Плотность почвы.

Плотность почвы- одно из главнейших фундаментальных свойств почвы. Под этим термином понимают массу твердой фазы почвы в единице её объема, взятого в естественном состоянии. Последнее замечание чрезвычайно важно и подразумевает необходимость учитывать все трещины, пустоты и поры. По вышеуказанной причине отбор образцов проводиться с уделением максимального внимания такой их характеристике как представительность.

Плотность обоснованно считается интегральным показателем физического состояния почвы. Она обуславливается значениями гранулометрического и минерального состава, водопрочности макроагрегатов, влажности, структуры, содержания гумуса и ряда други факторов, для которых сложно определить направленность причинно-следственной связи с плотностью.

В свою очередь плотность влияет непосредственно на водный и воздушный режим (в частности, на водопроницаемость и аэрацию) и косвенно на тепловой режим, жизнедеятельность фауны и развитие корневых систем растения. Обобщая, можно сказать, что сфера влияния плотности почвы охватывает практически все физические, химические и биологические свойства как крона, охватывая каждое из них ветвью корреляции первого, второго и последующих порядков.

Плотная почва оказывает большое сопротивление развитию растений и обработкам, что влечет за собой большие затраты; также создаются неблагоприятные условия путем заполнения всех пор водой и недостатка пор аэрации. Плотная почва плохо или совсем не фильтрует воду, которая, стекая по поверхности вызывает процессы эрозии. Известно, что плотность - величина динамическая, поэтому и без помощи человека почва имеет способность к саморегуляции своей плотности, постепенно достигая определенного значения, соответствующего равновесной плотности, мало изменяющейся во времени.

Плотность необходима для решения целого ряда задач: вычисления порозности, запасов воды, питательных веществ, гумуса, норм полива при орошении и т. д.. По плотности сложения верхних горизонтов судят об окультуренности почв.

Наиболее распространенным методом определения плотности почвы является буровой метод, которым мы и пользовались в ходе работы. Его принцип заключается в отборе образца ненарушенного сложения определенного объема. Для определения плотности мы использовали прибор Н.А. Качинского. Цилиндр для взятия образцов имел объем 102,1 см³. Диаметр режущей части на 1 мм меньше остальной, что обеспечивает взятие образца без прессования. Чтобы избежать перекоса, малый цилиндр погружают в почву с помощью направителя и шомпола. Направитель представляет собой колодку из прочного дерева с цилиндрическим отверстием в середине. Диаметр отверстия на 1- 1,5 мм больше внешнего диаметра цилиндра. Шомпол изготовляется также из крепкого дерева. Он имеет цилиндрическую часть, выступ и головку. Цилиндрическая часть для прочности заключена в металлическую оправу. Высота цилиндрической части равна высоте направителя. Когда шомпол войдет в направитель до выступа, цилиндр будет полностью погружен в почву.

В ходе работы были определены плотности почвы до глубины 146 см. Итогом является график распределения плотности по глубинам (рис. ). Анализируя результаты, можно отметить, что минимум плотности приходиться на поверхность, что обуславливается перепашкой и обилием корней. Максимум же наблюдается на глубине 10 и 80 см, где нами была замечена подплужная подошва. Также нельзя не отметить резкое падение плотности от 80 до 150 см глубины. Причина в том, что на этом уровне нами был вскрыт древний аллювий, представляющий собой перемежающиеся линзы песка и супесчаной фракции.

Следуя классификации плотности естественного сложения по Н. А. Качинскому, вскрытая нами почва сильно уплотнена.

