Суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы это

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

Физические свойства почв

Многие процессы, происходящие в почвах, во многом определяются физическими и физико–механическими свойствами. Физические свойства почв делятся на общие физические и физико-механические. К общим физическим относятся удельная поверхность, удельный вес, объемный вес (плотность) и пористость (скважность). К физико-механическим относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Процессы, протекающие в почвах, во многом зависят от удельной поверхности почв, которая является важной физической характеристикой почвы. Удельная поверхность почвы – это суммарная поверхность всех частиц почвы, отнесенная к единице веса или объема. Выражается чаще всего в м 2 /г или м 2 /см 3 почвы.

Процесс диспергирования (дробления) минеральной части почвы обычно не меняет ее веса, но резко увеличивает суммарную поверхность всех частиц. При этом почва переходит в более активное состояние, так как с увеличением поверхности твердой фазы в единице веса или объема, возрастает и поверхностная энергия частиц.

С величиной удельной поверхности связаны величины объемов поглощения минеральных веществ, зольных элементов, паров, газов, особенности передвижения в почве воды и воздуха, а также другие физические и технологические свойства почвы.

Удельная поверхность почвызависит от минералогического и гранулометрического состава. Почвылегкого гранулометрического состава характеризуются меньшей дисперсностью и, соответственно, меньшей удельной поверхностью по сравнению с почвами тяжелого гранулометрического состава.

Выделяют общую, внешнюю и внутреннюю удельные поверхности частиц.

Внешняя (кинетическая) поверхность определяется дисперсностью твердых частиц почвы.

Внутренняя поверхность обусловлена особенностями строения самих частиц, наличием микропор и трещин внутри частицы. Поверхность почвенных частиц имеет свой сложный микрорельеф, отдельные участки которого энергетически неравноценны. Особой энергетической активностью характеризуются выпуклые элементы частиц. Значительную внутреннюю поверхность имеют почвы, богатые монтмориллонитом и другими минералами, имеющими подвижную структуру.

Общая поверхность представляет собой сумму внешней и внутренней удельных поверхностей. Ее величина колеблется в значительных пределах: от нескольких единиц м 2 на 1 г или 1 см 3 почвы (в грубых песках) до нескольких сотен (тяжелые глины, почвы со значительным количеством органогенных веществ).

Удельная поверхность частиц разного размера может различаться на 6 порядков (табл.).

Таблица. Удельная поверхность частиц, м 2 /г

Размер частиц, мм

Обычно удельную поверхность почвы определяют насыщением почвы водяным паром (этиленгликолем). Выявлено, что насыщение почвы водяным паром идет до тех пор, пока вокруг каждой почвенной частицы образуется мономолекулярный слой воды. Исходя из этой закономерности, выведена эмпирическая формула расчета удельной поверхности

S =3610 ( V ₂— V ₁)/( V ₁— V ₀), где V ₂, V ₁, V ₀ – вес после насыщения, до насыщения и тары соответственно.

Плотность сложения почвы – массаабсолютно сухой почвы ненарушенного сложения (т.е. с почвенными порами) в единице объема. Выражаетсяв г/см 3 . Она зависит от структурности и сложения почвы, а также характера слагающих почву минералов, ее гранулометрического состава и содержания органического вещества.

Величина плотности сложения почвыизменяется в широких пределах: для минеральных почв от 0,9 до 1,8 г/см 3 , для торфяно-болотных — от 0,15 до 0,40 г/см 3 .

Чем больше в почве перегноя и чем лучше выражена в ней структура, тем меньшеплотность сложения почвы.

На плотность сложения почвы существенное значение оказывает ее обработка. После механической обработки почва становится наиболее рыхлой с меньшей плотностью сложения почвы. Этот период времени бывает достаточно коротким, потом начинается ее уплотнение, что приводит к увеличению плотности сложения почвы. После определенного периода времени, разного для разных типов почв, почва достигает определенной степени плотности, которая затем изменяется крайне мало. Такая плотность называется равновесной и ее величина является важной характеристикой почв. Величина плотности сложения почвы существенно влияет на водный, воздушный и тепловой режим почвы, что сказывается на развитии растений.

К значимым физическим свойствам почв относится плотность твердой фазы почвы. Плотность твердой фазы почвы.– это масса абсолютно сухих почвенных частиц при сплошном заполнении ими единицы объема,. г/см 3 .Почвы различных типов и их отдельные горизонты характеризуются неодинаковой плотностью твердой фазы, которая, зависит от содержания в нейорганических веществ и состава слагающих ее минералов. Интервалы показателей плотности твердой фазы почвы составляют для минеральных почв – от 2,4 до 2,8 г/см 3 . Для подзолистых почв он составляет 2,5-2,65, черноземных – 2,37 и торфяных- от 1,4 до 1,8 г/см 3

Пористость–это суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы почвы определенного объема. Выражается в % от общего объема почвы. Интервал показателей пористости составляет для минеральных почв – 25-80%, для торфяных – 80-90%. При рыхлении почвы пористость увеличивается, при уплотнении уменьшается.

Почвенные поры могут быть различной формы и диаметра. В зависимости от величины пор различают капиллярную и некапиллярную пористость.

Капиллярная пористость равнаобъему капиллярных промежутков в почвах и обусловлена наличием в почве глинистых минералов.

Читайте также: Как хранить жидкий навоз

Некапиллярная пористость равна объему крупных пор и связана со структурным строением почвы.

