Физические и физико-механические свойства почвы

К физическим свойствам относятся плотность твердой фазы, плотность почвы и пористость.

Плотность твердой фазы почвы это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4⁰ С, то есть это масса сухого вещества почвы в единице объема твердой фазы почвы без пор.

Если условно исключить жидкую и газообразную составные части почвы, придать твердой фазе монолитное состояние и определить массу единицы ее объема, то это и будет плотность твердой фазы. Этот показатель выражается в г/см³, его величина зависит от минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Минералы, входящие в состав почвы, характеризуются различной плотностью твердой фазы: от 2,1 до 5 г/см3 и более. Соответственно, чем больше в почве тяжелых минералов, тем выше плотность ее твердой фазы.

Величина этого показателя у органических веществ 1,2-1,8 г/см³, что в 1,5-2 раза меньше, чем у минеральной части почвы. Поэтому почвы с большим содержанием органического вещества всегда отличаются меньшей плотностью твердой фазы. В целом плотность твердой фазы – величина довольно стабильная и в минеральных горизонтах большинства почв находится в пределах 2,4-2,7 г/см³, в торфяных — 1,4-1,8 г/см³.

Плотность (плотность сложения) почвы – масса единицы ее объема в абсолютно сухом состоянии при естественном сложении. Как и плотность твердой фазы, ее выражают плотность почвы в г/см³.

Плотность сложения почв характеризует взаимное расположение почвенных частиц и агрегатов с учетом пространства между ними. У минеральных почв плотность колеблется от 0,9 до 1,8 г/см³, у торфяно-болотных — от 1,15 до 0,40 г/см³.

В отличие от плотности твердой фазы, этот показатель довольно динамичен и зависит от минералогического состава почвы, размера почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния и пористости.

Гумусовые горизонты характеризуются небольшой плотностью: для дерново-подзолистых почв – 1,1 –1,2, подзолистых – 1,4–1,45, черноземов – 1,0–1,15, торфяных – 0,4–0,6 г/см³.

С глубиной плотность сложения возрастает, ее величина в ниже лежащих горизонтах во многом зависит от свойств породы.

Большое влияние на величину плотности сложения оказывает обработка почвы. Как правило, наименьшую платность почва имеет сразу же после механической обработки, которая способствует ее разрыхлению и увеличению объема пор. Со временем плотность почвы постепенно увеличивается до состояния, которое называется равновесной плотностью. При таком состоянии плотность сложения почвы длительное время почти не изменяется, что в первую очередь объясняется равновесием сил, вызывающих уплотнение почвы и увеличение объема пор.

Уменьшение плотности почвы может происходить в результате ее набухания при увлажнении и последующей усадки в засушливый период, замерзания и оттаивания воды в почве, развития корневой системы растений, деятельности обитающих в почве животных, внесения органических удобрений. Сильное уплотнение почвы приводит к резкому снижению урожайности культурных растений. Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет свои требования к плотности почвы. Наиболее благоприятная для того или иного растения плотность сложения почвы называется оптимальной. Для большинства сельскохозяйственных культур она составляет 1,0—1,2 г/см³.

От плотности сложения зависят водные, воздушные и тепловые свойства, развитие корневой системы растений, интенсивность микробиологических процессов, а в конечном итоге – урожайность сельскохозяйственных культур. К основным агротехническим мероприятиям, направленным на достижение оптимальных параметров плотности сложения почвы, относятся правильно и своевременно проведенная механическая обработка ее глубокое рыхление и внесение органических удобрений

На величину плотности почвы влияет гранулометрический состав: легкие почвы имеют меньшую плотность сложения по сравнению с тяжелыми; содержание органического вещества: чем оно выше, тем меньше плотность сложения почвы; структурность: чем лучше структурное состояние почвы, тем ниже ее плотность.

Оценка плотности суглинистых и глинистых почв разработана Н.А. Качинским (табл.1.3).

Во многом плотность почвы предопределяет ее водно-воздушный и тепловой режимы, биологическую активность. Сильно уплотненная почва хуже поддается механической обработке, особенно в сухом состоянии; корневая система растений в такой почве плохо развивается; соотношение воды и воздуха, особенно во влажном состоянии, крайне неблагоприятно; высока эрозионная опасность.

