Состав, свойства и режимы почв. Физические свойства почв

Состав, свойства и режимы почв.
Почвенная структура.
• Структура почвы – это форма и размер структурных
отдельностей, на которые в естественном состоянии
распадается почвенная масса (Толковый словарь…, 1975).
• Выделяются 3 группы структур (по классификации С.А.
Захарова): кубовидная, призмовидная, плитовидная.
• В свою очередь каждая из них имеет различные размеры и
формы.
• Кубовидная может быть комковатой, ореховатой, зернистой,
порошистой.
• Призмовидная – столбчатая, призматическая.
• Плитовидная – плитчатая, пластинчатая, листоватая,
чешуйчатая.
1
Состав, свойства и режимы почв.
Почвенная структура.
2
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв.
• Физические свойства почв – совокупность свойств,
характеризующих
физическое
состояние
почв
(гранулометрический и агрегатный состав, структурное
состояние, удельный и объёмный вес, пористость,
водные,
тепловые,
воздушные,
электрические,
радиоактивные и физико-механические свойства почв).
Толковый словарь, 1975.
• 1. Общие физические свойства почв:
1) плотность твердой фазы (удельный вес п.);
2) плотность сложения (объемный вес п.); 3) пористость
или порозность; 4) удельная поверхность почв.
• 2. Физико-механические свойства почв:
1)пластичность; 2) липкость; 3) усадка; 4) набухание;
5) связность; 6) твердость.
3
Состав, свойства и режимы почв.
Общие физические свойства почв.
• 3. Тепловые свойства почв:
1) теплопоглотительная способность; 2) теплоемкость;
3) теплопроводность.
• 4. Водные свойства:
1) водоудерживающая способность; 2) влагоемкость;
3) водопроницаемость; 4) почвенно-гидрологические
константы; 5) водоподъёмная способность почв.
4
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв
Плотность твердой фазы (удельный вес почвы, г/см3) отношение массы твердой фазы почвы к массе воды в
том же объеме при 40С.
Это
средневзвешенный
удельный
вес
веществ,
составляющих почву. Его величина зависит от
минералогического, гранулометрического состава почвы,
содержания органических веществ.
Сухой опад, торф, гумус имеют величины от 0.2-0.5 до 1.01.4 г/см3, минеральные горизонты - от 2.1-2.5 до 4.0-5.2
г/см3, в большинстве случаев определяют 2.4-2.7 г/см3,
торфяные горизонты - 1.4-1.8 г/см3, подстилка - 1.5-1.8
г/см3 .
5
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв
• Плотность сложения (объемный вес, объемная масса
почвы )- масса единицы сухого вещества почвы в единице её
объёма ненарушенного естественного сложения (в г/см3 или
т/м3 ).
• Равновесная плотность - характерный для данной почвы
более или менее стабильный показатель, определяемый в
период равновесного водно-воздушного состояния почвы (в
умеренном климате чаще всего – в августе).
• Оптимальная для онтогенеза растений плотность верхних
горизонтов почв (по С.В. Астапову и С.И. Долгову) варьирует
от 0,95 до 1,15 г/см3.
• Предельная величина плотности, свойственная глеевым
горизонтам заболоченных почв составляет 2,0 г/см3.
• Торф имеет плотность, равную 0.03-0.4 г/см3, минеральные
• горизонты имеют 1.3-1.6, подстилка 0.2-0.4 г/см3.
• Плотность почвы, превышающая величины 1.6-1.7 г/см3,
является критической для проникновения корней растения.
6
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв





Плотность является показателем многих почвенных свойств структуры, водо- и воздухопроницаемости, интенсивности
микробиологических процессов.
Наименьшая плотность наблюдается в верхних горизонтах
почв, наибольшая - в иллювиальных и глеевых.
Например, в дерново-подзолистых почвах под лесом
плотность сложения подстилки равна 0,15-0,40 г/см3 ; в
гумусовых горизонтах – 0,80-1,00; в подзолистых – 1,40-1,45;
иллювиальных – 1,5-1,6 и в материнской породе -1,4-1,6 г/см3.
Величина плотности связана с типом растительности: в
гумусовых горизонтах под ельниками она равна величинам
0,9-1,1; березняками – 1,0-1,3, под злаками – 1,2-1,4 г/см3.
Плотность используется при подсчёте запаса («З» в т/га)
любого соединения (или влаги) в почве по следующей
формуле: З =М х П х А, где М – мощность горизонта, для
которого рассчитывается запас, см; П – плотность, г/см3; Aсодержание соединения, % от массы почвы.
7
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв.





Пористость (общая порозность, скважность) - суммарный
объем всех пор и промежутков между твердыми частицами,
выраженный в % от общего объема почвы в естественном
сложении.
Пористость вычисляется по формуле: Р=(1- Пс:Пт) х 100, где
Р- пористость, %; Пс – плотность сложения, г/см3; Пт –
плотность твердой фазы, г/см3.
При максимальная плотности почв (2.0 г/см3) и плотности
твёрдой фазы (2.7 г/см3 ) - P=26%, что соответствует глеевым
горизонтам.
