74. Гранулометричний (механічний) склад грунту – це співвідношення різних за розмірами егч, виражене у відсотках.

Гранулометричний склад переважної більшості грунтів приблизно на 90% представлений ЕГЧ мінеральної природи. ЕГЧ можуть мати будь-яку геометричну форму: куля, куб, призма тощо. Механічні частинки приблизно однакового діаметру об’єднують у фракції, оскільки вони мають подібні властивості.

У ґрунтознавстві відомо кілька класифікацій механічних елементів, проте загальновизнаною є класифікація Н.А. Качинського, в основу якої покладені відмінності водно-фізичних та інших властивостей частинок різного розміру.

Крім того, М.М. Сибірцев усі механічні елементи грунту поділив на дві групи фракцій:

- фізичний пісок (>0.01 мм);

- фізична глина (<0.01 мм):

а також виділив:

- скелет грунту (часточки крупніші 1 мм);

- дрібнозем (часточки менше 1 мм).

Кожна фракція володіє певними характерними властивостями і має

різний вплив на властивості грунтів, що пояснюється неоднаковим хімічним,

мінералогічним складом, фізичними та фізично-хімічними її властивостями.

Фракція каміння представлена переважно уламками гірських порід. Каменястість – явище незадовільне, оскільки наявність у грунті великої кількості каміння призводить до гальмування процесу ґрунтоутворення, а також ускладнює обробіток грунту сільськогосподарськими знаряддями.

Гравій– складається з уламків первинних мінералів, які не впливають на обробіток грунту, але створюють несприятливі властивості, такі як низька вологоємність, провальна водопроникненість і відсутність водопідйомної здатності.

Піщана фракціяскладається з уламків первинних мінералів, перш за все кварцу і польових шпатів. Цій фракції характерно: висока водопроникненість, вона не набухає, не пластична, володіє деякою вологоємністю та капілярністю. В грунтах з великим вмістом піщаної фракції сприятливі повітряний та тепловий режим.

Крупнопилувата фракціямало чим відрізняється від піску, тому її властивості дуже схожі.

Середньопилувата фракціязбагачена слюдами, що значно підвищує пластичність та зв’язність.

Пил дрібний –досить високодисперсна фракція, що складається з первинних і вторинних мінералів, здатна до коагуляції, бере участь у структуроутворенні, володіє поглинальною здатністю, містить значну кількість гумусових речовин. Але велика кількість дрібного пилу в грунті спричиняє такі негативні властивості, як низька водопроникність, висока здатність до набухання, усадка грунту, висока липкість, тріщинуватість, щільність складення.

75. Рух води в грунті

Кожен з нас спостерігав, як вода всмоктується в грунт. Здавалося б, усе просто: опади випадають на поверхню, і вода заповнює наявні в грунті порожнечі. Але у верхньому шарі грунт здатна утримати своїми капілярними силами лише деяку частину вологи. Ця кількість води називають найменшою вологоємністю. Все, що понад, під дією гравітаційних сил стікає в нижележащий шар. Коли і він наповниться понад вологоємності, надлишок води перетече в наступний шар. І так до тих пір, поки вода не вбереться в досить сухий шар грунту, вологість якого виявиться нижче його найменшою вологоємності, або надлишок води надійде у грунтові води, які знаходяться в нижній частині грунтового профілю. Виходить, що кожен грунтовий шар подібний деякої ємності, яка заповнюється водою, а кількість вологи, що перевищує цю ємність, перетікає в нижню. І так все нижче і нижче, майже як у Бахчисарайський фонтан.

На підставі подання про послідовне насиченні верств вологою сформувався так званий балансовий метод розрахунку руху води в грунті. Однак розрахунки, зроблені з його допомогою, незмінно занижували глибину, на яку проникали вода і розчинені в ній речовини, у порівнянні з тим, що спостерігалося в дійсності [1, 2]. Так, поширений у Європі пестицид атразин не повинен був потрапляти навіть у глиб коренезаселеному шару (20-25см), а насправді в 1989 р. у Баварії 250 колодязів було забруднено цим сильно токсичною речовиною [3]. Те ж саме нерідко відбувалося з нафтою і нафтопродуктами.

Оскільки практичні запити вимагали точного знання руху води в грунті, необхідно було сформулювати фізичну основу процесу, описати його математично і побудувати прогнозну модель, за допомогою якої можна було б проводити розрахунки, необхідні для запобігання природних ситуацій такого роду.

Особливості міграції води

При описі процесів руху води і розчинених речовин у грунті зазвичай вважають, що грунт - це капілярно-пористе тіло, подібне керамічному виробу. Вода в грунті повинна переміщатися рівномірно і поступово, тобто при досягненні насичення буде рухатися від шару до шару з всім капілярах. Чи так це насправді?

