Почвоведение - Ковда В.А / pochva1

14.2. Прочностные свойства

Связность характеризует способность почвы оказывать сопро­ тивление разрывающему усилию, стремящемуся разъединить ме­ ханические элементы, т. е. определяет свойство взаимного сцеп­ ления частиц почв. Выражается она в кг/см2. Связность необ­ ходимо 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 минералогиче­ ского состава почв, количества и состава клеющих компонентов, обменных оснований, содержания органического вещества, влаж­ ности. Обусловлена она явлениями адсорбции, когезии, цемента­ ции. Наибольшей связностью обладают почвы, имеющие в своей основе монтмориллонитовые глины. По мере облегчения грану­ лометрического состава почв и увеличения доли в них каолинита прочность структурных связей снижается, уменьшается и их связность. Оструктуривание почв, увеличивая прочность отдель­ ных агрегатов, в целом уменьшает связность почв, облегчает их обработку, оптимизирует развитие корневых систем. Увели­ чение концентрации электролитов в почвенном растворе спо­ собствует коагуляции и снижает связность почв. В то же время присутствие соды и увеличение доли натрия в почвенном погло­ щающем комплексе способствуют пептизации частиц и увеличе­ нию связности почв. Этим обусловлена высокая связность солон­ цов и многих слитых почв.

В наибольшей степени на связность почв оказывает влияние содержание в них воды. Монтмориллонитовые почвы при естест­ венной влажности имеют связность порядка 10—50 кг/см2, при сильном иссушении она увеличивается до 200—250 кг/см2. Та­ ким образом, максимальная связность характерна для сухих слитых почв. Связность в них определяется явлениями коге­ зии — слипанием однородных по своей химической природе час­ тиц за счет непосредственного взаимодействия их поверхностей, обусловленного энергией поверхностного натяжения при дегидра­ тации.

Влияние органического вещества на связность почв двояко. Гумус увеличивает связность песчаных почв и снижает у гли­ нистых за счет увеличения их агрегированности и снижения площади соприкосновения.

С прочностью сцепления почвенных частиц тесно связана твердость почв. Твердостью называется свойство почвы в естест­ венном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Из­ меряется 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 электроли-

238

тов, составом обменных оснований, содержанием гумуса, влаж­ ностью). Она оценивается уже при полевом описании. При этом выделяются следующие градации: рыхлая, рыхловатая, уплот­ ненная, твердая, очень твердая почва. Твердость почв изменяет­ ся в очень широких пределах: от 5 до 60 кг/см2 и выше (табл. 45). Самой большой твердостью в сухом состоянии харак­ теризуются слитые почвы и солонцы. Оценивая твердость гене­ тических горизонтов как наиболее твердые, можно выделить со­ лонцовые, слитые, иллювиальные горизонты, плужную подош­ ву, почвенные коры.

Т а б л и ц а 45. Твердость различных почв

Твердость почв определяет тяговое усилие сельскохозяйст­ венных орудий. Сила тяги, отнесенная к единице рабочей пло­ щади обрабатывающего орудия, называется удельным сопротив­ лением. Удельное сопротивление определяется как

K=P/аб, (69)

где Р — сила тяги, кг; а — глубина пахоты, см; б — ширина за­ хвата плуга, см.

Удельное сопротивление почв резко повышается с уменьше­ нием и увеличением их влажности, становясь минимальным в некотором оптимальном диапазоне влажности, характерном для каждой почвы (рис. 46). При снижении влажности резко уве­ личивается твердость почв, растет их удельное сопротивление, увеличиваются энергетические затраты на обработку. При увели­ чении влажности увеличивается липкость почв, растет сила сцепления почвенных частиц с поверхностью обрабатывающих орудий, что также приводит к увеличению удельного сопротив­ ления. При повышенной влажности не происходит крошения поч­ вы и образования агрономических ценных агрегатов, происходит заглыбление почв. Обработка сухих почв распыляет почву, что снижает их противоэрозионную стойкость и существенно ухуд­ шает поверхностные свойства. Удельное сопротивление чернозе­ мов в диапазоне оптимальной влажности, по данным А. Ф. Про­ нина, колеблется в пределах 0,25—0,64 кг/см2 (табл. 46). Удель­ ное сопротивление почв в естественных условиях имеет диапазон от 0,2 до 1,2 кг/см2.

239

Удельное сопротивление почв

вдиапазоне влажности 30—70% от общей влагоемкости находится

впрямой зависимости от их твер­ дости Это позволяет в расчетах использовать показатели твердос­ ти почв, так как определение удельного сопротивления доволь­ но сложный процесс

14.3. Реологические свойства

Одним из главных реологиче­

кривая 2 — ских свойств почв является их пластичность Пластичностью

называется способность почв ме­ нять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил (без разрывов и трещин) и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия Пластичность опреде­ ляет консистенцию почвы — степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием механического воздействия при раз­

б) полутвердая — переходное состояние между твердым и плас­

В обычных условиях для почв характерны четыре первые формы консистенции. Однако в некоторых почвах с сильным переувлаж­ нением в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. Они определяют подвижность (ползучесть) почв — способность ее в переувлажненном состоянии течь под влиянием собственной

создаются специфические солифлюкционные формы рельефа Частный случай текучести — тиксотропность, когда переувлаж­ ненные почвы приобретают текучесть при механическом воздей­ ствии и снова переходят в твердое состояние в покое Подобное явление обусловливает высокую уязвимость тундровых ландшаф­ тов, когда даже при небольших механических воздействиях про­ исходит сползание тиксотропных масс по водоупорам и на по­ верхность выходят мерзлые неплодородные грунты Определен­ ное влияние оказывает текучесть (ползучесть) и на развитие эрозионных процессов на склонах

Условными характеристиками консистенции почв являются

240

константы Аттерберга: I) верхний предел пластичности, или предел текучести, — массовая влажность почв, при которой стан­ дартный конус под действием собственной массы (76 г) погру­ жается в почвенный образец на 10 см; 2) нижний предел плас­ тичности — граница между полутвердым и пластичным состоя­ нием 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

Т а б л и ц а 46. Удельное сопротивление черноземов

пластичности показывает диапазон влажности, в котором прояв­ ляются пластичные свойства почв.

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. Наи­ большей пластичностью обладают набухающие частицы пластин­ чатой и чешуйчатой формы. При прочих равных условиях почвы, имеющие в илистой фракции монтмориллонитовые минералы, всегда будут более пластичны, чем почвы с преобладанием каолинита.

Пластичность зависит от состава поглощенных оснований, так как они определяют степень гидратации почв. Увеличение содержания солей в почвенном растворе уменьшает толщину диффузионного слоя, снижает число пластичности. Таким обра­ зом, показатели консистенции почв могут дать информацию о гидрофильности глинистой фракции, которая определяется как

241

Оба эти показателя приобретают особую ценность при изу­ чении изменений свойств почв в процессе сельскохозяйственной деятельности, так как они отражают суммарный эффект измене­ ния их дисперсности, минералогии, степени засоления, состава обменных оснований, агрегированности, гидрофильности.

С пластичностью почв связана их вязкость — внутреннее трение, возникающее при «течении» почвы. Вязкость почв следу­ ет изучать при исследовании эрозионных процессов, а также при расчетах производственных характеристик, связанных с обработ­ кой почв.

Липкость — свойство дисперсионных систем прилипать к по­ верхности различных тел. Липкость почв количественно характе­ ризуется усилием в ньютонах, необходимым для отрыва металли­ ческой пластинки от поверхности почвы, и выражается в Н/см2. Проявляется липкость лишь во влажном состоянии, что обус­ ловлено силами молекулярного сцепления, возникающими на границах раздела между минеральными частицами, тонким слоем воды и поверхностью соприкасающегося предмета. Таким обра­ зом, решающая роль в проявлении липкости принадлежит слабосвязанной воде, и это свойство называется адгезией, а слой воды называется адгезионным слоем.

Свойства адгезионного слоя, его мощность и химический сос­ тав в значительной мере обусловливают характер и интенсив­ ность поверхностных явлений, определяющих липкость почв. Большое влияние на формирование адгезионного слоя оказы­ вает минералогический состав почв, так как он определяет ко­ личество связанной воды. Например, липкость смектитов при равной степени диспергации вдвое выше липкости гидрослюд и в пять раз выше липкости каолинита. Также повышает лип­ кость почв высокое содержание органических веществ (липкость черноземов).

Резко изменяет адгезионные свойства почв состав обменных оснований. Внедрение в почвенный поглощающий комплекс одно­ валентных катионов вызывает диспергацию коллоидных частиц и значительно увеличивает липкость почв. При исследовании влияния различных катионов на липкость каштановых почв П. И. Шаврыгиным был получен следующий убывающий ряд:

Na+ > NH4+ > К + > Mg2 + > Са2 + > Н+ > Fe2 + > Al3+

Увеличение в почвах веществ с положительной адсорбцией (коагулянтов) уменьшает их липкость, с отрицательной — уве­ личивает.

Липкость почв тесно связана с гранулометрическим составом, оструктуренностью почв, их сложением. Все это определяет ха­ рактер и свойства поверхности раздела почва — плоскость пред­ мета. Диспергирование на любом уровне увеличивает площадь внутренней поверхности, усиливает гидрофильность почв, вызы­ вает рост ее липкости. Так, липкость (в Н/см2) песков и супесей (при прочих равных условиях) равна 0,2—0,3, покровных суг-

242

линков — 0,6, глин 5—6, мине­ ральных частиц менее 1 ммк — 10—11. Обесструктуривание почв, нарушение их сложения также увеличивают липкость.

Липкость почв в наиболь­ шей степени определяется их влажностью, поэтому основны­ ми показателями липкости яв­ ляются: а) влажность началь­ ного прилипания (W0); б) влаж­ ность максимального прилипа­ ния (Wm a x ); в) влажность мак­ симальной липкости (L). Кри­ вые зависимости липкости от влажности имеют определенный

вид (рис. 47), однако значения V0, Wmax и L для разных почв раз­ личны. Липкость, обусловливая связь между отдельными почвен­ ными частицами, играет важнейшую роль в образовании макро­ структуры.

Липкость определяет такое важное производственное свойст­ во почв, как их физическая спелость. Физическая спелость почв определяется уровнем увлажнения, при котором исчезает способность почвенных частиц прилипать к сельскохозяйствен­ ным 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 спе­ лости почвы легкого гранулометрического состава и гумусированные черноземы.

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 изго­ товлены режущие части. Учет почвенных и внешних факторов, определяющих прилипание почв, является важным резервом эко­ номии энергетических ресурсов при планировании и проведении полевых сельскохозяйственных работ.

Набухание — это увеличение объема почвы или ее отдель­ ных структурных элементов при увлажнении. В основе набуха­ ния 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.

243

Трехслойные минералы с подвижной кристаллической решеткой обусловливают не только поверхностную сорбцию воды, но и поступление ее в межпакетные пространства. При этом расстоя­

рактеризуется 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 выра­ жаемой в процентах от исходного объема:

от исходной влажности почвы, чем она ниже, тем выше влаж­ ность 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 не­ возможности или ограниченности объемных деформаций внутри почвенного профиля. Оно может быть измерено с помощью внеш­ ней нагрузки и равно силе, при которой не будет происходить изменения объема при увлажнении. Между степенью и давле­ нием 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 неблаго­ приятные физические свойства. Высокая набухаемость слитых смектитовых почв является диагностическим признаком и создает их специфический облик и структуру. Высокие давления, появ­ ляющиеся внутри почвы при их увлажнении и набухании, при­ водят 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.

Дисперсность и высокое содержание в почвах гидрофильных смектитовых коллоидов, насыщенных натрием, отмечаемые в со-

244

лонцах и солонцовых горизонтах, вызывают те же эффекты на­ бухания и усадки и обусловливают образование плотной, глы­ бистой, трещиноватой структуры. Коллоидные частицы, насыщен­ ные натрием, по данным К. К. Гедройца, могут поглощать воды до 1000%. Набухание почв увеличивается и с увеличением ем­ кости катионного обмена в щелочной среде. Насыщение почвен­ ного поглощающего комплекса двух- и трехвалентными катио­ нами снижает набухаемость (усадку) и улучшает физические свойства почв.

Набухание (усадка) связано также с содержанием в почвах солей. Увеличение количества электролитов способствует коагу­ ляции коллоидов и снижает набухаемость почв, вымывание со­ лей диспергирует почву и повышает их набухаемость.

Органическое вещество играет двоякую роль в процессах набухания — усадки. Сами по себе гумусовые кислоты — очень гидрофильные коллоиды, следовательно, они должны обусловли­ вать высокую набухаемость почв. Это и наблюдается в том слу­ чае, если они диспергированы и насыщены натрием. В других почвах, там, где хорошо развита агрегированность почв, гуму­ совые вещества, обволакивая структурные отдельности, препятст­ вуют проникновению воды в агрегаты и тем самым препятству­ ют набуханию минеральной основы.

В процессе почвообразования очень важны циклы набуха­ ния и усадки, связанные с циклами увлажнения — иссушения. Однако в зависимости от амплитуды процесса они играют двоя­ кую роль. При малых амплитудах они способствуют формиро­ ванию мелкокомковатой структуры, вызывая растрескивание почв по мере их иссушения, способствуют самомульчированию поверхности почв, разрушают почвенные корки, способствуя улучшению водно-воздушных свойств почв. При больших ампли­ тудах увлажнения циклы набухания и усадки, многократно пов­ торяемые в естественных условиях и при орошении, способст­ вуют разрушению структуры почв. Это связано с переориента­ цией и переупаковкой частичек минеральной основы, которая становится более упорядоченной, более плотной. Кроме того, большая амплитуда циклов набухания и усадки, разрушая структурные связи, увеличивает степень набухания почв и давле­ ние набухания. По данным Д. С. Горячевой, после многократ­

