2.5. Фізичні властивості

Фізичні властивості ґрунту – сукупність властивостей, що характеризують фізичний стан ґрунту і визначають його сприятливість до зовнішньої механічної дії. Це – щільність складення, щільність твердої фази і шпаруватість.

Щільність складення – це маса абсолютно сухого ґрунту в одному об’ємі непорушеної будови. Визначається методом ріжучого циліндра.

Щільність складення солонців становить 1,46-1,50 г/см³, що являється типовим показником для підорних горизонтів, згідно з даними таблиці 2.5, такі ґрунти є дуже ущільненими.

Таблиця 2.5

Оцінка щільності суглинкових та глинистих ґрунтів (за м.О. Качинським)

Щільність складення, г/см3	Оцінка
< 1,00	Надмірно розпушений або багатий на органіку ґрунт
1,00-1,19	Типові показники для культурного свіже виораного ґрунту
1,20-1,29	Ущільнена рілля
1,30-1,40	Дуже ущільнена рілля
1,41-1,60	Типові показники для підорних горизонтів (крім чорноземів)
1,61-1,80	Дуже ущільнені ілювіальні горизонти ґрунтів

Щільність твердої фази ґрунту – це відношення маси абсолютно сухого ґрунту до рівного об’єму води за температури + 4°С. Визначається за допомогою пікнометричного методу.

Щільність твердої фази солонців складає 2,63-2,70 г/см³.

Шпаруватість – це сумарний об’єм всіх пор ґрунту, що виражається у відсотках, по відношенню до маси ґрунту.

Сумарна шпаруватість солонців становить 44-46%. Даний ґрунт, відповідно до таблиці 2.6, має незадовільну шпаруватість для орного шару.

Таблиця 2.6

Оцінка шпаруватості ґрунтів (за м.О. Качинським)

Загальна шпаруватість для суглинкових і глинистих грунтів, %	Якісна оцінка шпаруватості
>70	Надмірно висока шпаруватість ґрунт занадто пухкий
65-55	Відмінна шпаруватість - окультурений орний шар
55-50	Задовільна шпаруватість для орного шару
50-40	Незадовільна шпаруватість для орного шару
40-25	Надмірно низька шпаруватість характерна для ущільнених ілювіальних горизонтів

Фізичні властивості орних ґрунтів – це один з найважливіших факторів їх родючості, тому через екологічно несприятливі для більшості вирощуваних рослин агрофізичні властивості, що наведені вище, солонці відрізняються низькою біопродуктивністю.

Суттєве підвищення їх родючості пов’язане з докорінною меліорацією, основною метою якої є поліпшення агрофізичного стану насичення ґрунтово-вбирного комплексу кальцієм з витісненням натрію і руйнування щільного солонцевого горизонту.

2.6. Фізико-механічні властивості

Фізико-механічні властивості ґрунтів враховують при конструюванні й експлуатації сільськогосподарських машин, нормуванні операцій з обробітку ґрунтів, зносу робочих органів, витрат паливно-мастильних матеріалів. Інтерпретація залежності росту і розвитку коренів від ґрунтово-екологічних умов також здійснюється з урахуванням фізико-механічних характеристик ґрунту, тому що опір ґрунту росту коренів енергетично подібний до проникнення в нього металевого клина. До основних фізико-механічних властивостей, належать твердість, питомий опір, зв’язність, опір розриву, зрушенню та роздавлюванню, липкість, пластичність, набрякання й усадка.

Твердість є не що інше, як опір (кгс/см²) проникненню в ґрунт будь-якого тіла певної форми (циліндра, конуса, кулі, клина). Він у висушеному важкосуглинковому ґрунті складає 150-180 кгс/см². Твердість є дуже важливим діагностичним показником екологічного стану ґрунту, перед усім його придатності для механічного обробітку (при твердості >15-20 кгс/см² витрати на обробіток різко зростають), а також використовується для непрямої оцінки здатності ризосфер освоювати кореневмісний шар. Через велике екологічне значення цієї властивості ґрунту для її визначення запропоновані різноманітні прилади - від простого ломика Желєзнова (твердість визначають за глибиною входження в ґрунт плунжера, що падає з певної висоти) до сучасного твердоміра з автоматичною реєстрацією і графічною видачею результатів на екран дисплея міні-ЕОМ з докладною диференціацією за глибиною кореневмісного шару.

