Структура, общие физические и физико-механические свойства почвы

Структура, общие физические и физико-механические свойства почвы

Содержание: • Агрономическая характеристика структуры. • Общие физические свойства. • Физико-механические свойства.

Понятие почвенной структуры Структурность — способность почвы распадаться на агрегаты. Почвенная структура — совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава. Научные труды о значение структуры в формировании агрономических свойств почвы : П. А. Костычев В. P. Вильямс. Теория структурообразования в работах К. К. Гедройца, А. Г. Дояренко, И. Н. Антипова-Каратаева, Н. А. Качинского, Н. И. Саввинова, П. В. Вершинина, А. Ф. Тюлина, Д. В. Хана, Э. Рассела.

АГРОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ • Качественная оценка структуры определяется ее размером, пористостью, механической прочностью и водопрочностью. • Наиболее агрономически ценны макроагрегаты размером 0, 25 — 10 мм , с высокой пористостью (>45 % ), механической прочностью и водопрочностью. • Структурной считается почва, содержащая более 55 % водопрочных агрегатов размером 0, 25 — 10 мм. • Устойчивость структуры к механическому воздействию ( связность ) и способность не разрушаться при увлажнении ( водопрочность ) определяют сохранение почвой благоприятного сложения при многократных обработках и увлажнении.

Агрономическое значение структуры оказывает положительное влияние на следующие свойства и режимы почв: физические свойства — пористость, плотность сложения; водный, воздушный, тепловой, окислительно-восстановительный, микробиологический и питательный режимы ; физико-механические свойства — связность, удельное сопротивление при обработке, коркообразование; противозроэионную устойчивость почв.

ОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРЫ Основные процессы в формировании макроструктуры : 1) механическое разделение почвы на агрегаты (комки) 2) образование прочных, не размываемых в воде отдельностей. Факторы структурообразования. 1. Физико-механические (и физические) факторы обусловливают процесс крошения почвенной массы под влиянием изменяющегося давления или механического воздействия — разделение почвы на комки в результате изменения объема (и давления) при переменном высушивании и увлажнении, замерзании и оттаивании воды в ней, давления корней растений, деятельности роющих и копающих животных и рыхлящего воздействия почвообрабатывающих орудий.

2. Физико-химические факторы — коагуляция и нементирующее воздействие почвенных коллоидов. Водопрочность приобретается в результате скрепления механических элементов и микроагрегатов коллоидными веществами (органическими и минеральными). Чтобы отдельности, скрепленные коллоидами, не расплывались от действия воды, коллоиды должны быть необратимо скоагулированы. Коагуляторы — 2 — и 3 -валентные катионы Са 2+, Mg 2+, Fe 2+ При наличии 1 -валентных катионов, Na+, необратимой коагуляции не происходит и прочной структуры не образуется.

Наиболее прочно скрепляющие вещества — органические коллоиды – (гуматы кальция) и минеральные коллоиды. Высокодисперсные минералы — глинистые и минералы гидроокисей Fe , Al. Наиболее водопрочная структура образуется при взаимодействии гуминовых кислот с минералами монтмориллонитовой группы и гидрослюдами. Менее водопрочная при взаимодействии с кварцем, аморфной кремнекислотой и каолинитом. Минералы гидроокисей Fe , Al в оструктуривании красноцветных глин и красноземов.

3. Химические факторы образование труднорастворимых химических соединений (углекислого Ca , гидроокиси Fe , силикатов Mg и др. ), которые при пропитывании агрегатов почвы цементируют их. При временном избыточном увлажнении может проявиться оструктуривающая роль соединений Fe. В почве протекают восстановительные процессы, сопровождаемые образованием водорастворимых форм закисного Fe , которые пропитывают почвенные агрегаты. При подсыхании почвы развиваются окислительные процессы, при этом подвижные формы закисного Fe переходят в не растворимые соединения окисного Fe , цементируя почвенные агрегаты. Однако, эти агрегаты при высокой водопрочности имеют малую пористость ( 40 %), т. к. часть объема пор постепенно заполняется гидратом окиси Fe.

