Плотность почвы и ее определение

Задание:

1. Овладеть методикой определения плотности почвы.

2. Рассчитать объемную массу, весовой объем и общую скважность почвенного образца.

2. Дать оценку степени плотности почвы по отношению к зерновым, пропашным культурам и многолетним травам.

3. Дать рекомендации по регулированию плотности почвы для зерновых и пропашных культур.

Плотность почвы относится к главным физическим свойствам. Она характеризует взаимное расположение почвенных частиц. С ней непосредственно связаны условия механической обработки, водно-воздушный, тепловой и, следовательно, микробиологический и пищевой режимы почвы.

Плотная почва плохо или совсем не впитывает притекающую влагу. При этом на участках, имеющих уклон, наблюдается поверхностный сток, вызывающий водную эрозию. Чрезмерно плотная почва при обработке требует больших тяговых усилий. Для развития корневой системы растениям приходится затрачивать немало усилий на преодоление механического сопротивления. В переуплотненных почвах резко снижается содержание доступной для растений влаги, ухудшаются процессы газообмена между атмосферой и почвой.

Излишне рыхлая почва, обладая хорошей водопроницаемостью, в условиях засушливого климата интенсивно теряет влагу конвекционно-диффузным путем. Семена при посеве, особенно мелкосемянных культур, на таких почвах заделываются неравномерно по глубине, они имеют плохой контакт с почвенными частицами, в силу чего прорастание их задерживается, а всходы получаются изреженными. При оседании рыхлой почвы под посевами деформируется корневая система растений, оголяется узел кущения. Излишне рыхлая почва способствует интенсивной минерализации гумуса. Поэтому очень часто по величине плотности сложения почвы судят о ее окультуренности.

Для количественной оценки плотности почвы используют три показателя: объемную массу, весовой объем и скважность.

Объемная масса почвы - это масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии.

Весовой объем почвы определяется отношением общего объема почвы с ненарушенным сложением к ее массе. Этот показатель является обратной величиной объемной массы.

Скважность - суммарный объем промежутков между частицами твердой фазы почвы.

Плотность почвы чаще всего характеризуют объемной массой, что объясняется простотой методики и приборов для ее определения. Она зависят от размеров почвенных агрегатов и их взаимного расположения, механического состава, содержания гумуса, состояния влажности и т.д. Хорошо оструктуренные почвы всегда рыхлее, т.е. имеют меньшую объемную массу, чем бесструктурные. Легкие почвы, как правило, имеют плотность сложения большую, чем почвы тяжелого механического состава, так как последние всегда в какой-то мере оструктурены, а песчаные нет. Чем больше в почве содержится органического вещества, тем меньше ее объемная масса. Так, в пахотном горизонте минеральных почв она составляет 1,0-1,4 г/см³, а болотных - 0,2-0,5 г/см³.

Разные растения предъявляют различные требования к плотности почвы, а следовательно и к тем условиям, которые связаны с нею. Неодинаковы требования растений к плотности почвы и в различные фазы роста и стадии развития их. Реакция растений на различное состояние плотности зависит от биологических особенностей культур и, в первую очередь, от развития корневой системы.

Г.С. Смородин [11] культурные растения по их отношению к плотности почвы разделил на три группы:

1. Пропашные, требующие для своего развития рыхлые почвы;

2. Зерновые, которые хорошо развиваются на почвах средней плотности;

3. Мелкосемянные культуры (многолетние травы, просо, лен и т.д.), для роста и развития которых благоприятные условия создаются при плотном сложении почвы.

Плотность почвы, при которой складываются наиболее благоприятные условия для роста и развития растений, формирования максимальных урожаев культур, является оптимальной. Оптимальное значение объемной массы для разных типов почв колеблется в пределах от 1,0 до 1,4 г/см.

