Поиск

Физические показатели твердой фазы почвы
28.10.2015

Удельный вес твердой фазы почвы. Удельный вес твердой фазы почвы является средним истинным удельным весом смеси минеральных и органических элементарных частиц, слагающих почвы. Удельный вес твердой фазы почвы можно определить по формуле d = m/M, где m — вес твердого тела, M — вес равного объема воды.
Истинный удельный вес твердой фазы почв является средней величиной удельных весов минеральных и органических частиц (табл. 54).
Объемный вес почвы. Вес единицы объема почвы в ненарушенном строении с естественной порозностью называют объемным весом, или удельным весом скелета почвы. Величина объемного веса почвы изменяется в зависимости от многих обстоятельств. Присутствие большого количества тяжелых минералов в почве способствует увеличению ее объемного веса. Большое количество легких минералов и органических веществ понижает объемный вес. Рыхлое сложение, зернистая структура почвы, большая пористость обусловливают меньшую величину объемного веса. Слитые, плотные почвы и грунты характеризуются обычно повышенным объемным весом. Обработка почвы (плантаж, вспашка, культивация) способствует понижению объемного веса. Под влиянием увлажнения и, в частности, поливов вспаханные почвы, уплотняясь, приобретают больший объемный вес.
В среднем можно принять объемный вес почв и грунтов равным 1,2—1,4. Однако нередко бывают значительные отклонения в обе стороны (табл. 55).

Физические показатели твердой фазы почвы

Объемный вес почв обычно определяется путем взятия ненарушенного образца почвы в особые цилиндры или стаканы известного объема, с последующим взвешиванием и пересчетом на сухую почву. Показатель объемного веса почвы необходим для генетического анализа почв, вычисления содержания воды, солей или других компонентов в процентах по отношению к объему почвы, а также для расчета запаса воды, солей, веса горизонтов почвы и т. д.
Иногда данные объемного веса перечисляются на относительный объемный вес. Объемный вес почвообразующей породы принимается за 100%; объемные веса почвенных горизонтов вычисляются в процентах к породе. При однородности почвообразующей породы величины относительного объемного веса позволяют судить о выносе и накоплении вещества в генетических горизонтах при почвообразовании.
Содержание солей или влаги, выраженное в весовых процентах, при большой разнице объемных весов в различных почвах или в различных горизонтах одной почвы может иногда дать ошибочное представление о запасах солей или влаги и о направлении движения последней. Для перевода весовых процентов в объемные весовой процент умножается на показатель объемного веса.
Для расчета веса почвенного горизонта в 1 га пользуются выражением M = h*10000*d1, где M — вес горизонта почвы, m; h — мощность этого горизонта, м; d1 — объемный вес.
Запас воды в определенном слое на 1 га почвы рассчитывается по формуле Zm = m*d1*h*10000, где Zm — запас воды в толще почвы, м3/гa; m — средняя для горизонта влажность, %; h — мощность горизонта, м; d1 — объемный вес горизонта.
Порозность (скважность) почв. Зная удельный и объемный веса почвы, можно подсчитать ее порозность по формуле Р=(1—d/d1)*100, где P — порозность, %; d — удельный вес почвы; d1 — ее объемный вес.
Порозностью, или скважностью, почв называется объем пустот между элементарными частицами, структурными единицами и агрегатами, занятый воздухом или водой и выраженный в процентах от объема, занимаемого почвой. Величина порозности почв зависит от их механического состава, структурности и микроагрегатности, от содержания живых организмов и органических веществ, а в культурных почвах — от обработки и мелиораций.
В среднем порозность почв колеблется в пределах 40—60% объема. Для грубых подсчетов можно принимать порозность почв и грунтов равной 50%. В слитых горизонтах она может снижаться до 20—30%, а у водных или эоловых наносов, торфа, лёсса возрастать до 60—80% объема (табл. 56).
Физические показатели твердой фазы почвы

