Динамика физических свойств 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

Природная динамика физических свойств почвы

К физическим свойствам почв относят гранулометрический (механический) состав, структуру, плотность почвы и ее удельную поверхность.

Гранулометрический состав является радикальным физическим свойством почвы, которое определяет и многие другие физические и химические параметры почвы и сам процесс почвообразования. Механический состав в значительной мере унаследован от соответствующих почвообразующих пород, именно порода определяет уровень содержания разных фракций.

Почвообразование на скальных породах приводит к их дроблению на механические элементы. Характер скальных пород следующим образом определяет преобладающий размер продуктов выветривания. Кислые породы (граниты, гранодиориты, с содержанием SiO₂ > 65 %) – дают при выветривании много крупнодисперсного песчаного материала, представленного кварцем. Основные (диориты, габбро – SiO₂ около 45–54 %) и суперосновные (известняки, мергели) породы обогащают почву тонкодисперсными глинистыми минералами. Поэтому частицы разной крупности имеют различный минералогический и, следовательно, химический состав.

Часть механических элементов формируются при почвообразовании; это в основном органические, органо-минеральные соединения и вторичные минералы, относящиеся к фракции илистых и коллоидных частиц. Устоявшейся точкой зрения является представление, что главной причиной изменения механического состава почв являются геологические процессы, изменения эти идут медленно. В качестве гипотез обсуждаются еще три процесса, которые могут приводить к изменению механического состава почв: кислотное разрушение минералов (при оподзоливании); перенос ила из верхних горизонтов в нижние (лессиваж); внутрипочвенное оглинивание (сиаллитизация).

Известно, что многие растения предпочитают те или иные по гранулометрическому составу почвы: это связано как с особенностями их корневых систем, так и с потребностями в питательных элементах. Даже небольшие различия в механическом составе могут быть причиной формирования сильно отличающихся по составу друг от друга растительных сообществ. Так, сосна обыкновенная предпочитает легкие почвы и по песчаным и супесчаным почвам заходит далеко в степную зону (ленточные боры на Алтае), при этом она воспроизводится в этих условиях. Ель выбирает суглинистые и глинистые почвы, она может расти на таких почвах в условиях даже черноземной зоны, но воспроизведения в этих условиях не происходит. Предпочтение теми или иными видами растений определенного механического состава почв позволили выделить растения-индикаторы по этому параметру. Индикаторы песчаных почв – сосна обыкновенная (Pinus silvestris), овсянница красная (Festuca rubra), армерия приморская (Armeria maritime), подмаренник настоящий (Gallium verum), фиалка собачья (Viola canina), кошачья лапка двудомная (Antennaria dioica). Индикаторы глинистых почв – мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara), молиния голубая (Molinia caerulea), осоки острая и дернистая (Carex acuta и C. Caespitosa).

Микроорганизмы почвы, включая и почвенные водоросли, также очень сильно зависят от гранулометрического состава. Большая часть почвенной микрофлоры находится в адгезированном состоянии на почвенных частицах. Адгезированность позволяет микроорганизмам сохранять свою эконишу: не вымываться почвенными потоками воды и одновременно получать питательные вещества из раствора и частиц, к которым прикреплены. Поэтому количество микроорганизмов в почве очень сильно связано с механическим составом – с утяжелением мехсостава увеличивается адгезия, а следовательно, и общее количество удерживаемых микроорганизмов. Однако прямой пропорциональной зависимости этих параметров не отмечено, т. к. на адгезию влияют и другие факторы, такие как количество гумуса, рН, характер поглощенных катионов. Эксперименты Н. С. Карпинской показали, что слабее всего микроорганизмы адгезируются на частицах размером от 50 до 100 мкм и сильно на частицах от 2 до 50 мкм; не давали эффекта адгезии частицы мельче 1,5 мкм (т. е. сравнимые с размером бактериальной клетки). Частицы меньше бактериальных клеток могут сами адгезироваться на их поверхности, образуя чехлы из адсорбентов. Многие исследователи наблюдали отложения на поверхности клеток коллоидных гидроксидов марганца и железа (Аристовская, 1980). То же явление характерно для глинистых минералов, особенно из группы монтмориллонита, при этом образуются очень прочные агрегаты.

Гранулометрический состав почвы важен и для немикроскопических, хотя и мелких организмов: мелких клещей, ногохвосток, жуков и их личинок. Поскольку для них почва как среда обитания представлена сетью ходов и полостей, то важнейшим свойством является порозность, зависящая от размеров механических элементов и их адгезированности. Те же свойства почв важны и для более крупных животных – дождевых червей, личинок крупных жуков, многоножек. Более крупные животные в большей степени зависят от всей совокупности свойств почвы, чем обитатели микроскопических почвенных резервуаров (простейшие, коловратки) или обитатели ходов и полостей (клещи, ногохвостки).

