§ 1. Плотность и порозность почвы
Почва является гетерогенной многофазной дисперсной системой, состоящей из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Обозначим объём почвы как `V_t`, тогда `V_s`, `V_w` и `V_(air)` - это объёмы твёрдой, жидкой и газообразной фаз соответственно. Массы этих фаз обозначим как `m_s`, `m_w` и `m_(air)`. 1
Плотность твёрдой фазы почвы - это отношение массы твёрдой фазы почвы к объёму твёрдой фазы: 1
Плотность почвы - это отношение массы твёрдой фазы почвы к общему объёму почвы: 1
Плотность почвы это масса единицы объёма абсолютно сухой почвы в её естественном, ненарушенном состоянии. Плотность почвы является одним из основных, фундаментальных свойств почвы. Плотность почвы не является постоянной, а зависит от влажности почвы (в большей мере - для суглинистых и глинистых почв, в меньшей - для песчаных). 1
Плотность естественной почвы никогда не может превышать 2 г/см3. Минимальные значения минеральных почв редко бывают ниже 0.8 г/см3, хотя плотность торфяных почв, торфов может снижаться и до 0.1 г/см3. 1
| Класс по гранулометрическому составу | Плотность почвы [г/см3] |
|---|---|
| Песок рыхлый2 | 1.65 (1.5–1.75) |
| Песок связный2 | 1.6 (1.5–1.7) |
| Супесь | 1.5 (1.4–1.6) |
| Легкий суглинок | 1.4 (1.3–1.5) |
| Средний суглинок | 1.35 (1.3–1.4) |
| Тяжелый суглинок | 1.3 (1.25–1.45) |
| Глина | 1.25 (1.2–1.4) |
Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены
ориентировочные
значения
физических свойств. В реальных условиях при
непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут
значительно
отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью,
сельскохозяйственной
обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные
ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма
ориентировочны.
Общая порозность (пористость) почвы - это объём почвенных пор в почвенном образце по отношению к объёму всего образца: 1
Объёмная влажность почвы - объём воды, содержащейся в объёме почвы: 1
Порозность аэрации (воздухосодержание) - это разница между общей порозностью и объёмной влажностью почвы; объём, занятый воздухом: 1
В ряде случаев рекомендуется использовать величину, обратную плотности почв - отношение объёма почвы к массе этого объёма. Используя её, мы можем найти удельный объём пор почвы - отношение объёма пор почвы к массе твёрдой фазы почвы: 1
Нередко используют и коэффициент пористости (приведённую пористость) - отношение общего объёма пор в почве или грунте к объёму твёрдой фазы почвы: 1
Коэффициент пористости и удельный объём пор почвы полезны при характеристике изменения пор почвы при уплотнении, почвенных деформациях, трещинообразовании и т.д. В почвоведении традиционно используется общая порозность почв `epsilon`. 1
Так как почвенный горизонт состоит из более мелких единиц - почвеных педов или агрегатов, можно выделить и объём пор агрегатов, их плотность и порозность. 1
Плотность агрегата - это отношение массы твёрдой фазы агрегата к его объёму: 1
Порозность агрегата - это отношение объёма пор агрегата во всем объёму агрегата: 1
Часто необходимо найти межагрегатную порозность - отношение объёма пор, находящихся в поровом пространстве почвы между агрегатами, ко всему объёму почвы. 1
Для нахождения межагрегатной порозности необходимо сначала найти величину суммарной агрегатной порозности - отношение объёма пор агрегатов ко всему объёму почвы: 1
Получив величину суммарной агрегатной порозности, можно рассчитать межагрегатную порозность: 1
Знание величин порозности важно для оценки состояния почвы. Так, в хорошо агрегированной почве основные запасы питательных веществ, микроорганизмов, влаги находятся внутри агрегатов и именно агрегаты обуславливают почвенное плодородие. Снижение агрегатной порозности является свидетельством ухудшения физического состояния почв. Основная функция межагрегатного пространства это проведение потоков веществ. В основном по межагрегатному поровому пространству происходит перенос воды и растворенных в ней веществ. Поэтому нередко указывают, что агрегатное пространство это хранилище основных почвенных запасов, а межагрегатное пространство это транспортные пути. Таким образом, функции этих частей порового пространства почвы во многом различны (накопление и постепенное расходование воды и веществ из агрегатной порозности, быстрый транспорт веществ в профиле почв по межагрегатной), поэтому при анализе полученных величин следует делать соответствующие выводы. 1
| Класс по гранулометрическому составу | Порозность (% объемный) |
|---|---|
| Песок рыхлый2 | 37 (32–40) |
| Песок связный2 | 38 (32–42) |
| Супесь | 43 (40–46) |
| Легкий суглинок | 47 (43–51) |
| Средний суглинок | 49 (47–51) |
| Тяжелый суглинок | 51 (49–53) |
| Глина | 53 (51–55) |
Примечания:
1. В скобках приведён наиболее вероятный диапазон. В данной таблице приведены
ориентировочные
значения
физических свойств. В реальных условиях при
непосредственных определениях эти усредненные значения и пределы варьирования могут
значительно
отличаться в связи с содержанием органического вещества, оструктуренностью,
сельскохозяйственной
обработкой, растительностью и многими другими факторами, существенно изменяющими приведенные
ориентировочные значения.