Питомий опір ґрунту характеризується через зусилля (кгс/см²), що витрачається на підрізання шару, його оборот і тертя об робочу поверхню плуга. Це, за Горячкіним, сила тяги на гаку трактора(стискальне зусилля), віднесена до одиниці поперечного перерізу шару. Величину питомого опору ґрунтів установлюють за допомогою різних роботомірів. Виходячи з визначення, питомий опір слід вважати складною властивістю ґрунту, що залежить від його стану, передусім від зв’язності і структурності.

Питомий опір ґрунтів змінюється в діапазоні від 0,2 - 0,3 до 0,7 - 0,8 кгс/см² і вище та залежить від гранулометричного складу, гумусованості ґрунту, агрофону (після просапних, зернових або багаторічних трав питомий опір дуже розрізняється) і його стану (забур’яненість, наприклад, збільшує опір), а також глибини обробітку . Величина питомого опору визначає вибір класу трактора й умов агрегатування, кількість причіпних знарядь, витрати пального. Для підвищення ефективності обробітку ґрунтів і зниження витрат розробляють спецпокриття плугів, застосовують поліпшені марки сталі для зменшення тертя «ґрунт - метал» тощо.

Зв’язність– це зусилля, здатне розчленувати ґрунт. Зв’язність спричинюється різними типами зв’язків – найміцнішими є суто хімічні (виникають при контакті кристалічних решіток мінералів безпосередньо або через шари різного складу – крем’янки, необоротно зкоагульованих гумусових речовин, півтораоксидів) і молекулярними (фізичними, ван-дерваальсовими), що виникають у колоїдно-дисперсних системах при їх змочуванні й утворенні менісків вологи в місцях контакту поверхонь. Останні переважають у більшості ґрунтів як оборотно зв’язні (механічно руйнуються у зволоженому стані і зміцнюються при висушуванні). Із збільшенням у ґрунтах вмісту крупнодисперсних елементів та їх оструктурюванні зчеплення слабшає і зв’язність зменшується. Цей показник зумовлює твердість і різні види опорів.

Пластичність– здатність ґрунтів змінювати свою форму під впливом зовнішнього навантаження і зберігати утворену форму після усунення навантаження. У пересушеному і перезволоженому стані ґрунти не мають пластичності. Ця властивість виявляється тільки у певному інтервалі зволоження між верхньою і нижньою межами пластичності. За меншої вологості ґрунт з пластичного переходить у напівтвердий і твердий, а за більшої – з пластичного в текучий чи напіврідкий стан.

Липкість– це зусилля (г/см²), потрібне для відриву ґрунту від металу (липкість «ґрунт –метал») або колеса (липкість «ґрунт – гума»). Н.А. Качинський поділяє ґрунти на виразно липкі (липкість > 15 г/см²), середньолипкі (2-5 г/см²) і слабколипкі (< 2 г/см²). Липкість виявляється тільки за певного рівня вологості, близького до верхньої межі пластичності. При обробітку ґрунту в стані липкості поверхневий шар зазнає найгрубішої деформації. Найбільшу липкість мають солонці. При вологості, коли виявляється липкість, якісно обробити ґрунт неможливо. Він налипає на знаряддя, не кришиться, за таких умов погіршується прохідність машин і збільшуються витрати пального. З цієї причини липкість – украй негативна властивість ґрунту. Будь-які агрозаходи, спрямовані на збагачення ґрунту органічними речовинами, кальцієм, поліпшення структури, сприяють збільшенню періоду, протягом якого липкість не виявляється, і одночасно зменшують її величину.

Набрякання й усадка– здатність ґрунтів змінювати свій об’єм у процесі зволоження-висушування. Прояв цієї властивості зумовлений головним чином наявністю в ґрунті гідрофільних глинистих мінералів типу монтморилоніту з рухомими кристалічними решітками, здатними до так званого внутрішньопакетного або інтраміцелярного (осмотичного) зв’язування вологи. Склад обмінно-поглинених основ у колоїдному комплексі впливає на величину набрякання (одновалентні катіони посилюють цю здатність. Надмірне набрякання ґрунту відчутно зменшує його зв’язність, посилює розмокання і руйнування. Усадка – протилежний набряканню процес, підпорядкований тим самим закономірностям. При усадці і підсушуванні ґрунт спочатку ущільнюється, а потім починає розтріскуватися. Якщо висушування попередньо зволоженого ґрунту відбувається швидко, утворюються тріщини досить великого діаметра і глибини. Набрякання й усадку прийнято оцінювати за зміною лінійних й об’ємних параметрів зразка ґрунту щодо початкових параметрів. Набрякання й усадка постійно чергуються, спричинюючи цим сезонну динаміку структурного (загалом фізичного) стану ґрунтів.

