Почвы плотность твердой фазы почвы пористость почвы

§ 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, плотность твердой фазы и порозность почвы и их агрономическая оценка.

Плотность – масса сухой почвы в единице объема, при ненарушенном сложении.

Прямо влияет на жизнь растений, излишняя плотность негативно влияет на рост и развитие растений, снижает урожайность (излишнее давление на корни, плохая воздухо- и водопроницаемость, ухудшение жизнедеятельности микроорганизмов). Плотность почвы имеет значение в пахотном и подпахотном слое. Почва – пористое тело, 4-хфазное образование. Плотность зависит от минерального и механического состава, структуры, порозности, кол-ва органики. В торфах от 0,04-0,4 г/см 3 до 1,8 в глеевых минеральных горизонтах.

После вспашки значение плотности уменьшается, затем приходит в состояние равновесной плотности.

Пахотный слой считается рыхлым при 0,9-0,95; нормальной плотности (оптимальной) при 0,95-1,15, уплотненным – 1,15-1,25 и сильно уплотненным, требующим рыхления – более 1,25 г/см 3

Для культур с мощной корневой системой (кукуруза, подсолнечник) или культур формирующих урожай в почве (свекла, морковь, картофель) – плотность должна быть ниже, то есть значение ниже. – 0.9-1 г/см 3

Для злаков оптимальная плотность более плотная 1,1-1,3 г/см 3

Плотность твёрдой фазы – плотность только твердой фазы, без пор, воздуха, влаги и живых организмов. Усредненное значение плотности тех минералов из которых состоит тв. фаза. Следовательно просто плотность – плотность всех фаз. Плотность минеральных горизонтов в среднем 2,65-2,7 г/см 3

Порозность (пористость, скважность – синонимы) – это суммарный объем пор между твердыми частицами, занятый водой и воздухом. Выражается порозность (Р) в % от общ. объема почвы. Вычисляется с использованием показателя плотности (d_v) и плотности твердой фазы (d).

Р = (1- ) 100%

Порозность: общая порозность, внутриагрегатная (капиллярная), межагрегатная (некапиллярная).

Физико-механические свойства почвы, их характеристика.

К физико-механически свойствам относятся:

Реологические (пластичность, липкость, набухание, усадка)

Прочностные (связность, твердость сопротивление при обработке)

Сжимаемость – уменьшение объема под действием внешнего давления. Характеризуется коэффициентом уплотнения и измеряется в см 2 /кг

Пластичность – способность изменять форму под внешним воздействием с сохранением при этом сплошности. Обуславливается содержанием ила и коллоидов и влажностью.

Липкость – определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки площадью 1см 3 и выражается в г/см 3

Усадка – уменьшение объема почвы при высыхании. Выражается в процентах к первоначальному объему.

Набухание – увеличение объема при увлажнении. Как и усадка зависит от механического состава, минерального состава, состава поглощенных катионов.

Связность – способность почвы противостоять внешнему усилию, направленному на разъединение частиц, выражается в г/см 3 . Зависит от влажности, мех. состава, содержания гумуса, структуры почвы, состава поглощенных катионов.

Твердость – сопротивление почвы, при проникновении в нее какого-либо тела пд давлением. Зависит от влажности, мех. состава, содержания гумуса, структуры почвы. Измеряется в широких пределах 5-45 кг/см 2

С физическими свойствами (особенно с липкостью) связано важное агрономическое свойство почвы – физическая спелость – состояние влажности, при котором почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Наступает при 35-45% влаги от массы почвы.

Источник

Плотность твердой фазы, плотность сложения и пористость

Плотность твердой фазы.Как уже было отмечено,почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. Если условно исключить жидкую и газообразную составные части почвы, придать твердой фазе монолитное состояние и определить массу единицы ее объема, то это и будет плотность твердой фазы (удельная масса).

Плотность твердой фазы почвы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при -\-4° С.

В лабораторных условиях плотность твердой фазы определяют пикнометрическим методом, при котором объем твердой фазы находят по массе воды, вытесненной навеской сухой почвы. При этом исходят из того, что при температуре 4 °С 1 г воды занимает объем, равный 1 см 3 . Именно поэтому в практике почвоведения плотностью твердой фазы называют отношение массы сухой почвы к массе равного объема воды при температуре 4 °С.

Данный показатель измеряется в граммах на сантиметр кубический (г/см 3 ) и зависит от минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Минералы, входящие в состав почвы, отличаются различной удельной массой (от 2,1 до 5 г/ см 3 и более).

