Общие физические свойства почв

Удельная поверхность почвы – суммарная поверхность всех частиц почвы, отнесенная к единице веса или объема. Выражается чаще всего в м²/г или м²/см³почвы.

Процесс диспергирования (дробления) минеральной части почвы обычно не меняет ее веса, но резко увеличивает суммарную поверхность всех частиц. При этом почва переходит в более активное состояние, так как с увеличением поверхности твердой фазы в единице веса или объема, возрастает и поверхностная энергия частиц.

С величиной удельной поверхностисвязаны величины объемов поглощения минеральных веществ, зольных элементов, паров, газов, особенности передвижения в почве воды и воздуха, а также другие физические и технологические свойства почвы.

Удельная поверхность почвызависит от минералогического и гранулометрического состава. Почвы легкого гранулометрического состава характеризуются меньшей дисперсностью и, соответственно, меньшей удельной поверхностью по сравнению с почвами тяжелого гранулометрического состава.

Выделяют общую, внешнюю и внутреннююудельные поверхности частиц.

Внешняя (кинетическая) поверхность определяется дисперсностью твердых частиц почвы.

Внутренняя поверхность обусловлена особенностями строения самих частиц, наличием микропор и трещин внутри частицы. Поверхность почвенных частиц имеет свой сложный микрорельеф, отдельные участки которого энергетически неравноценны. Особой энергетической активностью характеризуются выпуклые элементы частиц.

Общая поверхность представляет собой сумму внешней и внутренней удельных поверхностей. Ее величина колеблется в значительных пределах: от нескольких единиц м²/г (или см³) почвы (в грубых песках) до нескольких сотен (тяжелые глины, почвы со значительным количеством органогенных веществ).

Обычно удельную поверхность почвы определяют насыщением почвы водяным паром (этиленгликолем). Эмпирическая формула расчета удельной поверхности:

S = 3610 х (V₂-V₁)/(V₁-V₀),

где V₂ – вес почвы после насыщения, V₁ – вес почвы до насыщения, V₀ – вес тары.

Плотность твердой фазы почвы – отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 4°С.

В лабораторных условиях плотность твердой фазы определяют пикнометрическим методом, при котором объем твердой фазы находят по массе воды, вытесненной навеской сухой почвы. При этом исходят из того, что при температуре 4°С 1 г воды занимает объем, равный 1 см³.

Данный показатель измеряется в граммах на сантиметр кубический (г/см³) и зависит от минералогического состава почвы исодержания в ней органического вещества. Минералы, входящие в состав почвы, отличаются различной удельной массой (от 2,1 до 5 г/ см³ и более).

Соответственно, чем больше в почве тяжелых минералов, тем выше плотность ее твердой фазы. Что касается органического вещества, то его удельная масса (1,2-1,8 г/см³) в 1,5-2 раза меньше, чем у минеральной части почвы. Поэтому почвы с большим содержанием органического вещества всегда отличаются меньшей плотностью твердой фазы.

В целом плотность твердой фазы – величина довольно стабильная и в минеральных горизонтах большинства почв находится в пределах 2,4-2,7 г/см³, в торфяных – 1,4-1,8 г/см³.

Плотностью сложения почв (или просто плотностью) почвы (d_v) называется масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии.

При ее определении учитывается не только объем твердой фазы почвы, но и объем пор, поэтому плотность почвы будет всегда меньше плотности ее твердой фазы. Как и плотность твердой фазы, она выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см³).

У минеральных почв плотность колеблется от 0,9 до 1,8 г/см³, у торфяно-болотных – от 0,40 до 1,15 г/см³. Этот показатель довольно динамичен и зависит от минералогического состава почвы, размера; почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния и пористости.

Большое влияние на его значение оказывает обработка почвы. Как правило, наименьшую плотность почва имеет сразу же после культивации, которая способствует ее разрыхлению и увеличению объема пор. Со временем плотность увеличивается до состояния, которое называется равновесной плотностью. При таком состоянии плотность сложения почвы длительное время почти не изменяется, что в первую очередь объясняется равновесием сил, вызывающих уплотнение почвы и увеличение объема пор.

Уменьшение плотности почвы может происходить в результате ее набухания при увлажнении ипоследующей усадки в засушливый период, замерзания и оттаивания воды в почве, развития корневой системы растений, деятельности животных, внесения органических удобрений.