Оптимальной пористостью считается Р= 45 - 50%, в то время
как в гумусовых горизонтах она варьирует в пределах 5570%, а в органогенных горизонтах – торфах и лесных
подстилках может достигать 90%.
Помимо общей пористости различают также её виды:
капиллярную, некапиллярную пористость.
8
Состав, свойства и режимы почв.
•
•
•
•
•
Физические свойства почв.
Капиллярная пористость – объём пор, занятых влагой при
влажности, равной наименьшей влагоёмкости (Толковый
словарь, 1975).
Капиллярная пористость оптимальна для растений при
величине менее 15% объема в минеральных и 30-40% - в
торфяных почвах.
Некапиллярная пористость соответствует разности между
общей и капиллярной пористостью.
Для создания устойчивого запаса влаги в почве при
одновременно хорошей аэрации необходимо, чтобы
некапиллярная пористость составляла 55-65% общей
пористости. Если она меньше 50%, то это означает
ухудшение воздухообмена, что ведет к развитию анаэробных
процессов.
Различают поры, занятые рыхлосвязанной, прочносвязанной
водой, и занятые воздухом (поры аэрации).
9
Состав, свойства и режимы почв.
•
•
•
•
•
•
•
•
Физические свойства почв.
По А.Г. Дояренко, наиболее благоприятные условия
увлажнения и воздухообеспеченности наблюдаются при
соотношении между капиллярной и некапиллярной
пористостью около 1:1.
Н.А. Качинский предложил следующую оценку значений
пористости.
Оценка
Р%
>70
Почва вспушена, избыточно пористая
65-55
Культурный пахотный слой, отличная
55-50
Удовлетворительная для пахотного слоя
<50
Неудовлетворительная
40-25
Чрезмерно низкая
10
•
•
•
•
•
Состав, свойства и режимы почв.
Физические свойства почв
Удельная поверхность почв – суммарная (внешняя и
внутренняя) поверхность всех частиц почвы в единице
её веса или объёма.
Она выражается в м2/г (или м2/см3) и меняется от 1-2
м2/г в песчаных почвах до 200-300 м2/г в тяжёлых
глинистых почвах.
Удельная поверхность почв зависит, в первую очередь,
от количества илистых частиц, а также от степени
гумусированности почвы.
Она определяет степень взаимодействия корней
растений и почвы, извлечения питательных веществ из
почвы, содержание доступной растениям воды и пр.
В тоже время процессы почвообразования, связанные с
накоплением или выносом соединений железа и ила,
могут менять и удельную поверхность почв.
11
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
• Пластичность - способность почвы принимать приданную ей
во влажном состоянии форму без образования трещин и
сохранять её после прекращения внешнего воздействия.
Определяется содержанием ила и влаги в почве.
• Сухие и избыточно влажные почвы не обладает пластичностью.
Она проявляется в определённых пределах увлажнения.
• Верхний предел пластичности – влажность почвы, при которой
почва начинает течь; нижний – влажность почвы, при которой
она перестаёт скатываться в тонкий шнур без трещин
диаметром более 3 мм.
• Пластичность характеризуется числом Аттеберга. У песков оно
равно 0, супеси – 0-7, суглинков – 7-17, глин – более 17.
• Пластичность используется при полевом экспрес-определении
гранулометрического состава (скатывание шнуров, шаров), при
расчётах тяговых усилий тракторов по обработке почв.
12
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
• Липкость, или прилипание – способность почвенных частиц
во влажном состоянии прилипать к другим телам, в т.ч. к
почвообрабатывающей технике.
Проявляется при наличии илистых частиц и влаги.
Измеряется силой, выраженной в граммах и необходимой для
того, чтобы оторвать от поверхности почвы металлическую
пластинку, площадью в 1 см2.
По липкости почвы делятся на 4 группы: предельно липкие
(нагрузка отрыва составляет более 147 Па), сильно вязкие
(147-49), средне- ( 49-19,6) и слабовязкие (19,6 Па и менее).
13
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
• Набухание – свойство почв увеличивать свой объем при
увлажнении (коллоидные явления). Оно зависит от
величины илистой части почвы, её минерального состава,
сорбции влаги почвенными частицами и гидратации
обменных
катионов.
Наибольшая
набухаемость
свойственна минералам с расширяющейся решёткой –
монтмориллониту и вермикулиту, наименьшая-каолиниту.
Набухаемость
почвы
выше
при
насыщении
одновалентными
катионами
(Na+,
Li+),
чем
многовалентными. Максимальная величина набухания
может составлять 120-150%. Вычисляется по формуле:
Vнаб = (V1-V2 /V2)x100, %, где V1 – объём влажной почвы, V2
объём сухой почвы.
•
14
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
►
►
►
►
►
Усадка - способность почвы уменьшать свой объем при
высыхании. Явление обратное набуханию.
Предел усадки соответствует полному удалению влаги из
почвы и переходу её в твёрдую консистенцию.
Выражается в линейных и объемных величинах.
