Основные водно физические свойства 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 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
Агрофак
Водно-физические свойства почвы и факторы водного режима
К водно-физическим свойствам почвы относят водопроницаемость, влагоемкость, водоподъемность и водоиспаряющую способность.
Свойство почвы быстро или медленно пропускать сквозь себя воду под влиянием силы тяжести называют водопроницаемостью. Она измеряется величиной столба жидкости, проникающей в почву в единицу времени. Почвы, обладающие низкой водопроницаемостью, теряют много воды вследствие усиления стока и испарения ее с поверхности в атмосферу. Застой воды приводит к вымоканию и выпреванию озимых, препятствует проникновению воздуха в почву, тем самым ослабляет жизнедеятельность полезных микроорганизмов и замедляет накопление для растений питательных веществ, особенно нитратов.
Водопроницаемость зависит от следующих условий: механического состава почвы, ее строения, органического вещества, структуры, характера подпахотного слоя и др.
Как известно, песчаные и супесчаные почвы пропускают значительно больше воды, чем суглинистые и глинистые. Это объясняется тем, что почвы тяжелого механического, состава содержат больше коллоидов и способны к набуханию.
На прохождение влаги в почву влияет также соотношение между капиллярной и некапиллярной скважностью. Почвы с повышенной капиллярностью обладают пониженной водопроницаемостью. При нарушении капиллярности водопроницаемость почв увеличивается. Повышенной водопроницаемостью отличаются структурные почвы.
Как влияет характер угодий на водопроницаемость, можно видеть из данных Н. А. Качинского (табл. 4).
Наименьшая водопроницаемость обнаружена на овсяном поле, где почвы были больше всего уплотнены. На ржаном поле она была повышена из-за многократной обработки почвы в пару.
В опытах В. Е. Егорова от применения органических удобрении и извести водопроницаемость в дерново-подзолистых почвах увеличивалась в несколько раз, и значительно повысился урожай сельскохозяйственных культур.
Водопроницаемость почв в основном обусловливается некапиллярной скважностью. В связи с большим диаметром некапиллярных промежутков вода не задерживается в верхнем слое, а устремляется вниз, насыщая почву вначале до полевой влагоемкости, а затем она проходит в нижележащие неувлажненные горизонты по трещинам, ходам землероев и отмерших корней растений.
Большое влияние на водопроницаемость оказывает и характер подпахотного слоя (табл. 5).
Водопроницаемость глинистых и суглинистых почв можно увеличить глубокой обработкой, введением севооборота, внесением органических удобрений и проведением других агротехнических мероприятий.
Способность почвы удерживать воду называют влагоемкостью почвы. Различают полную, капиллярную, полевую и молекулярную влагоемкости. Полной влагоемкостью называют такое состояние почвы, когда все поры ее насыщены водой.
Наибольшее количество влаги, удерживаемое менисковыми силами, называют капиллярной влагоемкостью. Эта влагоемкость характеризуется наличием влаги в капиллярных промежутках. Максимум ее, который длительно удерживается почвой после обильного увлажнения и свободного стекания воды, называют полевой влагоемкостью. Она главным образом зависит от механического состава почвы, содержания в ней органических веществ, структуры (табл. 6)..
Глинистые и суглинистые почвы более влагоемки, чем супесчаные и песчаные. Это связано в первую очередь с повышенным содержанием органических веществ и коллоидов. Суглинистые почвы, имеющие прочную структуру, более влагоемки, чем почвы бесструктурные.
Очень большой влагоемкостью отличаются торфяные почвы. Вода в них составляет 300—1500% веса абсолютно сухой торфяной массы.
Способность почвы поднимать влагу по капиллярам из нижних горизонтов, насыщенных водой, в верхние называют водоподъемной способностью. Высота поднятия и скорость передвижения влаги зависят в основном от механического состава почвы и диаметра капилляров. Чем крупнее механические элементы, тем меньше высота поднятия воды (табл. 7).
Эти данные показывают, что в первые полчаса быстрее поднималась вода у песчаной почвы, затем движение ее замедлилось, а усилилось у глинистой и перегнойной. За 21 час у глинистой почвы вода поднялась на высоту почти в 2 раза большую, чем у песчаной. У суглинистых она может подняться на 3—6 м.
На низинном среднеразложившемся торфе, указывают П. А. Турнас и Д. Г. Головко, за 40 дней вода поднялась на 15 см, а на переходном торфе (при той же степени разложения) — на 5 см. Еще меньшей водоподъемной способностью отличаются торфяники с низкой степенью разложения.
На высоту поднятия воды в почве влияет и диаметр пор. Так, при размере почвенных частиц 5—2 мм подъем воды составил 25 мм; 0,5—0,2 мм —246 мм; 0,05—0,02 мм —2000 мм.
Способность почвы отдавать влагу в атмосферу путем испарения называют водоиспаряющей способностью. Испарение влаги из почвы протекает непрерывно. Оно зависит от температуры и влажности воздуха, характера поверхности почвы, залегания грунтовых вод, рельефа местности и пр.
В условиях Белоруссии апреля по сентябрь с поверхности осушенного и освоенного болота испарение во влажные годы бывает на 30% больше, чем с той же поверхности неосушенного болота, в среднем во влажные годы разница составляет 10—15%, а в сухой год ее почти не бывает (В. Ф. Шебеко). Почвы с неровной и уплотненной поверхностью сильнее испаряют влагу по сравнению с почвами выровненными и рыхлыми.
Установлено, что почвы западных и восточных склонов испаряют влаги на 13—15%, а южных на 29% больше, чем северных. Сильное влияние оказывает также цвет почвы. Если по данным Митчерлиха испарение белой поверхности принять за 100%, то у желтой оно будет 107, коричневой—119, черной — 132%.
При отсутствии осадков и подпора грунтовых вод величина испарения ограничена количеством воды, находящейся в верхнем слое почвы. Если грунтовые воды залегают на небольшой глубине и есть условия их капиллярного поднятия, то испарение влаги из почвы усиливается.
Заметное влияние на испарение влаги из почвы оказывает рельеф местности. На повышенных местах, вследствие усиленной циркуляции воздушных масс, происходит более интенсивное испарение, чем в пониженных.
К агротехническим мероприятиям, которые уменьшают испарение влаги из почвы, относятся: рыхление уплотненного верхнего слоя почвы, прикатывание сильно рыхлых и торфяных почв, мульчирование.
Источник