Плотность почвы имеет ярко выраженную динамику. Пахотный слой, имеющий рыхлое сложение сразу же после проведения обработок, постепенно уплотняется и через некоторое время достигает такой плотности, которая в дальнейшем практически мало изменяется во времени. Такую плотность называют равновесной. Пахотный слой почвы считается рыхлым, если его объемная масса не превышает 1,15 г/см³, плотным - от 1,15 до 1,35 и очень плотным - выше 1,35 [12].

Равновесная плотность редко соответствует оптимуму. Поэтому придание оптимальной плотности является одной из важных задач обработки почвы. Если равновесная плотность почвы выше оптимальной для культуры, посев которой планируется на данном участке, то осуществляют рыхление. Если же она ниже оптимальной, то проводят уплотнение (прикатывание). Когда оптимальная и равновесная плотности имеют одинаковое значение, то почва не нуждается в обработке, если она не вызывается другими причинами (уничтожением сорняков, заделыванием удобрений и т.д.). Следует отметить, что необходимость в искусственном уплотнении почвы обычно возникает значительно реже, чем в рыхлении, за исключением высокогумусированных почв в зонах с недостаточным увлажнением.

Снижению плотности почвы кроме механической обработки способствуют также набухание ее при увлажнении, замерзание воды в почве, развитие корневой системы растений, деятельность роющей почвенной фауны, внесение органических удобрений.

Среди факторов, обуславливающих избыточную плотность почвы, следует отметить воздействие ходовых систем тракторов и другой сельскохозяйственной техники. Даже при однократном проходе тяжелых тракторов плотность почвы возрастает на 20-40%. Вред избыточного уплотнения проявляется в ухудшении физических свойств почвы, ее водно-воздушного и пищевого режимов, в повышении сопротивляемости проникновению корней растений и, в конечном счете, снижении урожайности культур.

Переуплотнение почвы ходовыми системами механизмов снижает водопроницаемость в 2-10 раз. Вода в тончайших порах оказывается недоступной растениям. Есть данные в агрономической литературе, свидетельствующие о том, что при высокой плотности почвы доступная для растений влага отсутствует даже при влажности, соответствующей полной влагоемкости. Увеличение объемной массы пахотного слоя почвы на 0,01 г/см³ выше оптимума приводит к снижению урожайности зерновых культур на 0,6-0,9 ц/га.

Следует отметить, что отрицательная роль повышенной плотности проявляется в меньшей степени на более влажных почвах и наоборот.

Для определения объемной массы почвы разработаны различные методы и приборы, в основу которых положены разные принципы. Наиболее известны буровой, фиксажный, вазелиновый, песчаный методы, а также определение с помощью жидкостей.

Буровой метод основан на взятии образца почвы ненарушенного сложения с помощью цилиндра-бура определенного объема. В настоящее время существует много вариантов буров.

Фиксажный метод основан на применении различных веществ (парафина и некоторых смол и т.п.), фиксирующих взятый образец почвы. Объем зафиксированного образца определяется количеством вытесненной им жидкости или гидростатическим взвешиванием.

Методы вазелиновый и песчаный основаны на измерении объема взятой почвы с помощью сыпучих или жидких веществ. Образец почвы при этом берут без сохранения его естественного сложения. Массу взятого образца почвы определяют путем взвешивания, а объем - путем заполнения образовавшейся пустоты после взятия образца сыпучим или жидким веществом.

В настоящее время разработаны методы, основанные на радиоактивном излучении и взаимодействии гамма - лучей с почвой.

Наиболее распространенным методом определения объемной массы почвы ненарушенного сложения является метод с использованием прибора, разработанного Н.А. Качинским (рис.6).

Рис. 6. Прибор Н.А. Качинского для определения плотности скелета почвы:

1 и 2 – цилиндры-буры; 3 – молоток; 4 и 5 – алюминиевые банки с крышками;

6 – совок; 7 – лопаточка; 8 – шомпол; 9 – нож; 10 – направитель.