Соответственно, чем больше в почве тяжелых минералов, тем выше плотность ее твердой фазы. Что касается органического вещества, то его удельная масса (1,2—1,8 г/см 3 ) в 1,5—2 раза меньше, чем у минеральной части почвы. Поэтому почвы с большим содержанием органического вещества всегда отличаются меньшей плотностью твердой фазы.

Различные типы почв имеют неодинаковую плотность твердой фазы. Ее величина для минеральных почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см 3 и зависит от минералогического состава почвы и содержания органических компонентов.

Дерново-подзолистые почвы, сформировавшиеся на алюмосиликатных породах и бедные органическим веществом, имеют плотность твердой фазы 2,65—2,70.

Плотность твердой фазы малогумусированных горизонтов субтропических почв 2,7—2,8, богатых органическими компонентами торфяников 1,4—1,8.

В целом плотность твердой фазы — величина довольно стабильная и в минеральных горизонтах большинства почв находится в пределах 2,4—2,7 г/см 3 , в торфяных — 1,4—1,8 г/см 3 .

Плотность сложения почв.Сложение почвы определяется взаимным расположением ее частиц и комков. Плотностью сложения (или просто плотностью) почвы (d_v) называется масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии. При ее определении учитывается не только объем твердой фазы почвы, но и объем пор, поэтому плотность почвы будет всегда меньше плотности твердой фазы ее.

Как и плотность твердой фазы, она выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см 3 ).

У минеральных почв плотность колеблется от 0,9 до 1,8 г/см 3 , у торфяно-болотных — от 1,15 до 0,40 г/см 3 . Этот показатель довольно динамичен и зависит от минералогического состава почвы, размера; почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния и пористости.

Большое влияние на его значение оказывает обработка почвы. Как правило, наименьшую плотность почва имеет сразу же после культивации, которая способствует ее разрыхлению и увеличению объема пор. Со временем плотность увеличивается до состояния, которое называется равновесной плотностью. При таком состоянии плотность сложения почвы длительное время почти не изменяется, что в первую очередь объясняется равновесием сил, вызывающих уплотнение почвы и увеличение объема пор.

Уменьшение плотности почвы может происходить в результате ее набухания при увлажнении ипоследующей усадки в засушливый период, замерзания и оттаивания воды в почве, развития корневой системы растений, деятельности обитающих в почве животных, внесения органических удобрений.

Верхние горизонты малогумусных дерново-подзолистых почв имеют плотность 1,2—1,4 г/см 3 , нижние уплотненные—1,6—1,8 г/см 3 .

В верхних горизонтах черноземов плотность 1,0—1,2, в нижних 1,3— 1,6 г/см 3 . Под влиянием приемов окультуривания верхние горизонты пахотных почв имеют более низкий показатель плотности.

Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет свои требования к плотности почвы. Наиболее благоприятная для того или иного растения плотность сложения почвы называется оптимальной.

Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная величина плотности на суглинистых и глинистых почвах 1 —1,2 г/см 3 . Дальнейшее увеличение ее снижает урожай сельскохозяйственных культур. Так, на суглинистых черноземах при плотности почвы 1,5 г/см 3 получен урожай овса в 3,7 раза меньше, чем при 1,1 г/см 3 .

Оценка плотности сложения (d_v) суглинистых и глинистых почв (Н.А. Качинский)

2.Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам почвы относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Пластичность— способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность проявляется только при влажном состоянии почвы. В зависимости от степени увлажнения характер пластичности изменяется.

В соответствии с этим Аттерберг предложил различать следующие константы пластичности почвы:

а) верхний предел пластичности, или предел текучести, — весовая влажность почвы при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на глубину 10 см;

б) нижний предел пластичности, или предел раскатывания, — весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования в нем разрывов;

в) число пластичности —разность между числовым выражением верхнего и нижнего пределов пластичности.

Пластичность теснейшим образом связана с механическим составом почв. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые— в пределах 7—17; супеси — меньше 7; пески непластичны (число пластичности стремится к 0).

Существенное влияние на пластичность оказывают также состав коллоидной фракции почвы, состав поглощенных катионов и содержание гумуса. Установлено, что при узком соотношении SiO₂: R2O3 пластичность проявляется особенно ярко. Степень ее зависит и от соотношения поглощенных катионов. Наибольшей пластичностью отличаются солонцовые глинистые почвы, содержащие 25—30 % и больше обменного натрия от емкости поглощения, наименьшей — почвы, насыщенные кальцием и магнием. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость— свойство влажной почвы прилипать к другим телам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

Решающая роль в проявлении липкости принадлежит тонкому слою слабосвязанной воды. Этот слой воды называется адгезионным, а сам процесс склеивания с его помощью почвенных частиц и различных предметов — адгезией. Чем тяжелее по гранулометрическому составу почва, тем сильнее она прилипает к твердым телам. Это объясняется тем, что более диспергированные почвы имеют большую удельную поверхность и соответственно большую гидрофильность. Липкость возрастает также с увеличением содержания в почве органического вещества.

