Плотность твердой фазы, плотность сложения и пористость.

Плотность твердой фазы почвы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при -\-4° С.

В лабораторных условиях плотность твердой фазы определяют пикнометрическим методом, при котором объем твердой фазы находят по массе воды, вытесненной навеской сухой почвы. При этом исходят из того, что при температуре 4 °С 1 г воды занимает объем, равный 1 см³. Именно поэтому в практике почвоведения плотностью твердой фазы называют отношение массы сухой почвы к массе равного объема воды при температуре 4 °С.

 

Данный показатель измеряется в граммах на сантиметр кубический (г/см³) и зависит от минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества.

Различные типы почв имеют неодинаковую плотность 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 сложения почв.Сложение почвы определяется взаимным расположением ее частиц и комков. Плотностью сложения (или просто плотностью) почвы (d_v) называется масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии. При ее определении учитывается не только объем твердой фазы почвы, но и объем пор, поэтому плотность почвы будет всегда меньше плотности твердой фазы ее.

Как и плотность твердой фазы, она выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см³).

У минеральных почв плотность колеблется от 0,9 до 1,8 г/см³, у торфяно-болотных — от 1,15 до 0,40 г/см³. Этот показатель довольно динамичен и зависит от минералогического состава почвы, размера; почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния и пористости.

Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная величина плотности на суглинистых и глинистых почвах 1 —1,2 г/см³.

Пористость — суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Пористость выражается в процентах от общего объема почвы.

Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам почвы относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Пластичность— способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность проявляется только при влажном состоянии почвы.

В соответствии с этим Аттерберг предложил различать следующие константы пластичности почвы:

а) верхний предел пластичности, или предел текучести, — весовая влажность почвы при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на глубину 10 см;

б) нижний предел пластичности, или предел раскатывания, — весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования в нем разрывов;

в) число пластичности —разность между числовым выражением верхнего и нижнего пределов пластичности.

Пластичность теснейшим образом связана с гранулометрическим составом почв. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые— в пределах 7—17; супеси — меньше 7; пески непластичны (число пластичности стремится к 0).

Липкость— свойство влажной почвы прилипать к другим телам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

Величина липкости определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Липкость выражается в граммах на 1 см².

На прилипание существенно влияет механический состав почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка она наименьшая.

Н. А. Качинский (1934) делит почвы по липкости на предельно вязкие (>15 г/см²), сильновязкие (5—1.5), средние по вязкости (2—5), слабовязкие (<2 г/см²).

Набухание— увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек).

Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы.

Набухание почвы может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в поверхностном слое почвы. Вследствие набухания частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению агрегатов.

Усадка— сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы.

При сильной усадке в почве образуются многочисленные трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается физическое испарение влаги.

Связность— способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы.

Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наименьшей — песчаные. Малоструктурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в кг/см².

Твердость— сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и и т.д.). Твердость определяется специальными приборами — твердомерами. Выражается в килограммах на 1 см². Высокая твердость — признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения. По мере уменьшения влажности она резко возрастает.

Заметное влияние на твердость оказывает структурность почвы. Распыленная почва при высыхании оказывает значительно большее механическое сопротивление, чем комковато-зернистая.

Твердость непосредственно связана с составом поглощенных оснований почвы; так, у черноземов, насыщенных кальцием, она в 10— 15 раз меньше, чем у солонцов.

Спелость почвы. С физико-механическими свойствами почвы тесно связана ее спелость. Различают физическую и биологическую спелость почвы.

Физической спелостью называется состояние почвы, при котором она оказывает наименьшее сопротивление обрабатывающим орудиям, хорошо крошится и образует максимальное количество мезоагрегатов. Влажность физически спелой почвы колеблется от 60 до 90% от наименьшей влагоемкости. Она зависит от гранулометрического состава. У песчаных и супесчаных почв состояние физической спелости наступает при более высокой влажности, чем у суглинистых и глинистых.

