Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

порозности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля.

Подчеркнем,чтопоопределениюрассматриваетсяобъемпочвы в естественном состоянии, т.е. со всеми входящими в этот объем трещинами, пустотами, макропорами. Это очень важно при оценке набухающих трещиноватых почв, лесных почв с большим количеством ходов землероев, каверн и пр. Здесь приходится отбирать такие представительные объемы почвы, чтобы в них вошли указанные поровые образования. 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.Болееподробнообэтомбудетидтиречьвспециальной части курса «Набухание и усадка». Свойство плотности почвы столь важно для различных аспектов оценки, прогноза, агрофизической характеристики почвы, что ему мы посвятим специальный раздел.

По величинам b и s можно вычислить порозность почвы как соотношение объема пор почвы к объему всей почвы:

Если мы захотим узнать объем, занятый воздухом ( air), нужно вычесть из общей порозности объем, занятый водой. Учитывая, что порозность относится к 1 см3 почвы, то и содержание воды надо отнестик1см3 ,т.е.объемводы(илимассуводы,учитывая,чтоееплотность в данной размерности близка к 1) разделить на объем почвы.

Это выражение объемной влажности почвы = Vw /Vt. Тогда

air .

Можно к понятиям порозности и плотности почвы подойти с другой стороны. Мы определили, что плотность почвы это масса единицыобъемапочвы,т.е.г/см3.Однаковрядеслучаерекомендуется использовать и другую характеристику, обратную, в виде отношения определенного объема почвы к массе этого объема, см3/г. Выражение «масса единицы объема почвы»получило название удельного объема пор почвы (понятие «удельное» почти всегда означает «отнесенное к массе, г, кг вещества») отношение объема пор почвы к массе твердой фазы почвы:

Ф1 1 [см3/г].

b s

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

Соотношения между указанными характеристиками порового пространства выглядят следующим образом:

Коэффициент пористости е и удельный объем пор Фхарактеризуют объем пор, отнесенный к неизменным при возможных деформационных изменениях почвобъему или массе твердой фазы. Именнопоэтомуэтипараметрыпоровогопространстваособеннополезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, почвенныхдеформациях, трещинообразованииидр.Впочвоведениижетрадиционно наиболее часто используется величина порозности почв .

Плотность твердой фазы почв s – масса твердых компонен-

тов почвы в единице объема без учета пор.

Плотностьпочвы b массаабсолютносухойпочвывединице объемапочвысовсемисвойственнымиестественнойпочвепустотами.

Порозность (синоним пористость) почвы – объем почвен-

ных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца [см3/см3, %]. Рассчитывается по данным о плотности почвы b и твердой фазы почвы s: = 1 – b/ s [см3/см3].

Порозность аэрации (синоним воздухосодержание) разни-

ца между общей порозностью и объемной влажностью почвы:

air .

Коэффициент пористости (синоним пористость приведен-

ная) 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:

е 1

УдельныйобъемпорпочвыФ,[см3/г] отношениеобъемапор почвы к массе ее твердой фазы:

Ф1 1 .

b s

3.Порозность почв, агрегатов, межагрегатная

Одной из специальных гипотез физики почв является гипотеза о структурном строении почвенного вещества.Действительно, горизонтный масштаб (т.е. отдельный почвенный слой, горизонт)рассмотренияпочвы состоитизболеемелких единиц единиц масштабапочвенныхпедовилиагрегатов(рис.I.1, б).Соответственно можно выделить и объем пор агрегатов, а также плотность агрегатов,ихпорозность.Исходнойхарактеристикойявляетсяплотность агрегатов а [г/см3]. Аналогично плотности почвы и ее твердой части плотность агрегатов это массаms 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 рассчи-

тать межагрегатную порозность, надо прежде всего найти величи-

ну 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

межагр Σагр .

Знание всех величин порозностей почвы, агрегатов, межагрегатной весьма важно во многих аспектах. В хорошо агрегированнойпочвеосновныезапасыпитательныхвеществ,микроорганизмов, влаги находятся именно внутри агрегатов. Снижение агрегатной порозности яркое свидетельство ухудшения физического состояния почв.Именнопочвенныеагрегаты обусловливаютпочвенноеплодородие, 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 пространствапочвывомногомразличны:накоплениеипостепенноерасходованиеводыивеществизагрегатнойпорозности,быстрыйтранспорт веществ в профиле почв по межагрегатной. Поэтому и при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы.

