Физико-механические свойства почв

Физико-механические свойства почв важны при решении воп­росов, связанных с обработкой почв, подборе материалов для рабо­чих частей сельскохозяйственных машин, при строительстве и др. физико-механические свойства почв имеют важное значение и в жизни растений: они часто оказывают решающее влияние на рас­пределение корневых систем (хотя удельное давление корня дости­гает колоссальных размеров, значительно превышающих удельное давление рабочих частей многих сельскохозяйственных машин).

Важнейшими физико-механическими свойствами почв являются: твердость, связность, пластичность, липкость, усадка и набухание.

Твердостью почвы называется сопротивление, которое она ока­зывает проникновению в нее под давлением стержней или клиньев, называемых плунжерами. По данным П.У. Бахтина, между твердо­стью и влажностью существует тесная связь, характеризующаяся обратным коэффициентом корреляции, достигающим 0,8—1,0. Твер­дость почв различного гранулометрического состава изменяется в широких пределах — от 5—7 до 45 кг/см².

Отмечается тесная связь между твердостью и удельным сопро­тивлением почвы при пахоте. Удельное сопротивление — это сила тяги (тяговое усилие), отнесенная к единице поперечного сечения пласта почвы при вспашке. Удельное сопротивление зависит от ме­ханического состава, структурного состояния и твердости почв, а также от содержания в почве влаги. Оно наименьшее при содержа­нии влаги около 15—25 %. В различных почвах удельное сопротив­ление варьирует от 1,1 до 0,4 кг/см².

Для измерения твердости почв и удельного сопротивления слу­жат твердомеры, динамографы. Созданы полевые приборы для оп­ределения твердости различных горизонтов почв непосредственно при полевом описании почвенного профиля.

Связностью почвы называется ее способность сопротивляться внешнему усилию, направленному к разъединению частиц путем раздавливания или сдвига. Связность почвы измеряется величиной той нагрузки, которую надо приложить к единице объема высушен­ной почвы, чтобы ее раздавить.

Связность почв варьирует в очень больших пределах и зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса и состояния влажности. Все расчеты рабочих частей сельскохозяйственных ору­дий производятся с учетом связности почв.

Пластичность почвы — это способность ее во влажном состоя­нии склеиваться, лепиться и сохранять полученную форму. Плас­тичность почвы изменяется в зависимости от гранулометрического состава, она уменьшается от глинистых почв к суглинистым и су­песчаным. Песчаные почвы не пластичны.

Измеряется пластичность условной величиной, которая называ­ется числом или коэффициентом пластичности.

Сухая почва представляет собой сыпучее тело; если начать к почве прибавлять воду, то свойство сыпучести теряется; при некотором количестве воды почва начинает склеиваться и ее можно скатать. Минимальное количество воды, которое необходимо для того, что­бы почва начала скатываться, называется нижним пределом плас­тичности или границей скатывания. Это количество воды выража­ется в процентах к весу почвы. Если дальше прибавлять воду, то постепенно почва делается все более пластичной. Можно достичь такого состояния, что, если взять кусок влажной почвы, разделить его узкой щелью (шпателем) на две части, положить их рядом на доску и ударить по доске снизу или сбоку, куски почвы соединятся вместе. Такое состояние почвы называется верхним пределом плас­тичности или нижней границей текучести. При дальнейшем увлаж­нении почва начинает приобретать свойство текучести и пластич­ность ее уменьшается, если дальше прибавлять воду, то два куска почвы, насыщенных водой, даже без удара стекаются вместе. Коли­чество воды, при котором почва свободно начинает сливаться, на­зывается верхней границей текучести.

Таким образом, почва обладает пластичностью, когда она нахо­дится в состоянии увлажнения между верхним и нижним предела­ми пластичности. Разница в содержании воды между этими двумя состояниями называется числом, или коэффициентом, пластичности.

Почвы, пластичные во влажном состоянии, обладают связнос­тью в сухом состоянии. Пластичность обычно учитывается при рас­чете режущей части обрабатывающих сельскохозяйственных орудий и при расчете норм горючего.

Липкость почв, так же как и пластичность, обусловлена наличи­ем в них илистых частиц и воды. Она появляется при определенной степени влажности, достигает максимума и вновь уменьшается при переувлажнении почв. Липкость измеряется силой (выраженной в граммах), необходимой для отрыва от поверхности почвы металли­ческой пластинки площадью в 1 см².

Усадкой почвы называется уменьшение ее объема при высыха­нии. Она зависит от гранулометрического состава, минералогичес­кого состава ила, степени гидрофильности коллоидов и первона­чального содержания воды. Усадка выражается в процентах к пер­воначальному объему влажной почвы.