Прибор состоит из стальных цилиндров - буров объемом около 100 см³ (1) и 500 см³ (2) для взятия почвенных образцов; направителя 10 для вертикального погружения цилиндра в почву; шомпола 8 для вдавливания цилиндра в почву; молотка 3 для забивания цилиндра в уплотненные горизонты почвы; ножа 9, лопаточки 7 и совка 6 для выемки цилиндра с почвой и удаления излишков почвы; алюминиевых банок с крышками 4 и 5 для хранения взятого почвенного образца. Диаметр режущей части цилиндра делается на 1 мм меньше остальной его части для предотвращения деформации почвы при его вдавливании.

Перед отбором почвенных проб на местности выкапывают разрез на глубину определения объемной массы. Для взятия образца почвы на выровненную поверхность ставят цилиндр, предварительно взвесив с крышками вместе (Р_о), закрывают его сверху небольшой квадратной доской (10 х 10 см) и, надавливая рукой, погружают в почву.

При погружении в плотный горизонт используют направитель. Для этого в отверстие его вкладывают цилиндр, стенки которого предварительно слегка смазывают вазелином, и, надавливая рукой на шомпол, или, ударяя по нему деревянным молотком, цилиндр погружают в почву.

После полного погружения цилиндра в почву снимают доску или направитель, закрывают цилиндр крышкой, окапывают вокруг ножом или лопаточкой, надрезают почву под цилиндром таким образом, чтобы оставался некоторый излишек ее. Затем цилиндр переворачивают, срезают излишки почвы ножом вровень с краем цилиндра и очищают боковые стенки, закрывают нижней крышкой.

После этого почву из цилиндра переносят в банки, которые плотно закрывают крышкой и устанавливают в специальный ящик с гнездами.

При отсутствии достаточного количества банок почву из цилиндра можно пересыпать в сухой, заранее взвешенный полиэтиленовый пакет с этикеткой (Р_о).

Банку или полиэтиленовый пакет с образцами почвы доставляют в лабораторию, взвешивают с точностью до 0,01 г (P₁), содержимое высыпают на бумагу и берут две средних пробы почвы по 15-20 г каждая в алюминиевые стаканчики для определения влажности. Предварительно записывают массу (m₀) и номер стаканчика в тетради в соответствии с местом и глубиной взятия образца.

При наличии возможности цилиндры с образцами почвы взвешивают на месте в поле (Р₁). В этом случае сразу же после взвешивания отбирают почвенные пробы для определения влажности по вышеизложенной методике. Алюминиевые стаканчики с сырой почвой взвешивают (m₁) и высушивают в термостате при температуре 105 градусов до постоянного веса. По окончании сушки стаканчики с почвой охлаждают в эксикаторе и взвешивают (m₂).

Все данные записывают в соответствующие строки формы 2. Расчеты объемной массы почвы проводятся в следующей последовательности.

1. Влажность почвы (W):

( m₁ - m₂) 100

W = ------------------------% (8)

(m₂ - m₀)

где

m_{0 –} масса пустого стаканчика, г;

m_1- масса стаканчика с почвой до сушки, г;

m_{2 –} масса стаканчика с почвой после сушки г.

2. Масса абсолютно сухой почвы в банке (цилиндре, полиэтиленовом пакете) М:

(P₁ - P₀) 100

M = --------------------- (г) (9)

W + 100

3. Объем образца почвы (цилиндра) V:

ПД²

V = -------- Н (см²), (10)

где Д - диаметр цилиндра, см;

Н - высота цилиндра, см;

П - постоянная величина, равная 3,14.

4. Объемная масса почвенного образца (d);

M

d = ----- (г/см³). (11)

V

Объемная масса почвы меняется в широких пределах. Для оценки уплотненности почв с различной степенью гумусированности С.И. Долговым предложена следущая шкала (табл. 10).