Величина липкости определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Липкость выражается в граммах на 1 см 2 . Она проявляется при увлажнении почвы, приближающемся к верхнему пределу пластичности. Высокогумусированные почвы (черноземы, дерновые) даже при высоком увлажнении (30— 35 % от массы) не проявляют липкости

Состав поглощенных оснований почвы в значительной мере определяет ее липкость. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует снижению величины прилипания, тогда как с возрастанием насыщенности натрием липкость почвы резко увеличивается.

На прилипание существенно влияет механический состав почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка она наименьшая.

Н. А. Качинский (1934) делит почвы по липкости на предельно вязкие (>15 г/см 2 ), сильновязкие (5—1.5), средние по вязкости (2—5), слабовязкие ( 2 ).

Набухание— увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек). Набухание выражают в объемных процентах и определяют по формуле:

Vнаб . = (V1-V2)/V2 * 100

где Унаб — процент набухания от исходного объема; V\ — объем влажной почвы; У₂ — объем сухой почвы.

Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы.

Набухание тесно связано с составом глинистых минералов почвы. Минералы монтмориллонитовой группы с расширяющейся кристаллической решеткой обладают наибольшей набухаемостью, минералы каолинитовой группы — наименьшей. Органические коллоиды при увлажнении также сильно увеличиваются в объеме.

Большое влияние на набухание оказывает состав обменных катионов почв. При насыщении почв одновалентными основаниями (особенно натрием) набухание достигает 120—150%. тогда как при насыщении почв двух- и трехвалентными катионами значительного увеличения в объеме при набухании не наблюдается.

Набухание почвы может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в поверхностном слое почвы. Вследствие набухания частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению агрегатов.

Усадка— сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы. Усадку можно измерять в объемных процентах по отношению к исходному объему:

Vус . = (V1-V2)/V2 * 100

где Уу_С — процент усадки от исходного объема; V\ — объем влажной почвы; У₂ — объем сухой почвы.

При сильной усадке в почве образуются многочисленные трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается физическое испарение влаги.

Важнейшие технологические показатели — величина энергетических затрат, расход горючего, смазочных материалов, износ сельскохозяйственных машин и др. — определяются связностью и твердостью почвенных частиц.

Связность— способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызывается связность силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена механическим и минералогическим составом, структурным состоянием почвы, влажностью и характером ее сельскохозяйственного использования.

Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наименьшей — песчаные. Малоструктурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в кг/см 2 .

Твердость— сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и и т.д.). Твердость определяется специальными приборами — твердомерами. Выражается в килограммах на 1 см 2 . Высокая твердость — признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. В этих условиях требуются большие затраты энергии на обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо проникают в почву. Она хуже пропускает влагу и воздух. На почвах со значительной твердостью растения развиваются плохо.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения. По мере уменьшения влажности она резко возрастает. По П. У. Бахтину (1961), со снижением влажности оподзоленного чернозема с 34,5 до 13,3 % твердость почвы увеличивается в 7 раз.

Заметное влияние на твердость оказывает структурность почвы. Распыленная почва при высыхании оказывает значительно большее механическое сопротивление, чем комковато-зернистая.

Твердость непосредственно связана с составом поглощенных оснований почвы; так, у черноземов, насыщенных кальцием, она в 10— 15 раз меньше, чем у солонцов.

Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными катионами, имеют меньшую твердость, чем малогумусные. Прямое влияние на твердость почвы и ее связность оказывает механический состав. Сопротивление раздавливанию тяжелых глин после высушивания достигает 150—180 кг/см 2 (А. Н. Соколовский, 1956).

С твердостью связана такая важная технологическая характеристика почвы, как сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы при обработке находится в прямой зависимости от твердости почвы.

Удельное сопротивление— усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Удельным сопротивлением обусловливается величина силы тяги (Р) при вспашке почвы: Р=КХ,аХб, где К — удельное сопротивление; а — глубина пахоты, см; б — ширина захвата плуга, см.

Выражается удельное сопротивление в килограммах на 1 см 2 . В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния удельное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см 2 .

