Тема Физические свойства твердой фазы почв

Тема. Физические свойства твердой фазы почв • • • Вопросы: 1. Гранулометрический состав почв 2. Структура почв 3. Общие физические свойства почв 4. Физико-механические свойства почв • Литература • В. Д. Воронин. Основы физики почв. М. 1986 -244. • А. Ф. Вадюнтна, З. А. Карчагина. Методы исследования физических свойств почв. М. 1986 -416.

Физическими свойствами почв называют • свойства определяющие физические процессы происходящие в почве. • К физическим свойствам почв Т. Ф относят гранулометрический состав, структурно агрегатное состояние. К общим физическим свойствам: плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость. К физикомеханическим - пластичность, липкость, набухание, усадка, связанность, твердость.

Гранулометрическим - механическим составом почв • Называют относительное содержание в почве элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) разной крупности размера, выделяемых независимо от их минералогического химического состава свободно суспензируемых в воде после разрушения клеящих материалов. • Существование и целостность ЭПЧ определяется силами молекулярных взаимодействий. • Фракциями называют группу ЭПЧ определенного размера условный, эффективный диаметр которых соответствует диаметру шаровидных частиц • Различные фракции имеют неодинаковые свойства. Это объясняется различным минералогическим и химическим составом фракций.

Почва является сложной поликомпонентной полифункциональной полидисперсной системой • Полидисперсность в основном обусловлена процессами выветривания т. е. разрушением, преобразованием и переотложением исходных плотных пород. • Полидисперсность верхних генетических горизонтов дополнительно обусловлена разложением растительных остатков и живых организмов

Полидисперсность твердой фазы почв характеризующая гранулометрический состав • Обуславливает: Пищевой режим Водный режим Воздушный режим Тепловой режим Определяет использование почв и почвенного покрова • Определяет систему земледелия т. е. комплекс обработок, технологию возделывания, подбор культур, комплекс применяемых удобрений и др. • • •

Неодинаковое влияние ЭПЧ различного размера на перечисленные режимы • Обусловила создать классификацию ЭПЧ • У нас в стране принята классификация ЭПЧ которая разработана А. Н. Собаниным и В. Р. Вильямсом в последствии доработана Н. А. Качинским • В минералогии и геологии используют классификацию В. В. Охотина • В других странах существует своя классификация. В большинстве зарубежных классификаций используют другие границы фракций: глина < 0, 002 мм, песок > 0, 05 мм.

Классификация ЭПЧ по Н. А. Качинскому Фракции Размер, мм Камни >3 Гравий 3 -1 Песок крупный 1 -0, 5 средний 0, 5 -0, 25 мелкий 0, 25 -0, 05 Пыль крупная 0, 05 -0, 01 Фракции Размер, мм средняя 0, 01 -0, 005 мелкая 0, 005 -0, 001 глинистый (грубый) 0, 001 -0, 0005 коллоидный (тонкий) 0, 0005 -0, 0001 Ил Коллоиды <0, 0001 Физическая глина <0, 01 Физический песок > 0, 01

Гранулометрический состав характеризует твердую фазу почв Которая в основном представляет собой поверхностно измельченные рыхлые горные породы обладающие плодородием. • Слагающими компонентами Т. Ф. П. следовательно и гранулометрического состава является : минеральная органическая органоминеральная среда в которой живут и развиваются растения и организмы •

Свойства элементарных почвенных частиц. • С уменьшением размера фракций (особенно в илистой (<0. 001) резко падает содержание кварца и кремнекислоты, столь же быстро увеличивается содержание Fe, Al, Ca, Mg, K, Na; - в десятки раз увеличивается содержание гумуса • - увеличивается гигроскопичность, влагоемкость • - снижается водопроницаемость • - пластичность и липкость почти отсутствует у фракций > 0. 005 мм • - цементирующей способностью обладают лишь ЭПЧ мельче 0. 005 мм и особенно мельче 0. 001 • - существенно различаются химические, физикохимические и др. свойства фракций

Минералогический состав фракций. • Каменистая часть почв (>3 мм) обычно состоит из кусочков породы (гранит, порфирит и др. ) и осколков крупнозернистых минералов. Они затрудняют обработку почв, мешают появлению всходов. • Гравий (3 -1 мм). Обломки первичных минералов: • - провальная влагопроницаемость • - отсутствие водоподъемной способности • - низкая влагоемкость. • Фракция обладает неудовлетворительными свойствами для с/х растений.