Порозность

Одной из специальных гипотез физики почв является гипотеза о структурном строении почвенного вещества. Действительно, горизонтный масштаб (т.е. отдельный почвенный слой, горизонт) рассмотрения почвы состоит из более мелких единиц- единиц масштаба почвенных педов или агрегатов. Соответственно можно выделить и объем пор агрегатов, а также плотность агрегатов, их порозность. Исходной характеристикой является плотность агрегатов а [г/см3]. Аналогично плотности почвы и ее твердой части плотность агрегатов-это масса ms единицы объема почвенного агрегата: a = ms/Va. Поэтому и порозность агрегата будет являться отношением объема пор агрегата ко всему объему агрегата:

агр=Vпор/Va. Последнее особенно важно: применительно к объему всего агрегата. Важно потому, что нередко необходимо рассчитать так называемую межагрегатную порозность - отношение объема пор, находящихся в поровом пространстве почвы между агрегатами, ко всему объему почвы. Как видно, представленные порозности, почвы, агрегатов, межагрегатная, величины, которые нельзя получить простым вычитанием или сложением, так как их выражения имеют различные знаменатели: в случае порозности почвы и межагрегатной порозности объем пор относят к почве, а в случае агрегатной - к объему агрегатов. Здесь вступает в действие 1-е правило

правило сохранения размерностей. Для того чтобы рассчитать межагрегатную порозность, надо прежде всего найти величину Vпор /Vt =агр - величину так называемой суммарной агрегатной

порозности, или отношения пор агрегатов к объему пор почвы:

Получив величину суммарной агрегатной порозности, можно рассчитать межагрегатную порозность:

Знание всех величин порозностей – почвы, агрегатов, межагрегатной весьма важно во многих аспектах. В хорошо агрегированной почве основные запасы питательных веществ, микроорганизмов,влаги находятся именно внутри агрегатов. Снижение агрегатной порозности – яркое свидетельство ухудшения физического состояния почв. Именно почвенные агрегаты обусловливают почвенное плодородие, так как в их поровом пространстве хранятся питательные вещества, влага, которые потребляют растения. Основная функция межагрегатного пространства

это проведение потоков веществ. В основном по межагрегатному поровому пространству происходит перенос воды и растворенных в ней веществ. Поэтому нередко указывают, что агрегатное пространство-это хранилище основных почвенных запасов, а межагрегатное пространство-это транспортные пути, пути миграции веществ. Функции этих частей порового пространства почвы во многом различны: накопление и постепенное расходование воды и веществ из агрегатной порозности, быстрый транспорт веществ в профиле почв по межагрегатной. Поэтому и при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы.

Типичные значения порозности

Остановимся прежде всего на возможных минимальных и максимальных величинах плотности и порозности почв, которые можно встретить в природе. Это необходимо для того, чтобы избежать случайных ошибок. Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см3. Даже в лабораторных экспериментальных условиях известный российский агрофизик Б.Н.Мичурин при давлениях выше 100 атм не получал величин более 2.04 г/см3. А вот минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0.8 г/см3. Хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0.1 г/см3. В табл.I.1, составленной с использованием данных из

книг А.Д.Воронина (1986), Д.Л.Роуэлла (1998), указаны типичные значения плотности (более подробные данные по физическим свойствам, их классификациям приведены в части«Справочные

материалы»).

Приведенные величины – это возможный характерный диапазон встречающихся значений. Однако для нормального функционирования почв существует некоторый оптимальный диапазон, находящийся внутри указанных крайних значений. Мы переходим крассмотрению плотности почвы, составляющих ее различных видов пористостей как важнейших агрофизических характеристик почвы, от которых зависят урожай растений и другие биосферные функции почв.(Шеин. Е.В.,2005)

Результаты порозности.

По величинам плотности почвы и плотности твердой фазы почв можно вычислить порозность почвы, как соотношение объема пор почвы к объему всей почвы. В данной работе для расчетов порозности используются так называемые «типичные» значения плотности твердой фазы почвы , т.е. значения из справочных материалов, полученные в результате обобщения множественных экспериментальных данных по данному вопросу.

