Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам относятся: пластичность, липкость, набухание, усадка, твердость, связность, удельное сопротивление почвы при обработке.

Пластичностьюназываютспособность почвы и грунта деформироваться и принимать придаваемую им во влажном состоянии форму без образования трещин и сохранять ее после прекращения внешнего воздействия.

Переувлажненные и сухие почвы не обладают пластичностью, которая проявляется в определенном пределе увлажнения.

Верхним пределом пластичности является влажность нижней границы текучести, т.е. когда конус Васильева погружается в почву на глубину 10 мм под действием собственного веса.

Нижним пределом пластичности является влажность границы раскатывания почвы в шнур d=3мм. При этом происходит распадание шнура на отдельности.

Величину пластичности измеряют числом пластичности (W), представляющим разность между числовым выражением верхнего (W₁) и нижнего пределов пластичности (W₂):

W= W₁–W₂, %.

По числу пластичности судят о гранулометрическом составе почвы (0 – песок, 0–7 – супесь, 7–17 – суглинок, более 17– глина).

Пластичность зависит от размера почвенных частиц, состава поглощенных оснований, так как они во многом определяют степень гидратации почвы и содержания гумуса. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость – это свойство влажной почвы прилипать к соприкасающимся с нею предметам. Проявляется она, когда сцепление между почвенными частицами меньше, чем между почвой и соприкасающимися с ней предметами.

Липкость измеряется усилием в г на 1см², требующимся для отрыва от почвы прилипшего к ней диска или пластины. Она зависит от гранулометрического, химического и минералогического состава, от структуры и влажности. Глинистые и бесструктурные почвы сильнее прилипают, чем легкие по гранулометрическому составу или структурные глинистые. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует.

С повышением влажности до определенного предела липкость увеличивается, а далее уменьшается, так как нарушается сцепление между частицами почвы. В структурных почвах (черноземы, дерново-карбонатные) липкость начинает проявляться в пределах 60–80% общей влагоемкости. Бесструктурные начинают прилипать при более низкой влажности.

Н.А. Качинский классифицирует почвы по величине липкости на предельно вязкие (>15г/см²), сильновязкие (5–15), средневязкие (2–5) и слабовязкие (<2г/см²)

С липкостью связано важное агрономическое свойство – физическая спелость – состояние влажности, при которой почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Весной раньше других поспевают к обработке песчаные и супесчаные почвы, высокогумусированные по сравнению с малогумусированными.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек). Они уменьшают сцепление между частицами почвы, раздвигают их, и в результате происходит увеличение объема почвы. Набухание выражают в объемных процентах.

Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы. При этом, чем больше в почве минералов с расширяющейся решеткой, таких, как монтмориллонит и вермикулит, тем больше ее набухание.

Большое влияние на способность почвы набухать оказывает состав обменных катионов. При насыщении почв одновалентными катионами (особенно натрием) набухание достигает 120–150%, тогда как при насыщении двух и трех валентными катионами значительного увеличения в объеме при набухании не наблюдается.

Набухание почвы может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в поверхностном слое почвы. Вследствие этого частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению агрегатов.

Усадка – сокращение объема почвы при высыхании. Она измеряется в процентах от исходного объема и зависит от тех же факторов, что и набухание. Большая усадка почвы – отрицательное явление, так как приводит к образованию трещин и разрыву корневой системы растений.

Связность– способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызывается связность силами сцепления между частицами почвы и характеризует прочность структуры. Выражается в кг/см² и зависит от гранулометрического и минералогического состава, влажности почвы, состава обменных катионов, содержания органического вещества, структуры почвы. Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы с высоким содержанием монтмориллонита. Максимальная связность достигается при влажности, близкой к влажности завядания. Связность возрастает при насыщении почвы ионами Na⁺. С увеличением содержания органического вещества она у песчаных почв возрастает, у глинистых и суглинистых – снижается. Последнее объясняется, в первую очередь, образованием большого числа структурных агрегатов, что снижает площадь соприкосновения между почвенными частицами. Поэтому структурные почвы характеризуются меньшей связностью по сравнению с бесструктурными.

Обычно высокосвязные почвы могут хорошо противостоять проявлению водной и ветровой эрозии.

Твердость – это сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением различных тел. Измеряется с помощью специального прибора – твердомера и выражается в кг/см². Твердость обусловлена теми же характеристиками, что и связность.