Наименьшим удельным сопротивлением характеризуются не насыщенные основаниями почвы легкого механического состава (супесчаные и песчаные), самым большим — тяжелосуглинистые и глинистые почвы солонцового типа, содержащие свыше 20—30% натрия от емкости поглощения. Существенное влияние на удельное сопротивление оказывает увлажнение почвы. Максимальное удельное сопротивление наблюдается при влажности, близкой к влажности устойчивого завядания, минимальное — при средней увлажненности почвы.

На различных угодьях величина удельного сопротивления существенно изменяется. При обработке целинных и старозалежных земель она возрастает на 45—50 % по сравнению со старопахотными почвами.

На почвах под пропашными удельное сопротивление значительно меньше, чем под зерновыми культурами и многолетними травами.

Удельное сопротивление зависит также от засоренности почв (особенно корневищными сорняками).

Почвы с хорошей структурой при прочих равных условиях оказывают меньшее сопротивление при обработке, чем бесструктурные.

Спелость почвы. С физико-механическими свойствами почвы тесно связана ее спелость. Различают физическую и биологическую спелость почвы.

Физической спелостью называется состояние почвы, при котором она оказывает наименьшее сопротивление обрабатывающим орудиям, хорошо крошится и образует максимальное количество мезоагрегатов. Влажность физически спелой почвы колеблется от 60 до 90% от наименьшей влагоемкости. Она зависит от гранулометрического состава. У песчаных и супесчаных почв состояние физической спелости наступает при более высокой влажности, чем у суглинистых и глинистых.

Насыщение почвенного поглощающего комплекса катионами кальция и магния значительно снижает липкость почв, что способствует более ранней их обработке в весенний период. Состояние физической спелости наступает раньше и у высокогумусированных почв, отличающихся от почв с низким содержанием гумуса большей степенью оструктуренности.

Под биологической спелостью понимают такое состояние почвы, при котором почвенные микроорганизмы начинают активно содействовать освобождению продуктов питания для растений.

3.Тепловые свойства и тепловой баланс почвы.

Тепловой режим играет большую роль в почвообразовании, так как с ним связана энергия происходящих в почве биологических, химических, физических и биохимических процессов. Он непосредственно влияет на рост и развитие растений.

Температура почвенных горизонтов — основной показатель ее теплового режима.

С температурой почвы связаны растворимость в воде минеральных соединений, кислорода и углекислого газа, скорость поступления в растения питательных элементов и влаги.

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация, — главный источник тепла на земной поверхности. Среднее количество тепла, поступающего к Земле, составляет 8 Дж на 1 см 2 в 1 минуту (солнечная постоянная), но количество солнечной энергии, поступающей на поверхность почвы, меньше из-за рассеивания ее атмосферой, а также из-за отражения от земной поверхности.

Теплота, выделяемая при химических и биологических процессах, идущих в верхних слоях почвы (разложение органических остатков), а также приток тепла из глубинных слоев составляют незначительную величину по сравнению с лучистой энергией Солнца.

Основными тепловыми свойствами почвы являются теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотительную способность почвы обычно характеризуют величиной альбедо (А), которая показывает, какую часть поступающей лучистой энергии отражает почва.

Альбедопредставляет собой количество коротковолновой солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы и выраженное в процентах ог общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы.

Для идеально отражающей поверхности альбедо будет 100%, а для абсолютно черного тела, целиком поглощающего поступающую лучистую энергию Солнца, эта величина будет стремиться к нулю.

Альбедо является важнейшей тепловой характеристикой, зависящей от цвета почвы, ее структурного состояния, влажности и выровненности поверхности.

Альбедо почв, покрытых растительностью, зависит также от особенностей растений, цвета листьев и стеблей.

Наиболее существенное влияние на лучепоглотительную и лучеот-ражательную способность почв оказывают количество и качество гумуса, определяющие цвет почвы, а также ее гранулометрический состав.

Теплоемкость— свойство почвы поглощать тепло.

Различают удельную и объемную теплоемкость почвы.

Удельная теплоемкость — количество тепла в джоулях, затрачиваемое для нагревания 1 г сухой почвы на 1°С.

Объемная теплоемкость — количество тепла в джоулях затрачиваемое для нагревания 1 см 3 сухой почвы на 1°С.

Теплоемкость зависит от минералогического, механического состава и влажности почвы, а также от содержания в ней органического вещества.

Теплопроводность почвы — способность ее проводить тепло.

Теплопроводность измеряется количеством тепла в джоулях, которое проходит в секунду через 1 см 2 почвы слоем 1 см.

