|
Читайте также: |
К числу общих физических свойств почвы относят относительную плотность, объемную плотность и пористость.
Относительная плотность почвы — это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при температуре +4° С.
Величина относительной плотности почв зависит от плотности входящих в нее частиц минералов и их соотношения, а также от количества органического вещества.
Обычно плотность минеральных горизонтов почв колеблется в пределах 2,4—2,8, а органогенных от 1,4 до 1,8 (торф). Плотность верхних гумусированных горизонтов почв в среднем равна 2,5—2,6, нижних — 2,6—2,7.
Объемная плотность почвы — масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженная в г/см3.
Объемная плотность — одно из важнейших свойств, определяющих способность почвы пропускать и удерживать влагу, воздух, сопротивляться орудиям обработки почвы и т. д. Объемная плотность зависит от типа растительности, механического и минералогического составов почвы (дисперсности), сложения, оструктуренности и степени обработки почв.
Наименьшая объемная плотность обычно наблюдается в верхних горизонтах почв, наибольшая — в иллювиальных и глеевых горизонтах. У хорошо оструктуренных, рыхлых дерново-подзолистых почв наименьшая объемная плотность наблюдается в лесных подстилках — 0,15—0,40 г/см3, в гумусовых горизонтах она повышается до 0,8—1,0, в подзолистых — до 1,4—1,45, иллювиальных— до 1,5—1,6 и в материнской породе — до 1,4—1,6 г/см3.
Величина объемной плотности почв зависит от типа растительности. Так, в гумусовых горизонтах под сомкнутыми ельниками она равна 0,9—1,1, под березняками— 1,0—1,3, под злаками — 1,2—1,4 г/см3.
Почву считают рыхлой, если объемная плотность гумусовых горизонтов равна 0,9—0,95,
нормальной — 0,95—1,15,
уплотненной — 1,15—1,25 и
сильноуплотненной — более 1,25 г/см3.
Пористость (порозность или скважность) — суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы почвы.
Ее вычисляют по плотности и объемной плотности почвы и выражают в % объема почвы по формуле.
Различают несколько форм пористости, главнейшими из них являются капиллярная и некапиллярная.
Капиллярная пористость обычно измеряется в лабораторных условиях и равна количеству воды, удерживаемому тонкими капиллярными промежутками между частицами твердой фазы почвы. Обычно чем больше глинистых частиц, тем больше капиллярная пористость. В оструктуренных почвах вода между комочками вытекает из-за большого размера пор, а в самих комочках удерживается в капиллярах.
Разница между общей и капиллярной пористостью составляет некапиллярную пористость.
Наибольшая пористость (80—90%) наблюдается в лесных подстилках, травяном войлоке, торфах, т. е. органогенных горизонтах.
В минеральных гумусированных горизонтах она равна 55—65%, в верхних безгумусных 45—55%, в нижних горизонтах почвы может быть ниже 45%.
Минимальная пористость наблюдается в глеевых горизонтах почв и равна около 30%.
Для развития корневых систем древесных пород наилучшие условия создаются при пористости почв, равной 55—65%; при пористости 35—40% корни проникают в почву с трудом, а при пористости глеевых горизонтов она практически становится корненепроницаемой.
Большое значение имеет некапиллярная пористость. Для наиболее освоенных корнями горизонтов она, как правило, более 10%; при снижении ее до 3% нижние горизонты почв становятся малодоступными для корней. Некапиллярная пористость обеспечивает проникновение воздуха в почву—аэрацию. Для нормального развития растений важно, чтобы почвы имели высокую капиллярную пористость и пористость аэрации не менее 20% объема почвы.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Ряд процессов, протекающих в почвах, определяется их физико-механическими свойствами, которые проявляются при воздействии внешних нагрузок и подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.
Деформационные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, не приводящих к их механическому разрушению. К ним относятся сжимаемость, просадочность, консолидация (уплотнение).
Прочностные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, вызывающих их разрушение - сдвиг, разрыв.
Реологические свойства характеризуют поведение почвы под давлением во времени. К ним относятся вязкость, пластичность, тиксотропность.
Понятие «физико-механические свойства» в почвоведении имеет более широкий диапазон применения, чем в механике, геологии, грунтоведении.