При усадке почва может покрываться трещинами, возможны
формирование структурных агрегатов, разрыв корней,
усиление испарения, изменение процессов разложения
органических веществ, увеличение аэробиозиса почвы.
Определяется по формуле:
Vус = (V1-V2 /V1)x100, %, где V1 – объём влажной почвы, V2
объём сухой почвы.
15
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.




Связность
способность
почв
сопротивляться
разрывающему усилию, стремящемуся разъединить частицы
почвы или грунта.
Она обусловлена силами сцепления между частицами и
зависит от состава коллоидов и катионов. Наиболее связными
являются глины, малооструктуренные почвы, насыщенные
одновалентными катионами.
Связность измеряется в Па при испытании образцов почвы на
сдвиг, разрыв, раздавливание.
В лёгких почвах органическое вещество и некоторая
влажность увеличивают связность, в суглинистых, наоборот,
уменьшают. Связность почвы влияет на качество обработки и
сопротивление воздействию машин и орудий.
16
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
• Твёрдость – способность почвы сопротивляться сжатию и
расклиниванию под давлением тела определенной формы:
шара, конуса, цилиндра.
• Измеряется особыми приборами - твердомерами
(плотномерами) и выражается в кг/см2, или Па.
• Уменьшается при увеличении влажности почвы.
• Твёрдость зависит от гранулометрического состава,
влажности и состава насыщающих почву катионов. При
увлажнении её твёрдость уменьшается, при насыщении
одновалентными
металлами
–
увеличивается,
малогумусные,
неоструктуренные
почвы
твёрже
гумусовых, оструктуренных.
17
Состав, свойства и режимы почв.
Физико-механические свойства почв.
• Твёрдость используется при определении силы тяги
при обработке почв по формуле: Р = к.а.б, где а глубина пахоты, в см; б – ширина захвата плуга, в см; к
– удельное сопротивление почвы, варьирующее от 29,42
до 88,25 Па, или от 0,3 для песчаных до 0,9 кг/см2 для
тяжёлых целинных почв. Твёрдость прямо связана с
удельным
сопротивлением,
которое
определяет
трудоёмкость обработки почвы. Высокая твёрдость
почвы приводит к снижению всхожести семян и
оказывает сопротивление развивающейся корневой
системе растений.
18
Состав, свойства и режимы почв.
Тепловые свойства почв
• Теплопоглотительная способность – свойство почвы поглощать
лучистую энергию Солнца.
• Это свойство оказывает большое влияние на тепловые баланс и
режим почв.
Судят о теплопоглотительной способности почвы относительно
поступающей лучистой энергии по величине альбедо (%), которое
представляет собой долю отраженной поверхностью почвы энергии
ко всей поступившей.Альбедо идеально отражающей поверхности
равно 100, а абсолютно чёрного тела – 0.
Чернозём сухой ……………………………………………… 14 %
Чернозём влажный…………………………………………… 8-9
Песок сухой серый………………………………………
18
Песок белый или жёлтый…………………………………… 35-40
Серозём сухой……………………………………………….. 25-30
Высокая трава светлого цвета………………………………. 32
Снег…………………………………………………………... 70-80
19
Состав, свойства и режимы почв.
Тепловые свойства почв
• Теплоемкость почвы – свойство поглощать тепло
(количество калорий для нагрева 1 г сухой почвы на 10 С,
Дж/С 0), или 1 см3 почвы на 10 С, Дж/С 0 на 10).
• Теплоемкость коррелирует с влажностью почв. Она
зависит от тех свойств почв, которые влияют на
поглощение влаги, а именно от гидрофильности коллоидов,
содержания илистых частиц, наличия и характера
органического вещества.
• Весовая и объёмная теплоемкость сухих минеральных
почв, в среднем, варьирует в узких пределах,
соответственно, - 0,15-0,20 кал/г, и 0,5-0,6 кал/ см3.
• Влажные песчаные почвы имеют теплоёмкость, равную 0,7;
суглинки – 0,8; торф -0,9. Песчаные почвы, имея меньшее
количество влаги, прогреваются и остывают быстрее,
поэтому они считаются «тёплыми».
20
•
•
•
•
•
Состав, свойства и режимы почв.
Тепловые свойства почв.
При характеристике передачи тепла в почвах используют 2
величины: теплопроводность и температуропроводность.
Теплопроводность – свойство почвы проводить тепло с той или
иной скоростью. Она измеряется количеством тепла (Дж),
проходящем через 1- сантиметровый слой сухой почвы, площадью
в 1 сек.
Передача тепла происходит при тепловом взаимодействии
соприкасающихся между собой твёрдых, жидких, газообразных
частиц, а также конвекционно (испарение, перегонка, конденсация
влаги внутри почвы).
Температуропроводность - способность тела изменять
температуру под влиянием потока тепла. Измеряется изменением
температуры на 10 С при расстоянии 1 см через 1 см2 .
Гранулометрический
состав,
размер
частиц,
плотность,
содержание органического вещества, влажность – факторы,
определяющие тепло- и температуропроводность почв.
21