Усадка это способность почвы

Набухание и усадка почвы. Циклы набухания и усадки в процессе почвообразования

Большое значение для характеристики липкости почв имеют такие внешние по отношению к ним факторы, как мощность и масса сельскохозяйственных орудий, быстрота их движения на поле, состояние их поверхности, материал, из которого изготовлены режущие части. Учет почвенных и внешних факторов, определяющих прилипание почв, является важным резервом экономии энергетических ресурсов при планировании и проведении полевых сельскохозяйственных работ.

Набухание — это увеличение объема почвы или ее отдельных структурных элементов при увлажнении. В основе набухания лежит свойство коллоидов сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц, раздвигая их. Чем больше внутренняя поверхность почвенной массы, чем больше водоудерживающая способность почвенных частиц, тем более мощную пленку они могут создавать вокруг себя, тем больше набухаемость такой системы. Однако основная роль в набухании почв принадлежит не столько дисперсности минеральной основы, сколько ее минералогическому составу.

Трехслойные минералы с подвижной кристаллической решеткой обусловливают не только поверхностную сорбцию воды, но и поступление ее в межпакетные пространства. При этом расстояние между пакетами может увеличиваться от 0,96 до 2,14 мкм, т. е. объем может возрастать вдвое.

Процесс, обратный набуханию, называется усадкой. Он характеризуется уменьшением объема почв при их высыхании и дегидратации.

Способность почв к набуханию (усадке) характеризуется следующими параметрами:

1) степенью набухания (усадки), измеряемой по изменению объема образца почвы при увлажнении (высыхании) и выражаемой в процентах от исходного объема

2) влажностью набухания — влажность в процентах, при которой прекращается набухание. Влажность набухания зависит от исходной влажности почвы, чем она ниже, тем выше влажность набухания, тем больше степень набухания. Следовательно, переосушение почв увеличивает амплитуду объемных изменений, связанных с набуханием и усадкой, что вызывает увеличение давления набухания;

3) давлением набухания, которое появляется в почве при невозможности или ограниченности объемных деформаций внутри почвенного профиля. Оно может быть измерено с помощью внешней нагрузки и равно силе, при которой не будет происходить изменения объема при увлажнении. Между степенью и давлением набухания существует прямая зависимость;

4) деформационными напряжениями, возникающими в почве при иссушении и способствующими образованию трещин на поверхности почв и структурных отдельностей.

Набухание и усадка в той или иной степени наблюдаются во всех почвах, но в наибольшей степени они характерны для слитых почв и солонцов, что и определяет их крайне неблагоприятные физические свойства. Высокая набухаемость слитых смектитовых почв является диагностическим признаком и создает их специфический облик и структуру. Высокие давления, появляющиеся внутри почвы при их увлажнении и набухании, приводят к выпячиванию массы почв и образованию кочковатого микрорельефа — гильгаи. При высыхании напряжения разрыва вызывают растрескивание почв и образование массивных слитых тумб и глыб, очень плотных и твердых. Глубокая трещинова- тость способствует перемешиванию почвенной массы (частицы с поверхности падают в трещины) и приводит к формированию мощного, но недифференцированного профиля.

Дисперсность и высокое содержание в почвах гидрофильных смектитовых коллоидов, насыщенных натрием, отмечаемые в солонцах и солонцовых горизонтах, вызывают те же эффекты набухания и усадки и обусловливают образование плотной, глыбистой, трещиноватой структуры. Коллоидные частицы, насыщенные натрием, по данным К. К. Гедройца, могут поглощать воды до 1000%. Набухание почв увеличивается и с увеличением емкости катионного обмена в щелочной среде. Насыщение почвенного поглощающего комплекса двух- и трехвалентными катионами снижает набухаемость (усадку) и улучшает физические свойства почв.

Набухание (усадка) связано также с содержанием в почвах солей. Увеличение количества электролитов способствует коагуляции коллоидов и снижает набухаемость почв, вымывание солей диспергирует почву и повышает их набухаемость.

Органическое вещество играет двоякую роль в процессах набухания — усадки. Сами по себе гумусовые кислоты — очень гидрофильные коллоиды, следовательно, они должны обусловливать высокую набухаемость почв. Это и наблюдается в том случае, если они диспергированы и насыщены натрием. В других почвах, там, где хорошо развита агрегированность почв, гумусовые вещества, обволакивая структурные отдельности, препятствуют проникновению воды в агрегаты и тем самым препятствуют набуханию минеральной основы.

В процессе почвообразования очень важны циклы набухания и усадки, связанные с циклами увлажнения — иссушения. Однако в зависимости от амплитуды процесса они играют двоякую роль. При малых амплитудах они способствуют формированию мелкокомковатой структуры, вызывая растрескивание почв по мере их иссушения, способствуют самомульчированию поверхности почв, разрушают почвенные корки, способствуя улучшению водно-воздушных свойств почв. При больших амплитудах увлажнения циклы набухания и усадки, многократно повторяемые в естественных условиях и при орошении, способствуют разрушению структуры почв. Это связано с переориентацией и переупаковкой частичек минеральной основы, которая становится более упорядоченной, более плотной. Кроме того, большая амплитуда циклов набухания и усадки, разрушая структурные связи, увеличивает степень набухания почв и давление набухания. По данным Д. С. Горячевой, после многократного увлажнения — иссушения набухаемость глин увеличилась с 8 до 16%, а давление набухания возросло с 5 до 10 Н/см2.

Физико-механические свойства почвы важно учитывать при различных видах использования почв и почвенного покрова: при механической обработке почвы в земледелии, при использовании почв в качестве основания для сооружений, при дорожном и аэродромном строительстве, при использовании почвы в качестве строительного материала, в гидротехнике при строительстве каналов и водохранилищ, при гидротехнической мелиорации почв (ирригация и дренаж) и т. д. Благоприятные физико- механические свойства способствуют удешевлению всех видов использования почв, в то время как неблагоприятные могут существенно удорожить его и в ряде случаев сделать невозможным. Их необходимо учитывать при проектировании и производстве сельскохозяйственных машин, дорожно-строительных машин и другой техники Изучением физико-механических свойств занимается особый раздел почвоведения — механика почв; изучаются они и в грунтоведении и инженерной геологии

Источник

Усадка это способность 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