Плотность почвы учитывают при определении массы почвы на какой-то площади, расчете пористости, запасов влаги, гумуса, норм полива и т.д.

Переуплотнение почвы несет ряд негативных последствий (рис. 1.23)

Таблица 1.3. Оценка плотности почвы.

Рис.1.23 Последствия переуплотнения почвы:

Снижение уплотняющего воздействия техники на почву осуществляется: за счет проведения технологических операций и конструктивных мероприятий (рис.1.24).

Рис.1.24 Технологические (а) и конструкционные (б) мероприятия для снижения уплотнения почвы

Пористость (скважность) почвы – суммарный объем пор между частицами твердой фазы почвы. Объем пор равен разнице между общим объемом почвы и объемом ее твердой фазы. Отношение объема пор (Vп) к общему объему почвы (V) называется общей порозностью (Р).

Р = Vп/V

Общую порозность выражают либо в долях, либо в %.

Величина этого показателя зависит от гранулометрического состава (величины и формы механических элементов), количества, величины и формы структурных отдельностей, плотности почвы.

Порозность почвы изменяется в соответствии с изменением ее структурного состояния. Н.А.Качинским разработана оценка общей порозности почвы (табл.1.4).

Помимо этого пористость (скважность) характеризуется формой и величиной пор внутри структурных различий и между ними. По расположению пор внутри структурных агрегатов состояние почвы оценивается по-разному (рис.1.23).

Поры, занятые воздухом, называются порами аэрации. Минимальный допустимый предел аэрации –10–12%. Это тот минимум пор, занятых воздухом, при котором еще возможно развитие растений, а для их нормального развития пористость аэрации должна находиться в пределах 20–22 % от общей пористости.

Таблица 1.4.Оценка общей порозности почв

Рис. 1.25 Оценка внутриагрегатной пористости почвы

С формой и величиной пор тесно связана способность почвы образовывать трещины (табл.1.5)

Таблица 1.5 Трещиноватость почв с различной пористостью

Различают поры активные и неактивные. В активных порах возможно передвижение свободной воды. Неактивные поры полностью заполнены водой, она недоступна растениям.

К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость.

Способность влажной почвы необратимо менять форму без образования трещин непосредственно после приложения нагрузки определенной интенсивности называется пластичностью почвы. Она зависит от гранулометрического и химического состава, влажности почвы, содержания органического вещества в ней. Пластичность глин вдвое больше пластичности суглинков и втрое больше пластичности супесей. Пески практически непластичны. Частицы пластинчатой и чешуйчатой формы набухают лучше и обладают большей пластичностью. Сухие и переувлажненные почвы не обладают пластичностью.

Каждая почва характеризуется своим интервалом влажности, при котором проявляется пластичность, и определенным числом пластичности.

Величину пластичности измеряют числом пластичности, которое представляет собой разность между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. По числу пластичности Аттерберг классифицирует все почвы на четыре категории (табл. 1.4).

Липкость – способность почвы прилипать к соприкасающимся к ней предметам. Количественно она характеризуется усилием в ньютонах, необходимы для отрыва металлической пластинки от поверхности почвы и выражается в Н/см² (рис.1.26).

Проявляется липкость лишь во влажном состоянии и зависит от ее гранулометрического и минералогического состава, структурного состояния, состава обменных оснований. Почвы с высоким содержанием физической глины и бесструктурные имеют большую липкость. Внедрение в почвенный поглощающий комплекс одновалентных катионов увеличивает липкость почвы, насыщенность кальцием – снижает. Высокогумусированные почвы не проявляют липкости даже при высоком увлажнении.

Таблица 1.4. Классификация почв по числу пластичности.

С липкостью почвы связана ее физическая спелость. Она соответствует влажности, при которой почва не прилипает к почвообрабатывающим орудиям и крошится на комки. Влажность, при которой почва находится в состоянии физической спелости зависит от гранулометрического состава, поглощенных оснований, гумусированности почвы. Легкие, гумусированные, обогащенные кальцием почвы весной раньше готовы к механической обработке.