Стиглість ґрунту. Діапазон параметрів вологості різних ґрунтів, за якої спостерігається їх найкраща придатність до механічного обробітку, свідчить про фізичну стиглість ґрунтів. У генетично різних, але подібних за гранулометричним складом, ґрунтів параметри фізичної стиглості є зближеними. У легких ґрунтів діапазон вологості з найкращою готовністю до обробітку є досить широким, а її період – набагато тривалішим. Солонцюватість скорочують обидва показники. Із цієї причини дуже важливо визначити період настання фізичної стиглості і вчасно здійснити обробіток ґрунтів. Досвідчені агрономи звичайно без проблем за допомогою прямих і непрямих методів визначають потрібний термін обробітку (за здатністю легко розпадатися зім’ятого в руці ґрунту, за посірінням гребенів тощо).

Підорна підошва, поверхнева кірка, зсідання ґрунтів. Ущільнений прошарок між орним і підорним шарами, що є наслідком обробітку ґрунту на постійну глибину, називається підорною підошвою. Її утворення пояснюється не тільки дією механічного навантаження техніки і ґрунтообробних знарядь, а й поступовим закупорюванням шпар верхньої частини підорного шару, зруйнованими в процесі механічного обробітку і переміщеними вниз дрібнодисперсними компонентами ріллі. Підорна підошва негативно впливає на ґрунтово-екологічні режими –обмежує надходження вологи, збільшує поверхневий і внутрішньоґрунтовий стік, зменшує об’єм кореневмісного шару, притискаючи основну масу коренів до верхнього шару ґрунту. Тим самим у разі дефіциту вологи збільшується ризик недоодержання врожаю сільськогосподарських культур (особливо з глибокою кореневою системою).

Об’єктивним способом діагностики наявності підорної підошви є вимірювання твердості ґрунту твердоміром вертикального типу з автоматичною реєстрацією параметрів за глибиною кореневмісного шару. Її присутність майже у всіх орних ґрунтах, безумовно, діагностує процес фізичної деградації. Для запобігання утворенню підорної підошви здійснюють диференційований обробіток ґрунту з чергуванням різних технологій, знарядь обробітку, зміною його глибини. Показово, що безполицеві способи основного обробітку (плоскорізний, чизельний) підорної підошви не утворюють.

Заходи покращення фізико-механічних властивостей грунту

Агротехнічними є різні способи обробітку ґрунтів, за допомогою яких можна якісно підготувати посівний шар, зруйнувати підорну підошву, брили, здійснити безліч інших агрономічнокорисних операцій. Водночас тривалий механічний вплив на ґрунт погіршує структурність, розпорошує його, переущільнює орні шари. Із цієї причини зловживати механічним обробітком не можна. Доцільно обмежитися плоскорізним або взагалі поверхневими способами обробітку. В Україні є всі передумови для широкого впровадження мінімальних способів, які сприяють не лише збереженню, а й поліпшенню фізико-механічних властивостей ґрунтів.

Хімічними способами є гіпсування та штучне оструктурювання ґрунтів. Гіпсування солонцюватих ґрунтів позитивно впливає на фізико-механічні властивості (твердість, опір обробітку, липкість та ін.). Це так звані заходи хімічної меліорації, метою яких є зміна складу поглинених катіонів (натрію в солонцюватих ґрунтах на кальцій – гіпсування). Позитивна дія цих заходів посилюється при внесенні хімічних меліорантів разом з гноєм.

Біологічні заходи є найбільш універсальними й добре відомими з давніх часів, екологічно орієнтованими, ефективними майже на всіх ґрунтах. Це передусім внесення гною та інших органічних добрив (різноманітних компостів, торфу, сапропелю тощо). Оструктурювальний ефект і відповідно поліпшення фізико-механічних властивостей можливі лише за глибокого їх заорювання під плужний обробіток восени, а в разі неглибокого внесення внаслідок швидкої мінералізації їх довгострокова (меліорувальна) дія зникає. Сівозміна і використання фітомеліоративних можливостей вирощуваної культури також впливають на фізико-механічні властивості. Особливо привабливими тут є культури суцільного посіву з глибокою кореневою системою, сидерати, рослинні рештки.