5. Сложение почв.

Плотность твердой фазы, почвы:

Отношение массы твердой фазы почвы (минеральные, органические и другие твердофазные частицы) к ее объему – это плотность ее твердой фазы, _s,:

– плотность твердой фазы почвы, г/см³.(син. удельный вес)

Если соотнести массу твердой фазы почв к общему объему, то получим величину плотности почвы, ρ_b, – массу единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии:

– плотность почвы, г/см³.

Плотность почвы – одно из основных, фундаментальных свойств почвы. Без знания этой величины невозможны никакие расчеты, никакая количественная оценка почв. Поэтому данные по плотности и порозности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля.

Подчеркнем, что по определению рассматривается объем почвы в естественном состоянии, то есть, со всеми входящими в этот объем трещинами, пустотами, макропорами.

Кроме того, отметим, что хотя плотность почвы в большинстве случаев приводится как независимое фундаментальное свойство почвы, строго говоря, она не константа для данного почвенного горизонта, а зависит от влажности почвы. В большей мере – для суглинистых и глинистых почв, в меньшей – для песчаных. Эта зависимость плотности почвы от влажности носит название набухания (если влажность увеличивается) или усадки (при иссушении) почв.

Определения

Плотность твердой фазы почв (_s) – масса твердых компонентов почвы в единице объема без учета пор.

Плотность почвы (_b) – масса абсолютно сухой почвы в единице объема почвы со всеми свойственными естественной почве пустотами.

Порозность (синоним – пористость) почвы ( или Р далее) – объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца [см³/см³, %]. Рассчитывается по данным о плотности почвы (_b) и твердой фазы почвы(s): = [см³/см³].

порозность почвы, можно вычислить по величинам, _b и _s, как соотношение объема пор почвы к объему всей почвы

 = = = 1 – = 1- = [см³/см³],

Порозность аэрации (синоним воздухосодержание) – разница между общей порозностью и объемной влажностью почвы: .

Коэффициент пористости (син. пористость приведенная, е) – отношение общего объема пор в почве или грунте к объему твердой фазы почвы. Коэффициент пористости соотносится с пористостью почвы (), или с плотностями почвы (b) и твердой фазы почвы (s) по уравнению:

;

Нередко используют это выражение порозности в виде «приведенной пористости» или коэффициента пористости (е), как отношения объема пор почвы к объему ее твердой части:

Удельный объем пор почвы (Ф, [см³/г]) – отношение объема пор почвы к массе ее твердой фазы:

Коэффициент пористости (е) и удельный объем пор (Ф), – характеризуют объем пор, отнесенный к неизменным при возможных деформационных изменениях почв объему или массе твердой фазы. Именно поэтому эти параметры порового пространства особенно полезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, трещинообразовании и др.

Порозность почвы, а соответственно и ее плотность — величины динамичные и могут существенно меняться в зависимости от состояния почвы. В частности, сильное воздействие на эти параметры оказывают машинная обработка почв (вспашка, культивация, прикатывание), орошение, проезд машин по поверхности. Динамичны они и в процессе почвообразования. Поэтому, говоря о плотности какой-то почвы, скажем 1,2 г/см³, имеют в виду либо ее значение в данный момент, либо некоторую равновесную плотность.

Общая порозность- почвы складывается из порозности ее агрегатов и пор между агрегатами.

Р=1- рb/ps

Порозность отдельного агрегата (Рагр, %) определяется по формуле

P_агр = (1 - M_агр/V_агрp_s)•100 =1-p_a/p_s

где М_агр—масса сухого агрегата, г; V_агр — его объем, см³.

Соответственно порозность всех агрегатов почвы (суммарная агрегатная)(в%):

Р_Σагр=(Рагр(100-Р)/(100-Рагр).

Межагрегатная порозность (в%)

P_магр=P-P_Σагр.

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, снижения всех почвенных функций. Именно почвенные агрегаты, прежде всего, 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), быстрый транспорт веществ в профиле почв (по межагрегатной). Поэтому и при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы.

Поскольку вода и воздух в почвенных порах являются антагонистами (чем больше воды в почвенных порах при их неизменном объеме, тем меньше воздуха, и наоборот), важно знать соотношение пор, занятых водой и воздухом в тот или иной момент или в том или ином состоянии, которое определяется влажностью почвы.