Рис. 1.26 Схема прибора для определения показателя липкости:

1 – диск; 2 – стержень; 3 – ролик; 4 – нитка; 5 – чашка для гирек; 6 – емкость с грунтом.

Набухание и усадка – изменение объема почвы и грунта в процессе смачивания. Эти свойства связаны с гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также с плотностью почвы или грунта.

На интенсивность набухания влияет состав поглощенных катионов: одновалентные основания (особенно натрий) увеличивают набухание, а при насыщении двух- и трехвалентными катионами значительного набухания не наблюдается.

Усадка явление противоположное набуханию и поэтому зависит от тех же факторов, как правило, они проявляются попеременно.

В процессе почвообразования очень важны циклы набухания и усадки, связанные с циклами увлажнения–иссушения. В зависимости от амплитуды процесса, они играют двоякую роль. При малых амплитудах они способствуют образованию мелкокомковатой структуры, разрушают почвенные корки, способствуют улучшению водно-воздушного режима. При больших амплитудах циклы набухания-усадки, особенно многократно повторяющиеся, способствуют разрушению структуры почв, уплотнению, образованию трещин, разрыву корней растений.

При набухании и последующей усадке в почве образуются многочисленные трещины, которые усиливают испарение влаги и приводят к разрыву корней растений. Склонность почв к образованию трещин зависит от диаметра пор (табл. 1.6,1.7)

Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы, то есть определяет свойство взаимного сцепления частиц, характеризует прочность структуры. Выражается в кг/см².

Связность зависит от гранулометрического и минералогического состава почв, наличия клеющих компонентов, обменных оснований, органического вещества, влажности.

Таблица 1.6 Трещиноватость почв с различной пористостью

Оценка почв по трещинноватости приведена в таблице 1.6

Таблица 1.7 Оценка почв по трещинноватости

В наибольшей степени на связность почв оказывает влияние содержание в них воды. Максимальная связность характерна для сухих ,плотных почв. Так, если почвы во влажном состоянии имеют связность порядка 10–12 г/см²,то при сильном иссушении она увеличивается до 200 и более кг/см².

Влияние органического вещества на связность почв двояко: оно увеличивает связность песчаных почв и снижает глинистых. То есть, способствует оптимизации связности почв.

Твердостью называется свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Измеряется твердость при помощи твердомеров и выражается в кг/см². Твердость почв обусловлена теми же характеристиками, что и связность.

Оценивая твердость генетических горизонтов как наиболее твердые, можно выделить иллювиальные горизонты.

Высокая твердость почвы приводит к снижению всхожести семян и оказывает сопротивление развивающейся корневой системе растений. Твердость почв определяет тяговое усилие сельскохозяйственных орудий. Сила тяги, отнесенная к единице рабочей площади орудия, называется удельным сопротивлением (рис. 1.27). Обрабатывать почвы целесообразно при такой влажности, когда удельное сопротивление минимально.

Рис.1.27 Оценка качества почв по величине удельного сопротивления при обработке

Обрабатывать почвы целесообразно при такой влажности, когда удельное сопротивление минимально, при этом достигается наилучшее качество при минимальной энергоемкости обработки (рис.1.28) .

Рис.1.28. Влияни влажности на удельное сопротивление почвы

При механической обработке пересохших почв (отрезок АБ) образуется глыбы диаметром до 0,5м и более. При пахоте переувлажненных почв (отрезок ВГ), происходит сильное залипание и сгруживания почвы впереди корпуса плуга. Это приводит к росту удельного сопротивления почвы и плохой заделке растительных остатков. При дальнейшем увеличении влажности (отрезок ГД) вода выполняет роль смазки и Ко уменьшается.

Наилучшие показатели обработки имеют место при абсолютной влажности 15-30%. Установлено, что при этом в почве не только сохраняются, а и образуются новые структурные агрегаты.

Физико-механические свойства почвы важно учитывать при различных видах использования почв: от механической обработки до мелиоративных работ; при проектировании и производстве сельскохозяйственных машин и другой техники.

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.