Соответственно к физико-механическим свойствам в почвоведении относят также набухание, усадку, липкость, т. е. свойства высокодисперсных систем, проявляющиеся без механических воздействий со стороны
Изучение физико-механических свойств почв важно не только с позиций понимания механизмов физических процессов, протекающих в них, но имеет большое прикладное значение для сельского хозяйства. Физико-механические свойства определяют условия обработки почв, дают возможность получить количественные оценки энергетических затрат на их обработку и выбрать оптимальные сроки полевых работ, при которых в наименьшей степени деформируются почвы и обработка производится с наименьшими затратами горючего
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Сжимаемость почв под нагрузкой происходит при их механической обработке Особенно остро необходимость изучения этого вопроса стоит в настоящее время, когда на полях используется тяжелая сельскохозяйственная техника и происходит активное уплотнение поверхностных горизонтов почв
Сжимаемость почв определяется их минералогическим и гранулометрическим составом, характером порозности и трещиноватости, оструктуренностью почв и прочностью структуры, сложением и ориентацией глинистых частиц, их размером и формой, влажностью почв и гидрофильностью коллоидной фракции
Высокая исходная пористость почв служит показателем возможности достаточно большого уплотнения почв при обработке ее тяжелой техникой
Сжимаемость почв приводит к уменьшению общей порозности, изменениям размеров и форм пор, размеров и форм структурных отдельностей
Сжимаемость характеризуется коэффициентом уплотнения
Сжимаемость почвы — не полностью обратимая деформация. При многократных нагрузках компрессионная кривая имеет вид петли, что обусловлено разрушением структурных связей и накоплением остаточной деформации.
Максимальная остаточная деформация будет соответствовать особенностям физических и химических свойств конкретных почв и дает возможность прогнозировать минимальную порозность при различных обработках в реальных условиях, т. е. максимально возможное уплотнение их.
Частным случаем проявления сжимаемости почв и грунтов является просадочность.
Просадкой называется понижение поверхности почв в результате уменьшения их пористости и растворения содержащихся в них солей при замачивании.
С этим явлением связывают такие формы рельефа, как степные блюдца, поды. Особенно существенны просадки на лёссовых почвогрунтах при введении их в орошаемое земледелие, что объясняется высокой пористостью пород, малой гидрофильностью, выносом легкорастворимых солей, являющихся «клеющими» веществами для их структуры.
Просадочность почв и грунтов может в некоторых случаях создавать значительную ирригационную пестроту микрорельефа на орошаемых массивах, что вызывает перераспределение поливных вод на поверхности поля, создает мозаику увлажнения и может привести к формированию комплексности почвенного покрова.
Все это усложняет обработку почв и сельскохозяйственную эксплуатацию орошаемых площадей, создает пестроту посевов, снижает эффективность орошения.
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
Сдвиг = Связность характеризует способность почвы оказывать сопротивление разрывающему усилию, стремящемуся разъединить механические элементы, т. е. определяет свойство взаимного сцепления частиц почв.
Выражается она в кг/см2.
Связность необходимо учитывать при оценке таких важных производственных характеристик почвы, как удельное сопротивление, сцепление. Этот показатель характеризует прочность структуры, что также важно знать при оценке мелиоративных характеристик почв.
Связность зависит от гранулометрического и минералогического состава почв, количества и состава клеющих компонентов, обменных оснований, содержания органического вещества, влажности.
Оструктуривание почв, увеличивая прочность отдельных агрегатов, в целом уменьшает связность почв, облегчает их обработку, оптимизирует развитие корневых систем.
В наибольшей степени на связность почв оказывает влияние содержание в них воды.
Влияние органического вещества на связность почв двояко.
Гумус увеличивает связность песчаных почв и снижает у глинистых за счет увеличения их агрегированности и снижения площади соприкосновения.
Наиболее связными являются глины, малооструктуренные почвы, насыщенные одновалентными катионами. В легких почвах органическое вещество и некоторая влажность увеличивают связность, в суглинистых, наоборот, уменьшают.
Связность почвы влияет на качество обработки и сопротивление воздействию машин и орудий.
С прочностью сцепления почвенных частиц тесно связана твердость почв.
Твердостью называется свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Измеряется твердость при помощи твердомеров и выражается в кг/см2. При одной и той же плотности твердость ненабухающих почв в зависимости от влажности может существенно меняться. Твердость почв обусловлена теми же характеристиками, что и связность (минералогией, дисперсностью, наличием электролитов, составом обменных оснований, содержанием гумуса, влажностью).
Она оценивается уже при полевом описании. При этом выделяются следующие градации: рыхлая, рыхловатая, уплотненная, твердая, очень твердая почва.
Твердость почв изменяется в очень широких пределах: от 5 до 60 кг/см2 и выше. Самой большой твердостью в сухом состоянии характеризуются слитые почвы и солонцы.
