Факторы 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 dV, 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 (VS) (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 (dV) 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
Состав, структура и физико-химические свойства почвы
Физические свойства почвы
К общим физическим свойствам почв относятся плотность, порозность и структурность.
Плотность почвы (плотность сложения) — масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы.
Она зависит от гранулометрического состава, оструктуренности и содержания органического вещества.
Она изменяется в широком диапазоне значений: от 0,04—0,40 г/см3 в торфяных почвах до 1,38—1,90 % — в минеральных.
Типичные значения плотности различных почв (по Е. В. Шейну, 2005)
От плотности сложения почв следует отличать плотность твердой фазы почвы. Характер изменения плотности в пределах профиля зависит от генетического типа почвы.
Максимальные значения плотности свойственны солонцовым и глеевым горизонтам суглинистых почв, минимальные — органическим горизонтам. Значения плотности необходимы для расчетов запасов влаги и питательных веществ. Большинство водно-физических свойств почвы тесно связано со значениями ее плотности.
Плотность твердой фазы почвы — это средняя плотность твердых частиц почвы и зависит она в первую очередь от минералогического состава.
Плотность преобладающих в почве минералов (кварц, полевые шпаты, слюды) находится преимущественно в Штервале от 2,5 до 3,0 г/см3, а органического вещества — от 1,4 до 1,8 г/см3.
Плотность твердой фазы почвы является интегральной величиной и составляет около 2,4—2,6 г/см3. Значения плотности твердой фазы почвы используются для расчетов общей пористости почв.
Порозность почвы
Порозность (пористость, скважность) почвы характеризует ее свойство образовывать в процессе развития сложную систему пор, трещин, полостей.
Почва — рыхлое тело, поэтому она имеет поровое пространство, которое может быть занято воздухом, водой, корнями растений и почвенными животными.
Поровое пространство почв характеризуется общей порозностью (суммарным объемом порового пространства), размером и формой пор.
Общая порозность зависит от гранулометрического состава, 0структуренности почвы, жизнедеятельности ее обитателей, корневых систем растений. Общая порозность изменяется от минимального значения — 28 % объема почвы — в минеральных почвах до 90 % и более — в торфяных.
В почвенном профиле присутствуют все типы пор, однако их количество, размеры, формы и ориентировка зависят от типа генетических горизонтов. С порозностью почвы связаны многие ее важные свойства: водопроницаемость, проточность, воздухообмен, движение почвенных растворов, содержание воздуха и воды.
Поры в почве образуют сложную систему разноразмерных полостей, соединенных между собой трубчатыми порами — капиллярами.
Это своего рода «сосудистая система» почвы, по которой движется почвенная вода, несущая химические элементы для питания растений. Чем разветвленнее поровая система почвы, тем активнее в ней протекают почвенные процессы.
Структурность почвы
Способность (свойство) почвы образовывать из составляющих ее элементарных частиц почвенные агрегаты разных форм, размеров и прочности называется структурностью. Структурная почва более плодородна. Структурность почвы — ее важное генетическое свойство, используемое в качестве диагностического признака почвенных процессов.
Воздушно-физические свойства почв характеризуются рядом показателей, главными из которых являются воздухопроницаемость и воздухоемкость.
Воздухоемкость — ϶ᴛᴏ максимально возможное количество воздуха, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может содержаться в воздушно-сухой почве. Общий объём пор, свободных от влаги,— воздухосодержанием, или порочностью аэрации. Воздухоемкость и воздухосодержание выражаются в процентах от объёма почвы. Воздухоемкость имеет наибольшие показатели в сухих структурных рыхлых почвах, а также в почвах легкого гранулометрического состава.
Существует капиллярная и некапиллярная воздухоемкость. Капиллярная воздухоемкость — ϶ᴛᴏ способность почвы в сухом состоянии поглощать и удерживать воздух в капиллярных порах малого диаметра.
Чем выше капиллярная воздухоемкость, тем меньше подвижность воздуха и сложнее газообмен между почвой и атмосферой.
Некапиллярная воздухоемкость — это способность почвы при капиллярном насыщении водой содержать определенный объём свободного воздуха.