Классификация почв по каменистости (по Н. А. Качинскому) Частицы 3 мм, % Степень каменистости почв < 0, 5 Некаменистая 0, 5 -5 Слабокаменистая 5 -10 Среднекаменистая > 10 Сильнокаменистая Тип каменистости Устанавливается по характеру скелетной части Почвы могут быть валунные, галечниковые, щебенчатые

Песчаная фракция (ЭПЧ от 1 до 0, 05 мм) • Состоит из обломков первичных минералов в большей степени кварца и полевого шпата. • Характеризуется: – высокой водопроницаемостью; – низкой влагоемкостью (< 3%); – не набухает; – не пластична;

Пыль крупная (от 0, 05 до 0, 01) • По минералогическому составу в основном представлена кварцем и полевыми шпатами • Характеризуется свойствами физического песка – не пластична; – слабо набухает; – не влагоемкая; – не удерживает влагу.

Пыль средняя (от 0, 01 до 0, 005 мм) • Характеризуется: – повышенным содержанием гидрослюд, придающих фракции повышенную пластичность, связность; – лучше удерживает влагу; – обладает слабой водопроницаемостью; – не способна к коагуляции; – не участвует в структурообразовании; – склонна к заплыванию и уплотнению; – отмечается слабая водопроницаемость.

Пыль мелкая (от 0, 005 до 0, 001 мм) • Характеризуется: – – – относительно высокой дисперсностью; состоит из первичных и вторичных минералов; способна к коагуляции и структурообразованию; обладает поглотительной способностью; содержит повышенное количество гумусовых веществ. • Обилие в почвах мелкой пыли в неагрегированном состоянии характеризует почву: – – – низкой водопроницаемостью; большим количеством недоступной для растений влаги. высокой способностью к набуханию и усадке; повышенной липкостью; обильной трещеноватостью; высокой плотностью сложения;

Ил (от 0, 001 до 0, 0005) • Состоит из высокодисперсных вторичных минералов, из первичных минералов встречается кварц, ортоклаз, мусковит. • Илистая фракция имеет большое значение в создании плодородия. • Характеризуется: – Высокой поглотительной способностью; – Высоким содержанием гумуса и элементов зольного и азотного питания; – Высокой оструктуренностью почв.

Коллоиды (от <0, 0001 мм) Элементарные почвенные частицы с резко выраженной поглотительной способностью, которые являются гранью между раствором и твердым компонентом почвы. Непосредственно являются клеящим веществом между ЭПЧ более крупного размера. Коллоиды по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсной среды разделяют на лиофобные (слабого взаимодействия) и лиофильные (сильное). Коллоидные растворы (золи) характеризуются набором свойств, которые отличают их от истинных растворов.

Примерный химический состав разных фракций ЭПЧ Содержание (в весовых процентах) Фракции, мм 1, 0 -0, 2 -0, 040, 010, 002 < 0, 002 Si Al Fe Ca Mg K P 43, 4 0, 8 43, 8 1, 1 0, 8 0, 3 0, 4 0, 3 0, 1 0, 7 0, 02 1, 2 0, 04 41, 6 2, 7 1, 0 0, 6 0, 2 1, 9 0, 09 34, 6 7, 0 3, 6 1, 1 0, 2 3, 5 0, 04 24, 8 11, 6 9, 2 1, 1 0, 6 4, 1 0, 18

Классификация почв и пород по гранулометрическому составу • Классификация ЭПЧ не позволяет судить в целом о состоянии почвы, обладающей свойствами песка, либо свойствами глины. • Поэтому весь спектр фракций разделили на физический песок и физическую глину.

В основу классификации почв и пород • по гранулометрическому составу положено соотношение в почве: – физического песка > 0, 01 мм – физической глины <0, 01 мм • такая классификация называется двухчленной.