В почве тепло передается различными путями: через разделяющие твердые частицы воду или воздух; при контакте частиц между собой; излучением от частицы к частице; конвекционной передачей тепла через газ или жидкость.

На величину теплопроводности влияют химический и механический состав, влажность, содержание воздуха, плотность и температура почвы.

4.Типы теплового режима почв

Под тепловым режимом почвы понимают совокупность всех явлений поступления, передвижения и отдачи тепла почвой.

Основной показатель этого режима — температура почвы. Поэтому тепловой режим часто называют температурным. Определяется он температурой почвы на различных глубинах и в разные сроки.

В течение года наибольшим колебаниям подвержена температура поверхности почвы. Каждому почвенному типу присущи свои пределы температуры на глубине 20 см, поэтому основным показателем теплового режима почвы считается ее средняя температура на этой глубине.

На тепловой режим влияют климат, растительность, рельеф, снеговой покров, а также гранулометрический состав, влажность и цвет почвы.

Температурный режим почв обусловливается их географическим положением, с которым связано поступление лучистой энергии к поверхности почвы, и проявлением основных тепловых свойств почвенных горизонтов — теплопоглотительной способности, теплоемкости и теплопроводности.

Температура почвы оказывает непосредственное влияние на развитие растений, особенно корневой системы.

Между температурой почвы и произрастающими на ней растениями обнаруживается не только прямая, но и обратная связь: растительный покров оказывает существенное влияние на динамику температуры впочве.

Растения и пожнивные остатки уменьшают суточные и сезонные колебания температур в верхнем слое почвы.

Тепловой режим почв зависит от рельефа местности. Экспозиция склонов и их крутизна определяют разницу в количестве тепла, получаемого от солнечной радиации. Почвы на южных, юго-западных и юго-восточных склонах прогреваются лучше, чем на северных, северо-западных и северовосточных склонах и выровненных пространствах.

Сильно влияет на температурный режим снеговой покров: препятствует глубокому промерзанию почвы, уменьшает потерю тепла из нее вследствие излучения.

Тепловойбаланс почвы является количественной характеристикой теплового режима.

Тепловой баланс складывается из приходной части, это прямая, рассеянная и длинноволновая радиация, в расходной части это отраженная и излученная радиации.

Типытеплового (температурного) режимапочв.

В зависимости от среднегодовой температуры и характера промерзания почвы выделяет четыре типа температурного режима почв:

мерзлотный, длительно сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий.

Мерзлотный тип температурного режима характерен для местностей, где среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. В таких почвах преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием их влаги до верхней границы многолетнемерзлых пород.

Этот тип теплового режима выражен в почвах ряда провинций Евразиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областей.

Длительно сезоннопромерзающий тип температурного режима проявляется на территориях, где преобладает положительная среднегодовая температура почвенного профиля. Глубина проникновения отрицательных температур не менее 1 м, но смыкания сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается (не исключается отсутствие многолетнемерзлых пород). Длительность промерзания не менее 5 месяцев.

Сезоннопромерзающий тип температурного режима отличается положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Промерзание не более 5 месяцев. Подстилающие породы немерзлые.

Длительно сезоннопромерзающим и сезоннопромерзающим типами теплового режима охватывается наибольшая часть территории бывшего СССР.

Непромерзающийтип температурного режима наблюдается в местностях, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются. К ним относятся теплая южноевропейская фация и области субтропического пояса.

Приемы регулирования теплового режима почв. Знание теплового баланса и его элементов, теплового потока в почву и тепловых свойств позволяет использовать различные агрономические мероприятия, существенно влияющие на тепловой режим почв.

Все приемы активного влияния на тепловой режим почв делятся на агротехнические, агромелиоративные и агрометеорологические.

К первой группе относятся различные способы обработки почвы: прикатыва-ние, гребневание, оставление стерни, мульчирование;

ко второй — орошение, осушение, лесные полосы, меры борьбы с засухой;

к третьей — приемы, снижающие излучение тепла из почвы, меры борьбы с заморозками и др.

5.Регулирование физических и физико-механических свойств почвы

5.1. Негативные изменения физических и физико-механических свойств почв

В результате антропогенного воздействия на почву (лущение, вспашка, культивация, боронование, прикатывание и т. п.) и естественных процессов (осадки, ветер, высушивание и т. п.) происходят изменения физических свойств почвы, которые обусловливают формирование многих негативных процессов, в том числе образование плужной подошвы, почвенной корки.