Относительный объем пор, занимаемых прочносвязанной водой (в%):

Р_мг=(W_мг•р_b)/1,5,

где Wмг — максимальная гигроскопичность почвы, % по массе; 1,5— плотность прочносвязанной воды.

Относительный объем пор, занятых рыхлосвязанной водой (в%):

Р_{р св}=(0,5W_мгd_v)/1,25=(W_зав-W_мг)р_b/1,25,

где W_зав—влажность завядания, % по массе; 1,25 — плотность рыхлосвязанной воды.

Наконец, относительный объем пор, занятых капиллярной водой (в%):

Р_кап=(W_нв-1,5W_мг)d_v=(W_нв-W_зав)p_b,

где W_нв— наименьшая влагоемкость почвы (см. гл. 6), % по массе.

Общая порозность, занятая разными категориями воды или при различной влажности почвы (в%), соответственно составит:

Р_w=Р_мг + Р_рсв + Р_кап.

Тогда порозность аэрации (в%) будет равна:

Р_аэр=Р-P_w.

Описанное соотношение различной порозности почв было разработано Н. А. Качинским под названием дифференциальной порозности почвы.

Почвы довольно существенно различаются между собой по порозности; различна порозность почв и в разных горизонтах профиля (табл.).

Общая порозность (скважность) разных типов почв

Глубина, см	Дерново-подзолистая супесчаная почва Архангельской области		Дерново-подзолистая суглинистая почва Московской области		Торфяная почва Мурманской области		Обыкновенный суглинистый чернозем Воронежской области		Южный суглинистый чернозем Одесской области
	горизонт	пороз¬ ность, %	горизонт	морозность, %	горизонт	пороз¬ ность, %	горизонт	пороз¬ ность, %	горизонт	пороз¬ ность, %
0—10	А	54,6	Ар	48,9	Т'	90,5	Ар	62,8	Ар	57,3
10—20	Е	47,9	»	48,9	»	90,5	»	61,7	»	52,1
20—30	»	41,4	Е	41,8	T"	88,6	А	63,0	А	51,6
30—40	В1	42,9	»	41,8	»	88,6	»	58,9	»	50,8
40—50	В2	41,0	В1	39,4	T'"	91,2	АВ	59,4	АВ	49,6
50—60	»	39,6	»	39,4	»	91,2	»	52,7	»	46,7

Типичные значения плотности и порозности почв

Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 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.

Типичные значения плотности различных почв:

Почвенные объекты	плотность твердой фазы почвы, s, г/см3	плотность почвы, b, г/см3	плотность агрегатов, а, г/см3	Порозность почвы, , см3/см3
Пахотные горизонты минеральных почв: Суглинистые Песчаные	2.60 2.60	0.8-1.4 1.4-1.7	1.2-1.8 -	0.69-0.46 0.46-0.35
Горизонты В и С	2.65	1.5-1.8	1.4-1.9	0.43-0.32
Высокогумусные горизонты луговых, лесных почв	2.40	0.8-1.2	1.1-1.7	0.67-0.50
Торф (верховой)	1.40	0.1-0.3	-	0.93-0.79

Плотность почвы и урожай

Плотность почвы во многом определяет урожай растений. Она оказывает влияние на рост корней растений, так как уплотненная почва является существенной преградой для проникновения корней.

В уплотненной почве, при высокой величине _b низка порозность почвы. Значит, в почве содержится мало воды. При выпадении же осадков поры быстро заполняются водой, и почва содержит мало воздуха, также необходимого для роста корней и развития растений.

В случае же излишне рыхлой почвы поровое пространство столь развито, что корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. Это приводит к снижению урожая в разрыхленной почве.

Необходимо применять приемы прикатывания почвы для создания оптимального диапазона плотности почвы. Надо не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. А это связано со своевременностью проведения агротехнических работ. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности.

Разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы – не проблема. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями.

Но вот разрыхлить агрегаты, – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты, – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы.

Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное или подпочвенное уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение сказывается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно, – оно незаметно с поверхности почвы так, как видна, например, эрозия, или поверхностное уплотнение.

Однако, не только повышенная плотность снижает урожай. Неблагоприятное влияние оказывает и излишне низкая плотность почвы.