2. Природные пески почти всегда слоисты. Вследствие этого приведенные данные весьма
ориентировочны.
Обозначения:
1. Поры "устойчивой аэрации"
2. Поры, заполняемые легкоподвижной водой
3. Поры, заполняемые среднеподвижной водой
4. Поры, заполняемые практически неподвижной водой (недоступной растениям)
5. > 0.3 мм
6. 0.3-0.06 мм
7. 0.06-0.03 мм
8. 0.03-0.01 мм
9. 0.01-0.003 мм
10. < 0.003 мм
Пояснение:
На рисунке показано соотношение объёмов, занимаемых твёрдой фазой и порами разных
категорий
(на
примере
серой средне-оподзоленной лесной суглинистой почвы на лёссе). В гумусовом горизонте
содержится
более
60% пор, что отвечает оптимальным значениям `epsilon`.
На долю пор устойчивой аэрации приходится половина всего объёма пор, а на долю всех
активных
(>
0.003 мм)
пор - около 2/3. Вниз по профилю снижается как общая порозность, так и доля крупных пор,
зато
возрастает доля
пор, заполненных связанной водой.
Наименее благоприятны показатели порозности в горизонте `B_2` (60-90 см), что
объясняется
его
оглиненностью и
низкой биологической активностью.
Значение плотности и порозности почвы
Излишне уплотнённая почва препятствует росту корней, содержит малое количество пор (то есть имеет низкую порозность). При низкой порозности в почве содержится мало воды, а при выпадении осадков поры быстро заполняются водой, что приводит к недостатку воздуха. 1
Излишне рыхлая почва имеет слишком большое поровое пространство и корни растений не имеют хорошего контакта с поверхностью твердой фазы, где содержатся в поглощенном состоянии многие элементы питания. 1
Проблема создания пахотного слоя, оптимального по физическому состоянию, по плотности – одна из важнейших проблем современной физики почв и агротехники. Она состоит в том, чтобы разрыхлить почву и не допустить уплотнения почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой. Это требует своевременного проведения агротехнических работ, обязательно связанных с распашкой почвы. Почва особенно подвержена уплотнению при повышенной влажности. Стоит тяжелой технике лишь один раз заехать на поле, когда влажность несколько выше оптимальной для обработки, как поверхностный слой почвы становится излишне уплотненным. 1
Еще один аспект уплотнения – переуплотнение подпахотного слоя, так называемое накопительное, или подпочвенное, уплотнение. Действительно, под влиянием многократных проходов техники уплотнение наблюдается все глубже и глубже. Происходит образование подпахотного уплотненного, плохопроницаемого и для воды, и для воздуха слоя. Сложность в том, что контролировать внутрипочвенное уплотнение очень трудно: оно незаметно с поверхности почвы так, как видны, например, эрозия или поверхностное уплотнение. Анализ и прогноз этого явления тесно связан с оценкой физикомеханических свойств почв. 1
Таким образом, уплотнение как поверхностное, так и подпочвенное – весьма пагубное явление, неизменно сопровождающее интенсивное сельскохозяйственное производство. Вернуть же почву в прежнее состояние весьма затруднительно. С этим связан второй аспект проблемы – разуплотнение почвы. Как правило, разрыхлить поверхностный пахотный слой почвы несложно. Достаточно его вспахать, взрыхлить различными почвообрабатывающими орудиями. Но вот разрыхлить агрегаты – основное хранилище питательных веществ, воды, почвенной биоты – значительно сложнее. Агротехнические меры здесь не помогут. Восстановление внутриагрегатной порозности обязано деятельности почвенных микроорганизмов, накоплению специфических органических веществ. Необходимо применение органических и зеленых удобрений, влияющих на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, улучшающих состояние почвы. 1