Физика твердой фазы почвы

Физические свойства твердой фазы почв

Физические свойства твердой фазы почв

В основе всех этих свойств почвы лежит ее гранулометрический состав. Гранулометрический состав почва в основном наследует от почвообразующей породы. Но существуют данные, что некоторые почвенные процессы могут привести к изменению гранулометрического состава почвенных горизонтов. К ним относят процессы лессиважа, оподзоливания, оглеения, метаморфоза.

В суглинистых и глинистых почвах иногда структура также может отсутствовать. Агрономическое значение структуры очень велико. Она определяет физические свойства почв, условия обработки и сильно влияет на рост и развитие растений. Структура оценивается по ее размеру, пористости, механической прочности, водопрочности. Структуру характеризуют два основных показателя – связность и водопрочность. Под связностью структуры понимается ее устойчивость к механическим воздействиям. Водопрочность – способность не разрушаться при увлажнении. Только связная и водопрочная структура способна сохранять благоприятное сложение при многократных обработках и увлажнении. В ином случае структура быстро разрушается при обработке или увлажнении осадками, и почва становится бесструктурной.

Крайне важно, чтобы водопрочные агрегаты были пористые, имели рыхлую упаковку, легко воспринимали воду, допускали легкое проникновение корней и микроорганизмов. Обычно такая структура у легких суглинков и связных супесей. В тяжелых породах упаковка агрегатов слишком прочная, поры тонкие, то есть такая структура не имеет ценности в агрономическом плане.

Бесстуктурная почва медленно поглощает воду, потери воды велики вследствие стока. Сплошная капиллярная связь вызывает большие потери от испарения. При недостаточном увлажнении ощущается недостаток влаги.

Более плотное сложение и повышенная связность тяжелых бесструктурных почв повышает удельное сопротивление и ухудшает развитие корней растений. Во влажных зонах особенно важно иметь более крупные макроагрегаты для лучшей водопроницаемости и водоотдачи. В засушливых условиях важно ослабить испаряемость, поэтому здесь благоприятнее мелкие агрегаты.

Главное, что в любых условиях структурная почва всегда имеет более благоприятные условия для жизни растений, чем бесструктурная.

В образовании структуры участвуют 2 процесса: механическое разделение на агрегаты и образование водопрочных отдельностей. Механическое разделение идет при изменении давления вследствие резких колебаний сухих и влажных условий, замерзании и оттаивании, деятельности почвенных животных, рыхлящем воздействии почвообрабатывающих орудий.

Водопрочность агрегаты приобретают под влиянием коагуляции и цементации благодаря почвенным коллоидам, органическим и минеральным. Хорошими коагуляторами чаще бывают 2-3-валетные катионы: Ca, Mg, Al, Fe. При преобладании натрия и иных одновалентных катионов прочной структуры не образуется. Хорошие структурообразователи – глинистые минералы и гидроокиси Al, Fe; гуминовые кислоты. При временном избыточном увлажнении часто проявляется оструктуривающая роль железа. Водорастворимые закисные формы при подсыхании переходят в нерастворимые окисные, цементируя почвенные агрегаты.

Широко известна деятельность люмбрицидов, оструктуривающих почву капролитами.

Наиболее прочной структурой обладают в целинном состоянии черноземы, чуть меньшей – бурые, серые, каштановые. Минимальную водопрочность имеют структуры почв тундры и пустынь.

Структура почв динамична. Разрушение происходит под влиянием обработки, передвижения по почве, ударов капель дождя, при замене двухвалентных катионов в ППК на одновалентные (гипсование, известкование). Улучшение структурного состояния почв осуществляется агротехническими методами: посев многолетних трав и культур с мощной корневой системой (пшеница, кукуруза, подсолнечник), обработка почв в спелом состоянии, проведение химической мелиорации, внесение органических и минеральных удобрений.

К общим физическим свойствам относятся удельная поверхность, удельная масса (плотность твердой фазы), объемная масса (плотность) во влажном и в сухом состоянии и пористость (скважность), а некоторыми исследователями – и гранулометрический состав.

Обработка почвы уменьшает плотность, проход техники – увеличивает. Плотность почвы сильно влияет на поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корней, микробиологические процессы. Во всех почвах, кроме красноземов, плотность агрегатов явно увеличивается с уменьшением их размеров. Превышение плотности агрегатов над плотностью почвы в целом связано с пористостью упаковки агрегатов, которая может достигать значительной величины.

Влажность почвы влияет на плотность не только почвы с естественной влажностью, но и на величину плотности в пересчете на абсолютно сухую массу. Для почв, набухающих при увлажнении, в основном суглинистого и глинистого гранулометрического состава, плотность почв в пересчете на абсолютно сухую массу уменьшается с увеличением влажности. Это явление (уменьшение плотности почв с влажностью) имеет важное экологическое и методическое значение.

Так, методика определения плотности почв сводится к определению массы почвы в известном объеме (буре). Во влажной почве бур извлекает сравнительно однородно набухшую массу, и плотность почв характеризует именно среднюю величину массы почвы в данном слое. В сухое время, когда почва иссушена, почва обычно извлекается из блоков между трещинами, поэтому плотность почв характеризует плотность этих блоков и не учитывает объем трещин. Известно, что плотность почвы свыше 1,4 является предельной для нормального развития большинства растений. Это связано с тем, что корни растений с трудом проникают в такую плотную почву. Экологически благоприятные для растений амплитуды плотности почв разного гранулометрического состава: для глинистых и суглинистых почв — 1,0—1,30, легкосуглинистых — 1,10-1,40, супесчаных — 1,20-1,45, песчаных — 1,25-1,60. Как следует из анализа гранулометрического состава почв, пески исходно обладают высокой плотностью. Именно поэтому пески как субстрат для поселения пригодны далеко не для всех растений. Их осваивают в основном псаммофиты — растения, выдерживающие засыпания, выдувания, умеющие осваивать песчаную толщу, несмотря на ее высокую плотность, следовательно, небольшую пористость (хотя в среднем поры в песке крупнее пор в суглинках и глинах).

Плотность самой твердой фазы почвы зависит от минерального состава и содержания гумуса. Она определяется обычно пикнометрически, при заполнении водой всех пор почвы. Почвы образуются из рыхлых осадочных пород, прошедших цикл выветривания, а эти породы содержат в основном такие минералы легкой фракции, как кварц, полевые шпаты, слюды с относительно небольшой плотностью. Из этих данных видно, что плотность твердой фазы почв практически не может превышать 3 г/см3. В реальных почвах плотность колеблется в пределах 2,50-2,90 (в среднем 2,65), в органогенных горизонтах – от 1,4 до 1,8 г/см3. Для органических веществ плотность твердой фазы изменяется от 0,2 до 1,4.

Особо следует остановиться на изменении порозности почв при набухании и усадке. Этот процесс развит в суглинистых и глинистых почвах и зависит кроме содержания ила, а также от агрегированности почвы. Если почва хорошо агрегирована, то набухание уменьшает пористость межагрегатную и почти не изменяет общий объем почвы. В случае, если почва не агрегирована, то отмечается

Гранулометрический состав и степень агрегированности определяют общую пористость почв, следовательно, плотность сложения, удельную поверхность, площадь взаимодействия корней растений и почвы, другие свойства почв.

Порозность почв и размеры отдельных пор, группировка их по размерам и форме, определяют соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз почв. Но это соотношение также зависит от водных свойств почвы.

Так, уплотненные глинистые почвы (старые дороги, плотность почв 2,0) в течение 30 лет после прекращения пользования ими еще не зарастают растениями. Гранулометрический состав определяет во многом растительный покров территории, влияя на водные свойства и водный режим почв.

Липкость отрицательно влияет на технологические свойства почв, увеличивая тяговое сопротивление. Чем тяжелее гранулометрический состав, тем больше липкость. Предельно вязкие почвы имеют липкость более 15 г/см2 , сильновязкие – 5-15, средневязкие 2-5, слабовязкие – менее 2 г/см2.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Оно обусловлено сорбцией влаги почвенными частицами и гидратацией обменных катионов. Наибольшей набухаемостью обладают минералы монтмориллонитовой группы и вермикулит, малой – каолинитовые. Набухаемость увеличивает насыщение почвы натрием или увеличение содержания органического вещества. Набухаемость выражается в % от исходного объема почвы и является отрицательным качеством, способствуя разрушению почвенных агрегатов.