Порозность почвы высчитывается по формуле: ( / )

горизонтглубина		ср пролность	плотность твердой фазы г/см3	порозность	порозность %
площадки	0,0	1,47	2,52	0,42	41,5
площадки	10,0	1,85	2,73	0,32	32,1
площадки	20,0	1,73	2,73	0,37	36,8
площадки	30,0	1,74	2,73	0,36	36,3
площадки	40,0	1,68	2,7	0,38	38
площадки	50,0	1,74	2,7	0,36	35,7
разрез	Дно 146	1,74	2,75	0,37	36,7
разрез	80,0	1,89	2,72	0,30	30,4

Из приведенных данных по шкале оценке порозности почвы (предложена Н.А. Качинским) значения <50 % неудовлетворительные для пахотного слоя, а <40% характерная для уплотненных иллювиальных горизонтов. На площадке с поверхности почвы соответственно у нас неудовлетворительные значения порозности, все остальные значения характерные для уплотненных иллювиальных горизонтов.

Сопротивление пенетрации (твердость).

В почвоведении всегда была потребность быстро и точно оценить состояние почвы в отношении условий проникновения в неё корней растений, сельскохозяйственных орудий и прочего. Поэтому было предложено понятие “сопротивление пенетрации почвы, грунта, Рpen” – сопротивление почвы внедрению в неё металлического зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра (обычно от 1 до 5 мм). Оно является аналогом предельного напряжения сдвига, используемого в коллоидной химии. Традиционно до сих пор в почвоведении в отношении сопротивления пенетрации используют и термин “твердость почвы”. Таким образом сопротивление пенетрации и твердость – термины-аналоги, на использование термина “сопротивление пенетрации” более физически строго, не так как твердость.

Сопротивление пенетрации почвы – сопротивление почвы внедрению в неё зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра (Ppen, кПа или другие единицы давления). Определяется с помощью специальных приборов – пенетрометров, которые необходимо тарировать, находя в специальных экспериментах постоянную прибора – величину напряжения сжатия или растяжения не единицу шкалы прибора (в Па/см, или (кг/см2)/см, т.е. [давление/длина]).

Сопротивление пенетрации – характеризует способность почвы противодействовать проникновению в неё не только агротехнических орудий, но и корней растений. Повышенное сопротивление пенетрации указывает на переуплотнение почвы. Критическое значение Ppen для суглинкой составляет около 3 МПа.

Твердость – сопротивление почвы сдавливанию, расклиниванию, раскалыванию. В отличие от прочности и пластичности она не является физической “постоянной”, а определяет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода её измерения. Наиболее часто для измерения твердости пользуются методом вдавливания, проникновения (пенетрации) стержня в почву. Отсюда приборы для измерения твердость почв часто называют пенетрометрами. Другое название – твердомеры. При этом величина твердости обратно пропорциональна глубине проникновения стержня.

Твердость почвы зависит от структуры почвы и прежде всего, таких её составляющих как гранулометрический и агрегатный состав.

В сильной степени твердость почвы зависит от влажности. Высокая твердость почвы часто заметно снижает всхожесть семян и оказывает механическое сопротивление развивающейся корневой системе, а изменяя водный. Воздушный и тепловой режимы почв, отрицательно влияет на развитие самих растений.

Твердость является также важной технологической характеристикой почвы. При вспашке плуг осуществляет подрезание пласта почвы в вертикальном направлении ножом и в горизонтальном направлениях, используя для этого в твердомерах в качестве датчиков заостренные наконечники – плунжеры в виде конуса, клина или цилиндра с малой площадью сечения. Выражают сопротивление в килопаскалях. Чем почвы тверже, тем больше её сопротивление расклиниванию.

Кроме того, твердость почвы оказывает больше влияние на тяговое сопротивление при движении машин и орудий. В этом случае твердость почвы проявляется как сопротивление сдавливанию или сжатию почвы, и чем больше твердость тем меньше тяговые усилия. Сопротивление сдавливанию определяют цилиндрическими плунжерами.

Для определения твердости почвы предложено несколько конструкций приборов: твердомер Качинского, Микропенетрометр МВ-2.