Плотность твердой фазы почвы для чего

§ 1. Плотность и порозность почвы

Почва является гетерогенной многофазной дисперсной системой, состоящей из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Обозначим объём почвы как `V_t`, тогда `V_s`, `V_w` и `V_(air)` — это объёмы твёрдой, жидкой и газообразной фаз соответственно. Массы этих фаз обозначим как `m_s`, `m_w` и `m_(air)`. 1

Плотность твёрдой фазы почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к объёму твёрдой фазы: 1

Плотность почвы — это отношение массы твёрдой фазы почвы к общему объёму почвы: 1

Плотность почвы это масса единицы объёма абсолютно сухой почвы в её естественном, ненарушенном состоянии. Плотность почвы является одним из основных, фундаментальных свойств почвы. Плотность почвы не является постоянной, а зависит от влажности почвы (в большей мере — для суглинистых и глинистых почв, в меньшей — для песчаных). 1

Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см 3 . Минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0.8 г/см 3 , хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0.1 г/см 3 . 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Общая порозность (пористость) почвы — это объём почвенных пор в почвенном образце по отношению к объёму всего образца: 1

Объёмная влажность почвы — объём воды, содержащейся в объёме почвы: 1

Порозность аэрации (воздухосодержание) — это разница между общей порозностью и объёмной влажностью почвы; объём, занятый воздухом: 1

В ряде случаев рекомендуется использовать величину, обратную плотности почв — отношение объёма почвы к массе этого объёма. Используя её, мы можем найти удельный объём пор почвы — отношение объёма пор почвы к массе твёрдой фазы почвы: 1

Нередко используют и коэффициент пористости (приведённую пористость) — отношение общего объёма пор в почве или грунте к объёму твёрдой фазы почвы: 1

Коэффициент пористости и удельный объём пор почвы полезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, почвенных деформациях, трещинообразовании и т.д. В почвоведении традиционно используется общая порозность почв `epsilon`. 1

Так как почвенный горизонт состоит из более мелких единиц — почвеных педов или агрегатов, можно выделить и объём пор агрегатов, их плотность и порозность. 1

Плотность агрегата — это отношение массы твёрдой фазы агрегата к его объёму: 1

Порозность агрегата — это отношение объёма пор агрегата во всем объёму агрегата: 1

Часто необходимо найти межагрегатную порозность — отношение объёма пор, находящихся в поровом пространстве почвы между агрегатами, ко всему объёму почвы. 1

Для нахождения межагрегатной порозности необходимо сначала найти величину суммарной агрегатной порозности — отношение объёма пор агрегатов ко всему объёму почвы: 1

Получив величину суммарной агрегатной порозности, можно рассчитать межагрегатную порозность: 1

Знание величин порозности важно для оценки состояния почвы. Так, в хорошо агрегированной почве основные запасы питательных веществ, микроорганизмов, влаги находятся внутри агрегатов и именно агрегаты обуславливают почвенное плодородие. Снижение агрегатной порозности является свидетельством ухудшения физического состояния почв. Основная функция межагрегатного пространства это проведение потоков веществ. В основном по межагрегатному поровому пространству происходит перенос воды и растворенных в ней веществ. Поэтому нередко указывают, что агрегатное пространство это хранилище основных почвенных запасов, а межагрегатное пространство это транспортные пути. Таким образом, функции этих частей порового пространства почвы во многом различны (накопление и постепенное расходование воды и веществ из агрегатной порозности, быстрый транспорт веществ в профиле почв по межагрегатной), поэтому при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы. 1

Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены ориентировочные значения физических свойств. В реальных условиях при непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут значительно отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью, сельскохозяйственной обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма ориентировочны.

Обозначения:
1. Поры «устойчивой аэрации»
2. Поры, заполняемые легкоподвижной водой
3. Поры, заполняемые среднеподвижной водой
4. Поры, заполняемые практически неподвижной водой (недоступной растениям)
5. > 0.3 мм
6. 0.3-0.06 мм
7. 0.06-0.03 мм
8. 0.03-0.01 мм
9. 0.01-0.003 мм
10. 0.003 мм) пор — около 2/3. Вниз по профилю снижается как общая порозность, так и доля крупных пор, зато возрастает доля пор, заполненных связанной водой.
Наименее благоприятны показатели порозности в горизонте `B_2` (60-90 см), что объясняется его оглиненностью и низкой биологической активностью.