Проробимо такий експеримент. На поверхню попередньо насиченою вологою грунту встановимо квадратну металеву раму зі стороною в 50см, відкриту зверху і знизу. Стінки квадрата будуть охороняти речовина від розтікання по поверхні грунту. Заллємо в раму слабкий розчин водорозчинного крохмалю, який рухається в грунті так само, як і чиста вода. Після того як розчин вбереться, послідовно викопаємо горизонтальні грунтові зрізи-"майданчика" під рамою через кожні 5 см і будемо кропити ці майданчики розчином йоду. Там, де фільтрувала крохмаль, з'явиться синє пляма, яку можна замалювати чи сфотографувати. Заглиблюючись таким чином, ми виявимо основні шляхи фільтрації розчину в грунті. Цей метод досліджень був запропонований у 1970-х роках відомим грунтознавців Е. А. Дмитрієвим [3].

77. Роль води в ґрунті визначається її особливим станом у природі. По-перше, вода — це фізико-хімічна активна система, що за-безпечує розвиток фізичних, хімічних і біохімічних процесів у при-роді, по-друге, вода — це потужна транспортна геохімічна систе-ма, що забезпечує міграцію (пересування) речовин у просторі.

Воду називають кров’ю ландшафту. Тільки за участю води відбуваються процеси вивітрювання та новоутворення мінералів, життєдіяльність живих організмів та гуміфікація. З водою пов’я-зане формування генетичних горизонтів ґрунтового профілю. Вода значною мірою визначає температурний режим ґрунту та його тепловий баланс, впливає на родючість, забезпечує опти-мальні умови розвитку рослин.

У ґрунтах вода перебуває в різних формах зв’язку з середо-вищем. Різні її форми мають неоднакові фізичні властивості. Форми ґрунтової води, що мають однакові властивості, назива-ються категорією, або формою ґрунтової вологи.

Згідно з існуючою класифікацією, виділяють п’ять категорій (форм) ґрунтової води.

1. Тверда вода — лід. Наявність у ґрунті води у формі льоду пов’язана з сезонним або багаторічним («вічна» мерзлота) про-мерзанням ґрунту.

2. Хімічно зв’язана вода — це вода у вигляді гідроксильної групи ОН– або молекул, що входять до складу твердої фази ґрун-ту. Така вода називається конституційною тоді, коли входить до складу вторинних мінералів у вигляді групи ОН–, або кристаліза-ційною, коли знаходиться у вигляді молекул у складі солей. Ця вода в ґрунті не пересувається і недоступна для рослин.

3. Фізично зв’язана вода утримується у вигляді молекул на поверхні тонкодисперсних часточок ґрунту завдяки силам сорбції. Поглинається вона з навколишнього повітря і називається гігрос-копічною. Найбільша кількість води, яку може поглинути ґрунт при відносній вологості повітря близькій до 100%, називають макси-мальною гігроскопічністю. Вона недоступна для рослин і вва-жається «мертвим» запасом води в ґрунті.

Вода, яка утримується в ґрунті сорбційними силами понад максимальну гігроскопічність, називається пухкозв’язаною, або плівковою. Вона частково доступна для рослин.

1. Походження, склад і властивості ґрунтів

4. Пароподібна вода знаходиться в ґрунтовому повітрі у виг-ляді водяної пари. Ґрунтове повітря майже завжди насичене во-дяною парою. Пароподібна вода пересувається в порах ґрунту від ділянок з високим до ділянок з низьким тиском пару.

5. Вода, яка знаходиться у ґрунті поза дією сил гравітації з боку ґрунтових часточок, називається вільною. У ґрунтах вільна вода перебуває в капілярній і гравітаційній формах.

Капілярна вода в ґрунті утримується в тонких капілярах під дією капілярних, або меніскових, сил. У ґрунті меніскові сили ви-являються в порах з діаметром менш як 8 мм, а найбільша дія їх сил у порах з діаметром від 100 до 3 мкм. Ця вода дуже рухома, тому всі заходи, спрямовані на збереження такої форми води, пов’язані із збільшенням запасів капілярної води в ґрунті.

Основною ознакою вільної гравітаційної води є пересування її під дією сил гравітації. Для неї характерна висока розчинна здатність та здатність переносити в рідкому стані солі, колоїди і суспензії. Наявність у ґрунті значної кількості гравітаційної води — явище негативне, тому що в такому стані ґрунт тимчасово або постійно перезволожений і необхідно проводити його осушен-ня (за виключенням ґрунтів рисових полів).

