Фізичні властивості грунтів і порід

Загальними фізичними властивостями грунту і породи є щільність твердої фази, щільність непорушеного грунту і його пористість.

Щільність твердої фази (d)– інтегрована щільність усіх компонентів твердої фази грунту (уламки гірських порід, новоутворені мінерали, органічні частки) або маса одиниці об'єму грунту без пор.

Верхні горизонти грунту мають меншу щільність, ніж нижні, тому що щільність гумусу становить 1,4-1,8, а щільність мінеральних компонентів – 2,3-3,3 г/см куб. Найвищою щільністю твердої фази володіють ілювіальні та солонцеві, найнижчою – торфові та тучні (сильногумусовані) горизонти. Для більшості грунтів щільність твердої фази складає 2,40-2,65 г/см куб, а для торф'яних – 1,4-1,8 г/см куб.

Щільність грунту (р)– маса одиниці об'єму грунту в природному непорушеному й сухому стані.

Завдяки наявності пор, заповнених повітрям, щільність грунту значно менша, ніж щільність його твердої фази. Щільність грунту верхніх горизонтів становить 0,8-1,2 г/см куб, а нижніх – 1,3-1,6 г/см куб. Залежить ця величина від мінералогічного та гранулометричного складу грунту, його структури, вмісту органічної речовини, обробітку грунту. Оптимальна щільність становить 1,0-1,2 г/см куб, а коливається від 0,4 (торф) до 1,66 (ілювіальні горизонти).

В.В.Медведевым, Т.Є.Линдіною, Т.М.Лактіоновою (2001) узагальнені дані щодо щільності грунтів України (табл.5).

Таблиця 5. Реальні та оптимальні для рослин параметри щільності орного шару основних грунтів України

Дані досліджень свідчать, що інтенсивний обробіток є головною причиною широкого розповсюдження на Україні фізичної деградації грунтів – руйнування природної структури, появи брил і пилу, переущільнення і, як наслідок — підсилення водної і вітрової ерозії, погіршення водно-повітряного режиму, умов росту і розвитку кореневих систем рослин тощо. Головним напрямком боротьби з фізичною деградацією грунтів є мінімалізація їх обробітку.

Пористість грунту (Р)– сумарний об'єм усіх пор між частками твердої фази одиниці об'єму грунту, виражений у процентах.

Її можна вирахувати за формулою:

де р – щільність грунту, г/см куб; d – щільність твердої фази, г/см куб.

Пористість залежить від мінералогічного складу, структурності, життєдіяльності грунтової біоти (особливо фауни) та від обробки грунту сільськогосподарськими знаряддями. Пори в грунті утворюються між окремими механічними елементами й агрегатами та в середині агрегатів.

Важливою екологічною характеристикою грунту є пористість аерації, тобто об'єм пор, заповнених повітрям. Повітря заповнює пори, не зайняті водою. Цей показник залежить від багатьох факторів, але в першу чергу від гранулометричного складу та агрегованості. У піщаних едафотопах пористість аерації складає більше 25%, у суглинистих – 20-15%, а в глинистих – не більше 10% від загального об'єму грунту. Проте в глинистих грунтах на величину пористості аерації впливає ступінь агрегованості. У добре агрегованих грунтах з макроагрегатами крупнішими за 5 мм у діаметрі формується велика кількість макропор, що чудово дренують воду і залишаються заповненими повітрям майже увесь час. Пористість аерації в таких грунтах зростає до 20-30%.

Загальні фізичні властивості грунту залежать від мінералогічного, механічного і структурного складу. Так, гумусний горизонт структурного грунту (наприклад, чорнозему) має високу пористість (до 70%), а безструктурного глинистого грунту – значно меншу (<50%).

Основними фізико-механічними (реологічними) властивостями грунту є липкість, пластичність, набухання й усадка. Усі вони залежать від умісту в грунті глинистих мінералів.

Пластичність– здатність грунту змінювати свою форму під впливом будь-якої зовнішньої сили без порушення суцільності та зберігати свою форму після знешкодження впливу зовнішньої сили. Ця властивість зумовлена наявністю в грунті мулистої фракції.

Сухий грунт не володіє пластичністю. Пластичність зростає при збільшенні вмісту обмінного натрію та зменшується при насиченні грунту катіонами кальцію, магнію та гумусовими речовинами.

Липкість– здатність вологого грунту прилипати до інших тіл. Визначається силою, що треба прикласти для відриву металічної пластини від грунту, і виражається в г/см кв.

Залежить від тих же факторів, що і пластичність. Обмінні катіони та гумус на явище липкості впливають аналогічно.

Набухання– збільшення об'єму грунту при зволоженні. Зумовлене сорбцією вологи грунтовими частинками й гідратацією обмінних катіонів.

Залежить від мінералогічного складу та складу колоїдів і обмінних катіонів. Найвища здатність до набухання встановлена у грунтів, багатих на монтморилоніт та вермикуліт, найменша – у збагачених каолінітом. Сильно набухають грунти, насичені натрієм.

Усадка– зменшення об'єму грунту при його висиханні.

Усадка – явище, протилежне до набухання, тому залежить від тих же факторів. Сильна усадка призводить до утворення крупних тріщин, розриву кореневих систем, зростання випаровування з поверхні грунту. Пластичність, липкість, сильна усадка та набухання – негативні фізико-механічні властивості грунтів. До механічних властивостей грунтів належать також твердість, зв'язність і питомий опір.

Від гранулометричного складу та фізичних властивостей грунтів залежить система їх обробітку та особливості інших агротехнічних заходів, строки польових робіт, система удобрення, структура посівних площ тощо.

Мінералогічний, хімічний та гранулометричний склад грунтотворних порід мають великий вплив на географію та екологію грунтів. Цей вплив може проявлятись безпосередньо або опосередковано шляхом дії на інші фактори грунтоутворення. Прикладом безпосереднього впливу мінералогічного й хімічного складу може служити формування дерново-карбонатних грунтів у лісовій зоні, де суцільно розповсюджені кислі сильнопідзолисті грунти. Це пояснюється тим, що в породах, льодовикових суглинках, у значній мірі наявні уламки й валуни осадових вапняків. Наявність крупних мас кальциту нейтралізує кислі грунтові розчини, перешкоджає виносу елементів із грунту, тобто опідзоленню. У результаті на ділянках із вапняками формуються грунти не опідзолені, не вилугувані, що різко відрізняються від відповідних, утворених на льодовикових породах, у складі яких основними мінералами є кварц і силікати.

Контрольні питання

1. Охарактеризуйте основні первинні мінерали порід і грунтів.

2. Порівняйте різні види вивітрювання гірських порід.

3. Які мінерали називають вторинними й яка їх роль у грунтоутворенні та формуванні властивостей грунтів?

4. Дайте порівняльну характеристику основних грунтоутворюючих (материнських) порід.

5. Чим відрізняється мінералогічний склад осадових порід порівняно з магматичними?

6. Опишіть загальні фізичні властивості твердої фази грунтів.

7. Визначте причину фізичної деградації грунтів України та обгрунтуйте шляхи боротьби з цим негативним явищем.