Плужная подошва — это уплотненный слой почвы на границе пахотного и подпахотного горизонтов. Она значительно ухудшает (снижает) поступление воды в почву, в подпахотные слои, вызывает переувлажнение верхних слоев и увеличивает сток воды с полей даже при общем дефиците влаги. Образуется плужная подошва в результате проведения основной обработки почвы в течение длительного времени примерно на одинаковую глубину. Под тяжестью почвообрабатывающих машин, в основном плугов, на глубине обработки почва уплотняется. В то же время в результате длительной интенсивной обработки разрушается структура почвы. В ней возрастает доля микроструктуры, пылевидных илистых частиц. Эти частицы под действием воды и других факторов опускаются вниз до уровня уплотненного почвообрабатывающими машинами слоя, аккумулируются в нем, окончательно закупоривая поры и межагрегатные пустоты этого слоя, и превращают его практически в водоупорный, водонепроницаемый слой — плужную подошву. Она ухудшает водный, воздушный и пищевой режимы, условия роста и развития культурных растений, снижает их урожайность.

Чтобы не допустить образования плужной подошвы и для ее устранения, необходима система дифференцированной обработки почвы, предусматривающая чередование различных (отвальной и безотвальной) разноглубинных технологий обработки почвы. Наряду с отвальной обработкой (вспашкой) следует шире применять безотвальные орудия — чизели, учитывая реакцию возделываемых культур на эти способы обработки почвы. Чизели, имея небольшую площадь соприкосновения с подпахотным горизонтом, значительно меньше и не по всей плоскости уплотняют почву и не способствуют формированию плужной подошвы.

Почвенная корка— это уплотненный слой самого верхнего горизонта почвы. Она является механическим препятствием на пути появляющихся всходов культурных растений, значительно ухудшает газообмен почвы с приземным слоем воздуха, обрекая проростки культурных растений на кислородное голодание, способствует развитию болезней и в целом приводит к изреживанию и чаже полному уничтожению всходов, резко снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Почвенная корка образуется чаще всего на полях, не занятых культурными растениями, преимущественно весной, до появления всходов или в процессе их появления. Она — результат совместного действия антропогенных и естественных факторов: интенсивная систематическая механическая обработка почвы приводит к ухудшению ее структуры, накоплению пылевидных илистых фракций, снижению водопрочности структуры, Выпадающие на такую почву ливневые осадки усиливают распыление агрегатов, заиливают капилляры и межагрегатные поры верхнего слоя почвы, превращая ее после высыхания в сплошной, непроницаемый для воды, воздуха и проростков культурных растений монолит.

Образованию почвенной корки может способствовать неумелое прикатывание почвы. Применение этого приема до наступления физической спелости, особенно на бесструктурных почвах, приводит к образованию почвенной корки. Выпадающие сразу после прикатывания осадки также усиливают этот процесс.

Приемы борьбы с почвенной коркой можно разделить на долговременные и оперативные. К долговременным относятся все мероприятия, улучшающие структуру и прочность агрегатов, а также способствующие повышению содержания органического вещества (гумуса) почвы.

К оперативным методам борьбы с коркой относятся механические приемы, направленные на разрушение уплотненного слоя почвы. Это боронование довсходовое и по всходам, обработка почвы и посевов игольчатыми рабочими органами и т. д. Формирование на поверхности почвы рыхлого мульчирующего слоя толщиной 1,5—2 см, прерывающего капилляры, препятствует возникновению почвенной корки или по меньшей мере снижает темпы ее образования и вредоносность. Поэтому в агрегате с катками следует применять легкие бороны, которые и сформируют этот мульчирующий слой.

От физико-механических свойств почвы в значительной степени зависят качество ее обработки, условия роста и развития культурных растений, уровень их урожайности.

Наибольшее значение при этом имеют структура, плотность, твердость и липкость почвы. Эти свойства в сочетании с влажностью определяют готовность почвы к обработке, ее качество и условия жизни растений.

Агрономически ценная комковато-зернистая структура, придавая почве рыхлое сложение, облегчает прорастание и распространение корней растений, а также уменьшает энергетические затраты на механическую обработку почвы. Бесструктурные почвы по сравнению со структурными, обладая большей связностью, оказывают и более сильное удельное сопротивление при обработке.