Верхние горизонты малогумусных дерново-подзолистых почв имеют плотность 1,2-1,4 г/см³, нижние уплотненные – 1,6-1,8 г/см³. В верхних горизонтах черноземов плотность 1,0-1,2, в нижних 1,3-1,6 г/см³. Под влиянием приемов окультуривания верхние горизонты пахотных почв имеют более низкий показатель плотности.

Плотность почвы сильно влияет на поглощение влаги и ее передвижение в профиле, газообмен, развитие корней, интенсивность микробиологических процессов, условия существования почвенных насекомых и животных. Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет свои требования к плотности почвы. Наиболее благоприятная для того или иного растения плотность сложения почвы называется оптимальной.

Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная величина плотности на суглинистых и глинистых почвах 1-1,2 г/см³. Дальнейшее увеличение ее снижает урожай сельскохозяйственных культур.

Плотность сложения почвы – не основной, но довольно важный показатель, характеризующий ее плодородие. От нее зависят водные, воздушные и тепловые свойства, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов, а в конечном итоге – урожайность сельскохозяйственных культур.

К основным агротехническим мероприятиям, направленным на достижение оптимальных параметров плотности сложения почвы, относятся ее глубокое рыхление и внесение органических удобрений.

Пористость – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы, заполненных водой или воздухом. Пористость выражается в процентах от общего объема почвы и вычисляется по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой фазы (d) по формуле:

Р_общ = (1 – d_v/d) х 100

За 1 принимается общий объем почвы со всеми ее порами.

Все почвенные поры между механическими элементами подразделяются на три группы по их отношению к воде: капиллярные поры порядка > 10^-1см; капиллярные поры порядка 10^-1-10^-5см; ультрапоры порядка 10^-5-10^-7см. Все эти группы пор находятся в любой почве.

Некапиллярные поры – это поры, в которых заполняющая их вода всегда передвигается под влиянием силы тяжести. Сюда будут относиться крупные полости между комками (например, по ходам отмерших корней, по трещинам и т.д.). По таким полостям в почву легко проникают вода, воздух и живые корни растений.

В капиллярных порах заполняющая их капельножидкая вода передвигается большей частью по законам капиллярного движения жидкостей в почве. Следует отметить, что капиллярное движение воды в порах порядка 10^-4 см затруднено и фактически почти не происходит. Капиллярные поры могут быть в комках почвы и между ними. Вода капиллярных пор составляет основной запас воды в почве.

В ультрапорах порядка 10^-5-10^-7см плотность воды более единицы, а упругость пара меньше пара свободной воды, то есть вода ультрапор уплотнена. К ультрапорам будут относиться поры между иловатыми частицами и рядом других механических элементов в комках.

Показатель пористости весьма непостоянен. Он тесно связан с плотностью сложения, гранулометрическим составом и структурным состоянием почвы, деятельностью почвенной фауны, содержанием органического вещества, а в пахотных горизонтах – с частотой и приемами обработки и окультуренности почвы и находится в пределах 25-90% (в гумусовых горизонтах обычно 50-60%). Его максимальные значения (80-90%) характерны для торфяных горизонтов. В макроструктурных почвах на поры приходится большая часть объема; в микроструктурных почвах – меньшая.

Н.А. Качинский предложил следующую шкалу для оценки общей пористости пахотного слоя:

- более 70% – почва вспушена, избыточно пористая,

- 55-65% – отличная, культурный пахотный слой,

- 50-55% – удовлетворительная,

- менее 50% – неудовлетворительная,

- менее 40% – очень неудовлетворительная.

С общей пористостью связаны водопроницаемость, воздухопроницаемость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмосферой.

Пористость почв дифференцируется следующим образом:

Общая пористость – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы.

Капиллярная пористость – объем пор, занятых капиллярами почвы, включая межагрегатные пространства.

Агрегатная пористость – объем пор в агрегатах или структурных отдельностях.

Межагрегатная пористость – пространства почвы между агрегатами.

Пористость аэрации – пространства почвы, незанятые водой, но заполненные воздухом.

Наиболее значимы общая пористость и пористость аэрации.

Общей для всех почв является закономерность: чем выше плотность почвы, тем меньше ее пористость и наоборот.