4. Биологический фактор – основной в структурообразовании • Растительность механически уплотняет почву и разделяет ее на комки, участвует в образовании гумуса. Наибольшее оструктуривающее влияние — многолетняя травянистая растительность. • Деятельность червей — частички почвы, проходя через кишечный тракт дождевых червей, уплотняются и выбрасываются в виде небольших комочков – капролитов, обладающих высокой водопрочностью. • Коллоидные продукты жизнедеятельности и автолиза микроорганизмов являются цементирующими веществами в почве и способствуют структурообразованию.

УТРАТА И ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЧВЫ 1 ) Механическое разрушение структуры происходит под влиянием обработки почвы, передвижения по ее поверхности машин и орудий, людей, животных, под ударами капель дождя. Пути уменьшения механического разрушения почвенной структуры — обработка почвы в состоянии ее спелости и минимализация обработок. 2) Физико-химические причины утраты структуры связаны с реакциями обмена 2 -валентных катионов (Са и М g ) ППК на 1 — валентные ( Na и NH 4 ). При этом коллоиды (гумусовые вещества), прочно цементирующие механические элементы в агрегаты, пептизируются при увлажнении, и структурные отдельности разрушаются. Приемы химической мелиорации почв (известкование, гипсование), приводящие к обогащению ППК обменным кальцием, способствуют и улучшению структуры.

3) Биологические причины разрушения структуры связаны с процессами минерализации почвенного гумуса — главного клеящего вещества при образовании структуры. Восстановление и сохранение структуры в условиях сельскохозяйственного использования почв осуществляется агротехническими методами. Улучшение структурного состояния почв возможно с помощью искусственных структур образователей. Агротехнические методы оструктуривания почв — посев многолетних трав, обработка почвы в спелом состоянии, известкование кислых почв, гипсование солонцов и солонцовых почв, внесение органических и минеральных удобрений

Общие физические свойства — плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость. • П. А. Костычев, В. P. Вильямс, А. Г. Дояренко, Н. А. Качинский, И. Н. Антипов-Каратаев, С. В. Астапов, А. Ф. Лебедев, П. В. Вершинин, Ф. Е. Колясьев, А. Ф. Тюлин, А. А. Роде, С. И. Долгов, И. И. Ревут. • Плотность твердой фазы почвы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4 0 С. Величина определяется соотношением в почве компонентов органических и минеральных частей почвы. Для органических веществ (сухой опад растений, торф, гумус) от 0, 2 — 0, 5 до 1, 0 — 1, 4 г/см 3 , для минеральных соединений от 2, 1 — 2, 5 до 4, 0 -5, 18 г/см 3. Для минеральных горизонтов — 2, 4 — 2, 65 г/см 3 , торфяных 1, 4 — 1, 8 г/см 3.

Плотность почвы масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении. г/см 3 Зависит от минералогического и механического состава, структуры и содержания органического вещества, от обработки почвы и воздействие движущейся по поверхности почвы техники. Наиболее рыхлая почва — сразу после обработки, постепенно уплотняется. Более низкая плотность — верхние горизонты почв, содержащие больше органического вещества, лучше оструктуренные, подвергающиеся рыхлению при обработке. Плотность почвы влияет на поглощение влаги, газообмен в почве, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов. Оптимальная плотность пахотного горизонта для культурных растений — 1, 0 — 1, 2 г/см 3.

Оценка плотности суглинистых и глинистых почв (Н. А. Качинский )

Пористость (скважность ) почвы суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Выражают в процентах от общего объема почвы, вычисляют по показателям плотности почвы (dv) и плотности твердой фазы (d) Зависит от механического состава, структурности, деятельности почвенной фауны, содержания органического вещества, в пахотных почвах от обработки и приемов окультуривания почвы.

Виды пористости • Некапиллярные поры обеспечивают водопроницаемость, воздухообмен; капиллярная пористость создает водоудерживающую способность почвы, т. е. от ее значения зависит запас доступной влаги для растений. Для создания устойчивого запаса влаги в почве при одновременном хорошем воздухообмене (аэрации) необходимо, чтобы некапиллярная пористость составляла 55 — 65 % oбщей пористости. Если меньше 50 %, ухудшается воздухообмен и развиваются анаэробные процессы в почве. • В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость , заполненную водой и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30 — 40 % в торфяных почвах. • Общая пористость имеет наивысшие показатели в верхних горизонтах (в среднем 50 -55 %) и заметно снижается в нижележащих. Выше в суглинистых и глинистых почвах.

