, выражают в т/м 3 или г/см 3 и рассчитывают:

где m – масса почвы в г, V – объем почвы в см 3 .

Плотность почвы зависит от гранулометрического и минерального состава, структуры, содержания гумуса и обработки почвы. От плотности почвы зависят поглощение влаги, воздухообмен, жизнедеятельность биоты и развитие корневых систем. Гумусовые горизонты характеризуются небольшой плотностью: для дерново-подзолистых почв – 1,1 – 1,2; подзолистых – 1,4 – 1,45; черноземов – 1,0 – 1,15; в болотных торфяных почвах и лесных подстилках – 0,15 – 0,40 г/см 3 . В подзолистых горизонтах она составляет 1,4 – 1,6, в иллювиальных – возрастает до 1,50 – 1,70, в материнской породе – 1,40 – 1,60 г/см 3 . Самый плотный – глеевый горизонт – 1,90 г/см 3 . Рыхлый после обработки пахотный слой постепенно уплотняется и через некоторое время приобретает определенную плотность, мало изменяющуюся во времени. Однако уплотнение почвы приводит к резкому снижению урожайности культур. Сильно уплотненная почва в сухом состоянии оказывает большое сопротивление почвообрабатывающим орудиям, угнетающе действует на развитие корневой системы растений, во влажном – характеризуется неблагоприятным соотношением воды и воздуха. Плотная почва обладает низкой водопроницаемостью, что вызывает процессы эрозии.

Предложена следующая шкала оптимальных показателей объемной плотности почвы (А.Г.Бондарев, 1985): глинистые и суглинистые – 1,00 – 1,30; легкосуглинистые – 1,10 – 1,40; супесчаные – 1,20 – 1,45; песчаные – 1,25 – 1,60; торфяные – 0,2 – 0,4 г/см 3 .

Для пропашных сельскохозяйственных культур оптимальная плотность почв равна 1,0 – 1,2, для культур сплошного сева может быть 1,3 – 1,4 г/см 3 .Оценка плотности суглинистых и глинистых почв с точки зрения ее окультуренности (по Н.А.Качинскому) приведена в таблице 4.

Плотность твердой фазы (удельная плотность) – это масса (m) 1 см 3 твердой фазы сухой почвы (V_S) (без почвенного воздуха). Обозначается D или d, выражается в т/м 3 или г/см 3 , рассчитывается по формуле:

Её величина зависит от природы и соотношения минералов, из которых состоит почва, содержания в ней органических веществ и характеризует среднюю плотность почвенных частиц. Может колебаться в пределах от 2,2 до 3,1 г/см 3 . Плотность гумуса 1,20 – 1,40 г/см 3 . В верхних горизонтах в зависимости от содержания органического вещества удельная плотность может быть 2,40 – 2,60, в черноземах – 2,2 г/см 3 . В минеральных горизонтах плотность твердой фазы почвы составляет: в подзолистых – 2,5 – 2,6, иллювиальных – возрастает до 2,7 – 3,0 (много оксидов железа), материнской породе – 2,6 – 2,8 г/см 3 . Самые лёгкие – торфяники, их плотность 1,4 – 1,8 г/см 3 в зависимости от степени разложения торфа. Таким образом, чем больше почва содержит органического вещества, тем меньше ее плотность.

Оценка почв по показателю плотности

Плотность почвы, г/см 3

Почва вспушена или богата органическим

Типичные величины для культурной и

Пашня сильно уплотнена

Типичные величины для подпахотных горизонтов различных почв (кроме черноземов)

Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

Плотность твердой фазы в определенной степени служит признаком, по которому можно судить о минералогическом составе, содержании органического вещества, её используют для расчета порозности и скорости падения частиц по формуле Стокса при анализе механического состава почв.

Пористость (порозность, скважность) –это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Обозначают P и определяют расчетным путем по соотношению показателей плотности почвы (d_V) и плотности твердой фазы (D), выраженному в процентах:

Пористость зависит от гранулометрического состава, структуры, плотности. В пахотных почвах пористость обусловлена обработкой и приемами окультуривания, при рыхлении – увеличивается, при уплотнении – уменьшается. Размеры пор, в совокупности образующих общую пористость почвы, варьируют от тончайших капилляров (для воды) до более крупных промежутков (для воздуха), которые не обладают капиллярными свойствами (должны составлять не менее 20 – 25 % от общей пористости).

Общая пористость почвы колеблется от 25 % (глина) до 90 % (торф). В культурной песчаной почве она равна 45 – 50 %, черноземах – достигает 60 – 63 %, вниз по профилю (кроме торфяников) она уменьшается. Оценка общей пористости (по Н.А.Качинскому) приведена в таблице 5.

Оценка почв по показателю пористости

Почва вспушена – избыточно пористая

Культурный пахотный слой

Неудовлетворительная для пахотного слоя

Характерна для уплотненных

Пористость – одно из важнейших свойств почвы. С ней связаны интенсивность и глубина фильтрации, водопроницаемость и водоподъемная способность, влагоемкость и воздухоемкость, процессы испарения на орошаемых землях. От порозности в значительной степени зависит плодородие почв.

§2. Физико-механические свойства почв

Физико-механические свойства почв по сравнению с физическими имеют более широкое использование не только в почвоведении, но и в грунтоведении, строительстве. К ним относятся: пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и удельное сопротивление.