Физический песок (<0, 01 мм) • Это группа частиц, обладающая свойствами песка: – Провальная водопроницаемость; – Высокая теплоемкость; – Высокая воздухоемкость. • По составу пески могут быть силикатными

Почвы, имеющие в своем составе большое содержание физического песка • Как правило обуславливают формирование слаборазвитых почв: – Ареносоли – Андосоли – Дурисоли – Подзолистые почвы и др.

Физическая глина (< 0, 01 мм) • Пластичные породы и почвы в которых содержание частиц диаметром 0, 01 мм составляет 45 и более %. • Совокупность частиц такого диаметра характеризует свойства глины: – – Низкую водопроницаемость; Низкую воздухоемкость; Повышенную плотность; Основной носитель обеспечивающий пищевой режим • По составу глинистых минералов глины могут быть монтмориллонитовые, каолинитовые и пр.

Классификация почв по гранулометрическому составу Н. А. Качинского Содержание физической глины (частиц <0, 01 мм), % Краткое название почв по гранулометрическо му составу Почвы подзолистого типа почвообразования Почвы степного типа почвообразования Солонцы и сильно солонцеватые почвы 0 -5 0 -5 Песок рыхлый (П) 5 -10 Песок связный (П) 10 -20 10 -15 Супесь (У) 20 -30 15 -20 Суглинок легкий(Л) 30 -40 30 -45 20 -30 Суглинок средний(С) 40 -50 45 -60 30 -40 Суглинок тяжелый(Т) 50 -65 60 -75 40 -50 Глина легкая(Г) 65 -80 75 -85 50 -65 Глина средняя(Г) >80 >85 >65 Глина тяжелая(Г)

Роль и значение гранулометрического состава • Знание его позволяет предсказывать многие свойства почв: • Чем более тяжелая почва, тем она плотнее, более связная, менее водопроницаемая, хотя много зависит от структуры (агрегатного состава). • Высокое содержание пыли способствует их легкому заплыванию, образованию корки на поверхности. • Физические (тепловые и водные, механичечкие), химические, физико-химические и биологические свойства тесно зависят от гранулометрического состава. Песчаные почвы менее плодородны

Вопрос 2. Структура почв • Способность почвы распадаться на агрегаты называется структурностью, • а совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава называется почвенной структурой • Почвы у которых эта способность хорошо выражена, называют – структурными • Почвы у которых она отсутствует, называют – бесструктурными

Агрегат (син. пед) (макроагрегат > 0, 25 мм. ) • Естественное почвенное трехмерное образование, состоящее из почвенных микроагрегатов или ЭПЧ в результате их соединения прочными связями различной природы – – – Коагуляции коллоидов Органического вещества Ионами кальция Ионами железа Ионами алюминия Корневой системой растений и др.

Агрегация • Процесс образования почвенных агрегатов при котором ЭПЧ соединяются друг с другом под влиянием сил (уплотнения, замораживания, размораживания, иссушения, увлажнения и др. ) и субстанций естественного (гумусовые вещества, минеральные вещества, корневые экссудаты и пр. ) или искусственного происхождения.

Процесс агрегации зависит: • • - наличия органических веществ -компонентного состава катионов -наличия коллоидных частиц -гранулометрического состава -корневой системы растительности -наличие или отсутствие ниматодов -агротехнических приемов

Различают два понятия структуры почвы: • морфологическое • агрономическое.

В морфологическом отношении структура почв это • Внешний облик отражающий физическое проявление ее сложения • Совокупность различных по величине и форме агрегатов, состоящих из элементарных почвенных частиц • Естественная организация твердых компонентов и промежутков между ними

В морфологическом отношении различают три типа структуры Тип I – кубовидная Тип II Призмавидная Тип III - плитовидная

Тип I - кубовидная Комковатая – неправильная округлая форма, неровные округлые и шероховатые поверхности разлома, грани не выражены 1 – крупнокомковатая – 10 -3 мм, 2 – комковатая – 3 -1 мм, 3 – мелкокомковатая – 1 -0, 25 мм, 4 – пылеватая - <0, 25 мм