80. В грунті є повітря, яке заповнює всі незаповнені водою пори між твердими ґрунтовими частинками, а також повітря адсорбоване поверхнею ґрунтових частинок та розчинене в ґрунтових водах. Кількість повітря в грунті залежить від типу грунту, структури, будови, генетичних горизонтів, пористості, ступеня окультуреності тощо. Пористість грунту навіть на одному полі протягом вегетаційного періоду змінюється. Наприклад, за даними А. А. Шмука, у передкавказьких чорноземах (цілинний степ) з 1. VI по 8. VIII у 1000 см3 грунту було 80—100 см3 повітря, в грунті під озимою пшеницею — 200—240, а на паровому полі — 320—360 см3.

Склад ґрунтового повітря непостійний. Ґрунтове і атмосферне повітря розрізняються хімічним складом. До складу ґрунтового повітря входять азот, кисень, вуглекислий газ, інертні гази, аміак, водяна пара, а в анаеробних умовах воно містить ще й метан, сірководень та ін.

Ґрунтове й атмосферне повітря містить неоднакову кількість кисню і вуглекислого газу (табл. 28). Пояснюється це тим, що в грунті відбуваються біологічні процеси, а також процеси окислення і відновлення. Під час розкладу мікроорганізмами органічної маси і дихання коріння інтенсивно поглинається кисень і виділяється вуглекислота. У літній період з 1 м2 поверхні грунту виділяється за добу від 3 до 10 л (або 6—20 г) вуглекислого газу. Кількість вуглекислоти в грунті значною мірою залежить від його стану. Заболочені ґрунти звичайно містять менше кисню і більше (до 6%) вуглекислоти. Вміст вуглекислоти в ґрунтовому повітрі досить помірно змінюється навіть протягом вегетаційного періоду.

82. Завдяки пористості грунт характеризується повітропроникністю. Повітропроникність - це властивість грунту пропускати повітря через пори, не зайняті водою. Загальний обсяг грунтових пір вище найменшої вологоємності (капілярно-підвішеної вологи) називають повітроємністю, а загальний обсяг пір, вільних від вологи, - повітромісткістю, або пористістю аерації. Дані показники виражаються у відсотках від об'єму грунту. Повітряні властивості грунту залежать від вологості, об'ємної щільності, механічного складу, структурності грунту. Завдяки повітропроникності і пористості аерації в грунтах в тій або іншій кількості присутнє грунтове повітря.

Грунтове повітря - гази, що знаходяться в порах грунту, вільних від вологи; кількість його виражається у відсотках об'єму грунту, а вміст змінюється в залежності від динаміки вологості грунтів в даній місцевості. Грунтове повітря може перебувати завдяки колоїдам в поглиненому стані, може бути розчинене в грунтовій волозі (вода може поглинати до 1-2%), в затисненому стані (коли повітря знаходиться в порах, з усіх боків оточених водною плівкою), і в вільному стані. Грунтове повітря добре дренованих грунтів містить 78% азоту, 21% кисню 21, 0,9% аргону, 0,03% вуглекислого газу, і за складом мало відрізняється від атмосферного. У ньому, проте, більше вуглекислоти і менше кисню. В залежності від пористості, вологості, типу та видового складу рослинного покриву, кількості органічних речовин, мікроорганізмів, вміст 02 і С02 в грунтовому повітрі може змінюватися від 0 до 20%. Відмінності в концентрації 02 і С02 визначаються інтенсивністю використання 02, виробленням С02 і швидкістю обміну газового вмісту між атмосферним і грунтовим повітрям - аерацією.

83. Серед умов родючості ґрунту повітря має велике значення. Ґрунт містить повітря, яке проникає з атмосфери, а також гази, що утворюються в ґрунті внаслідок біохімічних процесів, які відбуваються в ньому. Повітря займає в ґрунті всі проміжки, що не зайняті водою. Крім того, деяка кількість його розчинена в ґрунтовій волозі й поглинута колоїдами ґрунту.

Ґрунтове повітря помітно відрізняється від атмосферного. В останньому міститься (у відсотках до об'єму): азоту - 78,08, кисню - 20,95, вуглекислого газу - 0,03. У ньому також, але менше, містяться й інші гази: аргон, гелій, водень, озон, радон.

До складу повітря входить водяна пара, кількість якої мало змінюється (від 0 до 4%). Поблизу деяких промислових підприємств у повітрі можуть бути шкідливі домішки: сірчаний газ, хор, сірководень та ін.

Найважливішою складовою частиною повітря для життя рослин і мікроорганізмів є кисень та вуглекислий газ. Біологічні процеси в ґрунті пов'язані з поглинанням кисню і виділення вуглекислоти. Тому ґрунтове повітря від атмосферного відрізняється меншим вмістом кисню і більшою концентрацією вуглекислого газу. Вміст кисню в ґрунтовому повітрі може становити 11-20%.