Плотность почвы — важнейшее условие высокой продуктивности сельскохозяйственных растений. Для большинства культур она составляет от 1,1 до 1,3 г/см 3 . При увеличении или уменьшении плотности почвы на 0,1—0,2 г/см 3 по сравнению с оптимумом урожай снижается, а при значительном уплотнении резко падает. Особенно чутко реагируют на уплотнение черноземы. При повышении плотности выщелоченного чернозема на 0,1 г/см 3 урожай зерновых колосовых культур снижается на 15 %, а при повышении ее нa 0,2 г/см 3 — на 50 %. Вред избыточного уплотнения проявляется и повышенном сопротивлении почвы проникновению в глубь ее профиля растущих корней растений в результате увеличения объемной массы, снижения общей и некапиллярной скважности, ухудшения водного, воздушного, пищевого и теплового режимов, снижения биологической активности почвы, нарушения оптимальных условий жизни растений.

При уплотнении почвы уменьшается не только общий объем пор, но и их размер.

Уплотненная почва плохо впитывает и фильтрует влагу, что спосообствует усилению поверхностного стока, эрозии и в целом снижению влагообеспеченности растений, создает предпосылки для более частого проявления засухи в большинстве регионов.

На уплотненной почве длина корней и их масса значительно меньше, чем на неуплотненной, причем большая часть их располагается у поверхности почвы, что ухудшает условия минерального питания.

Применение мощной тяжелой техники может вызвать сильное уплотнение пахотного и подпахотного горизонтов. При этом ухудшается порозность почвы и резко возрастает ее удельное сопротивление.

Наряду с плотностью значительно ухудшает качество обработки и почвы и увеличивает затраты на ее выполнение липкость почвы.

При обработке почвы в сильновязком и предельном состоянии (липкость > 5 г/см 2 ), когда частицы почвы приобретают коллоидный характер и легко могут смещаться по отношению друг к другу, происходит пластичное деформирование почвы. Это приводит к нарушению пористости, замазыванию, образованию корки, глыб и плужной подошвы. В зависимости от вида и скорости почвообрабатывающих машин это пластичное деформирование в результате сдавливания почвы, например отвалом плуга, вызывает дополнительное сильное уплотнение почвы. Состояние почвы при этом практически необратимо, то есть оно не может быть устранено или изменено в короткий срок приемами обработки. Только длительное воздействие природных сил (изменение почвы от набухания и сжатия, образование трещин под действием мороза) может постепенно восстановить нарушенную структуру почвы.

Твердость и удельное сопротивление также влияют на качество обработки почвы, и затраты на ее проведение аналогичны влиянию плотности.

Многие агрофизические свойства почвы довольно динамичны и их можно регулировать с помощью агротехнического, биологического и химического воздействия.

5.2.Мероприятия по улучшению физико-механических свойств, сохранению и восстановлению почвенной структуры

Проблема улучшения физико-механических свойств почвы — одна из главных в земледелии, так как от этого зависят увеличение урожайности сельскохозяйственных культур и повышение производства продукции растениеводства.

Существует множество приемов регулирования физико-механических свойств и восстановления почвенной структуры. Их можно объединить в три большие группы: механические, химические, биологические.

К механическим приемам относят интенсивную механическую обработку почвы, почвоуглубление, щелевание и т. д. Эти приемы позволяют существенно улучшить физико-механические свойства почвы. Однако действие их кратковременное, и поэтому для достижения продолжительного эффекта необходимо систематическое многократное применение их.

А это, в свою очередь, имеет отрицательный эффект, так как систематические интенсивные механические обработки способствуют увеличению доли микроструктуры (илистых фракций) в структуре почвы.

Эффективность обработок почвы во многом зависит от ее влажности. Она должна обрабатываться в состоянии физической спелости. В этом случае формируется наиболее ценная с агрономической точки зрения структура, а почва отличается невысокой плотностью и хорошей воздухообеспеченностью.

Агротехнические приемы (вспашка, культивация, прикатывание и др.) значительно изменяют плотность и общую пористость пахотного и подпахотного горизонтов почв, их удельное сопротивление. В результате применения различных агротехнических приемов верхние горизонты почв приобретают благоприятное строение. Оптимальная плотность пахотного слоя почвы определяется биологическими особенностями сельскохозяйственной культуры, а также погодными условиями. Г. Б. Гальдин (1963), исследуя влияние прикатывания на урожай яровой пшеницы, показал, что для выщелоченных черноземов Пензенской области оптимальная плотность составляет 1,11—1,14 г/см 3 . При такой плотности в засушливый год урожай повысился на 26% по сравнению с контролем (плотность почвы 1,04 г/см 3 ), тогда как во влажные годы прикатывание не дало эффекта.