Набухание почвы — увеличение объема почвы при увлажнении; подобно усадке, набухание измеряется в процентах к первоначаль­ному объему сухой почвы. Величина набухания также зависит от гранулометрического состава, состава глинистых минералов и со­става поглощенных оснований. Наибольшему набуханию подвер­жены глинистые почвы монтмориллонитового состава и почвы, на­сыщенные натрием.

Тепловые свойства почвы

Температура почвы наряду с влажностью существенно влияет на рост высших растений, жизнедеятельность микроорганизмов, на растворимость различных минеральных веществ, а также кислорода и углекислоты в почвенной влаге. От температуры почвы зависит скорость газообмена между почвенным воздухом и приземной ат­мосферой.

Температура почвы тесно связана с температурой приземного слоя атмосферы. Между почвой и приземной атмосферой происхо­дит энергообмен. Особенно большое значение он имеет летом в ночное время суток, когда нагретая за день почва является мощным инерционным источником тепла и обогревает воздух и растения. Сильное выхолаживание почвы в ночное время приводит к конден­сации на поверхности росы.

Под влиянием градиентов температуры передвигается парооб­разная и жидкая влага в почвах; перепады температур, особенно при переходе через О °С, обусловливают ряд важных процессов физи- ко-химического и физического порядка.

Главными тепловыми свойствами почв, регулирующими ее тем­пературный режим, являются: теплоемкость, температуропроводность и теплопроводность, лучепоглотительная, лучеиспускательная и лучеотражательная способности.

Теплоемкость почвы — это количество тепла, которое надо затра­тить для нагревания 1 г или 1 см³ почвы на 1 °С. Объемная теплоем­кость составляет 2,0—2,5 Дж/см³.

Теплоемкость почвы зависит от теплоемкости входящих в ее состав минералов, количества органического вещества (чем его боль­ше, тем теплоемкость почвы больше) и состояния влажности по­чвы. Чем почва влажнее, тем больше ее теплоемкость, так как теп­лоемкость воды равна 4,19, а теплоемкость воздуха — 0,001282 Дж. Следовательно, теплоемкость почв резко изменяется в зависимости от степени увлажнения. Чем влажнее почва, тем больше тепла тре­буется на ее нагревание.

Теплопроводность — это скорость передачи тепла в почвах. Ко­эффициент теплопроводности К — количество тепла, передаваемое от поверхности в глубь почвы (или в обратном направлении) через единицу протяженности (см) в единицу времени (1 с) при градиенте температур 1 °С. Он имеет размерность Вт/ (м • °С).

Температуропроводность — это изменение температуры 1 см³ почвы, вызванное поступлением некоторого количества тепла, про­текающего за 1 с через 1 см² поперечного сечения при разности температур 1 °С на расстоянии 1 см.

Теплопроводность и теплоемкость связаны уравнением:

где К — температуропроводность почвы; к — теплопроводность по­чвы; CV — объемная теплоемкость.

Теплопередача в почве осуществляется разными путями:

а) от частицы к частице через разделяющую их среду (воздух, вода);

б) через непосредственные контакты твердых частиц;

в) излучением от частицы к частице;

г) конвекцией через газ и жидкость.

Поэтому величина теплопроводности зависит от ряда факторов: теплопроводности входящих в ее состав минералов, содержания орга­нических веществ, величины порозности и степени увлажнения. Ми­неральные вещества обладают большей теплопроводностью, чем орга­нические. Влажные почвы обладают значительно большей тепло­проводностью, чем сухие.

Горизонты почв, богатые органическим веществом и имеющие большую пористость, в сухом состоянии обладают очень плохой теплопроводностью: в районах распространения вечной мерзлоты в почвах, имеющих на поверхности слой торфа, вечная мерзлота ле­жит ближе к поверхности, чем в почвах незаторфованных.

Почвы обладают лучепоглотительной, лучеотражательной и лу­чеиспускательной способностями.

Лучепоглотительная и лучеотражательная способности изменя­ются в зависимости от цвета почв и формы поверхности. Темные почвы значительно больше поглощают лучей, чем почвы светлые.

Почвы с гладкой поверхностью обладают лучшей отражательной способностью, чем почвы шероховатые. Отношение количества от­раженных почвой лучей к количеству падающих на ее поверхность называется альбедо. Альбедо почв колеблется в широких пределах — от 15 (темные почвы) до 40—45 % (белый песок). Черноземные поля, занятые растительностью, имеют альбедо 17—20%, открытое паро­вое поле — 7—8 %.

Лучеиспускательная способность почв, или способность их вы­делять тепловые лучи, зависит в значительной мере от влажности, от состояния и температуры поверхности и от величины теплопро­водности почв. Почвы влажные, с шероховатой поверхностью и от­носительно более теплопроводные обладают наибольшей лучеис­пускательной способностью.

Комплекс тепловых свойств почв обусловливает их температур­ное состояние, что в свою очередь влияет на скорость и интенсив­ность биохимических и химических процессов в почвах и имеет непосредственное значение для развития растений.