При рассмотрении этих цифр можно заметить, что величина общей порозности возрастает по мере уменьшения диаметра частиц, слагающих почво-грунт. Возрастание скважности при этом обязано общему увеличению внутренней поверхности высокодисперсного вещества и числа пор. В обрабатываемых почвах общая порозность меньше 40—30% считается агрономически неблагоприятной.
Выделяют два вида порозности, или скважности, — капиллярную и некапиллярную. Граница между капиллярной и некапиллярной скважностью нечеткая и имеет ряд переходов. Условно капиллярной можно считать порозность, представленную совокупностью тончайших пор и обеспечивающую удержание в почвенной толще устойчивого запаса доступной для растений влаги.
Капиллярная скважность создает водоудерживающую способность почвы. Соответственно некапиллярная порозность (скважность) будет представлена камерами, ходами и полостями крупного диаметра, которые не могут устойчиво удержать запас воды в толще почвы, т. е. не обладают водоудерживающей способностью, однако обеспечивают водопроницаемость почв.
Некапиллярная порозность обычно больше в почвах с развитой комковато-зернистой структурой или песчанистого механического состава. Величина капиллярной порозности возрастает по мере увеличения степени дисперсности почв, по мере ухудшения их структурности и микроагрегатности.
Водопроницаемость почв и грунтов будет тем больше, чем больше величина некапиллярной порозности. Вместе с тем чем выше величина общей порозности, тем больший объем воды может вместить почва и тем лучше она аэрируется.
А.Г. Дояренко — один из основателей физики почв — показал, что некапиллярная порозность почв весьма определенно зависит от их агрегированности и от размеров структурных агрегатов. В самих агрегатах некапиллярная порозность тем выше, чем крупнее агрегаты (табл. 57). В экспериментах Дояренко содержание кислорода и интенсивность образования нитратов были тем большими, чем крупнее были структурные микроагрегаты опытных образцов.
Физические показатели твердой фазы почвы

Структурные агрегаты могут быть упакованы рыхло или плотно, и их порозность может быть весьма разнородной. Поэтому Н.А. Качинский ввел новое понятие о дифференциальной порозности. Им различаются следующие основные виды почвенной порозности: а) общая; б) отдельных агрегатов; в) суммарная агрегатов; г) межагрегатная.
В связи с тем, что фактическая порозность почв в природе зависит от их влажности, Н.А. Качинский ввел понятие о почвенных порах, занятых сорбированной водой и почвенной влагой разной степени подвижности и доступности для растений. Межагрегатная порозность в различных почвах сильно колеблется, особенно в связи с обработкой и уплотнением (15—30%).
Структурные агрегаты различных почв и горизонтов также обладают различной порозностью. Наибольшая микропорозность у структурных агрегатов луговых и черноземных почв (45—55%), меньше у подзолистых почв (35—40%) и очень низкая у такырных почв н в солонцовых горизонтах (25—27%). Дифференциальная порозность некоторых почв приводится в табл. 58.
Физические показатели твердой фазы почвы

Обработка почвы, плантаж, вспашка, рыхление, почвоуглубление повышают общую и, что особенно важно, некапиллярную порозность в пахотном и подпахотном слоях почвы. По данным А.Г. Дояренко, оптимальной величиной некапиллярной скважности в пахотном слое почвы является 55—60% общей скважности и выше. Если величина некапиллярной скважности меньше половины общей скважности, то в почве развиваются анаэробные процессы и ухудшаются условия для развития сельскохозяйственных растений. Атмосферные осадки зимой и поливы в течение вегетационного периода способствуют уменьшению некапиллярной и увеличению относительной величины капиллярной скважности.
Мероприятия по увеличению некапиллярной скважности в почвах. Некоторые почвы севера и северо-запада России вследствие тяжелого механического состава, бесструктурности, малой величины некапиллярной и большой величины капиллярной скважности характеризуются склонностью к заболачиванию и дают пониженный урожай сельскохозяйственных растений. У этих почв исключительно высокий объемный вес (1,65—1,72), свидетельствующий об их большой плотности, и низкая величина некапиллярной скважности (3—4%).
Коренное и устойчивое улучшение подобных почв может быть достигнуто с помощью так называемого кротового дренажа. Сущность кротового дренажа заключается в создании в корнеобитаемых горизонтах на определенных расстояниях с помощью специальных механизмов полостей — дрен, задачей которых является отвод избыточных поверхностных или грунтовых вод, а также обеспечение нормальной аэрации почвенной толщи и развитие в ней необходимых для плодородия биологических и минеральных процессов.
Закладка кротовых дрен на глубину 50—70 см с расстоянием между ними 5—10—15 м резко изменяет соотношение некапиллярной и капиллярной скважности тяжелых заболоченных почв, улучшает водный и воздушный режимы этих почв и способствует значительному увеличению урожая сельскохозяйственных растений.
Северным научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации разработана и испытана особая конструкция кротового плуга для сплошного рыхления подпахотного плотного глинистого горизонта на глубине 15 см ниже пахотной борозды. Сплошное кротование оказалось высокоэффективным приемом коренного улучшения агрофизических свойств и водного режима тяжелоглинистых заболоченных почв севера и северо-запада России. Опыты показали, что благодаря кротованию урожай трав и сельскохозяйственных культур возрастает на 15—20, а иногда на 30—50%.
Увеличение некапиллярной скважности почв и грунтов необходимо не только для северных заболоченных территорий России. Орошаемые плотные почвы, так называемые такырные сероземы и такыры в Средней Азии, тяжелые водонепроницаемые глины Муганской степи в Азербайджане могут быть улучшены кротованием. Увеличение некапиллярной скважности такыров возможно также путем пескования, т. е. внесения крупного песка в количестве 500—700 т/га с тщательным перемешиванием в пахотном слое.
Особое место в орошаемом земледелии занимает регулярная борьба с заплыванием и уплотнением пахотного слоя и образованием плотной корки. В результате разрушающего и уплотняющего воздействия поливной воды в течение вегетационного периода снижается скважность и водопроницаемость пахотного слоя орошаемых почв (табл. 59). При задержке послеполивного рыхления почвы на поверхности пахотного слоя при высыхании может образоваться корка толщиной 5—8 см с высоким объемным весом (1,5—1,6 г/см3). При высыхании глинистого аллювия образуется плотная корка толщиной до 15—20 см с объемным весом 1,7—1,9 г/см3.
Физические показатели твердой фазы почвы