Ореховатая – правильная форма, грани хорошо выражены, поверхность ровная, ребра острые 5 – крупноореховатая - >10 мм 6 – ореховатая – 10 -7 мм, 7 – мелкоореховатая -7 -5 мм

Зернистая –более или менее правильная форма, иногда округлая с выраженными гранями, то шероховатыми, матовыми, то гладкими и блестящими 8 – крупнозернистая 5 -3 мм 9 – зернистая – 3 -1 мм 10 – порошистая – 1 -0, 5 мм 11 – «бусы» из зерен почвы

Тип II Призмавидная грани хорошо выражены, с ровной глянцеватой поверхностью, с острыми – ребрами 14 - Крупнопризматическая – 5 -3 мм 15 – призматмическая – 3 -1 мм 16 -Мелкопризматическая 1 -0, 5 мм 17 - тонкопризматическая

Тип III - плитовидная Плитчатая (слоеватая) – с более или менее развитыми горизонтальными плоскостями спайности 18 - сланцевая 19 - пластинчатая

Чешуйчатая – со сравнительно Небольшими, отчасти изогнутыми горизонтальными плоскостями спайности и часто острыми гранями (отдаленное сходство с чешуей рыбы) 21 – грубочешуйчатая, 22 - мелкочешуйчатая

Структура почвы • Определяет соотношение основных компонентов в почве: – Твердого, которого должно быть 50%; – Жидкого, которого должно быть 25%; ; – Газообразного, которого должно быть 25%. • Следовательно структура почвы определяет интенсивность развития живого компонента и как следствие направленность процесса почвообразования.

Одним из показателей определяющий качество структуры почв является Размер агрегатов • К. К. Гедройц условно поделил – структуру размером < 0. 25 мм на микроагрегаты – структуру размером > 0, 25 мм на макроагрегаты. • В свою очередь В. Р. Вильямс выделил – макроагрегаты- размер агрегатов >10 мм – агрономически ценные агрегаты размерам от 0. 25 до 10 мм, которые называют мезоагрегатами. • Именно этот размер агрегатов определяет водный – воздушный, пищевой и тепловой режимы почв. • Отношение этих агрегатов к остальным агрегатам называют коэффициентом структурности

Другим показателем качества структуры почв является • Водопрочность структуры – под которой понимают способность структуры противостоять разрушающему, расклинивающему, размывающему действию воды (атмосферными осадками, оросительной водой) – Не водопрочная структура - клеящие вещества (ЭПЧ и микроагрегаты), размываются и расплываются в воде – Водопрочная структура - клеящие вещества (ЭПЧ и микроагрегаты), как цемент остаются устойчивым при действии на них воды.

Качественная оценка структуры почв по водопрочности. • Сумма водопрочных агрегатов размером > 0, 25 мм. • до 10 % водопрочность отсутствует • 10 – 20 % - неудовлетворительная • 20 – 30 % - недостаточно удовлетворительная • 30 – 40 % - удовлетворительная • 40 – 60 % - хорошая • 60 – 70 % - отличная • > 75 - избыточно высокая

Не менее важным показателем качества структуры почв является • механическая прочность структуры – под которой понимают способность структуры противостоять механическому разрушению различными механизмами. • Механическую прочность или связность агрегата (педа) можно измерить и выразить нагрузкой, которая потребуется для его разрушения.

Химические связи обуславливающие структурообразование • коллоидные растворы • минеральные компоненты; • органические компоненты.

Са К Са Н Н Ca Na Mg K K Ca K Mg Ca Ca K H Схема ЭПЧ с различным набором катионов (активных центров)

Образование структуры за счет коллоидных растворов • Один из наиболее распространенных видов связи между ЭПЧ обусловлен процессами –коагуляции, –пептизации.