Н.А. Качинский классифицирует почвы по величине твердости на рыхлые (< 10 кг/см²), рыхловатые (10–20), плотноватые (20–30), плотные (30–50), весьма плотные (50–100) и слитные (>100кг/см²).

Высокая твердость – признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв.

Удельное сопротивление почвы при обработке – это усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Характеризуется сопротивлением почвы (кг), приходящимся на 1см² поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. Удельное сопротивление изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см² в зависимости от гранулометрического состава, влажности, плотности сложения, твердости, состава обменных катионов, содержанием органического вещества, структуры почвы. Наименьшим удельным сопротивлением характеризуются ненасыщенные основания почвы легкого гранулометрического состава (супесчаные и песчаные), самым большим – тяжелосуглинистые и глинистые почвы, насыщенные ионами натрия (солонцового типа). Максимальное удельное сопротивление наблюдается при влажности, близкой к влажности устойчивого завядания, минимальное – при средней увлажненности почвы. При обработке целинных и старозалежных земель она возрастает на 45 – 50% по сравнению со старопахотными почвами.

На почвах под пропашными культурами удельное сопротивление значительно меньше, чем под зерновыми культурами и многолетними травами.

Почвы с хорошей структурой и высокогумусированные оказывают меньшее сопротивление, чем бесструктурные и малогумусированные.

Лекция

ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА.

ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

Почвообразование– совокупность явлений, протекающих под влиянием солнечной энергии в поверхностном слое земной коры при взаимодействии живых организмов и продуктов их распада с минеральными соединениями воды и воздуха.

Почвообразование начинается с момента поселения живых организмов на горных породах, движущей силой которого является взаимодействие малого биологического и большого геологического круговоротов веществ (геологический круговорот веществ называется большим потому, что он наиболее масштабный во времени и пространстве). Началом этого процесса является выветривание разных горных пород, в результате чего образуется кора выветривания, которая уже может служить материнской или подстилающей породой. Порода постепенно обедняется зольными элементами вследствие их вымывания и вследствие того, что они уже начинают усваиваться живыми организмами.

По представлению А.А. Роде, почвообразовательный процесс имеет биофизико-химический характер и представляет собой совокупность протекающих в почвенной толще явлений превращения и передвиже­ния веществ и энергии. Основными составляющими этого процесса являются:

1) превращение минералов горной породы;

2) накопление в почве органических остатков и их трансформация;

3) взаимодействие органических и минеральных веществ и образование органоминеральных соединений;

4) накопление в верхней части элементов питания;

5) передвижение продуктов почвообразования с водой и формирование почвенного профиля.

Особенно большое значение в почвообразовании имеет малый биологический круговорот веществ. Итогом биологического круговорота является:

1) извлечение организмами из горной породы питательных элементов;

2) синтез биомассы и включение поглощенных элементов в сложные органические соединения;

3) возврат в почву этих соединений с отмирающей биомассой в виде наземного опада и корней.

В результате происходит аккумуляция питательных элементов в почве, что и формирует ее плодородие.

СТАДИИ РАЗВИТИЯ ПОЧВ

Каждая почва в своем развитии проходит ряд последовательных стадий:

1. Стадия начального, или первичного, почвообразовательного процесса.Ведет отсчет с момента заселения горной породы организмами. Весьма длительна, поскольку из-за низкой продуктивности низших организмов (грибы, бактерии, мхи, водоросли, лишайники) объем биологического круговорота низкий. Накопление элементов почвенного плодородия происходит медленно.

Одновременно протекает множество процессов небиологической природы: растворение – осаждение, испарение – конденсация, сорбция – диффузия, гидратация – дегидратация и другие, которые могут происходить как в почвах, так и в любых природных телах. Эти элементарные акты превращения и переноса веществ, по А.А. Роде, называются микропроцессами. На начальной стадии почвообразования они проте­кают в основном независимо друг от друга, поэтому почвенный профиль лишь в слабой степени дифференцируется на горизонте.