Сумма обеих видов пористости составляет общую пористость почвы. Она вычисляется по формуле:

где отношение плотности сложения почвы (объемного веса) (ОВ) к плотности твердой фазы почвы (удельному весу) (УВ) составляет доля твердой фазы почвы, а за единицу принимается общий объем почвы со всеми порами. Величина пористости зависит от структурности, плотности, гранулометрического и минералогического состава почвы.

С пористостью почвы связаны важнейшие свойства почвы: водо- и воздухопроницаемость, влагоемкость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмосферой.

Выделяют внешнюю поверхность, или как ее еще называют кинетическую поверхностьдисперсного вещества и внутреннюю поверхность внутри элементарных почвенных частиц, микропор, трещин и т.п.

Под пластичностью понимают способность почвы во влажном состоянии изменять и сохранять приданную ей внешним воздействием форму. В зависимости от степени увлажнения характер пластичности меняется. Следует различать несколько характерных состояний почвы: нижний предел текучести и предел раскатывания в шнур.

Нижний предел текучести – это такое увлажнение почвы, при котором пласт почвы, разрезанный пополам, при повторном встряхивании сливается воедино. Это состояние влажности принимается за верхний пределпластичности. Если вам необходимо быстро обустроить ваш мини-отель или гостиницу, предлагаем посетить сайт vdhot.ру компании «Всё для отеля». Здесь вы найдете все самые необходимые аксессуары для обустройства ванной комнаты, например дозаторы жидкого мыла или автоматические рукосушители ,а также множество другого гостиничного оборудования и аксессуаров.

Влажность почвы, при которой она перестает раскатываться в шнур, определяет предел раскатывания в шнур. Такое увлажнение принимается за нижний предел пластичности.

Число пластичности — это разность между верхним и нижним пределами пластичности. Пластичность тесно связана с гранулометрическим составом почв и обусловлена наличием в ней глинистых частиц, диаметр которых меньше 0,002 мм.

Глинистые почвы имеют число пластичности – 17, суглинистые – 7-17, супесь – менее 7, пески совершенно не пластичны. Кроме механического состава, существенное влияние на пластичность почвы оказывает состав коллоидной фракции, состав поглощенных катионов, а также содержание гумуса.

Липкость – это способность почвы прилипать к различным поверхностям.

Величина липкости определяется силой, необходимой, чтобы оторвать почву от поверхности прилипания. Выражается в г/см 2 .

Как и пластичность, она обусловлена наличием в почве глинистыхчастиц и воды, а также составом поглощенных оснований. У глинистых почв липкость значительная, у песка минимальная.

Липкость проявляется при увлажнении почвы, приближающейся к верхнему пределу пластичности. Сухая почва липкостью не обладает. Прилипание повышается по мере увлажнения примерно до 80% от полного насыщения почвы водой, затем начинает уменьшаться.

По липкости почвы делятся на предельно вязкие (> 15 г/см 2 ), сильно вязкие (5 — 15 г/см 2 ), средне вязкие (2 — 5 г/см 2 ), слабо вязкие (меньше 2 г/см 2 ).

С липкостью почвы связано важное агрономическое свойство почвы – физическаяспелость. Когда при обработке почва перестает прилипать к сельскохозяйственным машинам и начинает крошиться на комки, то такое состояние почвы отвечает ее физической спелости.

? Нижним пределом влажности, при котором возможна обработка почвы, является влажность, отвечающая полуторной величине максимальной гигроскопичности почвы, а верхним пределом – 60-70% полной влагоемкости данной почвы.

Набухание – это способность почвы изменять в объеме под влиянием различных факторов, главным образом увлажнения и замерзания. Большое значение в этом процессе играют почвенные коллоиды, особенно органические, способные резко увеличиваться в объеме при смачивании и уменьшаться при высыхании. Вследствие этого песчаные почвы с низким содержанием коллоидов практически не набухают, глинистые и суглинистые обладают значительной набухаемостью.

Набухание измеряется в объемных процентах по формуле:

где V_наб – процент набухания, V₁–объем влажной почвы, V₂ – объем сухой почвы.

На величину изменения объема влияет минералогический состав почв, наличие и состав обменных катионов, количество органических веществ.

Усадка – это сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки зависит от тех же факторов, что и набухание. Усадка измеряется в объемных процентах по отношению к исходному объему:

где V_ус – процент усадки от исходного объема, V₁–объем влажной почвы, V₂ – объем сухой почвы.

Связность – это способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Связность вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена гранулометрическим и минералогическим составом, структурным состоянием и влажностью почвы, а также характером ее сельскохозяйственного использования.

Твердость – это сопротивление, которое оказывает почва при проникновении в нее какого-либо тела. Величина твердости выражается в кг/см 2 . Твердость определяется прибором – твердомером. Твердость почвы зависит от ее увлажнения, структурности, составом поглощенных оснований, гумусированности и гранулометрического состава. По мере уменьшения влажности твердость почвы резко возрастает. Почва комковато-зернистой структуры при высыхании оказывает значительно меньшее механическое сопротивление, чем распыленная. Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными катионами, обладают меньшей твердостью, чем малогумусированные.

Высокая твердость является признаком плохих физико-химических и агрономических свойств почв и требует больших затрат на ее сельскохозяйственную обработку. С твердостью почвы связана такая важная технологическая характеристика, как сопротивление ее обработке. Она выражается удельным сопротивлением. Удельное сопротивление – это усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Выражается в кг на 1 см 2 . Этот показатель изменяется от 0,2 до 1,2 кг/см 2 в зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния почв.

Источник