Формирование ЭПЧ способной к агрегации Органоминеральная ЭПЧ Активные центры Стабилизация активных центров Минеральная ЭПЧ Взаимодействие одной органоминераль ной ЭПЧ с другой

Схема образования агрегатов воздух Первичная частица с плазмой агрегат

Вопрос 3. Общие физические свойства почв • Это свойства характеризующие общефизическое состояние почвы • К ним относят такие свойства как плотность почвы, плотность твердой фазы почвы, порозность • Эти свойства дают нам общее представление о твердой фазе почвы и воздушном пространстве в почве

Плотность твердой фазы почвы синоним Удельный вес почвы • Представляет среднюю массу элементарных почвенных частиц состоящей из смеси минералов органа-минералов и органических соединений, слагающих твердую фазу почвы • Масса уложенных без порового пространства ЭПЧ в определенном объеме • Отношение массы твердой фазы почвы к массе воды в том же объеме при 40 С • Плотность твердой фазы почв измеряется в г/см 3 или т/га 3

Как рассчитать плотность твердой фазы почвы d =m/m 1 (г/см 3; кг/м 3) • где: d m- отношение массы твердой фазы почвы в определенном объеме (без пор), к массе m 1 воды в том же объеме при 40 C.

Плотность почвы (объемный вес, объемная масса, удельный вес скелета почвы) • Называют отношение массы сухой почвы, взятой без нарушения природного сложения, к ее объему. • Она также как и плотность твердой фазы почв измеряется в г/см 3 но имеет меньшие значения поскольку массу почвы определяют в единице объема со всеми порами (ненарушенного сложения) • Плотность почвы оказывает влияние на весь комплекс физических условий в почве, определяет водный, воздушный, тепловой режимы, а следовательно обуславливает биологическую деятельность микроаргонизмов и растений.

Плотность почв зависит от таких показателей как • • минералогического состава гранулометрического состава содержание органического вещества структурно агрегатного состояния почв пористости (наличие пор их размеры) приемов обработок возделываемых культур

Оценка плотности суглинистых и глинистых почв по Качинскому • Почва вспушена или богата органическими веществом - <1, 0 г/см 3 • Свежевспаханная почва - 1, 0 - 1, 1 г/см 3 • Пашня уплотнена - 1, 2 - 1, 3 г/см 3 • Пашня сильно уплотнена - 1, 3 - 1, 4 г/см 3 • Типичная величина для подпахотных горизонтов - 1, 4 - 1, 6 г/см 3 • Сильно уплотненные иллювиальные горизонты - 1, 6 - 1, 8 г/см 3

Порозность (пористость, скважность) почвы • Это суммарный объем всех пор или скважин между частицами твердой фазы почвы. • Пористость почвы зависит от структурно-агрегатного состояния, которое формирует пустоты между ЭПЧ. Общая порозность почв может быть определена путем сопоставления плотности почвы и плотности твердой фазы почвы согласно уравнения: • • где Р - общая порозность • dv - плотность • d - плотность твердой фазы почвы.

Поры в почве различают по: диаметру, форме, происхождению и месту нахождения такая классификация обусловлена процессами почвообразования • В зависимости от диаметра поры различают: • Капиллярные • Некапиллярные • Такое деление по диаметру обусловлено тем, что в порах с диаметром крупнее 0, 01 мм могут активно развиваться корневые волоски, а в порах диаметром 0, 1 мм корешки растений, простейшие водоросли живут в порах с диаметром крупнее 0, 02 мм, а бактерии в порах диаметром 0, 001 мм.

Под капиллярной порозностью • Понимают систему связанных почвенных пор диаметром меньше 1000 мкм(0, 0001 мм). • Содержащаяся в капиллярных порах влага при частичном их заполнении образует мениски, благодаря чему возникают капиллярные явления. • Поры в которых находится капиллярная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений называют активными.

Под некапиллярной порозностью • Понимают систему связанных почвенных пор диаметром больше 1000 мкм. • Некапиллярная порозность создает аэрацию почв, что обуславливает протекание нормальных биохимических процессов. • Поры занятые связанной водой называют неактивными. • Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом. Вода в них находится под действием гравитационных сил и не удерживается. • В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели не менее 20 -25% некапиллярных пор от общей пористости.