Под биологической спелостью понимают такое состояние почвы, при котором почвенные микроорганизмы начинают активно содействовать освобождению продуктов питания для растений.

 

 

Лекция 7. Водно-физические свойства почв и их регулирование. Почвенный раствор и почвенный воздух.

 

1.Водно-физические свойства почв и их регулирование 99

1.1.Категории почвенной влаги 100

1.2.Водные свойства почвы 102

1.2.1.Водоудерживающая способность почвы 102

1.2.2.Водоподъемная способность 103

1.2.3.Водопроницаемость 104

1.3.Почвенно-гидрологические константы 104

1.4. Водный режим 105

1.5.Типы водного режима и его регулирование 105

2.Почвенный раствор 107

3.Окислительно-восстановительные процессы в почвах 108

4.Почвенный воздух 109

3.1.Формы почвенного воздуха 110

3.2.Роль макрогазов в почвообразовании и развитии растений 111

3.3.Воздушный режим почв 112

Краткий конспект Лекции 7 113

1.Водно-физические свойства почв и их регулирование

 

Роль воды в почве определяется ее особым двойственным положением в природе: с одной стороны, вода — это особая физико-химическая весьма активная система, обеспечивающая многие физические и химические процессы в природе, с другой это мощная транспортная геохимическая система, обеспечивающая перемещение веществ в пространстве.

Вода является одним из важнейших факторов плодородия почвы и урожайности растений, причем в почвенных процессах и в создании агрономически важных свойств почвы она имеет разностороннее значение.

С наличием воды связано большинство явлений передвижения веществ в почве.

Степень увлажнения почвы оказывает большое влияние на формирование почвенной структуры, на физико-механические свойства почвы, на качество ее обработки, на производительность и изнашиваемость сельскохозяйственных машин и орудий.

Все жизненные процессы в растениях нормально протекают только при достаточном насыщении их клеток водой.

Вода наряду с углекислым газом является для растений тем первичным строительным материалом, из которого в процессе фотосинтеза синтезируется органическое вещество. В воде растворяются питательные вещества, которые с почвенным раствором поступают в растения. Вода является и терморегулятором почвы и растений.

В процессе своей жизнедеятельности растения тратят огромное количество воды. Для создания единицы веса сухого вещества растения затрачивают 300—800 частей воды.

При этом расход воды растениями характеризуется коэффициентом транспирации и показателем относительной транспирации.

Коэффициент транспирации — это отношение количества воды, израсходованного растениями за единицу времени, к общему количеству сухого вещества, образованному ими за то же время.

Относительной транспирациейназывается отношение фактической транспирации растений при данной водообеспеченности к потенциальной транспирации при свободном доступе воды. Растения на создание 1 т сухого вещества биомассы расходуют от 400 до 600 т воды при ее свободном доступе. У отдельных культур значение данного показателя может превышать 1000 т.

В ряде случаев почва является главным, а во многих случаях и единственным источником воды для произрастающих на ней растений.

 

1.1.Категории почвенной влаги

В зависимости от температуры вода в почве может находиться в трех состояниях: твердом, парообразном и жидком.

Твердая влага представлена льдом. В таком состоянии вода находится при отрицательной температуре. Замерзшая вода неподвижна и недоступна растениям. При температуре выше 0 °С она становится жидкой или парообразной.

 

Парообразная влага находится в почве в форме водяного пара. Она занимает поры аэрации и перемещается по ним или с током почвенного воздуха, или же диффузионно — от пор с более высокой абсолютной упругостью пара к порам с меньшей упругостью.

Это во многом зависит от температуры почвы. При ее увеличении возрастает давление водяного пара и пар начинает передвигаться к менее прогретым горизонтам. Именно поэтому при большой амплитуде колебания температуры воздуха в дневное и ночное время могут возникать восходящие и нисходящие потоки движения парообразной воды. По мере снижения температуры водяные пары способны конденсироваться на поверхности почвенных частиц и переходить, таким образом, в жидкое состояние.

