Пористость или скважность почвы суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы

Пористость или скважность почвы суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы

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

Общие физические и физико-механические показатели почв

Физические свойства почвы подразделяются на общие и физи­ко-механические.

К общим физическим свойствам почвы относятся плотность твердой фазы, плотность и пористость (скважность), к физико-механическим — пластичность, липкость, набухание, усадка, связ­ность, твердость и сопротивление при обработке.

Плотность твердой фазы почвы — это отношение массы ее твер­дой фазы к массе воды в том же объеме при 4 °С. Различные типы почв и даже отдельные почвенные горизонты имеют разную плот­ность твердой фазы. Величина плотности твердой фазы почв зави­сит от их минералогического состава и содержания органических компонентов. Например, плотность твердой фазы гипса 2,3 — 2,35, лимонита — 3,5 — 4, органических компонентов (торф, рас­тительные остатки) 1,25 — 1,8. В зависимости от вида минералов, их количества и органических компонентов, входящих в твердую фазу почвы, определяют ее плотность. Плотность твердой фазы минеральных почв составляет 2,4 — 2,8. Бедные органическим ве­ществом дерново-подзолистые почвы имеют плотность твердой фазы 2,65 — 2,7, а богатые органическими компонентами торфя­ники — 1,4—1,8.

Плотностью почвы называется масса абсолютно сухой почвы, находящаяся в естественном состоянии, в единице объема. Она измеряется в г/см 3 . В отличие от плотности твердой фазы при оп­ределении плотности почвы узнают массу почвы в единице объе­ма со всеми порами. Поэтому величина плотности почвы всегда меньше величины плотности ее твердой фазы; она также зависит от количества и соотношения минералов и органических компонентов. Плотность минеральных почв изменяется от 0,9 до 1,8 г/см 3 , а у торфяно-болотных — от 0,15 до 0,40 г/см 3 . На плотность почвы большое влияние оказывает механическая обработка: наименьшая плотность почвы сразу после обработки. С течением времени (по мере удаления от момента обработки) почва приобретает все боль­шую плотность. После определенного срока (разного для различ­ных почв) почва приобретает постоянную плотность, которая практически не изменяется в естественном состоянии. Такую плотность называют равновесной. Каждому типу почв соответству­ет своя равновесная плотность. Величина равновесной плотности почвы — важнейшая характеристика условий роста и развития окультуренных растений. Она же указывает на необходимость ан­тропогенного воздействия на почвы для регулирования агрофизи­ческих свойств. Для большинства культурных растений оптималь­на плотность 1 — 1,25 г/см 3 . Отклонение от оптимальной величи­ны плотности в любую сторону приводит к снижению урожайнос­ти сельскохозяйственных культур. Сравнение оптимальной плотности с равновесной помогает определить вид механического воздействия на почву (рыхление, уплотнение) или полного ис­ключения таковых.

Пористость, или скважность, почвы — это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Она выражается в процентах общего объема почвы. Пористость минеральных почв 25 — 80 %, а торфяных — 80 — 90 %. Поры в почвенных горизонтах бывают различных формы и диаметра. В зависимости от величин пор выделяют капиллярную и некапиллярную пористость (скваж­ность). Капиллярная пористость равна объему капиллярных проме­жутков почвы, некапиллярная — объему крупных пор (объему про­межутков между почвенными агрегатами). Сумма капиллярной и некапиллярной пористости составляет общую пористость почвы.

Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом. Вода в них находится под действием гравитационных сил и не удерживается. В капиллярных порах размещается вода, удержива­емая менисковыми силами. Поры, в которых находятся капилляр­ная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений, называют активными. К неактивным относятся поры, занимаемые связанной водой. В агрономическом отношении важно, чтобы по­чвы располагали большим объемом капиллярных пор и при этом имели некапиллярную пористость не менее 20 — 25 % общей по­ристости.

Оценивают общую пористость по шкале Качинского. Согласно этой шкале, оценка «отлично» общей пористости соответствует 55 — 65 % общей пористости.

Величина пористости зависит от структурности, плотности, гранулометрического и минералогического состава почвы. Меж­ду плотностью и пористостью почвы существует обратная за­висимость. Чем больше пористость, тем меньше плотность по­чвы. Общей пористостью определяют такие важные свойства почвы, как водопроницаемость и воздухопроницаемость, влагоемкость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмо­сферой.