Оценивая твердость генетических горизонтов как наиболее твердые, можно выделить солонцовые, слитые, иллювиальные горизонты, плужную подошву, почвенные коры.
Твердость почв определяет тяговое усилие сельскохозяйственных орудий. Сила тяги, отнесенная к единице рабочей площади обрабатывающего орудия, называется удельным сопротивлением.
При снижении влажности резко увеличивается твердость почв, растет их удельное сопротивление, увеличиваются энергетические затраты на обработку. При увеличении влажности увеличивается липкость почв, растет сила сцепления почвенных частиц с поверхностью обрабатывающих орудий, что также приводит к увеличению удельного сопротивления.
При повышенной влажности не происходит крошения почвы и образования агрономических ценных агрегатов, происходит заглыбление почв. Обработка сухих почв распыляет почву, что снижает их противоэрозионную стойкость и существенно ухудшает поверхностные свойства.
Удельное сопротивление почв в естественных условиях имеет диапазон от 0,2 до 1,2 кг/см2.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Одним из главных реологических свойств почв является их пластичность
Пластичностью называется способность почв менять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил (без разрывов и трещин) и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия
Пластичность характеризуется числом Аттеберга. Верхним пределом пластичности считают влажность, при которой почва начинает течь, а нижним — влажность, при которой почва перестает скатываться в шнур без трещин диаметром более 3 мм.
I) верхний предел пластичности, или предел текучести, — массовая влажность почв, при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на 10 мм;
2) нижний предел пластичности — граница между полутвердым и пластичным состоянием почвы — массовая влажность, при которой образец можно раскатать в жгут диаметром в 3 мм без образования разрывов и трещин;
3) число пластичности — разность между числовым выражением верхнего и нижнего пределов пластичности. Число пластичности показывает диапазон влажности, в котором проявляются пластичные свойства почв.
Пески имеют число пластичности — 0,
супеси — 0—7,
суглинки — 7—17,
глины — более 17.
Пластичность определяется гранулометрическим составом и формой слагающих почву частиц.
Пластичность глин вдвое больше пластичности суглинков и втрое больше пластичности супесей.
Пески практически непластичны. Числа пластичности для них соответственно равны 35—40, 10—20, 5—10 и 0.
Наибольшей пластичностью обладают набухающие частицы пластинчатой и чешуйчатой формы.
При прочих равных условиях почвы, имеющие в илистой фракции монтмориллонитовые минералы, всегда будут более пластичны, чем почвы с преобладанием каолинита.
Пластичность почвы широко используется при определении механического состава почв, при скатывании шнуров и шаров, при расчетах тяговых усилий по обработке почв.
Пластичность определяет консистенцию почвы — степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием механического воздействия при различной влажности.
Выделяют несколько форм консистенции:
а) твердая — почва имеет свойства твердого тела, не пластична;
б) полутвердая — переходное состояние между твердым и пластичным телом;
в) вязкопластичная — почва обладает пластичностью, но не прилипает к другим телам;
г) липкопластичная — почва обладает пластичностью и прилипает к другим телам;
д) вязкотекучая — почва в состоянии растекаться толстым слоем;
е) жидкотекучая — почва может растекаться тонким слоем.
В обычных условиях для почв характерны четыре первые формы консистенции. Однако в некоторых почвах с сильным переувлажнением в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. Они определяют подвижность (ползучесть) почв — способность ее в переувлажненном состоянии течь под влиянием собственной массы Текучесть почв активно проявляется в тундре, а также на склонах в зонах выклинивания грунтовых вод При этом создаются специфические солифлюкционные формы рельефа
Частный случай текучести — тиксотропность, когда переувлажненные почвы приобретают текучесть при механическом воздействии и снова переходят в твердое состояние в покое Подобное явление обусловливает высокую уязвимость тундровых ландшафтов, когда даже при небольших механических воздействиях происходит сползание тиксотропных масс по водоупорам и на поверхность выходят мерзлые неплодородные грунты
Определенное влияние оказывает текучесть (ползучесть) и на развитие эрозионных процессов на склонах
С пластичностью почв связана их вязкость — внутреннее трение, возникающее при «течении» почвы.
Вязкость почв следует изучать при исследовании эрозионных процессов, а также при расчетах производственных характеристик, связанных с обработкой почв.
Липкость — свойство дисперсионных систем прилипать к поверхности различных тел. Липкость почв количественно характеризуется усилием в ньютонах, необходимым для отрыва металлической пластинки от поверхности почвы, и выражается в Н/см2 (в 9,8 Па).