Соотношение капиллярной и некапиллярной воздухоемкости является важным показателем воздушно-физических свойств почвы. Структурные почвы всегда имеют определенную величину некапиллярной скважности, которая свободна от воды и заполнена воздухом даже при большой влажности почвы.
Это обеспечивает определенную степень проветриванности почвы.
Благодаря пористости почва обладает воздухопроницаемостью.
Воздухопроницаемость — свойство почвы пропускать воздух через поры, не занятые водой. Воздухопроницаемость является необходимым условием для осуществления газообмена между почвой и атмосферой. Передвижение воздуха в почве происходит по порам, соединенным друг с другом и не заполненных водой.
Воздухопроницаемость структурных рыхлых почв значительно выше, чем плотных бесструктурных глинистых почв, она максимальна в сухих почвах и быстро снижается при увлажнении.
Свойства почв, определяющие процессы обмена почвенного воздуха с атмосферным, принято называть газообменом или аэрацией. Газообмен осуществляется через систему почвенных пор, сообщающихся между собой и атмосферой. Большое влияние на газообмен оказывают верховодка и близколежащие (1,5—2,0 м) грунтовые воды с переменным уровнем.
При подъеме уровня воды воздух, обогащенный углекислотой, выталкивается в атмосферу, а при опускании уровня воды происходит втягивание атмосферного воздуха, обогащенного кислородом. Аэрация усиливается благодаря изменению температуры и барометрического давления атмосферы. Нагревание почвы сопровождается расширением газов и их выходом в приземной слой воздуха, то же самое происходит при уменьшении атмосферного давления.
И, наконец, газообмен почв усиливается при действии ветра в приземном слое, обычно занятом какой-либо растительностью. Аэрация почв — ϶ᴛᴏ величина фактического содержания воздуха в почве, выраженная в объёмных процентах. Величина аэрации характеризует разность между общей скважностью и влажностью почвы.
Чем выше влажность, тем меньше аэрация, так как большая часть объёма почвы занята влагой. Максимальная степень аэрации характерна при воздушно-сухом состоянии почв, минимальная – при избыточном увлажнении почв, вследствие близкого залегания грунтовых вод, поверхностном заболачивании или затоплении, а также в условиях водоносных горизонтов.
Основными факторами газообмена в почве являются:
- атмосферные условия, к которым относятся амплитуды колебания температур воздуха (суточные и годовые), амплитуды колебаний атмосферного давления (суточные и годовые), температурные градиенты на поверхности раздела почва — атмосфера, движение атмосферного воздуха, осадки и характер их распределения, характер испарения и транспирации.
- физические свойства почвы, к которым относится гранулометрический состав, структура, состояние поверхности, плотность, пористость, температурный режим, влажность почвы,
- физические свойства газов, к которым относятся скорость диффузии, градиенты концентраций газов в почвенном профиле и на границе раздела сред, их гравитационный перенос под действием силы тяжести, способность к сорбции – десорбции на твердой фазе почвы, растворение в почвенных растворах и дегазация.
- физико-химические реакции в почвах, к которым относятся обменные реакции между ППК – почвенным раствором – газовой фазой, а также окислительно-восстановительные реакции.
Основным механизмом переноса газов является диффузия.
Диффузия — ϶ᴛᴏ процесс перемещения газов, связанный с их различной концентрацией в почве и атмосфере (градиентом концентрации). В почвенном воздухе концентрация кислорода всегда меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере. По этой причине под влиянием диффузии создаются условия для поступления в почву кислорода и выделения в атмосферу углекислого газа.
Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях: собственно почвенный воздух (свободный и защемленный), адсорбированный и растворенный.
Почва характеризуется тепловыми свойствами и тепловым режимом.
Последний зависит в основном от нагревания ее солнцем или, точнее, способности поглощать лучистую энергию, которая превращается в тепловую. Отношение количества отраженной поверхностью Земли лучистой энергии (А) к количеству падающей (Е), выраженное в процентах, принято называть о т р а ж а т е л ь н о й с п о с о б н о с т ь ю, или альбедо поверхности.
Кроме основного источника лучистой энергии, в почву поступает тепло, выделяемое при экзотермических, физико-химических и биохимических реакциях.
