Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам почвы относят: пластичность, связность, твердость, удельное сопротивление при обработке, липкость, набухание, усадку. Пластичность, связность, твердость и удельное сопротивление при обработке проявляются под влиянием внешних воздействий и характеризуют способность почвы оказывать им сопротивление. Набухание, усадка, липкость обнаруживаются при отсутствии действия внешних сил. Они присущи только влажной почве, а их проявление характеризует почву как высокодисперсную систему.

П л а с т и ч н о с т ь — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил без нарушения сплошности (без разрывов и трещин) и сохранять приданную форму после их устранения. Пластичность зависит от гранулометрического состава и влажности почвы. Пески практически не пластичны. Сухим и сильно переувлажнённым почвам пластичность также не характерна. Проявляется пластичность в определенном интервале увлажнения, от которого зависит консистенция почвы — степень подвижности почвенных частиц под влиянием внешних механических воздействий при различной влажности почвы.

Различают следующие виды консистенции:

• твердая — почва имеет свойства твердого тела;

• полутвердая — почва теряет пластичность и приобретает переходное состояние между твердым и пластичным телами;

• вязкопластичная — пластичная, не прилипает к другим телам;

• липкопластичная — почва пластичная, прилипает к другим телам;

• вязкотекучая — почва растекается толстым слоем;

• жидкотекучая — почва растекается тонким слоем.

Обычно для почвы характерны первые четыре состояния, но в некоторых случаях она приобретает и текучие консистенции, что приводит к развитию солифлюкции — оползанию почвы, пересыщенной водой, под влиянием собственной массы. Солифлюкция часто проявляется в полярном поясе. Этому способствует развитие длительно-сезонной или многолетней мерзлоты, вызывающей оползание оттаявшего слоя почвы по мерзлому грунту. Нередко солифлюкция наблюдается в высокогорных областях, на склонах в зонах выклинивания грунтовых вод. Текучесть почвы влияет на развитие эрозионных процессов при распахивании крутых склонов.

Условными характеристиками консистенции почвы являются константы пластичности (константы Аттерберга): предел текучести и предел раскатывания.

Верхний предел пластичности, или предел текучести, — весовая влажность почвы, при которой стандартный металлический конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на глубину 10 см.

Нижний предел пластичности, или предел раскатывания, — граница между полутвердым и пластичным состоянием почвы, т. е. весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром З мм без образования в нем разрывов и трещин.

Число пластичности разность между числовыми выражениями верхнего и нижнего пределов пластичности. Характеризует диапазон влажности, в котором проявляются пластичные свойства почвы. В этом интервале почва деформируется, но сохраняет приданную ей форму, максимально набухает, обладает слабым сопротивлением при внешнем механическом воздействии.

Наиболее высокую пластичность имеют глинистые почвы. По этому показателю они превосходят суглинистые почвы примерно в два раза, а супесчаные — в три. При прочих равных условиях почвы, в илистой фракции которых доминируют минералы монтмориллонитовой группы, имеют более высокую пластичность, чем почвы с преобладанием каолинитовых минералов. Пластичность почв существенно возрастает при увеличении содержания обменного натрия, при насыщении ППК ионами кальция и магния пластичность снижается.

С в я з н о с т ь — способность почвы противостоять внешнему усилию, направленному на разъединение механических элементов. Выражается в кг/см². Это свойство обусловлено силами сцепления между почвенными частицами, возникающими в результате их непосредственного взаимодействия или при помощи промежуточных веществ (клеев, цементов и т. д.). Связность почвы зависит от гранулометрического и минералогического составов, структурного состояния, влажности и гумусированности.

Высокой связностью характеризуются почвы тяжелого гранулометрического состава, в илистой фракции которых преобладают минералы группы монтмориллонита. Чем легче гранулометрический состав почв, тем меньше их связность. При оструктуривании почв увеличивается механическая прочность отдельных агрегатов, но уменьшается связность почв, облегчаются их обработка и распространение корневых систем растений.

Связность почв усиливается по мере насыщения ППК обменным натрием. В результате диспергирования увеличивается удельная поверхность почвы, а следовательно, возрастают и силы сцепления между частичками. Поэтому солонцам всегда присуща высокая связность.

Гумус также влияет на связность почв. Он увеличивает связность песчаных и супесчаных почв и снижает ее у тяжелосуглинистых и глинистых за счет структурообразующего эффекта.

Огромное влияние на этот показатель оказывает влажность почвы. При сильном иссушении почв их связность увеличивается в 5-10 раз, достигая максимальных значений при влажности, близкой к влажности завядания.

Т в ё р д о с т ь — свойство почвы в естественном состоянии оказывать сопротивление сдавливающему и расклинивающему воздействию. Выражается в кг/см². Твердость определяют специальными приборами — твердомерами, снабженными заостренными наконечниками в виде конуса, клина или цилиндра с малой площадью (плунжерами). Моделируя работу плуга в почве, определяют сопротивление, которое она оказывает расклиниванию или разрезанию в вертикальном и горизонтальном направлениях. Чем выше твердость почвы, тем большее сопротивление она оказывает расклививанию. С помощью твердомера измеряют и сопротивление почвы сжатию или сдавливанию которое оказывает на нее сельскохозяйственная техника, передвигающая по поверхности. Чем больше твердость почвы, тем меньше тяговые усилия при перекатывании.