10. Оценка уплотненности почвы по величине объемной массы (г/см³)

Степень уплотненности	Глубина слоя, см
0-20	20-50	50-100
Для почв с содержанием гумуса < 4%
Очень рыхлая	1,00	1,20	1,35
Рыхлая	1,0-1,20	1,20-1,35	1,35-1,50
Среднеплотная	1,20-1,40	1,35-1,48	1,50-1,60
Плотная	1,40-1,50	1,45-1,60	1,60-1,67
Очень плотная	>1,50	>1,60	>1,67
Для почв с содержанием гумуса > 4%
Очень рыхлая	0,95	1,10	1,25
Рыхлая	0,45-1,10	1,10-1,20	1,25-1,32
Среднеплотная	1,10-1,20	1,20-1,30	1,32-1,40
Плотная	1,20-1,30	1,30-1,40	1,40-1,50
Очень плотная	>1,30	>1,4 0	>1,50

Численные значения объемной массы используют для вычисления скважности (порозности), запасов влаги в почве, питательных веществ, гумуса, норм полива при орошении и т.д.

Наиболее полноценным показателем плотности почвы является ее скважность или порозность. Отдельные механические элементы и структурные агрегаты в почве неплотно прилегают друг к другу, образуя внутриагрегатные и межагрегатные промежутки, которые принято называть порами. Они различны как по размерам, так и по форме.

Суммарный объем всех почвенных пор, выраженный в процентах к общему объему почвы с ненарушенным сложением, есть общая скважность, или порозность.

Со скважностью почвы тесно связаны такие ее свойства, как влаго - и воздухоемкость, водо- и воздухопроницаемость, водоподъемная способность, аэрация, интенсивность и направление биологических процессов. В почвенных порах размещаются живые организмы и корни растений. Это та часть объема почвы, в которой совершаются все процессы, определяющие эффективное плодородие почвы. И, наконец, от скважности почвы зависит ее удельное сопротивление.

Величина общей скважности зависит от механического состава и структурного состояния почвы. В естественных условиях она изменяется в широких пределах - от 25 до 80 %

Оптимум скважности, при котором складываются наиболее благоприятные условия роста и развития растений, находится в пределах 48-65%. Он зависит от климатических и почвенных условий, биологических особенностей культур. Чем суше климат зоны, тем меньше величина оптимальной скважности. Она выше на высогогумусированных структурных глинистых карбонатных почвах, и ниже на слабогумусированных бесструктурных песчаных почвах. Для пропашных культур оптимальная скважность выше, чем для зерновых и многолетних трав. В целом для сухостепной зоны оптимум общей скважности лежит в пределах 48-55%.

Для оценки суглинистых и глинистых почв по величине общей скважности Н.А. Качинский [8] предложил следующую шкалу:

>70 – избыточно пористая.

55-65 – отличная.

50-55 - удовлетворительная для пахотного слоя.

< 50 - неудовлетворительная для пахотного слоя.

40-25 - чрезмерно низкая. Характерна для уплотненных иллювиальных горизонтов.

Общая скважность может быть определена расчетным методом исходя из объемной (d) и удельной (γ) масс почвы или путем отбора образца почвы с ненарушенным сложением при помощи специального бура (см. раздел “Определение строения пахотного слоя почвы”).

Для определения общей скваженности (П) расчетным методом используют формулу:

d

П = (I - ----) 100 (%), (12)

γ

Так, для почвы, объемная масса которой составляет 1,2 г/см³, а удельная масса твердой фазы – 2,6 г/см³, общая скваженность будет равна 53,8 %.

По мнению В.Н. Слесарева [12], наиболее точно плотность почвы может быть определена как отношение объема твердой фазы почвы к общему объему пор в единице объема почвы, выраженное в процентах:

V т.ф.

Р = ---------------, (13)

V n.

где Р – плотность почвы;

V т.ф. – объем твердой фазы почвы,%;

V n. – объем пор,%

Например: если твердая фаза почвы занимает 40 % общего объема почвы, а порозность равна 60%, тогда плотность почвы будет

Р = ---------- = 0,67

Нетрудно догадаться, что с увеличением объема твердой фазы и уменьшением порового пространства плотность почвы возрастает и наоборот.