При этом тепло, получаемое в результате биологических и фотохимических процессов, почти не изменяет температуру почвы. В летнее время сухая нагретая почва может повышать температуру вследствие смачивания. Эта теплота известна под названием т е п л о т ы с м а ч и в а н и я. Она проявляется при слабом смачивании почв, богатых органическими и минеральными (глинистыми) коллоидами.
Учитывая зависимость отмеханического состава, содержания перегноя, окраски и увлажнения различают теплые и холодные почвы.
Теплоемкость определяется количеством тепла в калориях, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ крайне важно затратить, чтобы поднять температуру единицы массы (1г) или объёма (1 см3) почвы на 1оС.
Т е п л о п р о в о д н о с т ь – способность почвы проводить тепло.
Воздушно-сухая почва обладает более низкой теплопроводностью, чем влажная. Это объясняется большим тепловым контактом между отдельными частицами почвы, объединенными водными оболочками.
Наряду с теплопроводностью различают т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т ь – ход изменения температуры в почве.
Температуропроводность характеризует изменение температуры на единице площади в единицу времени.
При кристаллизации льда в порах почвы проявляется кристаллизационная сила, вследствие чего закупориваются и расклиниваются почвенные поры и возникает так называемое м о р о з н о е п у ч е н и е.
Тепловой баланс почвы поддается регулированию в суточном, сезонном, годичном и многолетнем интервале, что позволяет создать более благоприятный термический режим почв.
Регулирование теплового режима и теплового баланса почвы вместе с водно-воздушным имеет весьма большое практическое и научное значение.
Задача состоит по сути в том, чтобы управлять тепловым режимом почвы, особенно уменьшением промерзания и ускорением оттаивания ее.
Воздушные свойства почвы зависят от влажности, объёмной плотности, механического состава, структурности почвы.
Значение почвенного воздуха и аэрация для почвенных процессов, жизнедеятельности растений и микроорганизмов определяется составом почвенного воздуха и, в частности, соотношением кислорода и углекислоты.
Значительная часть почвообразовательных процессов, связанных с разложением органических веществ, сопровождается окислительными процессами, активной микробиологической деятельностью. По этой причине самые верхние органогенные горизонты поглощают значительное количество кислорода.
Поглощается кислород и растущими корнями растений, микроорганизмами. При этом во всех случаях в почвенный воздух выделяется углекислый газ.
При недостатке кислорода создаются анаэробные условия, замедляются процессы разложения органических веществ, изменяются группы микроорганизмов, изменяется валентность Fe и Mg, начинаются процессы оторфовывания, оглеения, разрушения почвенной структуры с образованием плотных горизонтов.
Улучшение воздушного режима почвы прямо связано с агротехническими приемами по регулированию физических свойств почв и водного режима.
Повышение аэрации почв достигается уменьшением увлажнения верхних горизонтов. При этом для роста растений требуется оптимальное соотношение между почвенным воздухом и влагой, что достигается лишь в хорошо оструктуренных почвах добавлением органических удобрений при вспашке.
Хороший эффект дают осушение болот, создание микроповышений и лесомелиоративных насаждений.
Физические свойства и химический состав почвы
Говоря о гигиеническом значении почвы, необходимо, прежде всего, остановиться на понятии – «здоровая почва».
Крупнейшие гигиенисты нашей страны (А.А. Минх, Н.И. Хлебников, Р.А. Бабаянц) – под «здоровой почвой понимали крупнозернистую, легко проницаемую, незагрязненную почву, имеющую оптимальный механический состав (соотношение глины и песка), и наилучшие водно-воздушные свойства для интенсивных процессов самоочищения (табл.3.15). Такая почва обеспечивает надлежащие санитарно-эпидемиологические условия, что предупреждает многие заболевания.
Критерии здоровой почвы
Почва, или земля, – природное образование, залегающее между атмосферой и подстилающими породами. Толщина почвы достигает от нескольких сантиметров до 2 м и более. Почва состоит из материнской породы (минеральные соединения), мертвого органического вещества; гумуса (перегноя); живых организмов, воздуха и воды.
На вертикальном разрезе почвы можно увидеть несколько слоев, или горизонтов.
Последовательность этих горизонтов называется почвенным профилем. Верхний, или пахотный, слой почвы содержит корни растений, грибы, микроорганизмы, множество различных почвенных насекомых и животных. В этом горизонте происходит основной круговорот органических веществ.
Весь неиспользованный органический материал из различных трофических уровней вновь утилизируется и распадается здесь с начала до гумуса, а в конечном итоге до неорганических соединений.
Гумус состоит из лигнина, клетчатки, протеиновых комплексов и других органических соединений.
Гуминовые кислоты, которые входят в состав гумуса, представляют собой высокомолекулярные соединения, образовавшиеся из продуктов распада лигнина, клетчатки, белков, жиров и углеводов. Гумус способствует сохранению воды в почве и поддерживает ее в рыхлом состоянии.
Подпочва, расположенная под верхним слоем почвы, содержит органические соединения, которые образовались в результате разложения органических веществ.
Третий слой почвы – материнская порода, на основе которой образовалась почва.
Этот слой состоит в основном из глины, песка, извести, ила, включающих соли кальция, алюминия и другие макро- и микроэлементы.
Тип почвы, образующийся в конкретном регионе, зависит от климата данной территории, хотя растения, животные и материнская порода вносят свой вклад в формирование почвы. Процесс образования почвы идет очень медленно, занимая в зонах умеренного климата тысячи лет.
Типы почв различаются определенными комбинациями почвенных горизонтов.
В зависимости от соотношения песка и глины все почвы делятся на песчаные, супесчаные, глинистые и суглинистые. На территории России встречаются более 90 видов почв, из них 7 наиболее часто: тундровые; дерново-подзолистые; серые лесные; чернозем; каштановые; сероземы; красноземы.
Структура почвы зависит от взаиморасположения твердых минеральных и органических компонентов и степени заполнения пор в ней воздухом и водой. Определяют следующие структурные типы почв: сыпучую, связанную (агрегатную), трещиноватую, комковатую.
Почвенные вода и воздух определяют пористость, воздухо- и водопроницаемость, влагоемкость, капиллярность, тепловой режим почвы.
Почвенная вода
Почва оказывает огромное влияние на свойства и состав подземных вод и воды открытых водоемов.
Почва всегда содержит то или иное количество влаги, поступившей с атмосферными осадками или поднявшейся по капиллярам из нижележащих слоев земли, а также образовавшейся в результате поглощения паров воды из атмосферного воздуха. Вода необходима для существования живых организмов и роста растений.
Гигиеническое значение почвенной воды велико и разнообразно. Она служит универсальным растворителем органических и минеральных соединений, транспортом для доставки химических веществ растениям.
Почвенная влага существенно влияет на тепловые свойства почвы, увеличивая ее теплоемкость и теплопроводность. Из почвенных вод образуются грунтовые воды.
Химический и бактериальный состав питьевой воды во многом определяется составом и свойствами почвы.
Почвенный воздух. Его количество определяется свойствами и характером почв. Почвенный воздух постоянно обменивается с атмосферным воздухом.
Почвенный воздух даже чистых почв всегда содержит повышенное по сравнению с атмосферным количеством углекислого газа (до 8%), содержание кислорода снижается до 14%.
При ограниченном доступе воздуха в толще отбросов развиваются гнилостные процессы с выделением зловонных газов и паров (сероводород, аммиак, фтористый водород, индол, скатол, метилмеркаптан), способных в соответствующих концентрациях токсически воздействовать на организм человека. Гигиеническое значение почвенного воздуха определяется его составом и условиями контакта с ним человека.
Пористость почвы
Под пористостью почвы следует понимать суммарный объем пор в единице объема почвы, выраженный в процентах. Чем выше пористость, тем ниже фильтрационная способность почвы.
Так, пористость песчаной почвы составляет 40%, торфяной – 82%. При пористости 50-65% в почве создаются оптимальные условия для самоочищения от биологических и химических загрязнителей.
При более высокой пористости процесс самоочищения почвы самозамедляется. Почва такого типа считается неудовлетворительной.
Воздухопроницаемость. Под воздухопроницаемостью понимают способность почвы пропускать воздух.
Это свойство почвы определяется прежде всего величиной ее пор. Воздухопроницаемость увеличивается с ростом барометрического давления и уменьшается с увеличением величины слоя и влажности почвы.
Высокая проницаемость почвы для воздуха способствует обогащению ее кислородом, что имеет большое гигиеническое значение, так как повышает биохимические процессы окисления органических веществ.
Водопроницаемость почвы
Под водопроницаемостью или фильтрационной способностью понимают способность почвы впитывать и пропускать воду, поступающую с поверхности.
Это свойство почвы оказывает решающее влияние на образование почвенных вод и накопление их запасов в недрах земли.
Водопроницаемость почвы имеет непосредственное отношение к снабжению населения водой из подземных источников.
Влагоемкость почвы
Под влагоемкостью почвы понимают количество влаги, которое почва способна удерживать сорбционными и капиллярными силами.
Влагоемкость тем больше, чем меньше поры почвы и чем больше их суммарный объем. Гигиеническое значение этого свойства почвы связано с тем, что большая влагоемкость создает предпосылки для сырости почвы и находящихся на ней зданий, уменьшает проницаемость почвы для воздуха.
Такие почвы являются нездоровыми, сырыми и холодными.
Капиллярность почвы
Под капиллярностью почвы понимают ее способность поднимать по капиллярам воду из нижних горизонтов в верхние.
Чем менее зерниста почва, т.е. чем более она мелкопористая, тем больше ее капиллярность тем выше поднимается по ней вода. Большая капиллярность почвы может быть причиной сырости зданий.
Температура почвы
От температуры почвы в значительной степени зависят температура приземного слоя атмосферы, тепловой режим помещений подвалов и первых этажей зданий.
Температура почвы существенно влияет на жизнедеятельность почвенных организмов и процессы самоочищения. Быстрее нагреваются каменистые и сухие почвы со склоном, обращенным на юг и юго-восток.
Крупные зернистые почвы, как правило, обладают хорошей воздухо- и водопроницаемостью, мелкозернистые – значительной водоемкостью, высокой гигроскопичностью и капиллярностью.
В гигиеническом отношении для жилищного и коммунального строительства следует выбирать участки с крупнозернистой почвой.
Почвенные организмы
Существа, живущие в почве, оказывают на нее прямое и косвенное воздействие. Среди них есть лучистые грибы (актиномицеты), водоросли, бактерии, вирусы, которые образуют почвенную флору.
Кроме того, в почве обитают одноклеточные организмы, простейшие, нематоды, клещи, многохвостки, пауки, улитки, жуки, личинки и куколки мух, дождевые черви, позвоночные животные, представляющие почвенную фауну.
Количество организмов подвержено существенным колебаниям, что обусловлено составом и химическими свойствами почвы, температурным режимом, солнечной радиацией, аэрацией, механической обработкой почвы и др.
Химический состав почвы
Химический состав почвы является отражением элементарного состава всех геосфер, принимающих участие в формировании почвы.
Поэтому в состав всякой почвы входят те элементы, которые распространены или встречаются как в литосфере, так и в гидро-, атмо- и биосфере.
В состав почв входят почти все элементы периодической системы Менделеева.
Однако подавляющее их большинство встречается в почвах в очень малых количествах, поэтому в практике приходится иметь дело всего с 15 элементами.
К ним принадлежат прежде всего четыре элемента органогена, т. е. С, N, О и Н, как входящие в состав органических веществ, затем из неметаллов S, Р, Si и С1, а из металлов Na, К, Са, Mg, AI, Fe и Мn.
Перечисленные 15 элементов, составляя основу химического состава литосферы в целом, в то же время входят в зольную часть растительных и животных остатков, которая, в свою очередь, образуется за счет элементов, рассеянных в массе почвы.
Количественное содержание в почве этих элементов различно: на первое место надо поставить О и Si, на второе — А1 и Fe, на третье — Са и Mg, а затем — К и все остальные.
Нормальный рост растений обусловлен содержанием в почве доступных форм зольных элементов и азота.
