2. Физические свойства почвы

К физическим свойствам почвы относятся структура, водные, воздушные, тепловые, общие физические и физико-механические свойства. В данном разделе рассматриваются общие физические и физико-механические свойства, все остальные свойства — в специальных разделах.

К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость.

Плотностью почвы называется масса единицы объема сухой почвы, взятой в естественном сложении. Выражается в г/см3.

Плотность твердой фазы почвы — это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4 °С.

При определении плотности почвы измеряется масса почвы в единице объема со всеми порами, поэтому плотность почвенной массы, взятой в ненарушенном сложении, всегда меньше плотнос­ти твердой фазы почвы. Плотность минеральных почв и грунтов изменяется в широких пределах — от 0,9 до 1,8 г/см3, а торфя­ных — от 0,15 до 0,40 г/см3. Значения плотности твердой фазы почв и грунтов изменяются в пределах 2,4—2,8.

Плотность почв зависит от минералогического, механического состава, а также от содержания в ней органических веществ, ее структурности, сложения и механической обработки, а плотность твердой фазы почв —  минералогического состава и содержания органических веществ.

С плотностью тесно связаны водный, воздушный и тепловой режимы почв. Для большинства сельскохозяйственных культур на суглинистых и глинистых почвах оптимальной является плот­ность 1,00—1,25 г/см3. Дальнейшее увеличение ее вызывает сни­жение урожайности.

Данные по определению плотности почвы и ее твердой фазы широко используются в почвоведении, земледелии, в сельскохо­зяйственной мелиорации. Ими четко характеризуют почвенный профиль, выявляя уплотненный (иллювиальный) горизонт, рых­лость или уплотненность пахотного горизонта. На основании по­казателей плотности почвы рассчитывают запасы в ней воды, гумуса, солей, питательных веществ.

От плотности почвы нужно отличать ее твердость, под которой понимается сопротивление почвы сдавливанию или расклинива­нию, выражаемое в кг/см2.

Данные по определению плотности твердой фазы почв исполь­зуют при определении механического состава почв пипеточным методом по Н. А. Качинскому, а также при расчете пористости почвы.

Пористость — это суммарный объем всех пор между час­тицами твердой фазы почвы. Выражается она в процентах к об­щему объему почвы. Для минеральных почв интервал показате­лей пористости составляет 25—80 %.

Общая пористость почвы обычно определяется по формуле:

P = (1-)*100;

где Р — общая пористость почвы, %; 1— общий объем почвы; d1 — плотность почвы; d — плотность твердой фазы почвы. Отно­шение d1 к d составляет объем твердой фазы почвы.

В почвенных горизонтах поры могут быть неодинаковой фор­мы и диаметра. В зависимости от размера пор различают капил­лярную и некапиллярную пористость. Капиллярная пористость равна объему капиллярных пор почвы, некапиллярная — объему крупных пор. Сумма их составляет общую пористость почвы.

Пористость почв зависит от структурности, плотнос­ти, механического состава и определяется прежде всего ее струк­турностью. В макроструктурных почвах поры занимают большую, а в микроструктурных — меньшую часть объема. При подсыхании бесструктурной почвы на поверхности пашни образуется почвен­ная корка, ухудшающая условия роста полевых культур.

Между плотностью и пористостью существует обратная зави­симость: чем плотнее почва, тем меньше ее пористость.

С общей пористостью связаны такие свойства почвы, как водо- и воздухопроницаемость, влаго- и воздухоемкость, аэрация. На основании общей пористости можно судить о степени уплотне­ния пахотного горизонта.

Физико-механические свойства почвы

Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и сохранять эту форму впоследствии.

Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют состав колло­идной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гуму­са. Например, при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием — снижается. При высо­ком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость — способность почвы прилипать к различным поверх­ностям. В результате прилипания почвы к рабочим частям ма­шин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении. Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение натрием — увеличению липкости. С липкостью свя­зано такое агрономическое и ценное свойство почвы, как физичес­кая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипа­ет к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спе­лости.

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим содер­жанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много поглощенного кальция. Набухание может вы­звать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы мо­гут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных отдельностей.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это об­ратный процесс набуханию. При высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.

Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические показатели, как сумма энергетичес­ких затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ ма­шин и орудий.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему уси­лию, стремящемуся разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы. Связность определя­ет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает поч­ва проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство специальными приборами — твердоме­рами. Высокая твердость является признаком плохих физико-хи­мических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влия­ет на сопротивление при обработке.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подреза­ние пласта, его оборот и трение о рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удель­ное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.

Физико-механические свойства почв улучшают химической ме­лиорацией при условии применения передовой агротехники.

Билет № 13

1. Поглотительная способность почвы

Поглотительная способность — это свойство почвы поглощать и удерживать растворенные или взвешенные в воде твердые вещества, газы, а также живые микроорганизмы.

ППК способен поглощать вещества, вносимые в почву или образовавшиеся в ней. Известный ученый К. К. Гедройц, изучая явление поглощения почвой других ве­ществ, выделил 5 видов поглотительной способности почвы: ме­ханическую, биологическую, физико-химическую, физическую и химическую.

Механическая поглотительная — это способность почвы меха­нически задерживать в своих порах твердые частички.