Оценка пористости почв

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА • Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность обусловлена илистой фракцией и зависит от влажности почвы. В зависимости от влажности почвы различают (по Аттербергу) следующие константы пластичности: • верхний предел пластичности , или предел текучести , — весовая влажность, при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почву на глубину 10 см; • нижний предел пластичности , или предел раскатывания — весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования в нем разрывов; Число пластичности — разность между показателями верхнего и нижнего пределов пластичности. Наивысшее число пластичности (больше 17) — глинистые почвы; суглинистые — 7 — 17; супеси — меньше 7; пески не обладают пластичностью — близко к 0.

Липкость (или прилипание) — свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Отрицательно влияет на технологические свойства почвы — прилипание почвы к орудиям и ходовым частям машины увеличивает тяговое сопротивление и ухудшает качество обработки. Определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от почвы, выражается в г/см 2. Проявляется при некоторой наименьшей влажности, увеличиваясь одновременно с ней, затем уменьшатся. Зависит от механического состава: наибольшая у глинистых и наименьшая — у песчаных; от состава обменных катионов и гумусности почвы. По липкости почвы подразделяют (по H. А. Качинскому): на предельно вязкие (>15 г/см’), сильновязкие (5 -15), средние по вязкости (2 — 5), слабовязкие (меньше 2 г/см 2).

Физическая спелость состояние влажности, при котором почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Зависит от механического состава, состава обменных катионов и гумусированности почв. • Биологическая спелость почвы, под которой понимают такое состояние ее температурного режима, при котором начинают активно развиваться биологические процессы (деятельность микроорганизмов, прорастание семян и др. ).

Набухание увеличение объема почвы при увлажнении. Отрицательное свойство почв, т. к. при значительной ее выраженности может происходить разрушение почвенных агрегатов. Выражается в объемных процентах от исходного объема почвы. Обусловлено сорбцией влаги почвенными частицами и гидратацией обменных катионов и зависит от содержания и состава почвенных коллоидов и обменных катионов. Наибольшей набухаемостью обладают минералы с расширяющейся решеткой — монтиориллонит и вермикулит, наименьшей — минералы группы каолинита. Повышению набухаемости способствует насыщение почвы ионом Na. Значительной набухаемостью характеризуются органические коллоиды. Высокая набухаемость у солонцовых почв.

Усадка — сокращение объема почвы при высыхании. Явление обратное набуханию, и зависит от тех же факторов. Чем больше набухаемость почвы, тем сильнее ее усадка. Выражают в процентах от объема исходной почвы. Сильная усадка почвы приводит к образованию трещин, разрыву корней растений, повышению потерь влаги за счет испарения.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Выражают в кг/см 2. Вызывается силами сцепления между частицами почвы; зависит от механического и минералогического состава почвы, структурного состояния, влажности, гумусированности и особенностей ее сельскохозяйственного использования. Наибольшая связность — глинистые почвы, богатые минеральным илом, наименьшая — песчаные. Максимальная связность наблюдается при влажности почв, близкой к влажности завядания. Связность возрастает при насыщении почвы ионами Na , при этом почва диспергируется, ее удельная поверхность увеличивается, возрастают и силы сцепления между частицами. Снижается при улучшении структуры. Связные почвы лучше противостоят эрозии, при увеличении связности удельное сопротивление повышается, увеличиваются затраты на обработку.

Удельное сопротивление — усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Характеризуется сопротивлением почвы в кг, приходящимся на 1 см 2 поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. 0, 2 -1, 2 кг/см 2. Учитывают при конструировании плугов, составлении норм выработок тракторов, при районировании почвообрабатывающих орудий и тракторов. Удельное сопротивление зависит от типа почвы, механического состава, характера угодья, влажности почвы.