2. Стадия развития почвы.Она сменяет стадию начального почвообразования с момента, когда резко возрастает объем биологического круговорота вследствие расширения деятельности высших растений. В результате в почве накапливается много таких соединений, каких не было в породе и которые являются доступными для последующих поколений живых организмов.. На этом этапе микропроцессы объединяются в мезопроцессы (по А.А. Роде) или элементарные почвенные процессы (ЭПП) второго порядка (по И.П. Герасимову). Это гумусовая аккумуляция, оподзоливание, лессиваж, оглеение, торфообразование и др. Они формируют некоторые свойства почв. Объединение мезопроцессов в макропроцессы (по А.А. Роде) приводит к формированию определенных типов почв с системой генетических горизонтов, причем каждый генетический тип почвы (ГТП) характеризуется только одним свойственным ему сочетанием ЭПП, хотя отдельные ЭПП встречаются в разных сочетаниях в различных ГТП. Например, дерново-подзолистые почвы образовались при сочетании дернового, подзолистого процессов и лессиважа, а при переувлажнении – еще и процесса оглеения. Следовательно, каждому генетическому типу почвы соответствует свой тип почвообразования.

. На определенном этапе процесс почвообразования замедляется, почва достигает равновесия по главным признакам (содержание гумуса, мощность горизонтов и др.) и наступает третья стадия ее развития.

3. Стадия равновесия.На данной стадии основные свойства почв относительно стабильны во времени, а биогеохимический круговорот способствует развитию этих свойств. Однако при этом интенсивность отдельных процессов может быть значительно больше, чем на начальных стадиях формирования почвы.

4. Стадия эволюции почвы.Она сменяет стадию равновесия в результате саморазвития почвы в целом или изменения одного или нескольких факторов почвообразования. При этом образуется новая почва с новым комплексом свойств. Так, например, формируются луговые почвы из болотных при обсыхании территории или, наоборот, болотные почвы при заболачивании автоморфных почв (т.е. новая почва образовалась не из породы, а из существовавшей до этого времени другой почвы).

ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Под факторами почвообразованияпонимаются внешние по отношению к почве компоненты природной среды, под влиянием и при участии которых образуется почва.

В.В.Докучаеввыделил 5 факторов почвообразования: живые организмы, климат, рельеф, почвообразующие породы и возраст почвы. При этом он считал все факторы равнозначными и незаменимыми, что и подтвердилось впоследствии. Вместе с тем признание получила теория В.Р. Вильямса о ведущей роли в процессах почвообразования биологического фактора, и прежде всего зеленых растений. Признается также, что на определенных стадиях в качестве ведущего может выступить какой-либо другой фактор. А.А. Роде не считал возможным деление факторов на активные и пассивные, как предлагал С.А. Захаров, но считал необходимым дополнить перечень факторов еще двумя – земным тяготением и влиянием грунтовых, почвенных и поверхностных вод.

В настоящее время к пяти докучаевским факторам добавлен шестой – антропогенный, т.е. производственная деятельность человека, которая может существенно изменить направление почвообразовательного процесса.

Зеленые растения

Зеленым растениям принадлежит ведущая роль в почвообразовании: они извлекают из породы зольные элементы и азот, синтезируют органическое вещество, которое вместе с зольными элементами через опад попадает в почву и на нее.

По В.Р. Вильямсу, следует различать следующие растительные формации:

• деревянистые (таёжные, широколиственные, влажные субтропические и тропические леса);

•переходные деревянисто-травянистые (ксерофитные леса, включая кустарниковые ценозы и саванны);

• травянистые (суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические кустарниковые степи);

•пустынные (суббореальные с летним циклом вегетации, субтр­пические с зимним циклом вегетации и тропические);

• лишайнико-моховые (тундра, верховые болота).

Каждая растительная формация обладает своими особенностями трансформации и взаимодействия продуктов распада с минеральной частью почвы и что, влияя на направленность почвообразовательных процессов, она сама служит индикатором изменений почвенных условий. Поэтому по смене растительных формаций можно установить границы почвенных ареалов, что широко используется в практике почвенного картографирования.

На пахотных почвах природный почвообразовательный процесс сменяется культурным

Микроорганизмы

Микроорганизмы в почвообразовании имеют исключительно важное значение. Им принадлежит главная роль в процессах гумификации и минерализации растительных остатков и гумуса, разрушения и oбразования минералов. Они оказывают большое влияние на состав почвенного воздуха, регулируя в нем соотношение между О₂ и СО₂. Микроорганизмы катализируют процессы расщепления белков, углеводов, лигнина, липидов, смол, дубильных веществ и других сложных органических соединений до простых, окисляют и восстанавливают органические соединения до простых минеральных солей. При их участии в анаэробных условиях протекают процессы оглеения, торфонакопления, осолодения.

Актиномицеты могут разлагать клетчатку, лигнин, гумусовые вещества, углерод которых они используют и благодаря которому они участвуют в образовании гумуса.