Причины коркообразования сложны. Замечено, что корки наиболее интенсивно образуются на бесструктурных почвах, при поливах затоплением. В основе образования поверхностной корки лежит, по-видимому, процесс, аналогичный усадке влажной глины при высыхании. Большое отрицательное капиллярное давление, развиваемое поверхностным натяжением в мельчайших менисках и пленках воды в процессе усыхания, приводит к сильному сжатию, стягиванию и уплотнению суглинистого и глинистого грунта. По К. Терцаги, «внутреннее» давление может достигать 20 000 атм. Исследования С.Н. Рыжова показали приложимость взглядов Терцаги к объяснению явлений коркообразования. Кроме этого, не исключено влияние карбонатов кальция и коллоидного кремнезема, цементирующих пахотный слой при пересыхании почвы.
Борьба с коркообразованием основана на культивации пахотного горизонта после поливов, в момент физической спелости. Отказ от поливов затоплением и введение многолетних трав в севообороты, как мероприятия, поддерживающие структуру почв, являются основными приемами борьбы с коркой.
Просадки лёссовых почво-грунтов. С величинами скважности и объемного веса связано явление сильной деформации лёссовых почво-грунтов, наблюдаемое в некоторых случаях на новых ирригационных системах. Через несколько дней после пуска воды по трассе новых ирригационных каналов образуются очаги проседания грунта. По обеим сторонам канала возникает 3—4, а иногда 7—8 ступеней, разделенных глубокими широкими трещинами. Ширина зоны просадок достигает в сторону от канала 30—50, иногда 100 м. Максимальное вертикальное опускание составляет 0,5—1 м, в отдельных случаях 2 м; ширина трещин между ступенями 20—30 см, глубина 5—10 м, в некоторых случаях 15—17 м. Длина трещин достигает 100 м; очаги просадок имеют овальные очертания. Явление просадок обнаруживается не только вблизи каналов, но и при подаче-воды на вновь орошаемые поля.
Просадочные деформации лёссовых почв вызывают ряд тяжелых последствий: нарушение работы ирригационных каналов, большие аварии и потери воды, разрушение, гидросооружений и построек, утрату каналом командования, трудности с поливом территории.
Просадки географически связаны с областями распространения лёссов, лёссовидных суглинков и особенно сероземных почв. Наиболее сильно выраженные просадки на новых ирригационных системах наблюдались в долине р. Вахш на высокой древней лёссовой равнинной террасе, в Приташкентском оазисе при постройке канала Новый Джун, в Голодной степи в начале ее освоения, на Малокабардинской ирригационной системе. Просадочные явления наблюдались также на лёссах Украины, в частности в районе Никополя.
Обычно просадки приурочены к определенным почвенно-геоморфологическим условиям. Сильно выраженные просадочные явления свойственны наиболее древним и высоким лёссовым равнинам и террасам, никогда не орошавшимся в прошлом и имеющим глубокие грунтовые воды. На лёссах и лёссовидных суглинках, издавна орошаемых или естественно увлажненных восходящими токами от грунтовых вод, явления просадки обычно не обнаруживаются.
В соответствии с результатами исследований просадок лёссовых почво-грунтов на новых ирригационных системах можно установить условия, при которых возможны просадочные явления. Основными причинами склонности некоторых грунтов к проеадочным деформациям при увлажнении являются следующие: большая пористость (45—55% и больше), малый объемный вес (1,4—1,2), значительная некапиллярная скважность (40—50% общей пористости), остаточная засоленность почв и грунта, составляющая более 0,3-0,5%, пылеватый, лёссовидный механический состав почв и грунтов, обусловливающий малое сцепление. Наложение этих признаков в лёссах обусловливает явление вертикальной и горизонтальной деформации при увлажнении, ведущей в конечном счете к просадке.