Физико-механические свойства почвы важно учитывать при различных видах использования почв и почвенного покрова: при механической обработке почвы в земледелии, при использова­ нии почв в качестве основания для сооружений, при дорожном и аэродромном строительстве, при использовании почвы в ка­ честве строительного материала, в гидротехнике при строитель­ стве каналов и водохранилищ, при гидротехнической мелиора­ ции почв (ирригация и дренаж) и т. д. Благоприятные физикомеханические свойства способствуют удешевлению всех видов ис-

245

пользования почв, в то время как неблагоприятные могут су­ щественно удорожить его и в ряде случаев сделать невозмож­ ным. Их необходимо учитывать при проектировании и произ­ водстве сельскохозяйственных машин, дорожно-строительных машин и другой техники Изучением физико-механических свойств занимается особый раздел почвоведения — механика почв; изучаются они и в грунтоведении и инженерной геологии

Глава пятнадцатая ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ

15.1. Понятие о почвенном плодородии

Неотъемлемым специфическим свойством почвы как природ­ ного тела является ее плодородие. От него зависит жизнь на Земле растений и животных, а также человека. Неудивительно, что в древние времена плодородие почвы люди обожествляли как солнце, огонь и воду: в Древнем Египте богиней плодородия

(«белые», «синие», «желтые»), обладающие «высоким», «сред­ ним» и «низким» уровнем плодородия. О плодородии почв пи­ сали трактаты философы, писатели и поэты античной Греции и Рима (Аристотель, Феофраст, Лукреций, Вергилий, Колумелла, Плиний и др.) Делались попытки определить истоки плодо­ родия почвы, обсуждались вопросы «старения» и «истощения» земли, давались советы, какие почвы как лучше использовать Различия в уровне плодородия разных почв учитывались при ис­ числении земельных налогов и податей, при продаже и оценке земли, особенно в эпоху феодализма и капитализма. В XVIII— XX вв. социально-экономическое значение плодородия почвы ста­ ло предметом особого внимания ряда ученых экономистов и социологов.

По мере накопления сведений о почве и развития естество­ знания и агрономии менялось и представление о том, чем обус­ ловлено плодородие почвы В самые древние времена его объ­ ясняли наличием в почве особого «жира» или «растительных

или элементов минерального питания и, наконец, плодородие

лось и определение самого понятия «плодородие почвы». В то время, когда была распространена «гумусовая» теория питания растений (А. Теер, 1830), под плодородием почвы понимали способность ее обеспечивать растения перегноем, а несколько позже сторонники минерального питания растений (Ю. Либих,

246

1840) — способность почвы обеспечивать растения всеми мине­ ральными элементами.

В современной научной литературе широко распространено определение плодородия почвы, данное академиком В. Р. Вильямсом (1936). Согласно В. Р. Вильямсу, под плодородием почвы понимается ее способность непрерывно обеспечивать растения одновременно водой и элементами питания. Тепло и свет, необ­ ходимые растениям, рассматриваются им как космические фак­ торы. Однако в настоящее время плодородие почвы понимается шире. Рыхлые горные породы тоже способны удерживать влагу и содержат элементы питания растений, но семена растений, попавшие на обнаженную породу, так же как и в воду, если и прорастают, то не образуют нормально развитого растения и его популяций.

Растения кроме воды и элементов корневого питания нуж­ даются в свете, тепле и кислороде, а зеленым частям растений необходима еще и углекислота. Почва — биокосное тело приро­ ды, в состав которого входят многочисленные живые микроор­ ганизмы. Они играют важную роль в мобилизации элементов питания растений и в снабжении их углекислотой, а продукты жизнедеятельности микроорганизмов, кроме того, оказывают не­ посредственное угнетающее или стимулирующее действие на рас­ тения — влияют на плодородие почвы. Солнечное тепло опре­ деляет тепловой режим почвы, т. е. один из важнейших факто­ ров роста растений и элемент плодородия почвы, влияет на процессы испарения почвенной влаги, на скорость и направле­ ние сложных химических и физико-химических реакций на мо­ лекулярном уровне. Солнечный свет определяет возникновение и интенсивность фотохимических реакций в почве, причем наблю­ дается высокая фотохимическая активность солнечного излуче­ ния по отношению к почвенному гумусу. Установлена тесная зависимость накопления в почве ряда аминокислот от прямой солнечной радиации.

Таким образом, почва как материнский организм использует энергию солнца, вещества и элементы питания окружающей сре­ ды, трансформирует их в процессе сложных био-физико-хими- ческих процессов и обеспечивает растения всем необходимым. Соответственно под плодородием почвы понимают способность почвы обеспечивать рост и воспроизводство растений всеми не­ обходимыми им условиями (а не только водой и элементами питания).

15.2.Категории почвенного плодородия

К.Маркс в «Капитале» различал три категории плодородия почвы: естественное, или природное, искусственное, или эффек­ тивное, и экономическое.

Естественное, или природное, плодородие определяется свой-

247