Грибы, водоросли, лишайники активно участвуют в первичном почвообразовательном процессе и оказывают глубокое разрушающее действие на первичные и вторичные минералы, слагающие почву и материнскую породу.

В общем деятельность микроорганизмов в почве чрезвычайно многообразна и проявляется в многостороннем взаимодействии между микроорганизмами и растениями по типу симбиоза, метабиоза, антагонизма и паразитизма.

Почвенные животные

Почвенных животных можно разделить на четыре группы:

• микрофауна — организмы размером < 0,2 мм: нематоды, про-тозоа, эхинококки и другие, живущие во влажной почве;

• мезофауна — организмы размером 0,2...4,0 мм: мельчайшие насекомые, специфические черви и другие, для которых достаточно влажного воздуха;

• макрофауна — животные размером 4...80 мм: термиты, дождевые черви, муравьи и др.;

• мегафауна — животные размером более 80 мм: кроты, грызуны, лисы, змеи, жуки и др.

Все они используют органические остатки в качестве пищи, ускоряя таким образом биологический круговорот, в процессе метаболизма способствуют полной или частичной минерализации потребленного корма.

Почвенная фауна ускоряет гумификацию растительных остатков в 2 раза и более, причем гумус становится мягче, чем без нее, а в почве под ее влиянием накапливается больше биологически активных веществ.

Особую роль играют дождевые черви, которые пропускают через себя до 600 т мелкозёма в год и возвращают до 80...95% потребленных органических веществ в виде экскрементов, содержащих в 1,5 раза больше фосфора и в 2,5 раза больше калия, чем мелкозём. Установлено, что многие почвы на 50, а иногда на 80% состоят из полуразрушенных агрегатов, созданных червями.

Роющие животные перемешивают почву от поверхности до 6...8 м. Выбросы кротов, сусликов могут покрывать 12...38% площади, создавая пестроту почвенного покрова (перерытые почвы). В пронизанной ходами почве меняется водопроницаемость, аэрация, в результате чего может развиться эрозия.

Климат

Климат — статистический многолетний режим погоды на той или иной территории, характеризуемый средними и крайними показателями температуры, осадков, влажности воздуха и др.

Выделяют планетарные термические пояса по сумме активных температур (выше 10°С) за вегетационный период

Термические пояса	Сумма активных температур
Полярный (холодный)	Мене 600
Бореальный (умеренно холодный)	600 - 2000
Суббореальный (умеренно теплый)	2000 - 3800
Субтропический (теплый)	3800 - 8000
Тропический (жаркий)	Более 8000

По обеспеченности суши водой и особенностям почвообразования территорию земного шара можно разделить следующим образом

Климатические области Земли

Климатическая область	Среднегодовое количество осадков, мм	Коэффициент увлажнения
Особо влажная (экстрагумидная)	3000..5000	Более 1,33
Влажная (гумидная)	1500...2000	1,33...1,00
Полувлажная (семигумидная)	500...800	1,0...0,55
Полусухая (семиаридная)	200...400	0,55...0,33
Сухая (аридная)	50...150	0,33...0,12
Очень сухая (экстрааридная)	10...20	Менее 0,1 2

Роль климата в почвовобразовании:

1. Определяет тип растительности.

2. Влияет на интенсивность и цикличность биологического круговорота веществ.

3. Влияет на тепловой, воздушный водный, окислительно-восстановительный и питательный режимы.

4. Влияет на превращение в почве минеральных соединений, интенсивность выветривания, аккумуляцию и передвижение продуктов почвообразования.

4. Климат влияет на процессы водной и ветровой эрозии.

Почвообразующие породы

Почвообразующая, или материнская, порода определяет гранулометрический, химический, минералогический состав почв, их химические, физические, физико-механические и другие свойства и режимы, а также формирование почвенного профиля. От нее зависят интенсивность и направленность почвообразования и условия сельскохозяйственного использования почв.

Главными почвообразующими породами являются рыхлые осадочные. Преобладающими почвообразующими породами на территории Республики Беларусь являются ледниковые и водно-ледниковые образования.

Ледниковые образования представлены в основном моренными суглинками (8,4%) и встречаются главным образом в северной части республики. Отдельными массивами они находятся также в центральной и южной частях. Характерными признаками моренных отложений являются несортированность материала, наличие валунов, неоднородный гранулометрический состав, преимущественно красно-бурая окраска. Морены бывают карбонатные и бескарбонатные.