При сравнительных исследованиях исходных просадочных и непросадочных лёссов, а также лёссов, подвергшихся просадке, было установлено, что непросадочные или просевшие почво-грунты имеют сниженную скважность (40—45%), повышенный объемный вес (1,4—1,6 г/см3), низкую величину некапиллярной скважности (15—20%), малую остаточную засоленность. Глинистые почвы и почво-грунты, несмотря на высокую общую порозность, не обнаруживают признаков просадочности. Это объясняется тем, что объемный вес глинистых грунтов очень высок,, некапиллярная скважность низкая, а минеральная часть представлена высокодисперсной коллоидальной массой, обеспечивающей набухание и повышенное сцепление.
По данным Е.А. Замарина, наибольшая роль в просадках принадлежит механическому уплотнению высокопористых лёссовых грунтов при увлажнении. Вымывание солей играет лишь подчиненную роль. Б.Б. Полынов, наоборот, придавал решающее значение характеру солей в составе лёссовых почво-грунтов. Известно, что сернокислый натрий кристаллизуется с большим числом молекул воды (Na2SO4*10H2O). Десятиводный сульфат натрия (мирабилит) при выпадении в осадок разрыхляет минеральный грунт вследствие большого объема. Однако мирабилит легко обезвоживается, теряя при свойственной пустынным и степным областям сухости и высокой температуре кристаллизационную воду и превращаясь в безводный сульфат — тенардит (Na2SO4), который занимает гораздо меньший объем. Соответственно создается порода, обладающая высокой порозностью и малой водоустойчивостью микроагрегатов. Смачивание такого грунта водой приводит к растворению солевых цементов, деформации микроагрегатов, неустойчивости и проседанию. Бедность лёсса набухающими коллоидными и монтмориллонитовыми минералами, по-видимому, является одной из частных причин просадочности.
В орошаемом хозяйстве предотвратить явление просадок лёссов невозможно. Методы электрохимического закрепления лёссовых почво-грунтов для условий орошаемого хозяйства слишком дороги и не очень эффективны. Гидроизоляция на ирригационных каналах не спасает от просадки, а лишь растягивает ее проявление на более длительный срок.
Е.А. Замарин, М.М. Решеткин, Л.П. Розов рекомендовали для борьбы с катастрофическими последствиями просадок прежде всего научиться распознавать просадочные свойства лёссовых грунтов при проектировании, а в случае необходимости — уметь предварительно вызывать их искусственным путем. Возможность просадочных явлений на лёссовых почво-грунтах должна специально изучаться при почвенных, гидрогеологических и геоморфологических исследованиях и изысканиях на территории новых ирригационных систем.
В просадочных лёссах предпочтительно сооружение новых ирригационных каналов в выемках на неполный профиль. В последующем (после окончания деформации) профиль канала должен доводиться до проектных глубин и размеров. Во всех случаях, а особенно при сооружении каналов в полувыемке-полунасыпи необходима предварительная замочка грунтов, основания насыпи и самого насыпного грунта.
Для ускорения искусственно вызываемых процессов проседания лёссовых почво-грунтов в котлованах необходима закладка шурфов и скважин и заполнение их водой. Глубина скважины в котлованах для предварительного осаживания грунтов должна составлять 10—15 м при диаметре 5—10 см.
Некоторые авторы для предотвращения просадок на орошаемых полях рекомендуют кратковременную подачу небольших количеств воды, чтобы не затронуть глубокие подпочвенные горизонты. Другие исследователи, наоборот, рекомендуют равномерное, постоянное смачивание поверхности поля, с тем чтобы просадки почвы на поле происходили постепенно, без катастрофических неравномерных деформаций и образования воронок.