Твердость почвы обусловлена теми же характеристиками, что и связность, — минералогическим и гранулометрическим составами, содержанием гумуса, влажностью, составом обменных катионов. Твердость варьирует в широких пределах — от 5 до 60 кг/см² и выше. Особенно большое влияние на этот показатель оказывает влажность почвы. Твердость сырой почвы близка к нулю и резко возрастает по мере ее иссушения, достигая максимальных величин в сухой почве. Эта закономерность не соблюдается в песчаных и хорошо оструктуренных почвах, поскольку в сухом состоянии они приобретают рассыпчатое сложение. Наиболее высокой твердостью характеризуются иллювиальные горизонты солонцов слитых и некоторых других почв, а также плужная подошва. При высокой твердости почвы всхожесть семян часто снижается, корневые системы растений испытывают механическое сопротивление. Это важная технологическая характеристика почвы, поскольку между твердостью почвы и удельным сопротивлением при пахоте существует высокая коррелятивная зависимость.

У д е л ь н о е с о п р о т и в л е н и е – тяговое усилие, затрачиваемое на подрезание и оборот 1 см² поперечного сечения пласта почвы при обработке. Выражается в кг/см². Тяговое усилие при вспашке затрачивается на преодоление трения почвы о металл, на деформацию почвы — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и отбрасывание пласта в сторону.

В зависимости от гранулометрического состава, физико-химических свойств, влажности почвы и ее агрохозяйственного состояния удельное сопротивление колеблется в пределах 0,2-1,2 кг/см². Оно возрастает по мере перехода от легких почв к глинистым, по мере увеличения солонцеватости почв и ухудшения их структурного состояния. Большое влияние на величину удельного сопротивления оказывает влажность почвы. При низкой влажности, близкой к влажности устойчивого завядания, удельное сопротивление достигает максимального значения. В процессе обработки иссушенной почвы резко возрастают энергетические затраты, почва распыляется, а если она плохо оструктурена, то формируются глыбы.

По мере увеличения влажности удельное сопротивление неуклонно снижается и достигает минимума при некотором значении, характерном для каждой конкретной почвы. При дальнейшем повышении влажности почвы удельное сопротивление снова возрастает. Это обусловлено увеличением липкости почвы, в результате чего усиливается сцепление почвенных частиц с поверхностью орудий, обрабатывающих почву. Внешнее трение почвы о поверхность металла сменяется внутренним трением почвы о почву. При обработке почвы с повышенной влажностью крошения почвы не происходит, пашня получается смазанной. После высыхания такой пашни образуются многочисленные плотные глыбы.

Л и п к о с т ь — способность влажной почвы прилипать к другим телам. Количественно липкость почвы характеризуется усилием, необходимым для отрыва металлической пластинки от влажной почвы, и выражается в г/см². Это свойство проявляется в том случае, когда силы сцепления между почвенными частицами становятся меньше, чем между почвой и предметами, соприкасающимися с ней.
Зависимость липкости от влажности имеет вид параболической кривой. В каждой конкретной почве липкость начинает проявляться при определенном значении влажности, которое характеризует влажность начального прилипания. По мере увеличения влажности почвы растет и ее липкость, но только до тех пор, пока не достигнет максимальных значений. Дальнейшее повышение влажности почвы приводит к уменьшению липкости, поскольку нарушается сцепление между частицами почвы, и почва приобретает текучую консистенцию. Влажность, при которой липкость почвы проявляется в наибольшей степени, называют влажностью максимального прилипания.

Липкость почвы тесно связана с гранулометрическим и минералогическим составами. По этому показателю глинистые почвы в 8-10 раз превосходят суглинистые и в 20-25 раз — песчаные и супесчаные. Липкость минералов группы монтмориллонита при близкой степени дисперсности вдвое выше липкости гидрослюд и а пять раз выше липкости каолинита. Липкость почвы существенно возрастает под влиянием обменного натрия, вызывающего пептизацию почвенных коллоидов и разрушение структуры.

Липкость определяет такое важное агрономическое свойство почв, как физическая спелость.

Н а б у х а н и е — увеличение объема почвы при увлажнении. Выражается в процентах от исходного объема. В основе набухания лежат сорбция молекул воды почвенными частицами. В результате гидратации почвенных частиц силы сцепления между ними ослабевают, происходит их отделение друг от друга, что сопровождается увеличением общего объема почвы. Величина набухания тесно связана с гранулометрическим и минералогическим составами почвы, а также составом обменных катионов.

Поскольку сорбционные свойства в наибольшей степени проявляются у тонкодисперсных частиц, особенно коллоидных, то по мере утяжеления гранулометрического состава способность почв к набуханию возрастает.