Проявляется липкость лишь во влажном состоянии, что обусловлено силами молекулярного сцепления, возникающими на границах раздела между минеральными частицами, тонким слоем воды и поверхностью соприкасающегося предмета. Таким образом, решающая роль в проявлении липкости принадлежит слабосвязанной воде, и это свойство называется адгезией, а слой воды называется адгезионным слоем.
Липкость почв тесно связана с гранулометрическим составом, оструктуренностью почв, их сложением. Все это определяет характер и свойства поверхности раздела почва — плоскость предмета.
Диспергирование на любом уровне увеличивает площадь внутренней поверхности, усиливает гидрофильность почв, вызывает рост ее липкости. Так, липкость (в Н/см2) песков и супесей (при прочих равных условиях) равна 0,2—0,3, покровных суглинков — 0,6, глин 5—6, минеральных частиц менее 1 ммк — 10—11.
Обесструктуривание почв, нарушение их сложения также увеличивают липкость.
Липкость почв в наибольшей степени определяется их влажностью, поэтому основными показателями липкости являются:
а) влажность начального прилипания (W0);
б) влажность максимального прилипания (Wmax);
в) влажность максимальной липкости (L).
Кривые зависимости липкости от влажности имеют определенный вид (рис.), однако значения V0, Wmax и L для разных почв различны.
Липкость, обусловливая связь между отдельными почвенными частицами, играет важнейшую роль в образовании макроструктуры.
Липкость определяет такое важное производственное свойство почв, как их физическая спелость.
По липкости почвы делятся на предельно липкие (>147 Па), сильно вязкие (49,0—147 Па), средние (19,6—49,0 Па), слабо вязкие (19,6 Па).
Спелость почвы — такое состояние, при котором она не прилипает, хорошо крошится, имеет наименьшее удельное сопротивление и не пылит.
Различают физическую и биологическую спелости.
Физическая спелость наблюдается при оптимальной влажности, которая колеблется в пределах 40—60% полной влагоемкости, при которой исчезает способность почвенных частиц прилипать к сельскохозяйственным орудиям, но возникает способность самоагрегироваться.
Нижний предел физической спелости для разных почв различен, следовательно, липкость почв определяет оптимальные сроки и условия проведения полевых работ на конкретных почвенных разностях. Раньше всех достигают состояния физической спелости почвы легкого гранулометрического состава и гумусированные черноземы.
Биологическая спелость, по Д. И. Менделееву, такое состояние почвы, при котором она «подходит, как тесто» от наличия в ней углекислого газа или максимальной биологической активности микроорганизмов (разложения и переработки органических веществ, освобождения элементов питания).
Большое значение для характеристики липкости почв имеют такие внешние по отношению к ним факторы, как мощность и масса сельскохозяйственных орудий, быстрота их движения на поле, состояние их поверхности, материал, из которого изготовлены режущие части. Учет почвенных и внешних факторов, определяющих прилипание почв, является важным резервом экономии энергетических ресурсов при планировании и проведении полевых сельскохозяйственных работ.
Набухание — это свойство почв и глин увеличивать свой объем при увлажнении.
В основе набухания лежит свойство коллоидов сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц, раздвигая их. Чем больше внутренняя поверхность почвенной массы, чем больше водоудерживающая способность почвенных частиц, тем более мощную пленку они могут создавать вокруг себя, тем больше набухаемость такой системы. Однако основная роль в набухании почв принадлежит не столько дисперсности минеральной основы, сколько ее минералогическому составу.
Больше набухают глины, особенно состоящие из монтмориллонита и насыщенные Na или Li. Набухание выражают в объемных % по отношению к исходному объему по формуле.
Усадка — сокращение объема почвы при ее высыхании. Это явление обратное набуханию, зависящее от тех же условий, что и набухание. Измеряется в объемных % по отношению к исходному объему по формуле
При усадке почва может покрываться трещинами, возможны формирование структурных агрегатов, разрыв корней, усиление испарения. Усадка вызывает изменение процессов разложения органических веществ, увеличение аэробиозиса почвы.
Усадка характеризуется уменьшением объема почв при их высыхании и дегидратации.