Оптимум же по данным большинства исследователей

для суглинистых почв находится в области от 1.0 до 1.3 г/см³.

Если говорить о порозности почвы, которая является прямой функцией от плотности почвы, то и для этой величины предложен ряд критериев и диапазонов оптимальности

Н.А.Качинский (1985) предложил выделять следующие диапазоны по порозности почвы (порозность почв в см³/см³):

отличная (культурный пахотный слой) – 0.65-0.55

удовлетворительная для пахотного слоя – 0.55-0.50

неудовлетворительная для пахотного слоя – <0.50

чрезмерно низкая – 0.40-0.25

Оптимальные диапазоны плотности (ибо они различаются по гран составу)

Гранулометрический состав (текстура) почвы	Оптимальный диапазон плотности (г/см3)
Глинистые и суглинистые	1.0-1.3
Легкосуглинистые	1.10-1.40
Супесчаные	1.20-1.45
Песчаные	1.25-1.60

Как видно из этого, такое физическое свойство как плотность почвы определяет урожай растений не только как характеристика плотности упаковки частиц и проницаемости для корней, а прежде всего тем, что формирует водный, воздушный и питательный режимы растений.

В общем случае можно сказать, что чем больше в почвах органического вещества, чем лучше они оструктурены, тем выше их общая порозность, а следовательно, тем лучше их водно физические и воздушно-физические свойства, определяющие плодородие

. Однако существенные поправки в это общее положение может внести соотношение между внутри- и межагрегатной порозностью, крупными и тонкими порами. Важное значение имеет и реальная конфигурация почвенных пор, связанных с их происхождением в почвенной массе:

— плоскопараллельные трещины (поры растрескивания, упаковки) — это крупные поры с относительно параллельными стенками, вытянутые в одном направлении, формирующиеся в результате сжатия (усадки) почвенной массы в процессах увлажнения — обсыхания, нагревания — охлаждения, замерзания — оттаивания, просадки. Они могут быть ориентированы вертикально, горизонтально, косо или образовывать сеть разной густоты; трещины составляют основной объем межагрегатной порозности;

— нерегулярные поры (поры растрескивания, упаковки) — вытянутые или компактные пустоты неопределенной формы, открытые или замкнутые, внутри агрегатов или между ними;

— камерные поры (поры упаковки, выщелачивания, газовыделения) — округлые относительно крупные поры внутри агрегатов;

— пузырьковые поры (поры выщелачивания, газовыделения) — округлые очень мелкие поры внутри агрегатов, имеющие форму сфер или эллипсоидов;

— трубчатые поры (норы-ходы) — более или менее цилиндрические, вытянутые в одном направлении поры, простые или ден-дритовые, закрытые или открытые, ориентированные в разных направлениях.

Общая характеристика почвенных пор была дана Н. А. Ка-чинским, который выделял: микропоры диаметром до 0,01 мм; тонкие капиллярные поры внутри комков диаметром более 0,01 мм.

Методы определения плотности почв, агрегатов, твердой фазы.

Наиболее распространенным, удобным и, главное, простым методом является пикнометрический. основан на использовании сосуда с точно известным объемом – пикнометра

Взвешивая сухой пикнометр и пикнометр с водой можно определить его объем (V₁) как разность масс, деленную на плотность воды, взятую из таблиц с учетом температуры. Затем в пикнометр берут навеску. Взвешивают. Заливают дистиллированной водой, суспензию кипятят.

Далее доливают пикнометр до метки. Взвешивают, получая массу пикнометра с почвой и долитой водой.

Одновременно определяют влажность образца воздушно сухой почвы, так называемую гигроскопическую влажность, W_г.

Рассчитывают плотность твердой фазы – ρ_s:

где m_s – масса абсолютно-сухой почвы (г), m₁ – масса воздушно сухой почвы в пикнометре (г), W_г – гигроскопическая влажность (% к массе абсолютно сухой почвы), V – объем почвы в пикнометре (см³), рассчитываемый как , где V₁ – объем пикнометра (см³), m₃ – масса пикнометра с почвой после кипячения и долитой до метки водой и m₂ – масса пикнометра с почвой (г), ρ_w – плотность воды (г/см³). Второй член разности () представляет собой не что иное, как объем долитой воды.