Существенную роль в набухании почв играет минералогический состав. Глинистые минералы с фиксированной нерасширяющейся кристаллической решеткой (каолинит, хлориты, гидрослюды) сорбируют молекулы воды только на внешней поверхности. У минералов с лабильной кристаллической решеткой (монтмориллонит, вермикулиты) сорбция воды происходит и между пакетами. Проникая в межпакетное пространство, молекулы воды вызывают их расширение и соответственно увеличение общего объема минералов. Поэтому почвы, имеющие близкий гранулометрический состав, но различающиеся набором минералов в илистой фракции, имеют разную степень набухания.

На набухание сильно влияет состав обменных катионов. Например, монтмориллонит, насыщенный Са²⁺ или другими многовалентными катионами, набухает в меньшей степени, чем монтмориллонит, содержащий обменный Nа в большом количестве. В первом случае молекулы воды, проникающие в межпакетные пространства, раздвигают ах благодаря расклинивающему давлению, развивающемуся за счет молекулярных сил, только до определенного предела. Этого давления недостаточно для преодоления сил притяжения, возникающего благодаря многовалентным катионам, и алюмосиликатные слои остаются связанными друг с другом. Поэтому в межслоевом пространстве монтмориллонитов насыщенных многовалентными катионами, нет условий для развития двойного электрического слоя я возникновения сил отталкивания. Такой кристалл по отношению к воде ведет себя как единое целое, набухая до определенного объема, ограниченного действием ионно-электростатических сил притяжения.

Когда монтмориллонит насыщен натрием, ионно-электростатические силы притяжения настолько слабы, что не препятствуют развитию молекулярной составляющей расклинивающего давления и образованию в межпакетном пространстве двойного электрического слоя. В результате этого расстояние между пакетами резко увеличивается, часто вплоть до полного разделения пакетов, и система сильно набухает. Поэтому наибольшим набуханием характеризуются глинистые солонцовые и слитые почвы с высоким содержанием обменного натрия и минералов монтмориллонитовой группы.

Органическое вещество играет двойственную роль в набухании почв. В свободном состоянии гумусовые кислоты отличаются высокой гидрофильностью и набуханием. Эти свойства они проявляют в щелочных почвах, поскольку находятся в диспергированном состоянии и насыщены натрием. Гумусовые кислоты, будучи скоагулированными двух- и трехвалентными катионами, наоборот, способствуют уменьшению набухания почвы. Это происходит в результате снижения их собственной гидрофильности и уменьшения дисперсности почвенной массы благодаря агрегированию частиц почвы гелями гумусовых веществ. Набухание почв снижается при наличии в почвенном растворе водорастворимых солей, вызывающих коагуляцию почвенных коллоидов.

У с а д к а — уменьшение объема почвы при высыхании. Это процесс, обратный набуханию, он зависит от тех же факторов. Чем больше набухание почвы при увлажнении, тем сильнее ее усадка при последующем высыхании. Предел усадки соответствует удалению всей почвенной влаги, кроме гигроскопической, и переходу почвы из полутвердой консистенции в твердую.

В природных условиях циклы «набухание-усадка» соответствуют циклам «увлажнение-иссушение» почвы. Эти динамические процессы сильно влияют на агрофизическое состояние почв. При этом важное значение имеет интенсивность их проявления. При умеренной амплитуде такие процессы способствуют агрегатообразованию и самомульчированию поверхности, что благоприятным образом отражается на водно-воздушном режиме почв. При частых и больших амплитудах циклы набухания и усадки вызывают разрушение почвенной структуры, более плотную переупаковку почвенных частиц, формирование системы глубоких трещин, расчленяющих почву на массивные глыбы.

Физико-механические свойства почвы нередко выступают в качестве их важнейших характеристик. Этим свойствам отводят первостепенное значение при решении многочисленных энергетических проблем, связанных с обработкой почвы. Физико-механические свойства определяют качество обработки почвы и характер ее деформации при работе сельскохозяйственных агрегатов, износ отдельных частей орудий обработки, соприкасающихся с почвой, и коэффициент их полезного действия.Поэтому оценка этих свойств необходима для конструирования сельскохозяйственных орудий и машин, расчетов сопротивления почвы при обработке и перекатывании по ней сельскохозяйственной техники.

Физико-механические свойства сильно влияют на развитие и характер распространения корневых систем культурных растений по профилю почвы. В связи с этим регулирование физико-механических свойств имеет большое значение для эффективного использования пахотных угодий.

Система мероприятий по регулированию физико-механических свойств почвы должна быть направлена на оптимизацию факторов, с которыми связано их проявление. Поскольку гранулометрический и минералогический составы относятся к нерегулируемым факторам, то их учитывают, подбирая оптимальные сроки обработки почвы в зависимости от ее влажности. Другие факторы, определяющие физико-механические свойства почв, в той или иной степени поддаются оптимизации. Существенно улучшить физико-Механические свойства почв можно с помощью регулирования влажности почвы (удаление избытка влаги иди восполнение ее недостатка при орошении), комплекса мероприятий по улучшению структурного состояния почв и увеличению их гумусированности, мелиорации кислых и щелочных почв, направленной на изменение состава обменных катионов, а также с помощью пескования и глинования.