В целом гранулометрический состав почв – достаточно консервативное, медленно меняющееся свойство. Быстрое изменение мехсостава связано только с геологическими процессами: эрозией, привносом материала, метасоматозом (замещением одной молекулы, атома или иона вещества на другие без изменения объема).

Структура (агрегированность) почвенных частиц напрямую связана с механическим составом почвы, но уже имеет сезонные колебания. Агрегированные почвы имеют высокую водопроницаемость, на них снижается поверхностный сток, они лучше противостоят эрозии. В агрегированных почвах создается запас влаги.

Почвенная структура имеет определенную приуроченность к почвенным типам и характеризует определенные процессы почвообразования. Так, плитчатая структура характерна для горизонта А2 подзолистых и дерново-подзолистых почв и солодей; столбчатая – для горизонта В1 солонцов; ореховатая – для горизонта В серых лесных почв; зернистая – для гумусо-аккумулятивных горизонтов черноземов. Гранулометрический состав ставит определенные запреты на развитие тех или иных типов структуры: в супесях и песчаных почвах не формируются ореховатые, зернистые, столбчатые агрегаты; в тяжелосуглинистых и глинистых не встречаются плитчатые и чешуйчатые агрегаты.

В естественных ненарушенных почвах агрегатное состояние достаточно устойчиво и распад агрегатов обычно наблюдается только при застойном увлажнении. В почвах с контрастным водным режимом и тяжелым гранулометрическим составом (так называемые слитоземы) весной почва представляет собой слитую неагрегированную массу. Летом почва растрескивается, образуя плотные блоки, осенью и зимой трещины снова заплывают.

В почвах агроценозов общее количество агрегатов колеблется в течение сезона, и их максимум приходится на июль-август. Эти изменения следует считать циклическими с незначительными изменениями в течение сезона и ощутимыми в многолетних циклах. Смена биогеоценоза, особенно катастрофическая, приводит к резкому изменению агрегатного состояния почвы, вплоть до полной дезагрегации.

Механический состав и структура почвы влияют на ее плотность. Плотность почв определяет вертикальное движение воды по профилю. При наличии верхнего разрыхленного слоя с высокой порозностью происходит заметное снижение испарения воды. Тяжелые почвы могут обладать сравнительно низкой плотностью (при хорошей агрегированности) или очень высокой (в слитых). Разница в плотности очень сильно сказывается на всех почвенных обитателях и, прежде всего, на растениях: почва по-разному осваивается корнями, меняется ее водопроницаемость, водный режим и тепловые свойства. Суглинистая почва с низкой плотностью для многих растений является оптимальным субстратом. Приведем некоторые значения плотности почв, различных по механическому составу (в г/см 3 ): пески – 1,6–1,7; супеси – 1,4–1,6; суглинки неоструктуренные – 1,2–1,5, оструктуренные – 0,9; глины – 1,0–1,9.

Наблюдения за колебаниями плотности в естественных почвах показали, что эта величина колеблется и ее колебания определяются растительным составом сообществ. Под разными видами растений плотность почвы имеет различное значение. Так, на дерново-подзолистой почве в сосняке лещиновом значения плотности под различными растениями принимают следующие значения (в г/см 3 ) [10]: под снытью – 0,91, под кислицей – 0,89; под ландышем – 0,68; под осокой – 0,98. Смена растений приводит к изменению плотности и порозности.

Меняется плотность и во времени: под одним растением она меняется и в течение сезона, и по годам, т. е. это свойство является цикличным. Эта цикличность может быть связана с влиянием корней, их выделений, а также животных и микроорганизмов, приуроченных к фитополю данного растения.

На плотность почв влияет также замерзание и оттаивание. Замерзшая вода частично расширяет поры, но эти поры заполнены льдом, и реальная порозность почв в этом состоянии уменьшается. С этим явлением связана очень низкая водопроницаемость мерзлых грунтов, фактически играющих роль водоупоров. Другие физические свойства почвы отличаются большей динамичностью по сравнению с мехсоставом.

Одно из важнейших физических свойств почвы – ее удельная поверхность. Под удельной поверхностью понимают площадь поверхности всех почвенных частиц в единице массы. В какой-то мере об удельной поверхности почвы можно судить по гранулометрическому составу.

Удельная поверхность, наряду с другими свойствами, определяет почвенное плодородие и направленность ряда процессов почвообразования. Поверхность почвы – место взаимодействия твердой фазы почвы с корнями растений и микроорганизмами. Именно на поверхности частиц возникает градиент потенциала и начинается процесс диффузии ионов. На поверхности частиц идут процессы сорбции, десорбции, обменного и необменного поглощения, диффузии различных веществ. Минералогический состав почвы очень сильно влияет на удельную поверхность, большую роль в создании поверхности играют гумусовые кислоты, сорбирующиеся на минералах. В целом удельная поверхность – функция ряда других почвенных свойств: механического, минералогического состава и гумусированности. От удельной поверхности зависит поглотительная способность почв, а она, в свою очередь, определяет их химические свойства.

Источник