Способность почв к набуханию (усадке) характеризуется следующими параметрами:
1) степенью набухания (усадки), измеряемой по изменению объема образца почвы при увлажнении (высыхании) и выражаемой в процентах от исходного объема
2) влажностью набухания — влажность в процентах, при которой прекращается набухание. Влажность набухания зависит от исходной влажности почвы, чем она ниже, тем выше влажность набухания, тем больше степень набухания. Следовательно, переосушение почв увеличивает амплитуду объемных изменений, связанных с набуханием и усадкой, что вызывает увеличение давления набухания;
3) давлением набухания, которое появляется в почве при невозможности или ограниченности объемных деформаций внутри почвенного профиля. Оно может быть измерено с помощью внешней нагрузки и равно силе, при которой не будет происходить изменения объема при увлажнении. Между степенью и давлением набухания существует прямая зависимость;
4) деформационными напряжениями, возникающими в почве при иссушении и способствующими образованию трещин на поверхности почв и структурных отдельностей.
Набухание и усадка в той или иной степени наблюдаются во всех почвах, но в наибольшей степени они характерны для слитых почв и солонцов, что и определяет их крайне неблагоприятные физические свойства. Высокая набухаемость слитых смектитовых почв является диагностическим признаком и создает их специфический облик и структуру. Высокие давления, появляющиеся внутри почвы при их увлажнении и набухании, приводят к выпячиванию массы почв и образованию кочковатого микрорельефа — гильгаи.
При высыхании напряжения разрыва вызывают растрескивание почв и образование массивных слитых тумб и глыб, очень плотных и твердых. Глубокая трещиноватость способствует перемешиванию почвенной массы (частицы с поверхности падают в трещины) и приводит к формированию мощного, но недифференцированного профиля.
Физико-механические свойства почвы важно учитывать при различных видах использования почв и почвенного покрова: при механической обработке почвы в земледелии, при использовании почв в качестве основания для сооружений, при дорожном и аэродромном строительстве, при использовании почвы в качестве строительного материала, в гидротехнике при строительстве каналов и водохранилищ, при гидротехнической мелиорации почв (ирригация и дренаж) и т. д. 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.
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Колебания температуры — важный компонент почвенного микроклимата. Следуя годичным циклам изменения температуры воздуха, температура почвы оказывает существенное влияние на многие протекающие в ней процессы.
ПОСТУПЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ В ПОЧВУ
Тепловая энергия в почве имеет несколько источников:
1) лучистая энергия солнца;
2) атмосферная радиация;
3) внутренняя теплота земного шара;
4) энергия биохимических процессов разложения органических остатков;
5) радиоактивный распад.
Вклад двух последних источников ничтожно мал и обычно не принимается во внимание в балансовых расчетах.
Внутренняя теплота земного шара также незначительна. Вклад этого источника в тепловой поток велик лишь в районах активной вулканической деятельности.
Атмосферная радиация приобретает существенное значение в балансе теплоты в районах с неустойчивой атмосферной деятельностью, в периоды вторжения теплых или холодных воздушных масс.
Таким образом, главным источником теплоты в почве является лучистая энергия солнца.
Реальное количество поступающей в почву солнечной тепловой энергии существенным образом коррелируется географической широтой, временем года, состоянием атмосферы, экспозицией склонов, т. е. углом падения солнечных лучей на поверхность, характером растительного покрова, а также тепловыми свойствами самой почвы
ТЕПЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЫ
Совокупность свойств, обусловливающих способность почв поглощать и перемещать в своей толще тепловую энергию, называется тепловыми свойствами.
К ним относятся: теплоотражательная способность почв, теплоемкость, теплопроводность, теплоусвояемость.
1. Теплоотражательная способность почв, или способность почв отражать определенную долю падающей на ее поверхность солнечной радиации, характеризуется значением альбедо (А) — долей коротковолновой солнечной радиации, отражаемой их поверхностью (QОТР), выраженной в процентах от общей солнечной радиации (Qобщ):
А=QОТР/Qобщ•100,
где Qобщ и QОТР выражаются в Дж/(см2•мин).
Альбедо зависит от очень многих свойств почв — их цвета, количества и качественного состава органического вещества, гранулометрического состава, оструктуренности, состояния поверхности, влажности.
Диапазон отражения лучистой энергии поверхностью почв колеблется от 8—10 до 30%.
Естественное варьирование величины альбедо в ландшафтах усиливается характером растительного и снежного покрова.
2. Теплопоглотительная способность почв одного и того же региона обусловливает разделение почв на холодные и теплые: темноцветные почвы более теплые, чем светлые; оструктуренные почвы с шероховатой поверхностью более теплые, чем бесструктурные.
Дата добавления: 2014-12-20; просмотров: 134 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |