Изменение физических свойств почв

Изменение физических свойств почв

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

Физическая деградация почв. Причины и механизм

ВОПРОСЫ:

1. Виды физической деградации

2. Параметры физического состояния почв

3. Слитизация почв, как выражение физической деградации

4. Защита почв от физической деградации

4.1. Профилактика переуплотнения пахотных почв

4.2. Мероприятия по борьбе с механическими нарушениями почв

ВОПРОС 1. Виды физической деградации

К физической Д. относятся, прежде всего

механические нарушения, приводящие к физическому разрушению всего почвенного профиля или его части, что может быть вызвано различными формами антропогенных воздействий, относящихся к сфере или промышленной (I) или сельскохозяйственной (II) деятельности.

К промышленным (I) формам нарушений относятся следующие: 1.индустриально-мусорно-отвальные,

2. торфяно-карьерные, просадочно-карьерно-отвальные и другие, связанные с добычей полезных ископаемых,

3. разрушения почв при строительстве дорог, газо- и нефтепроводов.

Cельскохозяйственные нарушения Наиболее существенные нарушения обусловлены распашкой и выпасом скота.

При распашке происходят изменения микрорельефа поверхности, плотности сложения горизонтов почвы, резкое увеличение эрозионной опасности и т. д.

Выпас вызывает формирование пространственной неоднородности (порассуждать о пользе и вреде неоднородности) ПП, изменение биопродуктивности фитоценозов, ухудшение физических и химических свойств почв, снижение их противоэрозионной устойчивости.

В итоге физическая ДП выражается в ухудшении почвенной структуры и всего комплекса физических свойств (уменьшение пористости, водопроницаемости, воздухоёмкости и пр.).

Крайней степенью физической деградации является полное уничтожение почвы как природного тела вплоть до состояния горной породы. В этом слу-чае ландшафт превращается в абиотическую пустыню

Физическая деградация почв является непреднамеренным последствием земледелия и выражается в неблагоприятном изменении физических свойств почв, по сравнению с их оптимальным состоянием, необходимым для обеспечения населения продукцией растениеводства.

ВОПРОС 2. Параметры физического состояния почв

Физическая деградация почв – это некоторое негативное изменение комплекса физических свойств или физического состояния почв, характеризуемого определенными количественными параметрами. Фактически физические свойства почвы полностью определяются состоянием почвенной структуры, которое в свою очередь определяет строение порового пространства.

НАПИСОВАТЬ КРУГОВУЮ ДИАГРАММУ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ В ПОЧВЕ

Чернозем тип. Черн. слитой Болотно-торфян.

ТВ. Фаза 45 50 20

Ж. Фаза 35 40 20

Газ. Фаза 20 10 60

Для диагностики физического состояния и, следовательно, уровня физической деградации является достаточным определить следующие (независимые) параметры:

—пористость агрегатов размером 3-5 мм в сухом состоянии,

-коэффициент текстурной усадки,

-межагрегатную пористость.

Эти параметры характеризуют аспекты физического состояния, не связанные друг с другом. Они могут быть достаточно легко измерены и выражены в единицах общепринятой международной системы единиц.

Вместе с тем они определяют структуру порового пространства, её динамичность под действием климатических и антропогенных факторов и большинство функциональных свойств почвы: водоудерживающую способность, водопроницаемость, фильтрацию и др. Эти величины прямо отражают степень уплотнения почвы и связаны с распыленностью почвенной структуры.

За интегральный показатель физического состояния можно принять объемную массу почвы с ненарушенным сложением, так как она представляет собой функцию от вышеперечисленных показателей, но имеет самостоятельное значение, как оценочная величина.

ВОПРОС 3. Слитизация почв, как выражение физической деградации

Слитыми считают почвы, обладающие неблагоприятными физическими свойствами: резко выраженной набухаемостью,слитостью сложения во влажном состоянии и блочностью структуры и крупной трещиноватостью в сухом состоянии.

Среди исходных свойств, способствующих слитогенезу, как правило, главная роль отводится тяжелому гранулометрическому и смектитовому минералогическому составу при низком содержании органического вещества. Кроме того, слитизации способствует и сочетание контрастного водного режима с высокими летними температурами, которые создают условия для проявления процесса усадки и уплотнения почвы.

Эталоном слитых почв являются слитозёмы (вертисоли).

В Краснодарском крае слитые почвы представлены черноземами слитыми, и полугидроморфными и гидроморфными аналогами черноземов, сформировавшимися на плотных породах в отрицательных элементах рельефа (западинах).

Переуплотнение почв (но не слитость!) возможно также вследствие механического разрушения почвенной структуры под воздействием тяжелой техники в недопустимых (повышенных) пределах влажности и несоблюдении норм агротехники.

Читайте также:  Готовим почву под газон

Переуплотнение почв (П.п.) сельскохозяйственной или иной техникой – процесс изменения сложения почвы под воздействием высоких механических нагрузок (тяжелой техникой) вследствие разрушения агрегатов и сближения почвенных частиц, приводящих к более плотной их упаковке и уменьшению порового пространства.

Количественные характеристики переуплотнения зависят от генетических свойств почв, гранулометрического состава, агрегированности и прочности агрегатов.

Степень деформации почвы зависит от исходного ее состояния: плотности и влажности во время прохода техники, величины контактного давления на почву, кратности воздействия. Влажность почвы в момент воздействия на нее техники является важнейшим фактором, определяющим степень уплотнения при одной и той же нагрузке.

Глубина деформации, определяемая выше названными факторами, а также единичной массой техники, давлением на ось и напряжением на глубине 50 см, варьирует от 20—30 до 50—60 см.

П.п. ведет к разрушению структуры, повышению плотности и при высушивании — твердости, снижению водо- и воздухопроницаемости, нитрификационной способности, а в конечном итоге к снижению плодородия на 5—20% и более.

Величина интегрального показателя физического состояния плотности почвы повышается под воздействием техники от 0,05 до 0,4 г/см 3 , величина прироста плотности при этом повышается от 3—4% до 35—40%, составляя в среднем 15—20%. Плотность почвы по следам движителей сельскохозяйственной техники в пахотном слое составляет от 1,2—1,3 г/см 3 до 1,4—1,5 и 1,5—1,6 г/см 3 .

При средней степени уплотнения снижение урожая при прочих равных условиях достигает 20—30% на всех типах пахотных почв.

При сильной степени уплотнения потери урожая могут достигать 50—60%. Многократное из года в год воздействие техники на почву ведет к «накоплению» уплотнения. Уплотнение почв идет не только в вертикальном, но и в горизонтальном от центра следа направлении — на 35—70 см.

Данные, показывающие изменение физико-механических свойств дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы в тракторной колее при различном числе проходов [10], свидетельствуют о том, что уже первые два прохода увеличивают плотность верхнего горизонта почвы на 10%, а слоя в 15 см — на 7%.

В проблеме П.п. важное значение, наряду с вопросами прогноза, снижения и предупреждения негативных явлений, приобретают вопросы их разуплотнения и саморазуплотнения.

Основным приемом разуплотнения переуплотненных почв является механическая обработка, на долю которой приходится 50—60%. На долю другого важного фактора разуплотнения и саморазуплотнения — набухания при увлажнении приходится до 35% от общего уменьшения плотности и на долю замерзания — оттаивания —10—15%. Последствия разового интенсивного уплотнения сохраняются в течение 2—5 лет. Меры по снижению уплотняющего воздействия на почву и по их разуплотнению включают систему агротехнических, организационно-технологических и технических решений.

Агротехнические мероприятия по повышению устойчивости почв к уплотнению и по их разуплотнению включают все приемы по поддержанию бездефицитного или (при необходимости) положительного баланса гумуса, применение разноглубинной качественной обработки при влажности физической спелости, глубокое рыхление.

Организационно-технологические приемы снижения уплотняющего воздействия на почву включают использование технологий с минимально возможным проходом по полям тяжелой, особенно колесной, техники. Эти технологии должны включать минимализацию обработки, разделение техники на полевую и дорожную, перенос части операций по уборке зерновых и семенников многолетних трав на стационары, заправку машин горючим, сеялок зерном и т.п. на краю поля.

Техническое решение проблемы связано с модернизацией ходовых систем существующей техники и разработкой новой техники с допустимым давлением на почву в соответствии с ГОСТ 26955-86. Эффективные пути решения технической задачи включают замену шин колесной техники на более широкие с низким давлением (45—60 кПа).

Наибольшая величина структурной пористостинаблюдается при зернистой структуре с рыхлой упаковкой зёрен – агрегатов (максимальный объём пор до 0,35см 3 /г). В не агрегированных почвах она уменьшается до 0. Именно в таком состоянии поровое пространство отсутствует, как и агрегаты, что и даёт обоснование термину «слитость». При иссушении такая почва расчленяется трещинами на текстурные межтрещинные глыбы-фрагменты. Подобное состояние почвы относится к категории актуальной слитости в отличие от потенциальной, которая ещё не проявилась, но для этого есть предпосылки. Обе категории слитости характеризуются определёнными показателями физического состояния почвы.

П.Н. Березин и И.И. Гудима (1994) характеризуют слитогенность или потенциальную слитость величинами поверхностной энергии твердой фазы (Е, Дж/кг) и ёмкости адсорбционного слоя по адсорбции паров воды (Wa, см 3 /г) с последующим расчётом суммарных баллов. Пример расчёта потенциальной слитогенности приведен в табл. 1.

Диапазоны и градации базовых энергетических характеристик поверхности твердой фазы и оценка потенциальной слитогенности почв

Определение этих величин позволяет характеризовать состояние твёрдой фазы, выявлять категорию устойчивости почвы к процессу слитогенеза, на основании чего разрабатываются рекомендации по уровням технологических нагрузок с целью недопущения развития слитости.

Источник