Биологическое поглощение обусловливается жизнедеятель­ностью микроорганизмов, которые усваивают из почвенного рас­твора питательные вещества и используют их для  построения своего тела.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способ­ность обусловливается свойством коллоидных частиц почвы по­глощать из почвенного раствора катионы и анионы, а физичес­кие — адсорбировать на своей поверхности целые молекулы.

Химическая поглотительная способность почвы заключается в том, что растворенные в почвенном растворе соединения могут реагировать между собой или с твердой частью почвы, вследствие чего выпадают в осадок и удерживаются в почве.

Физико-химическая поглотительная способность — очень важ­ное свойство почвы. Питательные элементы для растений в фор­ме ионов могут быть в почвенном растворе или в адсорбирован­ном состоянии на поверхности почвенных коллоидов.

Между почвенным раствором и твердой частью почвы проис­ходит обмен ионов. Корневые волоски имеют свойство усваивать питательные вещества из почвенного раствора, а также ионы, которые находятся в адсорбированном состоянии. Благодаря фи­зико-химической поглотительной способности питательные эле­менты, в том числе и внесенные с минеральными удобрениями, не вымываются с почвы, а удерживаются на поверхности почвен­ных частиц и используются растениями.

Соли, содержащиеся в почвенном растворе, диссоциируют, то есть распадаются на частички, заряженные положительно (ка­тионы) и отрицательно (анионы). Между почвенным поглощаю­щим комплексом и почвенным раствором происходит обмен ка­тионов.

Если в почве много ионов калия, то из почвенного поглощаю­щего комплекса в раствор будут поступать катионы кальция, а при внесении извести в раствор вытесняется одновалентный ка­тион калия. Таким образом, ионы питательных веществ могут на­ходиться как в поглощенном состоянии, так и в почвенном рас­творе.

Энергия поглощения катионов зависит от их валентности и атомной массы: чем больше валентность, а в пределах одинаковой валентности чем больше атомная масса, тем выше энергия погло­щения (за исключением водорода).

Количество катионов, которые может поглотить почва, назы­вается емкостью поглощения, или емкостью обмена, и выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг-экв) на 100 г почвы. Чем больше в почве глинистых частиц и гумуса, тем больше ее емкость погло­щения. Так, супесчаные дерново-подзолистые почвы имеют ем­кость поглощения 5—10 мг-экв, суглинистые серые лесные поч­вы— 10—20, а суглинистые черноземы — 30—50 мг-экв на 100 г почвы и больше.

Чрезвычайно важное значение для многих свойств почвы, в частности для ее плодородия, имеет состав поглощенных ионов. Двухвалентные катионы кальция и магния (Са2+, Mg2+), как уже упоминалось, способствуют коагуляции почвенных коллоидов и образованию структуры почвы. Эти катионы агрономически наи­более ценные. Одновалентные катионы калия, натрия, водорода, аммония (К+, Na+, Н+, NH+) пептизируют почвенные коллоиды, не способствуют образованию структуры почвы, приводят к ухуд­шению физико-механических и водно-физических свойств. Погло­щенный водород также подкисляет почвенный раствор.

Трехвалентные катионы (Al3+, Fe3+) имеют высокое адсорбци­онное свойство, но в интервале кислотности, которая свойственна почвам (рН 4,5—7,5), растворимость солей алюминия и железа чрезвычайно низкая, поэтому их оксиды содержатся в основном в минеральных коллоидах. Однако в кислых почвах они находят­ся в поглощенном состоянии, как и в почвенном растворе, обус­ловливая его подкисление.

Почвы, в которых до 25 % емкости поглощения приходится на Н+ и А13+, считают насыщенными осно­ваниями, а если водород и алюминий составляют свыше 25 % емкости поглощения, это свидетельствует о том, что такие почвы ненасыщены основаниями.

Черноземы, каштановые почвы и сероземы насыщены основа­ниями, дерново-подзолистые, светло-серые лесные, болотные поч­вы, красноземы — ненасыщены. Почвы, в поглощающем комплек­се которых 15—20 % и больше натрия, называются солонцами.

Наряду с физико-химическим поглощением катионов в почве может иметь место поглощение анионов. По возрастающей спо­собности к адсорбции анионы располагаются следующим обра­зом: С1-,    NO3-, O2-. Анионы хлора и нитраты адсорби­руются почвой только при наличии коллоидов с высоким содер­жанием полутораоксидов алюминия и железа при кислой реакции среды (красноземы). Обычно хлориды и нитраты почвой не по­глощаются и поэтому легко вымываются. Поскольку они не образуют тяжелорастворимых соединений, содержание их в почве зависит от водного режима и усвояемости растениями.

Анионы фосфорной кислоты хорошо поглощаются всеми поч­вами, особенно кислыми, богатыми на полутораоксиды, бедными на гумус. Лишь незначительная часть фосфатионов может всту­пать в обменные реакции с ППК, потому что положительно заря­женных коллоидов мало. Кроме обменного поглощения значи­тельную роль в поглощении анионов фосфорной кислоты играют реакции химического осаждения с двух- и трехвалентными катио­нами кальция, алюминия, железа и др.  С ними анионы образуют тяжело растворимые и нерастворимые соли. Вследствие этого по­нижается доступ фосфатионов для растений, и это явление назы­вают ретроградацией.