4. Физические свойства почвы

4.1. Общие физические и физико-механические показатели почв

Физические свойства почвы подразделяют на общие физические и физико-механические.

К общим физическим свойствам почвы относятся: плотность твердой фазы, плотность и пористость (скважность), к физико-механическим – пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Плотность твердой фазы почвы – это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4°С. Различные типы почв и даже отдельные почвенные горизонты имеют разную плотность твердой фазы. Величина плотности твердой фазы почв зависит от их минера-логического состава и содержания органических компонентов. Например, плотность твердой фазы гипса 2,3–2,35 г/см³, органических компонентов (торф, растительные остатки) 1,25–1,8 г/см³. В зависимости от вида минералов, их количества и органических компонентов, входящих в твердую фазу почвы, определяют ее плотность. Плотность твердой фазы минеральных почв колеблется в пределах 2,4–2,8 г/см³. Бедные органическим веществом дерново-подзолистые почвы имеют плотность твердой фазы 2,65–2,7 г/см³, а богатые органическими компонентами торфяники – 1,4–1,8 г/см³.

Плотностью почвы называется отношение твердой массы почвы к ее объему, выраженное в 3 г/см³. В отличие от плотности твердой фазы при определении плотности почвы рассчитывают массу почвы в единице объема со всеми порами. Поэтому показатели плотности почвы всегда меньше показателей плотности ее твердой фазы. Величина плотности почвы также зависит от количества и соотношения минеральных и органических компонентов. Плотность минеральных почв изменяется от 0,9 до 1,8 г/см³, а у торфяно-болотных – от 0,15 до 0,40 г/см³. На плотность почвы большое влияние оказывает механическая обработка. Наименьшую плотность почва имеет сразу после обработки. С течением времени (по мере удаления от момента обработки) почва приобретает все большую плотность. После какого-то срока (разного для различных почв) почва приобретает постоянную плотность, которая практически не изменяется в естественном состоянии. Такая плотность называется равновесной. Каждому типу почв соответствует своя равновесная плотность. Величина равновесной плотности почвы – важнейшая характеристика условий роста и развития культурных растений. Она же указывает на необходимость антропогенного воздействия на почвы с целью регулирования агрофизических свойств. Для большинства культурных растений оптимальная плотность 1,1–1,3 г/см³. Любые отклонения от оптимальной величины плотности приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Сравнение оптимальной плотности с равновесной помогает определить направленность механического воздействия на почву (рыхление, уплотнение) или полностью исключить его.

Пористость, или скважность, почвы – это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Она выражается в процентах общего объема почвы. Пористость минеральных почв 25–80 об. %, а торфяных – 80–90 об. %. Поры в почвенных горизонтах бывают различной формы и диаметра. В зависимости от размера пор выделяют капиллярную и некапиллярную пористость (скважность). Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы, некапиллярная – объему крупных пор (объему промежутков между почвенными агрегатами). Сумма капиллярной и некапиллярной пористости составляет общую пористость почвы. Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом. Вода в них находится под действием гравитационных сил и не удерживается. В капиллярных порах размещается вода, удерживаемая менисковыми силами. Поры, в которых находятся капиллярная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений, называют активными. К неактивным относятся поры, занимаемые связанной водой.

Пористость зависит от структурности, плотности, гранулометрического и минералогического состава почвы. Между плотностью почвы и пористостью существует обратная зависимость. Чем больше пористость, тем меньше плотность почвы. От общей пористости зависят такие важные свойства почвы, как водопроницаемость и воздухопроницаемость, влагоемкость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмосферой.

Соотношение объемов твердой фазы почвы и различных видов пор называют строением пахотного слоя. Оптимальные условия для роста и развития растений создаются в условиях, когда примерно половина объема почвы приходится на поры.

Пластичностью называют свойство почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сложения и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Она зависит от гранулометрического, минералогического, химического состава почвы, состава обменных катионов и проявляется при определенном диапазоне влажности, характеризующем верхний и нижний пределы пластичности, или границы пластичности. В сухом и переувлажненном состоянии почвы не обладают пластичностью. Пластичность измеряется числом, которое представляет разницу между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. Чем больше число пластичности, тем пластичнее почва. Каждая почва характеризуется определенным интервалом влажности, при котором проявляется пластичность, то есть своими границами пластичности, определенным числом пластичности.

Шведский ученый А. Аттерберг по числу пластичности классифицировал почвы на четыре категории: высокопластичные (глины) – число пластичности > 17, пластичные (суглинки) – 17–7, слабопластичные (супеси) – < 7 и непластичные (пески) – 0.

Нижняя граница пластичности – это верхняя граница влажности почвы, при которой возможна ее механическая обработка, или верхний предел оптимальной влажности для обработки почвы. Верхняя граница пластичности одновременно является и показателем устойчивости почв к водной эрозии. При влажности, превышающей верхний предел пластичности, почва приобретает текучесть, сползает по уклону, в очень сильной степени подвергается эрозии.

Липкость – это свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она увеличивает тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий, ухудшает качество обработки почвы. Величина липкости определяется силой, необходимой для того, чтобы оторвать почву от поверхности прилипания. Липкость выражается в г/см². Она проявляется при увлажнении почвы, приближающейся к верхнему пределу пластичности. Величина липкости зависит от гранулометрического состава, степени дисперсности, состава поглощенных катионов, структуры, влажности почвы. Высокогумусированные почвы даже при повышенном увлажнении не проявляют липкости. С повышением дисперсности почвы, ухудшением структуры, утяжелением гранулометрического состава липкость почв увеличивается.