Обычно растения усваивают из почвы N, Р, К, S, Са, Mg, Fe, Na, Si в достаточно больших количествах и эти элементы называются макроэлементами, а В, Mn, Mo, Сu, Zn, Со, F используются в ничтожных количествах и называются микроэлементами.
К важнейшим из них относятся элементы, без которых невозможно образование белков,— N, Р, S, Fe, Mg; такие элементы, как К, Сu, Mg, Na, оказывают огромное влияние на регуляцию работы клеток и формирование различных тканей растений.
Элементы питания, содержащиеся в почвах, находятся в различных минеральных и органических соединениях, и запасы их обычно значительно превышают ежегодную потребность.
Однако большая часть их находится в форме, не доступной для растений: азот — в органическом веществе, фосфор — в фосфатах, железо, алюминий, кальций, калий — в поглощенном состоянии, кальций и магний — в форме карбонатов, т. е. в не растворимой в воде форме.
Процесс усвоения растениями элементов питания происходит благодаря обменному поглощению. Формы соединений и биологическое значение химических элементов различны.
Элементы входят в состав почв в форме различных химических соединений, характеризующих тип почвы, и имеют разное биологическое значение.
Кислород в свободном состоянии находится в почвенном воздухе, а в связанном входит в состав воды, окислов, гидратов, кислородных кислот и их солей. Он имеет важное значение, как элемент, необходимый для дыхания растений и животных, и как элемент-органоген.
Кремний входит в состав силикатов, т.е. солей кремниевых, алюмокремниевых и феррокремниевых кислот, а также встречается в виде кремнезема, как кристаллического (кварц), так и аморфного. Биологическое значение кремния не выяснено, но он всегда содержится в золе растений (в особенности камыша и тростника) и, по-видимому, необходим для образования клеток и тканей более твердых частей организмов.
Алюминий входит в состав алюмосиликатов, глинозема и гидратов глинозема.
Биологического значения он не имеет.
Железо входит в состав ферросиликатов и других солей, как окисных, так и закисных, а также в состав гидратов железа.
Биологическое значение его велико: с ним связано образование хлорофилла в зеленых растениях.
Кальций встречается преимущественно в виде солей разных кислот, чаще всего угольной. Он очень важен для растений, так как входит в состав стеблей, и обычно находится в растительных клетках в виде кристаллов щавелевокислого кальция.
Магний, как и кальций, встречается в виде аналогичных соединений. Он важен для растений, так как входит в состав хлорофилла.
Натрий и калий входят в состав солей различных кислот, причем натрий биологического значения не имеет, тогда как калий является одним из основных элементов питания растений и, в частности, играет большую роль в крахмалообразовании.
Фосфор входит в состав почвы в виде фосфатов и в виде различных органических соединений.
Он содержится в ядре растительных клеток. Известно, что недостаток в почве фосфора отражается на качестве зерна. Он является одним из основных питательных элементов и необходим для развития растений так же, как и азот.
Азот — исключительно важный для питания растений, элемент- органоген, входящий в состав молекулы белков основы растительной и животной клетки, Встречается в почве в форме различных органических соединений, аммиачных солей и солей азотной и азотистой кислот.
Сера также входит в состав молекулы белков.
В почвах встречается в форме сульфатов, сернистых солей, сероводорода и различных органических соединений.
Водород важен для растений как органоген. Входит в состав воды, гидратов, разнообразных свободных кислот и их кислых солей.
Хлор биологического значения не имеет.
В почве встречается в виде хлористых солей.
Углерод входит в состав растительных остатков и составляет в среднем 45 % их массы. Как основа всех органических соединений он имеет исключительно большое значение.
Встречается в почве также и в форме минеральных соединений углекислого газа и солей угольной кислоты.
Марганец, как предполагают, играет роль катализатора. Определенное биологическое значение имеют также и многие другие химические элементы, встречающиеся в почвах в очень малых количествах (например, медь, цинк, фтор, бор и другие), так называемые микроэлементы.
Некоторые из них используются в качестве минеральных удобрений. Однако наибольшее значение для питания растений имеют соли калия, кальция, магния, железа и кислот — азотной, фосфорной, серной и угольной.
Общие физические свойства почвы
К общим физическим свойствам почвы относятся плотность почвы, плотность твердой фазы, пористость и удельная поверхность.