Вода, которая находится в почве в парообразном или жидком состоянии, подвергается действию сорбционных, капиллярных, осмотических и гравитационных сил.

Эти силы могут существенно изменить свойства воды, уменьшить или увеличить ее подвижность, а соответственно и доступность растениям.

 

Сорбционные силы обусловлены свободной поверхностной энергией, присущей почвенным частицам и воде. Благодаря этой энергии почвенные частицы способны притягивать к себе дипольные молекулы воды.

Такой процесс называется сорбционным (сорбцией), а само явление — гидратацией. Благодаря этому явлению вокруг ионов и коллоидных частиц может образоваться водная оболочка

Капиллярные силы, их еще называют менисковыми, обусловлены поверхностным натяжением воды и явлениями смачивания.

На поверхности воды существует своеобразная пленка, обладающая поверхностным натяжением и определенным количеством свободной энергии.

Благодаря этой свободной энергии вода может смачивать поверхность большинства тел. Явление смачивания вызывает образование вогнутого мениска, т.е. искривление поверхности жидкости у стенок сосуда, в который она заключена.

Образование вогнутого мениска ведет к уменьшению поверхностного давления и соответственно к поднятию воды по капиллярам.

Существует обратная зависимость высоты капиллярного поднятия воды от радиуса каппилляра.

Менисковые, или капиллярные, силы начинают проявляться в порах диаметром менее 8 мм.

Наибольшей капиллярной силой обладают поры размером от 100 до 3 мкм. Гранулометрический состав почв и грунтов влияет на высоту капиллярного поднятия воды.

Благодаря воде, передвигающейся под действием капиллярных сил, в засушливые периоды года может происходить пополнение запасов влаги в пахотном горизонте почвы, а также перемещение водорастворимых солей, коллоидов, тонких суспензий из нижних горизонтов в верхние.

Осмотическое давление. Влага, которая находится в почве, при взаимодействии с ее твердой и газообразной фазами, корнями растений и живыми организмами обогащается различными водорастворимыми соединениями и превращается в почвенный раствор.

Этот раствор вследствие взаимного притяжения растворенного вещества и молекул воды обладает определенным осмотическим давлением.

В почве осмотическое давление возникает при взаимодействии воды и обменных ионов, а также в тех случаях, когда почвенный раствор имеет неодинаковую концентрацию в его различных частях.

Благодаря осмотическим силам вода в почвенной толще способна передвигаться от участков с низкой концентрацией к участкам с большей концентрацией. При этом способность раствора с большей концентрацией притягивать к себе молекулы воды из раствора с меньшей концентрацией иногда называют всасывающим давлением раствора.

Под действием гравитационных сил свободная влага, находящаяся в крупных порах, может передвигаться из верхних горизонтов в нижние и уходить за пределы почвенного профиля.

Для оценки совокупного действия сил, под влиянием которых вода находится в почве, введено понятие «потенциал почвенной влаги». Он характеризует энергию, с которой почва удерживает воду.

Если почва полностью насыщена водой и не содержит солей, то потенциал ее влаги равен нулю. С уменьшением влажности значение данного показателя возрастает и почва приобретает способность поглощать чистую воду. Такая способность почвы называется ее сосущей силой.

Величина этой силы у сухих почв может достигать 10 тыс. атм.

 

Вода в почве подвергается воздействию различных сил и характеризуется различной подвижностью и соответственно неодинаковыми свойствами и доступностью растениям, поэтому ее принято делить на категории и формы.

Выделяют следующие категории почвенной влаги.

Кристаллизационнаявода. Эта вода входит в состав кристаллических решеток минералов и характеризуется полной неподвижностью и недоступностью для растений.

Связанная вода.Она удерживается в почве за счет сорбции парообразной и жидкой влаги на поверхности ее твердой фазы.