Водно-ледниковые (флювиогляциальные) отложения наиболее широко распространены в центральной и южной частях Беларуси. Представлены они в основном песками (20,8%), супесями (26,6%) и реже суглинками (9,2%). Эти отложения характеризуются сортированностью материала, косой слоистостью, отсутствием валунов; они бескарбонатны, имеют светло-бурую и буровато-желтую окраску.

Лёссы и лёссовидные суглинки занимают значительную площадь территории Беларуси (около 9%). Характерные признаки лёссов — палевая и буровато-палевая окраска, рыхлое сложение, пористость, карбонатность, преобладание в фракционном составе частиц крупной пыли (0,05...0,01 мм). Лёссовидные суглинки, в отличие от лёссов, имеют более темную окраску, в большинстве случаев бескарбонатны, содержат больше песчаных частиц, иногда слоисты. Лёссовидные породы наиболее распространены в восточной и центральной частях республики.

Аллювий представляет собой отложения в долинах рек во время половодий. Аллювиальные образования характеризуются горизонтальной или косой слоистостью, окатанностью минеральных частиц, включением органических остатков, пестрой окраской, неоднородным гранулометрическим составом.

Делювий представляет собой наносы, отложенные на склонах дождевыми и талыми водами. Для него характерны слабая сортированность и хорошо выраженная слоистость. Встречаются несортированные и неслоистые наносы. По составу делювий разнообразен.

Органогенные отложения (17,7%) представлены торфом, состоящим из растительных остатков, измененных в процессе болотного почвообразования.•

Рельеф

Рельеф – это различные по форме, размеру и происхождению неровности поверхности.

Различают три группы форм рельефа.

Макрорельеф— крупные формы рельефа (равнины, плато, горные системы, определяющие общий облик обширной территории. Его возникновение обусловлено тектоническими явлениями в земной коре.

Мезорельеф— средние формы рельефа на элементах макрорельефа: долины, лощины, холмы, овраги, балки, склоны разной крутизны. Именно под воздействием элементов мезорельефа формируется местный климат и происходит перераспределение тепла и влаги. Они определяют также структуру почвенного покрова в пределах конкретного ландшафта. Происхождение мезорельефа обусловлено экзогенными геологическими процессами, на которые оказывают влияние медленные поднятия и опускания отдельных участков суши.

Микрорельеф— формы рельефа от нескольких квадратных дециметров до нескольких сотен квадратных метров с колебаниями высот в пределах 1 м (бугорки, западины, блюдца), возникающие из-за просадочных явлений; склоновые формы рельефа. Он определяет пятнистость и комплексность почвенного покрова и характер микрокомбинаций.

По положению в рельефе почвы делятся на 3 группы:

автоморфные почвы формируются на ровных поверхностях и склонах в условиях свободного стока поверхностных вод, при глубоком залегании грунтовых вод (> 6 м); полугидроморфные — при кратковременном застое поверхностных вод или при залегании грунтовых вод на глубине 3...6 м (капиллярная кайма может достигать корней растений); гидроморфные — в условиях длительного поверхностного застоя вод или при залегании грунтовых вод ближе 3 м (капиллярная кайма может достигать поверхности почвы).

Главная роль различных форм рельефа заключается в перераспределении тепла и влаги, что вызывает изменения пищевого, окислительно-восстановительного и других режимов, вследствие чего формируются разные по свойствам почвы. На эти процессы, а также на подверженность почв водной эрозии и формирование их физико-механических свойств большое влияние оказывают крутизна и форма склонов

Возраст почв

Современные почвы — результат длительного почвообразовательного процесса, превращающего исходную горную породу в новое природное тело. Принято различать абсолютный и относительный возраст почв.

Абсолютный возраст— время от начала формирования почвы до настоящего времени. Нулевой возраст имеет поверхность суши, освобожденная от воды, или осушаемые торфяные болота, или земли в дельтах рек. Абсолютный возраст других почв исчисляется тысячами (Северное полушарие — 10 тыс. лет) и миллионами лет (плато Южной Америки, Юго-Восточной Азии — 2...30 млн лет).

Относительный возрастхарактеризует степень развития почвы, быстроту смены стадий почвообразования, поэтому об относительном возрасте можно судить по степени развитости почвенного профиля. Более мощные и дифференцированные почвы считаются более зрелыми. О зрелости почвы можно судить также по степени обеднения рядом соединений или их аккумуляции по сравнению с почвообразующей породой.