Химические приемы мелиорации изменяют состав поглощенных оснований и весь комплекс физических и физико-химических свойств почв. К наиболее распространенным химическим приемам улучшения физических свойств почв относятся известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение искусственных клеящих веществ (полимеров). В результате известкования почва становится более структурной, в ней увеличивается водопроницаемость и уменьшается плотность. При этом химическая мелиорация почв особенно эффективна на фоне органических удобрений

Гипсованием устраняется щелочная реакция солонцовых почв, улучшаются их физические свойства и структура. Твердость, сопротивление при обработке, липкость и другие физико-механические свойства в результате замещения поглощенного натрия на кальций становятся более благоприятными в агрономическом отношении.

Однако применением известкования и гипсования нельзя полностью решить проблему улучшения физико-механических свойств и структуры почвы.

Биологические приемы направлены на повышение содержания органического вещества (гумуса) в почве. Эти приемы универсальны и долговечны. С увеличением содержания гумуса в почве улучшаются не только физико-механические и химические свойства, но и все почвенные режимы: пищевой, водный, воздушный. С повышением содержания гумуса в почве уменьшается ее плотность и повышается устойчивость к деформациям различного типа. При содержании гумуса в почве 3,7 % и более равновесная плотность почвы устанавливается на уровне их оптимальной величины для культурных растений. Такие почвы даже после принудительного уплотнения способны к разуплотнению под действием естественных факторов (увлажнение, замораживание, высушивание) и не требуют рыхления с целью регулирования физических свойств. Почвы с содержанием гумуса менее 3,7 % после принудительного уплотнения не восстанавливают исходную плотность. На таких почвах необходима механическая обработка как средство регулирования физико-механических свойств.

Наиболее комплексное влияние на агрофизические свойства почвы оказывают органические удобрения. Они увеличивают содержание в почве гумуса и тем самым положительно влияют как на общие физические, так и на физико-механические свойства, доводя их до оптимальных параметров. Аналогичную роль выполняет и посев многолетних трав. После их уборки благодаря мощной корневой системе и большому количеству растительных остатков в почве остается много органического вещества, из которого в дальнейшем образуется гумус.

К биологическим приемам регулирования физико-механических свойств почвы относят совершенствование севооборотов, включающее увеличение доли многолетних трав в структуре посевных площадей; применение сидеральных культур; увеличение объема вносимых органических удобрений; оптимизацию обработки почвы, направленную на уменьшение интенсивности и глубины рыхлений в разумных пределах с целью снижения темпов минерализации органического вещества почвы и распыления структуры.

Краткий конспект Лекции 6

Почва представляет собой сложную саморегулирующуюся, по-ликомпонентную, многофазную систему. Выделяют четыре физические фазы: твердую, жидкую, газовую и живую.

Твердая фаза почвысостоит из минеральной и органической частей. Минеральная часть составляет обычно 95—99 %. Твердая фаза — прочная основа, скелет почвы. Минеральная ее часть сформировалась из материнских геологических пород и содержит остаточные минералы (обломки и частицы исходных пород и минералов), вторичные (вновь образованные) минералы.

Органическая часть — это неразложившиеся и полуразложившиеся остатки живых организмов, главным образом растительные продукты их разложения и гумус.

Твердая фаза почвы полидисперсна, она состоит из частиц и агрегатов различной формы и величины: от крупных глыб, обломков породы, комков и песчинок до коллоидных частиц.

Основные характеристики твердой фазы почвы: минералогический, химический, гранулометрический, агрегатный состав, структура, плотность, пористость (скважность), связность.

Жидкая фаза почвы представляет собой почвенный раствор, который формируется из воды, поступающей в почву с атмосферными осадками, из грунтовых вод, при конденсации водяных паров. Объем и химический состав почвенного раствора динамичны и зависят от количества поступающей воды, водно-физических свойств и химического состава почвы.

Газовая фаза почвы представлена почвенным воздухом, который заполняет свободные от воды пустоты (поры) в почве. Источником почвенного воздуха являются воздух атмосферы и образующиеся в почве газы. Состав почвенного воздуха значительно отличается от атмосферного и весьма динамичен. Вода и воздух в почве находятся в динамическом равновесии на основе антагонизма: чем больше воды, тем меньше воздуха, и наоборот.

Живая фаза почвы представлена живыми организмами, населяющими почву и участвующими в почвообразовательных процессах.

Твердая, жидкая, газовая и живая фазы находятся в тесном взаимодействии, составляя единую систему — почву.

В связи с этим, к показателям, характеризующим почву как физическое тело, относятся помимо ее структуры, общие физические и физико-механические, а также водные, воздушные и тепловые свойства.

Общие физические свойства

Основными физическими свойствами почвы являются:

Источник