4. Типичные значения плотности и порозности почв

Остановимся прежде всего на возможных минимальных

имаксимальных величинах плотности и порозности почв, которые можно встретить в природе. Это необходимо для того, чтобы избежать случайных ошибок. Плотность естественной почвы никогда неможетпревышать 2г/см3.Даже влабораторных экспериментальных условиях известный российский агрофизик Б.Н.Мичурин при давлениях выше 100 атм не получал величин более 2.04 г/см3. Авотминимальные значенияминеральныхпочвредкобываютниже 0.8 г/см3. Хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться

идо 0.1 г/см3. В табл.I.1, составленной с использованием данных из книг А.Д.Воронина (1986), Д.Л.Роуэлла (1998), указаны типичные

создания оптимального диапазона ееплотности. Поэтому проблема созданияпахотного слоя,оптимальногопо физическомусостоянию, по плотности, одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. А это связано со своевременностью проведения агротехнических работ. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно.

С этим связан второй аспект проблемы 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 органическихвеществ.Необходимоприменениеорганическихизеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы.

Еще один аспект уплотнения переуплотнение подпахотного слоя,такназываемоенакопительное,илиподпочвенное,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. Анализипрогнозэтогоявлениятесносвязансоценкойфизико-меха- нических свойств почв (см. Ч. XV «Деформации почв»).

Итак, не только повышенная, но и излишне низкая плотность почвы снижает урожай. На рис.I.2 схематически показаны области влияния переуплотнения и излишней разрыхленности почвы.

Оптимум же, по данным большинства исследователей (А.Г. Бондарев, 1985 и др.), 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

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.

Важно отметить, что оптимальные диапазоны плотности пахотного слоя различаются для песчаных и суглинистых почв (рис.I.2). Рекомендуется использовать следующие пределы оптимальных диапазонов плотности для различных почв (табл.I.2):

Естественен вопрос: почему же отличаются оптимальные диапазоныдлялегких(супесчаныхипесчаных)итяжелых(глинистыхи суглинистых) почв?Почемурастения чувствуют себялучше в песчаных почвах, когда эти почвы уплотнены вплоть до величин 1.6 г/см3? Ответ необходимо искать в механизмах и процессах, которые определяют плотность почвы. А это процессы обеспеченности растений водой и воздухом. Если песчаная почва будет рыхлой, с плотностью менее 1.25 г/см3, то такая почва не способна удерживать влагу.

И растения практически всегда будут страдать от недостатка влаги. Авот более плотнаяпесчаная почва удерживает большее количество влаги. Однако если плотность в песчаных почвах превысит 1.6 г/см3, упаковкачастицстанетстольплотной,чторастениянебудутспособны развивать корни, да и воздухопроницаемость таких почв будет низкой. В суглинистых почвах определяющими также будут процессы водо- и воздухообеспеченности растений: при плотности менее 1.0 г/см3 растения будут страдать от недостатка влаги и питательных веществ,онибудутлегковымыватьсяинезадерживатьсявтакой«распушенной» почве. В пахотном слое почвы с плотностью более 1.3 г/см3 вода будет излишне долго задерживаться, снижая количествовоздуха,необходимогодлянормальногофункционированиякорней растений. Как видно из этого анализа, такое физическое свойство, как плотность почвы определяет урожай растений не только какхарактеристикаплотностиупаковкичастиципроницаемостидля корней,апреждевсеготем,чтоформируетоптимальныеводный,воздушный и питательный режимы растений. В этом особенность рассмотрения физических, а точнее агрофизических свойств почвы, которые проявляются прежде всего в создании условий для протеканиябиологическихпроцессоввпочвахирастениях(обеспеченности растений водой, воздухом, питательными веществами). Поэтому, говоря об оптимальной плотности и порозности почвы, следует иметь в виду, что влияет в конечном итоге не сама порозность почв, а недостаток/избыток влаги или воздуха в порах почвы.

На такой подход коценке порового пространства как специфического объема для влаги и воздуха впервые обратили внимание российские исследователи: физик почв Н.А.Качинский и один из основоположниковагрофизики А.Г.Дояренко(см.«Квопросу о...»). Вспомним, что взаимосвязь порозности аэрации (синоним воздухоносной порозности, воздухосодержания) и порозности почвы осуществляется через объемную влажность почвы: air = – . Формула означает, что при одной и той же порозности почвы воздуха больше там, где ниже влажность. Потому нередко говорят, что вода и воздух в почве антагонисты: с увеличениемвлажности снижается воздухосодержание (при избытке влаги это плохо приводит к анаэробным процессам, к вымоканию растений, смене почвенной биоты). Как правило, используютвеличину10%-го воздухосодержания как критическую, когда заметно снижается урожай. Напротив, заметное уменьшение влажности ведет к засухе. Поэтому оптимальная порозность (плотность) это основной фактор оптимизации водно-воздушных условий.

«К вопросу о .»