Пластичность – свойство почвы изменять свою форму под влиянием внешней силы без разрушения и сохранять ее после устранения воздействия. Это свойство имеет только влажная почва в определенном диапазоне влажности, т.е. есть верхний и нижний предел пластичности, разность между которыми называется числом пластичности – величина пластичности. Чем больше это число, тем более пластична почва. Песок имеет число пластичности 0, супесь – 1 – 7, суглинок – 7 – 17, глина – более 17. Пластичность обусловливается главным образом количеством глинистых частиц и составом поглощенных оснований (наибольшей пластичностью обладают глинистые солонцы, содержащие более 25 % обменного натрия, наименьшей – почвы, содержащие много кальция и магния), органическое вещество уменьшает пластичность.

Липкость – способность почвы прилипать к соприкасающимся с нею предметам, измеряется усилием, требующимся для отрыва от почвы прилипшей к ней пластины, и выражается в г/см 2 . Прилипание почвы к рабочим частям и колесам машин увеличивает тяговое сопротивление и ухудшает качество обработки почвы.

Липкость почвы зависит от ее гранулометрического и минералогического состава, от структуры и влажности. Сухие почвы не обладают липкостью. С повышением влажности до определенного предела (80 % от полной влагоемкости) липкость увеличивается, а далее уменьшается вследствие нарушения сцепления между частицами почвы. Чем больше глинистых частиц, тем липкость больше. Почвы глинистые и бесструктурные прилипают сильнее, чем легкие по гранулометрическому составу или структурные глинистые. Почвы по липкости делят на: предельно вязкие (> 15 г/см 2 ), сильновязкие (5 – 15), средневязкие (2 – 5) и слабовязкие ( 2 ).

На величину липкости влияет состав поглощенных оснований: с увеличением насыщенности почвы кальцием она уменьшается, а с возрастанием насыщенности натрием резко увеличивается. Поэтому почвы высокогумусированные, с достаточным количеством оснований (дерновые, черноземы) не обладают липкостью даже при высоком увлажнении.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Способность почвы к набуханию связана с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с их начальной плотностью. Набухание обусловлено образованием на поверхности почвенных частиц оболочек рыхло связанной воды, в результате этого ослабевают силы сцепления и увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к возрастанию общего объема почвы.

Набухание характерно для минеральных илистых частиц и органических коллоидов, поэтому глинистые почвы больше подвержены этому свойству. Сильно набухает минерал монтмориллонит и практически не набухает каолинит. При насыщении почв одновалентными основаниями, особенно натрием, оно достигает 120 – 150 %, а при насыщении двух- и трехвалентными катионами значительного набухания не наблюдается, поэтому даже песчаные почвы могут набухать, если насытить их почвенный поглотительный комплекс натрием.

Усадка – уменьшение объема почвы или грунта при высыхании. Она зависит от тех же факторов, что и набухание. Чем сильнее набухание, тем сильнее усадка почвы. Усадку можно охарактеризовать степенью изменения объема, а также влажностью, при которой усадка прекращается (предел усадки). В результате сильной усадки в почве образуются трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается испарение влаги из почвы.

Энергетические затраты на обработку почвы и износ сельскохозяйственных машин и другие показатели обусловливаются связностью и твердостью почвы.

Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы, выражается в г/см 2 .Она вызвана силами сцепления между частицами почвы. Связность обусловлена гранулометрическим и минералогическим составом, структурностью и влажность, содержанием гумуса, составом обменных оснований.

Наибольшую связность в сухом состоянии имеют глинистые бесструктурные почвы, наименьшую – песчаные и супесчаные почвы. Связность возрастает при насыщении почвы ионами натрия, при оструктуривании – снижается. Влияние органического вещества двояко: на песчаных почвах гумус увеличивает связность, на глинистых – снижает за счет увеличения структурированности и снижения площади соприкосновения. Связные почвы лучше противостоят эрозии, но при увеличении ее повышается удельное сопротивление обработке.

Твердость – это сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением различных тел, выражается в кг/см 3 . На величину твердости влияют те же характеристики, что и на связность. Почвы с высоким содержанием гумуса, насыщенные кальцием и имеющие хорошую комковато-зернистую структуру, не обладают высокой твердостью и связностью.

Высокая твердость – признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. При высокой твердости снижается прорастание семян, затрудняются проникновение корней в почву и развитие растений вследствие неблагоприятного водного, воздушного и теплового режимов. Твердость – важная технологическая характеристика почвы. Твердость прямо пропорциональна удельному сопротивлению почвы при обработке орудиями, а следовательно, больше и энергозатраты. Удельное сопротивление – это физическое усилие, которое затрачивается на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга. Удельное сопротивление зависит от физико-механических свойств почвы и колеблется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см 2 .

§3. Спелость почвы

Спелость почвы – это такое состояние почвы, при котором она имеет высокую микробиологическую активность и лучше всего подвергается обработке при наименьшем тяговом усилии. Является важным технологическим свойством почвы. Различают физическую и биологическую спелость.

Под физической спелостью почвы понимают ее подготовленность к обработке. Она соответствует влажности, при которой почва не прилипает к почвообрабатывающим орудиям и крошится на комки с образованием прочных агрегатов (эта влажность достигается при содержании влаги от 60 – 90 % их полевой влагоемкости). Влажность, при которой почва находится в состоянии спелости, зависит от гранулометрического состава, поглощенных оснований и гумусированности почв. Легкие песчаные и супесчаные и более гумусированные почвы раньше других готовы для обработки весной.

Биологическая спелость – состояние почвы, показывающее ее готовность к посеву, характеризующееся оптимальным прогреванием и состоянием микробиологической активности. Наилучшим состоянием спелости считается такое, когда физическая и биологическая спелости совпадают.

Источник

§ 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