Вуглекислоти в повітрі орного шару міститься від 0,1 до 1%, але частіше 0,8%. З внесенням свіжих органічних добрив вміст вуглекислоти може підвищуватися до 2, а іноді навіть до 7-8%. В окремих випадках при анаеробному розкладі органіки і недостатньому газообміні в ґрунтовому повітрі виявляють сірководень і метан.

Потреба в молекулярному кисні сільськогосподарських культур починається відразу ж після сівби і проростання насіння. Тривале перебування насіння в перезволожених умовах ґрунту призводить до затримки його проростання.

84.85. Джерелом тепла в грунті є тепло променистої енергії Сонця. Середня кількість тепла, що надходить на поверхню Землі, становить 8,15 Дж/С° на 1 см2 в хвилину (сонячна стала). Частина цього тепла відбивається від поверхні Землі, а частина розсіюється в атмосферу рослинним покривом, тому до поверхні грунту приходить значно менша кількість енергії, яка поглинається і передається вглиб грунту завдяки його тепловим властивостям.

Теплопоглинальна здатність забезпечує поглинання частини променистої енергії Сонця, яка потім перетворюється на теплову, частина ж променистої енергії відбивається від поверхні грунту. Відношення відбитої частини енергії до повної виражається показником альбедо. Альбедо ідеально відбиваючої поверхні дорівнює 100%, а абсолютно чорного тіла - 0%. Максимальне альбедо має сніг - 88-91, мінімальне - чорнозем сухий - 14%. У сірозему сухого альбедо складає 25 - 30%, пісок жовтий або білий має альбедо 34-40%. У вологих грунтів значно менша відбивна здатність (так, альбедо чорнозему вологого дорівнює 8%, сірозему - 10-12%).

Теплоємність (масова) - кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 г сухого грунту (Дж/С °). Масова теплоємність абсолютно сухих мінеральних грунтів коливається в досить вузьких межах - від 0,15 до 0,20. Вона дуже сильно залежить від вологості грунтів. У вологих піщаних грунтів вона зростає до 0,7, у суглинків до 0,8, у торфів до 0,9. Оскільки піщані грунти мають менше вологи і, отже, прогріваються і охолоджуються швидше, їх називають "теплими". Теплоємність грунтів залежить від тих самих їх властивостей, які впливають на поглинання води, а саме від гідрофільності колоїдів, вмісту мулистих часток, наявності та характеру органічної речовини

Теплопровідність - властивість грунту проводити тепло з тією чи іншою швидкістю. Вона вимірюється кількістю тепла в джоулях (Дж), що проходить через 1-сантиметровий шар сухого грунту площею 1 см2. Тепло передається конвекційно через газ, рідину або тверді частинки. Найповільніше тепло проводить сухий, структурований, багатий на органіку грунт. Найбільш швидко проводить тепло мінеральна частина грунту; чим більші частинки, тим більше теплопровідність: великі піщані частинки нагріваються в 2-2,5 рази швидше, ніж, наприклад, пил. Теплопровідність грунтів залежить від їх щільності: при збільшенні щільності з 1,1 до 1,6 теплопровідність зростає в 2-2,5 рази. При збільшенні ж пористості від 30 і вище теплопровідність падає. Вологий грунт має більшу теплопровідність, ніж сухий.

86. Для грунтів кожного типу характерна певна динаміка температур протягом вегетаційного періоду і на різній глибині. Найбільші коливання температури спостерігаються на поверхні грунту. З глибиною її коливання зменшуються. Добові зміни температури повністю затухають на глибині 40 … 50 см. Річна динаміка температури залежить від природної зони. Так, в чорноземах в зимові місяці на глибині 30 … 40 см температура опускається нижче 0 ° С; в червні-серпні вона досягає максимального значення, а потім до зими знову знижується.

На великій глибині річне коливання температури дуже незначно.

Глибина промерзання грунту в зимовий час залежить від потужності снігового покриву. Під снігом грунт промерзає на незначну глибину, а в безсніжні зими або при здуванні снігу вітром грунт може промерзати на глибину 0,7 … 0,9 м і більше. Ось чому снігозатримання проводять не тільки для накопичення вологи в грунті, а й для збереження тепла.

У північних і північно-східних районах країни, в зоні «вічної» мерзлоти відтає лише верхній шар грунту. У зв’язку з виробничим освоєнням північних територій все більше уваги приділяють сільськогосподарському використанню цих земель. Тут доцільно проводити теплові меліорації і агротехнічні прийоми щодо поліпшення теплового режиму грунтів. При підборі ділянок земель під сільськогосподарські угіддя необхідно враховувати властивості грунтів, їх гранулометричний склад, рельєф і гідротермічні умови місцевості.