Алексей Григорьевич Дояренко (1874 1958)

Алексей Григорьевич Дояренко один из первых в мире и, наверное, первый в России агрофизик. Большая часть его жизни связана с Петровской, а затем с Московской сельскохозяйственной академией им. К.А.Тимирязева, где он работал с 1901 г., а с 1914 по 1930 г. был профессором кафедры земледелия и руководил Опытным полем при ней. В 1930 г. был репрессирован, жил и работалв Суздале, Кирове, Саратове. ВСуздаленачал писать книги «Общее земледелие», «Агрофизика» и др. Благодаря идеям А.Г.Дояренко о физических факторах жизни растений, о поровом пространстве почвы (о скважности почвы), о физических свойствах и минеральном питании растений сформировалосьцельное учениео связифизических условийсредыобитания и продуктивности растений. Настолько цельное, непротиворечивое и красивое, что оно, к сожалению, не до конца было понято современниками и последующими поколениями. По-видимому, это нередко бываетс талантами. Алексей Григорьевич был уникально талантлив: играл на кларнете так, что ему сулили великолепную карьеру, писал он настолько ярко и образно, что написанноенередко выходило затрадиционные классические рамки. Судите вот его мысли о значении межагрегатной и агрегатной порозности (скважности) почвы: «По-видимому, моя мысль о характеристике строения почвыпо скважностиприобретаетразвитие(заграницей). Многиенаши русские ученые считают этухарактеристикукосвенной, считая основнойразмер агрегатов. Апо-моему, как раз наоборот!Основной характеристикой должно быть соотношение пространства, занимаемого веществом, и пустотамимеждуними, т.е. скважность. Аразмер агрегатов лишь частный случай!». Авот его мысли об использовании минеральных удобрений: «Что же касается искусственных туков, то они никоим образом не могут считаться удобрением, так как ни в коей степени не улучшают почвы и не воздействуют на почву, а являются прямым «искусственным питанием растений (все равно как благотворительная кормежка голодных не улучшает условий их существования)» (из писем по вопросам агрономии). Как просто и образно! А понимать глубину этих мыслей мы начинаем только сейчас, когда говорим об устойчивом функционировании почвы в условиях интенсивного природопользования.

Таким образом, плотность оказывает влияние на урожай растений. Эта зависимость имеет куполообразный вид, с выраженным оптимумомдляопределенногодиапазонаплотностей.Излишнерыхлая и уплотненная почва снижает урожай растений, влияя прежде всегонанарушениеводно-воздушногорежима,которыйсказывается и на ухудшении питательного режима растений. Основная практическаяпроблемавэтойобласти созданиеиподдержаниеоптимального по плотности пахотного и подпахотного слоев.

6. Экологическое значение плотности почвы

Плотность почвы влияет не только на ее продуктивность. Онаобусловливаетформированиеобъемовпоровогопространства,в которыхживут,функционируютпочвенныемикроорганизмы,почвенная биота. Поэтому если изменить объемы пор, изменится и почвеннаябиота, ипочвабудет функционироватьиначе.Иначе будутпроявляться экологические функции почв.

Рассмотримданныеодногоопыта,проведенноговГермании,где исследовали фотосинтез, дыхание растений кукурузы с помощью изотопа 14С на почве разной степени уплотненности. Контролировали также и потери углерода в различных вариантах опыта. Результаты этого опыта приведены в табл. I.3.

Данные табл. I.3 свидетельствуют: увеличение плотности от 1.2 до 1.6 г/см3 приводит не только к уменьшению потребления 14С из атмосферы от 2311 до 1207 мг/сосуд, но и к увеличению выделения СО2 от 18 до 29%. Это в конечном итоге повлияет на рост потерь в виде углекислого газа, а это уже область глобальных экологических функций почв выделение газов, ответственных за «парниковый эффект».Примердоказывает,чтоуплотнениепочвывызываетнетолько одно следствие в виде замедления роста растений, но и, как это всегда и бывает в природе, множество других последствий, нередко проявляющихся не сразу, неявно, накопительно. Для того чтобы их обнаружить, нужны специальные почвенно-физические исследования. Это на данный момент одно из перспективных направлений исследований, выясняющих многосторонние последствия изменения лишь одного почвенного свойства, а также возможности предсказания и управления этими последствиями (в частности, и на выделение/потребление СО2, на глобальные экологические эффекты).

7. Размеры пор и их функции. Дифференциальная порозность почв

До сих пор рассматривались реальные и оптимальные величины порозности почвы. Но вполне очевидно, что поровое пространство может функционировать различно, если поры тонкие или крупные, даже если порозность почв и одинакова. Поэтому когда мы говорим о порозности почвы, следует иметь в виду две основные ее характеристики: (1) объем порового пространства и (2) диаметр преобладающих пор. Соответственно диаметр пор может также характеризовать поры по их функциям. Крупные поры с большим диаметром будут в основном проводить влагу, средние поры за счет