Средние значения объемной массы основных типов почв Казахстана представлены в приложении 1.

Форма 2

Результаты определения объемной массы и скважности почвы

Дата___________________ место отбора образца

Почва___________________________________________

Культура, обработка почвы_________________________

Слой, см_________________________________________

1.№ патрона (стакана)_____________________________

2. Объем паторна (V),см ³__________________________

3. Масса патрона (Р_о),г ____________________________

4. Масса паторна с сырой почвой (Р₁),г ______________

5. Масса сырой почвы (Р₁- Р ₀), г ____________________

А. № сушильного стаканчика_______________________

Б. Масса сушильного стаканчика (m ₀),г______________

В. Масса сушильного стаканчика с сырой

почвой (m ₁),г____________________________________

Г. Масса сушильного стаканчика с сухой

почвой (m ₂),г __________________________________

Е. Масса сухой почвы (m₂ -m₀), г____________________

6. Масса абсолютно сухой почвы в патроне (М),г______

7. Объемная масса почвы (d), г/см³__________________

8. Скважность (О), %______________________________

9. Весовой объем (d₁), г/см³_________________________

При определении общей скважности расчетным методом на лабораторных занятиях значение удельной массы почвы выдается преподавателем.

Методика определения общей скважности при помощи отбора образцов почвы с ненарушенным сложением излагается в разделе “Определение строения пахотного слоя почвы”.

Вопросы для самостоятельной подготовки.

1. Что такое плотность почвы и какими показателями она характеризуется?

2. Какое значение имеет плотность почвы для роста и развития растений?

3. Каковы положительные и отрицательные свойства излишне рыхлой и чрезмерно плотной почвы?

4. Что понимается под оптимальной и равновесной плотностью почвы?

5. От чего зависит величина объемной массы почвы и как она определяется?

6. Что такое общая скважность почвы и какие существуют методы ее определения?

7. Какие агротехнические приемы способствуют регулированию плотности почвы?

Рекомендуемая литература.

1. Агрофизические методы исследования почв.- М.: 1966 – 258 с.

2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. методы исследования физических свойств почв.- М.: Агропромиздат, 1986, с. 95-105.

3. Доспехов Б.А.,Васильев И.П., Тукликов А.М. Практикум по земледелию. –М.: Агропромиздат, 1986, с. 30-31.

4. Иванников А.В., Шрамко Н.В., Мукажанов К.М., Земледелие Северного Казахстана. - Акмола , 1999, с. 25-30.

5. Карипов Р.Х. Проблема уплотнения темно-каштановой почвы движителями и приемы ее решения. Труды Акмолинского сельхозинститута. - Акмола, 1994, с. 3-7.

6. Карипов Р.Х. Негативные последствия антропогенного воздействия на агроэкосистему в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства. Труды международной научной конференции, посвященной 130-летию со дня рождения В.И. Вернадского. - Акмола-Боровое, 1993, с. 192-195.

7. Карипов Р.Х. Воздействие на почву ходовых систем тракторов. Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана. - Алма-Ата: 1991, №12, с. 99-101.

8. Качинский Н.А. Физика почв. - М.: Высшая школа, 1965. - 318 с.

9. Плотность почвы и ее регулирование обработкой. Труды Целиноградского сельхозинститута. Т.8. Вып. 13. - Целиноград. 1973. - 123 с.

10. Почвоведение. Под ред. Кауричева И.С. - М.: Колос, 1975, с. 124-125.

11. Смородин Г.С. О типах сложения и приемах обработки почвы. В кн.: Теоретические вопросы обработки почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968, с. 156-159.

12. Слесарев В.Н. О терминологии в земледелии.- Земледелие, 1986, № 4, с. 51-52.

13. Шевлягин А.И. Реакция сельскохозяйственных культур на различную плотность сложения почвы. В кн.: Теоретические вопросы обработки почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968, с. 32-39.