По величине липкости Н.А. Качинский разделил почвы на 5 категорий: предельная – липкость > 15 г/см²; сильновязкая – 5–15; средневязкая – 2–5; слабовязкая – 0,5–2; рассыпчатая – 0,1–0,5 г/см².

По данным А.Ф. Вадюниной, липкость начинает проявляться в структурных почвах при влажности 60–80% предельной полевой влагоемкости, в распыленных почвах – при более низкой влажности.

Набухание – увеличение объема почвы (V_наб) при увлажнении. Объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды. Набухание, зависящее от гранулометрического, минералогического и химического состава почвы, присуще мелкозернистым почвам, содержащим большое количество коллоидов. Его определяют, об. %, по формуле

V_наб = [(V₁ - V₂) / V₂] · 100,

где V₁ – объем влажной почвы, см³, V₂ – объем сухой почвы, см³.

Наиболее набухаемы глинистые почвы, содержащие поглощенный натрий. Набухание этих почв может достигать 150 об. %. Этот процесс может вызвать в поверхностном слое почвы неблагоприятные в агрономическом отношении изменения – разрушение агрегатов.

Усадка – уменьшение объема почвы при высыхании. Она зависит от тех же факторов, что и набухание. Чем больше набухание, тем больше усадка.

Связность почвы – способность почвы оказывать сопротивление разрывающему усилию, раздавливанию, расклиниванию. Она вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления зависит от гранулометрического, минералогического состава почвы, ее структуры, влажности и характера сельскохозяйственного использования.

Спелость – готовность почвы к обработке. Состояние почвы, определяющее ее готовность к обработке, посеву или посадке, в которой она хорошо крошится и не прилипает к сельскохо-зяйственным орудиям, характеризуется физической спелостью почвы, то есть при таком состоянии влажности почва физически спелая, созревшая и пригодна для качественной механической обработки. За пределами физической спелости почва обрабатывается плохо, процесс обработки требует большего тягового усилия, больших затрат труда, времени и средств. Следовательно, почву надо обрабатывать только в момент физической спелости. Физическая спелость почвы определяется гранулометрическим составом, структурой и содержанием гумуса и воды в почве. Значимость этих факторов неодинакова. На почвах тяжелого гранулометрического состава, с большим содержанием глинистой фракции влажность почвы оказывает первостепенное влияние на «поспевание» – готовность почвы к качественной обработке. Оптимальная влажность при обработке тяжелых почв составляет 50% полевой влагоемкости. Незначительное отклонение влажности от этой величины как в большую, так и в меньшую сторону делает почву непригодной для качественной обработки.

С уменьшением содержания в почве глинистой фракции утрачивает свое значение и влажность почвы. При этом расширяются верхняя и нижняя границы влажности для пригодности почвы к обработке. Оптимальные сроки обработки почвы увеличиваются. Если тяжелоглинистые почвы имеют незначительный период готовности к обработке, исчисляемый минутами или часами, то с облегчением гранулометрического состава в связи с расширением границ влажности для пригодности к обработке этот период удлиняется до нескольких дней.

Наряду с гранулометрическим составом и влажностью почвы на физическую спелость большое влияние оказывают содержание гумуса, структура и сложение. Сложение почвы – соотношение в почве частиц различной величины. Эти факторы значительно расширяют границы влажности для пригодности почвы к обработке, так как высокогумусированные, хорошо оструктуренные почвы с высокой порозностью лучше поглощают избыточное количество влаги и медленнее отдают (теряют) ее, чем уплотненные почвы.

В практике сельского хозяйства о наступлении физической спелости судят по влажности поч-вы, а также по посерению гребней и по способности смятой в руке и брошенной с высоты 1–1,5 м почвы распадаться на отдельные комочки.

Твердость почвы – механическая прочность, сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела. Твердость в значительной мере определяется связностью почвы. Величина твердости определяется специальными приборами – твердомерами и выражается в кг/см². Чем выше твердость, тем хуже агрофизические свойства почвы, тем больше требуется затрат на обработку, тем хуже условия для появления всходов и роста растений. Твердость почвы зависит от структуры, содержания органического вещества, влажности. Распыленная почва при высыхании оказывает значительно большее механическое сопротивление, чем структурная, комковато-зернистая. С уменьшением влажности твердость почвы возрастает. Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными катионами, менее твердые, чем малогумусные почвы. Твердость почвы определяется гранулометрическим составом и составом поглощенных оснований. Черноземы, насыщенные кальцием, в 10–15 раз менее твердые, чем солонцы. От величины твердости почвы зависят затраты на ее обработку.

Удельное сопротивление почвы – усилие, затрачиваемое на осуществление технологических процессов (подрезание пласта, оборачивание его) и преодоление при обработке почвы трения ее о рабочую поверхность почвообрабатывающих орудий. Оно выражается в кг/см². Удельное сопротивление зависит от гранулометрического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохимического состояния и изменяется от 0,2 до 1,2 кг/см². Наименьшим удельным сопротивлением обладают насыщенные кальцием почвы, легкого гранулометрического состава, наибольшим – тяжелосуглинистые и глинистые почвы солонцового типа, содержащие свыше 20–30% поглощенного натрия от емкости поглощения. Величина удельного сопротивления почвы сильно зависит от агротехнического фона. На целинных и старозалежных почвах удельное сопротивление на 45–50% выше, чем на старопахотных. На полях, сильно засоренных сорняками, особенно корневищными, удельное сопротивление значительно возрастает. Почвы с хорошей структурой оказывают меньшее сопротивление при обработке, чем бесструктурные.