Значение плотности и порозности почвы

Излишне уплотнённая почва препятствует росту корней, содержит малое количество пор (то есть имеет низкую порозность). При низкой порозности в почве содержится мало воды, а при выпадении осадков поры быстро заполняются водой, что приводит к недостатку воздуха. 1

Излишне рыхлая почва имеет слишком большое поровое пространство и корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. 1

Проблема создания пахотного слоя, оптимального по физическому состоянию, по плотности – одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы разрыхлить почву и не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. Это требует своевременного проведения агротехнических работ, обязательно связанных с распашкой почвы. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным. 1

Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное, или подпочвенное, уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение наблюдается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно: оно незаметно с поверхности почвы так, как видны, например, эрозия или поверхностное уплотнение. Анализ и прогноз этого явления тесно связан с оценкой физикомеханических свойств почв. 1

Таким образом, уплотнение как поверхностное, так и подпочвенное – весьма пагубное явление, неизменно сопровождающее интенсивное сельскохозяйственное производство. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно. С этим связан второй аспект проблемы – разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы несложно. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями. Но вот разрыхлить агрегаты – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы. 1

Методики определения плотности и порозности почвы

Источник

Плотность твёрдой фазы грунта

Плотность твердой фазы – это соотношение массы и объема твердых частиц грунта. Поры и вода при этом не учитываются. Показатель довольно стабильный и зависит от состава материала.

Самая высокая плотность у скальных грунтов, состоящих из пород магматического происхождения. Она возрастает от кислых до щелочных типов. Наивысший показатель у габбро и базальта, немного ниже – у гранита. Ниже всего плотность твердой фазы у грунтов осадочного происхождения (известняка, доломита, мела).

Дисперсные грунты обычно состоят из песка и глины. Плотность кварца и глинистых минералов довольно высокая, но ниже, чем у изверженных пород. Показатель уменьшается, если в материале есть примеси органики. Особенно ярко это выражено в торфяниках, где минералы составляют лишь 15-25%.

Определение плотности твердой фазы

Для определения этого показателя в лабораторных условиях используется пикнометрический метод. Он имеет свои вариации для разных типов грунтов. Они приведены в таблице.

Для его проведения нужны:

• Пикнометр (стеклянная колба) объемом 200 см3
• 15 г грунта
• Стакан с крышкой
• Аналитические весы
• Сито с диаметром ячеек 1 мм
• Термометр
• Дистиллированная вода
• Сушильный шкаф
• Песчаная баня для кипячения

Порядок проведения работы:

1. Грунт (сухой или с естественной влажностью) растирают и отбирают из него пробу весом 100 г.
2. Материал просеивают сквозь сито. Если на нем остались частички породы, их опять растирают и просеивают.
3. Из просеянного грунта берут еще одну пробу весом 10-15 г на каждые 100 мл пикнометра.
4. Стакан с крышкой взвешивают и помещают в него грунт.
5. Стакан с грунтом помещают в сушильный шкаф и высушивают его в несколько заходов, пока масса не перестанет изменяться. Это делается для того, чтобы определить влажность грунта.
6. В пикнометр добавляют дистиллированную воду до половины его объема и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,01 г.
7. Высушенный образец грунта помещают в пикнометр с водой и взвешивают. Затем от полученной цифры отнимают массу сосуда с жидкостью и получают вес самого грунта.
8. Далее пикнометр ставят на песчаную баню и доводят до кипения. Глину кипятят в течение часа, а песок – 30 минут.
9. Затем емкость с водой и грунтом охлаждают до 20°С. Объем выкипевшей жидкости восполняют дистиллированной водой до метки.
10. После проводят повторное взвешивание пикнометра с водой и грунтом.
11. Потом пикнометр очищают и повторно заполняют его дистиллированной водой до метки и вновь ставят на весы.

После завершения испытания плотность грунта вычисляют по формуле:

Все показатели должны сниматься при одинаковой температуре.

Если в ходе опыта используют воздушно-сухой материал, плотность зерен определяют по формуле:

Лабораторное определение плотности твердой фазы проводится специалистами. Если нет возможности воспользоваться их услугами, можно взять готовые усредненные показатели для разных типов грунтов.

Например:

• Скала из магматических пород – 2 630-3 300 кг/м3
• Скала из метаморфических пород – 2 000-3 000 кг/м3
• Скала из осадочных пород – 1 500-3 000 кг/м3
• Песок – 2 650 кг/м3
• Супесь – 2 700 кг/м3
• Суглинок – 2 710 кг/м3
• Глина – 2 750 кг/м3
• Плодородная почва с гумусом – 2 500 кг/м3
• Лесная подстилка – 1 600-1 800 кг/м3
• Торфяник – 1 400-1 600 кг/м3

Практическое значение показателя

От плотности твердых частиц зависит прочность. В первую очередь это относится к скальным грунтам. Чем плотнее порода, тем устойчивее она к разрушениям.

По плотности твердой фазы определяют пористость грунта и его гранулометрический состав. Чем меньше разница между плотностью твердой фазы и общей, тем крупнее грунтовые частицы и ниже пористость.

О других видах плотности грунтов вы можете прочитать в наших статьях:

Также рекомендуем к прочтению нашу статью о плотности грунтов в целом.

Источник