В земледельческой практике обычно регулируют физико-механические свойства при выборе сроков и приемов обработки. Эти свойства улучшают внесением органических удобрений, посевом многолетних трав, минимализацией обработок, химической мелиорацией, использованием машин-орудий с низкими уплотняющими параметрами.

В целом следует подчеркнуть, что гранулометрический состав почв определяет многие другие их свойства. С ним связан валовой состав почв, содержание гумуса, питательных элементов, влагоемкость, пористость. Чем тяжелее гранулометрический состав, тем больше в почвах (при прочих равных условиях) содержание гумуса, воды, пористость, тем почва богаче питательными веществами. Но плодородие почв определяется также их физическими свойствами, которые также определяются гранулометрическим составом. Продуктивность почв выше, если их плотность колеблется в пределах 1-1,4, пористость 50-60 %, влагоемкость 40-60 %.

Источник

Твёрдая фаза почвы

Почва как природное тело состоит из четырёх фаз: твёрдой, жидкой. Отдельно выделяют живую фазу (совокупность организмов, которые населяют почву). Твёрдая фаза почвы – это её основа, каркас, в котором находятся другие фазы. Формируется она из материнской породы, продуктов выветривания, растительных остатков, новообразований. Характеризуется первичными почвенными частичками гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, структурой и строением почвы. В этой главе рассмотрим только первые четыре показателя. Структуру и строение почвы вынесем в отдельные главы.

1. Элементарные почвенные частицы (ЭПЧ)

Первичной составляющей твердой фазы являются элементарные почвенные частицы, которые представляют собой обломки пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которых находятся в Химическом взаимодействии и не поддаются методом пептизации, применяемым при подготовке почв к гранулометрическому анализу.

В минеральных почвах более 90% ЭПЧ представлено компонентами неорганической природы. Остальная часть ЭПЧ приходится на органическое вещество и органо-минеральные соединения.

ЭПЧ образуется в результате выветривания исходных горных пород (физического, химического, биологического), а также как следствие взаимодействия продуктов выветривания – наследованных от материнских пород гранулометрических элементов с продуктами почвообразования.

При образовании элементарных почвенных частиц минеральной природы на первых стадиях дробления породы, обладающей сравнительно малой поверхностью взаимодействия с внешней средой, преобладает физическое и биологическое выветривание под влиянием смены температур, воздействия воды, ветра, корневых систем растений, мхов, лишайников. На этой стадии порода распадается на куски (камни), а в дальнейшем на составляющие её минералы и продукты выветривания.

По мере дробления, увеличения поверхности и свободной поверхности энергии возрастает роль биологического и химического выветривания – растворение наиболее податливых элементов, их окисления или восстановление, вынос растворённых простых и сложных солей, взаимодействие высвободившихся частей с образованием новых соединений и минералов.

Элементарные почвенные частицы органической природы образуются при разложении остатков отмерших растений, животных и микронаселения почвы. В начальных стадиях разложения ведущую роль играют биологические и микробиологические процессы.

Взаимодействие органических веществ с минеральными приводит к образованию органоминеральных ЭПЧ, представленных преимущественно ультрамикроагрегатами и ЭПЧ крупных размеров с частично изменённой органическим веществом поверхностью.

Классификация элементарных почвенных частиц

В почвах встречаются ЭПЧ различных размеров, условно от 3 мм до 10– 10Мм. Для удобства последующего их использования для классификации почв по гранулометрическому составу ЭПЧ объединяют в определённые группы, называемые фракциями элементарных почвенных частиц.

При экспериментальном подходе во фракции объединяются элементарные частицы, сходные по составу и свойствам, но вместе с тем отличающиеся от механических элементов, выделенных в другие фракции.

Однако единого мнения относительно того к каким фракциям относятся частички тех или иных размеров ещё нет, что, конечно, затрудняет как сравнения экспериментальных данных, так и их использование для прогнозирования свойств почв. Так в странах СНГ большинство исследователей границу илистой фракции связывают с диаметром частиц мельче 0,001мм, в то время как за рубежом отдают предпочтение диаметру частиц мельче 0,002 мм.

Наиболее часто применяется классификация механических элементов, разработанная Качинским.

Классификация механических элементов почв и их размеры