Плотность почвы (по устаревшей номенклатуре — объёмный вес, объемная масса) — масса сухого вещества почвы в единице ее объема ненарушенного естественного сложения, выражается в г/см3, обычно обозначается символом d.
Плотность почвы зависит от механического и минералогического состава, структурного состояния, порозности, содержания органического вещества. Она варьирует от 0,04-0,4 г/см3 в торфах до 1,8 г/см3 в глеевых минерных горизонтах (табл. 17.1).
Плотность пахотного слоя не постоянная во времени. При измерении сразу после вспашки она ниже, затем постепенно повышается и приходит в равновесное состояние (равновесная плотность).
По С.И.Долгову, пахотный слой считается рыхлым при плотности 0,9-0,95; нормальной плотности (оптимальной) — 0,95-1,15; уплотненным — 1,15-1,25 и сильно уплотненным, требующим рыхления — более 1,25 г/см3.
Плотность твердой фазы почвы (по устаревшей номенклатуре — удельный вес) — средняя плотность частиц, из которых состоит почва — масса сухого вещества в единице объема твердой фазы почвы.
Измеряется в г/см3 или т/м3. Обычно обозначается символом d. Зависит она от плотности веществ, из которых состоит почва.
Поскольку плотность преобладающих минералов в составе почв находится в диапазоне 2,5-3,0 г/см3 (кварц — 2,56; полевые шпаты — 2,60-2,76; глинистые минералы — 2,5-2,7 г/см3), то плотность минеральных горизонтов в среднем составляет 2,652,70 г/см3. Плотность органических веществ (гумус, растительные остатки) значительно ниже минеральных, находится в пределах 1,4-1,8 г/см3.
Поэтому плотность гумусовых горизонтов несколько ниже плотности минеральных и составляет, примерно, 2,4-2,6 г/см3 (табл. 17.1).
Порозность почв (синонимы: пористость, скважность) — это суммарный объём пор между твердыми частицами, занятый воздухом и водой.
Выражается порозность в % от общего объёма почвы; вычисляется по показателям плотности почвы (dv) и плотности твёрдой фазы (d):
Различают общую порозность, капиллярную (внутриагрегатную и некапиллярную (межагрегатную).
Капиллярные поры заняты водой полностью при влажности, соответствующей наименьшей влагоемкости.
Основные свойства почвы и ее состав
Такая вода удерживается менисковыми силами и является доступной для растений. Некапиллярные (крупные поры) заняты обычно почвенным воздухом (порозность аэрации), поскольку вода в них после дождей находится под действием гравитационных сил, свободно передвигается и не удерживается.
Наибольшая общая порозность (55-70%) наблюдается в гумусовых горизонтах, а в торфах и лесных подстилках может достигать 90%.
В минеральных горизонтах она снижается до 35-50%, а в глеевых — до 25-30%.
Порозность оказывает большое влияние на рост и развитие растений, так как от нее зависит обеспеченность корней растений влагой и воздухом. Н.А. Качинский предложил следующую шкалу для оценки общей пористости пахотного слоя:
- — более 70% — почва вспушена, избыточно пористая,
- — 55-65 — отличная, культурный пахотный слой,
- — 50-55 — удовлетворительная,
- — менее 50 — неудовлетворительная,
- — менее 40% — очень неудовлетворительная.
Для накопления оптимальных запасов влаги и хорошей аэрации необходимо, чтобы некапиллярная пористость составляла 55-65% от общей пористости.
Поры, занятые воздухом — пористость аэрации должна составлять не менее 15-20% объема в минеральных почвах и 30-40% в торфяных.
Регулирование порозности проводят обработками почвы, а также внесением рыхлящих почву материалов: торфа, соломы, компостов.
Удельная поверхность — это суммарная поверхность (внутренняя и внешняя) всех частиц почвы.
Она выражается в м2/г и варьирует от 1,5-2 м2/г в песчаных почвах, до 300-400 м2/г в суглинистых и глинистых.
Удельная поверхность, наряду с гранулометрическим составом, позволяет судить о степени дисперсности почвы и ее адсорбционной способности.
Источник