По месту нахождения поры подразделяются на агрегатные и межагрегатные • Агрегатной порозностью • называют объем пор в отдельном агрегате почвы. Количество порового пространства агрегата можно рассчитать если известна плотность агрегата и плотности твердой фазы почвы. • Магр -масса сухого агрегата • Vагр -объем агрегата см 3

Межагрегатная порозность • Объем почвенных пор в почвенном образце между почвенными агрегатами. • Для расчета межагрегатной порозности необходимо знать суммарно агрегатную порозность: • Зная суммарную агрегатную порозность можно рассчитать межагрегатную порозность: Рм. агр. = Р - Р агр.

Н. А. Качинский предложил выделить следующие диапазоны порозности • Избыточная порозность (почва вспушена) > 70%; • Отличная (культурно-пахотный слой) – 65 -55 %; • Удовлетворительная (для пахотного слоя) – 5550%; • Не удовлетворительная (для пахотного слоя) <50% • Чрезмерно низкая (характерно для иллювиальных горизонтов) – 40 -25%.

Порозность величина динамична и зависит от: • • от сложения элементарных почвенных частиц структуры (формы, характера ЭПЧ) гранулометрического состава плотности минералогического состава деятельности почвенной фауны содержание органического вещества обработки и культурно технических мероприятий

Вопрос 4. Физико-механические свойства почв • К физико-механическим свойствам почв относят такие свойства как: • пластичность • липкость • набухание • усадка • связность • твердость • сопротивление почв при обработке.

Пластичностью • называют способность почвы менять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил без нарушения сложения и сохранять полученную формы после прекращения механического воздействия. • Пластичность зависит от гранулометрического, минералогического, химического состава почвы, обменных катионов и проявляется при определенном диапазоне влажности, характеризующим верхний и нижний предел пластичности. • В сухом и переувлажненном состоянии почва не обладает пластичностью.

Классификация пластичности по Аттербергу • Пластичность измеряется числом которое представляет разницу между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. • Чем больше число пластичности, тем пластичнее почва. • Высокопластичные почвы имеют число пластичности > 17; • Пластичные 17 -7; • Слабопластичные - < 7; • Непластичные – 0.

Липкость • Способность почвы прилипать к различным поверхностям. • Она увеличивает тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий и ухудшает качество обработки почвы. • Решающая роль в липкости принадлежит слабосвязанной воде, такое свойство называют адгезией, а слой воды называют адгезионным слоем. • Установлен убывающий ряд влияния катионов на липкость почвы • Na+ > NH 4+ > K+ > Mg 2+ > Ca 2+ > H+ > Fe 2+ > Al 3+ • Кроме того липкость почвы зависит от минералогического и гранулометрического состава

Набухание • Это увеличение объема почвы или ее отдельных структурных элементов при увлажнении. • В основе набухания лежат свойства коллоида сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц, раздвигая их. • Чем больше внутренняя поверхность почвенной массы, больше водоудерживающая способность почвенных частиц, тем большую пленку они могут создавать вокруг себя, а следовательно у этих почв выше набухаемость. • Немаловажная роль в набухании принадлежит самим минералам. Трехслойные минералы с подвижной кристаллической решеткой обуславливают большую набухаемость.

Усадка • Уменьшение объема почвы при высыхании, она зависит от тех же факторов, что и набухание. • Чем больше набухание, тем больше усадка. • Усадка измеряется в объемных процентах по отношению к исходному объему.

Связность • способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить элементарные почвенные частицы. • Степень сцепления зависит от гранулометрического, минералогического состава почвы, ее структуры, влажности и характера использования в сельском хозяйстве. • Обусловлена связность явлениями адсорбции, когезии, цементации.

Твердостью • Называется свойство почвы в естественном состоянии сопротивляться сжатию и расклиниванию. • Чем выше твердость, тем хуже агрофизические свойства почв, тем больше требуется затрат на проведение обработки, тем хуже условия для появления всходов и роста растений. • Твердость зависит от структуры, содержания органического вещества, влажности.

Удельным сопротивлением почвы • называют усилие затрачиваемое на осуществление технологических процессов и преодоление при обработке почвы трения о рабочую поверхность почвообрабатывающих орудий. • Удельное сопротивление зависит от гранулометрического состава, физико-химических свойств, влажности. И на разных типах почв изменяется от 0, 2 до 1, 2 кг/см 2.