Пластичностью называют свойство почвы изменять свою фор­му под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сло­жения и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Она зависит от гранулометрического, минералогического, химического состава почвы, состава обменных катионов и прояв­ляется при определенном диапазоне влажности, характеризующем верхний и нижний пределы пластичности, или границы пластич­ности. В сухом и переувлажненном состоянии почвы не обладают пластичностью. Пластичность измеряется числом, которое выра­жает разницу между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. Чем больше число пластичности, тем пла­стичнее почва. Каждая почва характеризуется определенным ин­тервалом влажности, при котором проявляется пластичность, т. е. своими границами и определенным числом пластичности.

По числу пластичности почвы разделяют на четыре категории: высокопластичные имеют число пластичности >17, пластичные — 17 —7, слабопластичные 2 . Она проявляется при увлажнении почвы, приближающейся к верхнему пределу пластичности. Величина липкости зависит от гранулометрического состава, степени дис­персности, состава поглощенных катионов, структуры, влажности почвы. Высокогумусированные почвы даже при повышенном ув­лажнении не липкие. С повышением дисперсности почвы, ухудшением структуры, утяжелением гранулометрического состава липкость почв увеличивается.

По величине липкости Н. А. Качинский разделил почвы на 5 категорий: предельная при липкости > 15 г/см 2 , сильновязкая — 5—15, средневязкая — 2—5, слабовязкая — 0,5—2, рассыпчатая — 0,1-0,5 г/см 2 .

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Объяс­няется связыванием молекул воды тонкими частицами почвы. Ве­личина набухания зависит от гранулометрического, минералоги­ческого и химического состава почвы. Набухание присуще поч­вам, содержащим большое количество коллоидов. Его определяют в объемных процентах.

где V_x — объем влажной почвы; V₂ — объем сухой почвы.

Наиболее набухаемы глинистые почвы, содержащие поглощен­ный натрий. Набухание этих почв может достигать 150%. Этот процесс может вызвать в поверхностном слое почвы неблагопри­ятные в агрономическом отношении изменения — разрушение агрегатов.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Она зави­сит от тех же факторов, что и набухание. Чем больше набухание, тем больше усадка. Усадку измеряют в объемных процентах по от­ношению к исходному объему Связность почвы — способность сопротивляться внешнему уси­лию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Она вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления зависит от гранулометрического, минералогического состава по­чвы, ее структуры, влажности и характера сельскохозяйственного использования.

Твердость почвы — механическая прочность, сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением ка­кого-либо тела. Твердость почвы в значительной мере определяет­ся ее связностью. Величина твердости устанавливается специаль­ными приборами — твердомерами и выражается в кг/см 2 . Чем выше твердость, тем хуже агрофизические свойства почвы, боль­ше требуется затрат на обработку, хуже условия для появления всходов и роста растений. Твердость почвы зависит от структуры, содержания органического вещества, влажности.

Распыленная почва при высыхании оказывает значительно большее механическое сопротивление, чем структурная, комкова­то-зернистая. С уменьшением влажности твердость почвы возрас­тает. Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентны­ми катионами, менее твердые, чем малогумусные почвы. Твер­дость почвы определяется гранулометрическим составом и соста­вом поглощенных оснований. Черноземы, насыщенные кальцием, в 10 — 15 раз менее твердые, чем солонцы. Сопротивление раздав­ливанию тяжелых глин после высушивания в несколько раз мень­ше, чем суглинистых и песчаных почв. Величина твердости почвы определяет затраты на ее обработку.

Удельное сопротивление почвы — усилие, затрачиваемое на осу­ществление технологических процессов (подрезание пласта, обо­рачивание его) и преодоление при обработке почвы трения о ра­бочую поверхность почвообрабатывающих орудий. Его выражают в кг/см 2 . Удельное сопротивление зависит от гранулометрическо­го состава, физико-химических свойств, влажности и агрохими­ческого состояния почвы и изменяется от 0,2 до 1,2 кг/см 2 . Наи­меньшим удельным сопротивлением обладают почвы, насыщен­ные кальцием, легкого гранулометрического состава, наиболь­шим — тяжелосуглинистые и глинистые солонцового типа, содержащие свыше 30 % поглощенного натрия от емкости погло­щения. Величина удельного сопротивления почвы сильно зависит от агротехнического фона. На целинных и старозалежных почвах удельное сопротивление на 45 — 50 % выше, чем на старопахот­ных. На полях, сильно засоренных сорняками, особенно корне­вищными, удельное сопротивление значительно возрастает. По­чвы с хорошей структурой оказывают при обработке меньшее со­противление, чем бесструктурные.

Источник