Подразделяется на две формы: прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода удерживается на поверхности почвенных частиц и образует вокруг них тонкую пленку, состоящую из двух-трех слоев молекул воды. Эта влага называется гигроскопической. Являясь чрезвычайно прочно связанной с твердой фазой почвы, она неподвижна, совершенно недоступна растениям, не растворяет растворимые в свободной воде вещества, обладает более высокой плотностью и более низкой, чем свободная влага, температурой замерзания.

Рыхлосвязанная вода образуется при соприкосновении почвенных частиц с водой, находящейся в жидком состоянии. Она представляет собой дополнительную водную пленку, расположенную вокруг прочносвязанной влаги.

Толщина пленки достигает нескольких десятков молекул воды, которые могут передвигаться под действием сорбционных сил от одних почвенных частиц к другим.

Свободная влага.Свободной влагой называется влага, которая находится в жидком состоянии и передвигается в почве под действием капиллярных и гравитационных сил. В зависимости от интенсивности проявления этих сил свободная влага также делится на две формы:

капиллярную и гравитационную.

Капиллярная влаганаходится в капиллярных порах и передвигается в них за счет капиллярных сил.

Подразделяется на капиллярно-подпертую и капиллярно-подвешенную.

Капиллярно-подпертая влага формируется при увлажнении почвы грунтовыми водами, которые снизу как бы подпирают влагу, находящуюся над ними в капиллярных порах. При этом слой почвы, заполненный капиллярной влагой и расположенный непосредственно над грунтовыми водами, называется капиллярной каймой.

Капиллярно-подвешенная влага создается из атмосферных осадков или при поливе почвы. Существует несколько ее разновидностей, среди которых наибольший интерес представляют стыковая, внутриагрегатная и сорбционно-замкнутая влага.

Стыковая капиллярно-подвешенная влага расположена в виде отдельных скоплений вокруг точек соприкосновения почвенных частиц. Она удерживается в почве с помощью капиллярных сил и характерна, как правило, для песчаных почв.

Внутриагрегатная капиллярно-подвешенная влага удерживается капиллярными силами в капиллярных порах, расположенных внутри почвенных комков.

Сорбционно-замкнутая влага расположена в некапиллярных порах, изолированных перемычками связанной воды. Эта разновидность капиллярно-подвешенной влаги удерживается в. почве с помощью сорбционных сил.

Капиллярно-подвешенная влага доступна для растений и сохраняется в почве длительное время. Ее количество во многом зависит от гранулометрического состава почвы. Чем тяжелее почва, тем больше капиллярно-подвешенной влаги может накапливаться в ней.

Подвешенная (1) и подпертая (2) капиллярная влага.
ГВ – грунтовые воды; В – водоупор

Гравитационная влага.Это вода, которая находится в крупных порах. По этим порам она может передвигаться вниз под действием силы тяжести; доступна для растений и подразделяется

на просачивающуюся воду и

воду водоносных горизонтов.

Просачивающаяся влага — это влага, которая передвигается сверху вниз под действием силы тяжести.

Влага водоносных горизонтов располагается над водоупорным слоем и удерживается в пределах почвенного профиля за счет его непроницаемости. Наличие в почвенной толще избыточного количества свободной гравитационной влаги — нежелательное явление, так как способствует развитию заболачивания.

1.2.Водные свойства почвы

 

Водными (водно-физическими, гидрофизическими) свойствами называют совокупность свойств почвы, которые определяют поведение почвенной воды в ее толще. Наиболее важными водными свойствами являются:

водоудерживающая способность почвы,

водоподъемная способность,

водопроницаемость.

 

1.2.1.Водоудерживающая способность почвы

 

Водоудерживающая способность — способность почвы удерживать содержащуюся в ней воду от стекания под влиянием силы тяжести.

Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость.

Влагоемкость почвы — способность поглощать и удерживать наибольшее количество воды. Выражается в процентах от массы сухой почвы.

Выделяют следующие виды влагоемкости:

максимальную адсорбционную,

максимальную молекулярную,

капиллярную,

наименьшую (полевую)