МОДУЛЬ 1

Свойства и оценка почв

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5

Физические и водно-физические свойства почв. Решение задач

План

1. Агрофизика. Структура почвы
2. Общие физические свойства почв
3. Вода в почве. Водные свойства, гидрологические константы и режимы
4. Почвенный воздух. Воздушные свойства и режимы
5. Тепловые свойства и режимы
6. Физико-механические (технологические) свойства
7. Значение физических свойств почв

1. Агрофизика. Структура почвы

Агрофизика – наука о физических основах формирования урожая, изучающая физические, физико-химические и биологические процессы в системе “ почва-растение-деятельный слой атмосферы”, основные закономерности продукционного процесса, разрабатывающие научные основы, методы, технические, математические средства и агроприемы рационального использования природных ресурсов, повышения эффективности и устойчивости агроэкосистем, земледелия и растениеводства в полевых и регулируемых условиях.

Почва, ее физические свойства – это одно из центральных понятий продукционного процесса. Почва обеспечивает растения питательными веществами и водой, она преобразует солнечную радиацию в тепло, хранит это тепло, являясь теплым “одеялом” для семян растений, она впитывает осадки, сохраняет воду, избавляясь от ее избытков и предоставляя воздуху свободно циркулировать в поровом пространстве. Почва обладает свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию.

Структура почвы

В почвах механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии или соединяются под действием разнообразных сил в комки разной формы и размера, которые называют почвенными агрегатами.

Почвенный агрегат (структурная отдельность) – представляет собой определенной количество механических элементов, объединенных в единое целое в результате слипания и склеивания под влиянием абиотических и биотических факторов. Совокупность агрегатов различного размера, формы и качественного состава называют почвенной структурой, а способность почвы распадаться на агрегаты при механическом воздействии – структурностью.

Милановский Е.Ю. и Шеин Е.В. подмечают, что если из комочка чернозема сделать тонкий срез и рассмотреть его в микроскоп, то можно увидеть соединенные друг с другом частички с просвечивающей между ними пустотой – поровым пространством. В нем как раз и сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная биота. Крупные отдельные частицы – это кусочки минералов и горных пород (песчинки, пылинки и др.). Они когда-то составляли геологическую породу, на которой и образовалась почва с характерной структурой. Теперь эти минеральные частицы соединены между собой прочной, но пластичной связью, которая не рвется даже при проникновении воды. В то же время при насыщении агрегата водой возникают очень большие силы, стремящиеся отодвинуть частицы друг от друга. Физико-химический характер этих сил можно пояснить на схеме (рис. ). На поверхности минеральных частиц, расположенных рядом и омывающихся водой, образуется некоторый, как правило, отрицательный электрический заряд. К таким частицам обязательно подойдут из раствора положительно заряженные катионы. Они окружат их, формируя поверхностный слой. Но вот что интересно: в межчастичном пространстве количество катионов окажется значительно больше, чем в окружающей воде.

Рис. Срез агрегата чернозема обыкновенного (по: Качинский Н.А. Структура почвы. М., 1963).

1 — микроагрегаты; 2 — крупные минеральные частицы; 3 — органический цемент; 4 — видимые микропоры.

В настоящее время (Зубкова, Карпачевский), считают: структура почвы определяется как способ упаковки разных по минералогическому составу, размеру и химическим свойствам почвенных частиц.

По мнению этих авторов, склеивание механических элементов происходит под действием следующих условий:

Гумусовых веществ
Оксидов железа, кальция, алюминия
Коллоидных частиц
Корней растений (при дроблении более крупных)
Вертикальное и горизонтальное растрескивание почвенной массы
Водной среды

Кроме размера агрономическая ценность структуры характеризуется связностью (механическая прочность), водопрочность и пористостью агрегатов.

Под связностью понимают способность агрегатов не разрушаться при механическом воздействии. Связность возрастает с увеличением количества илистых и коллоидных частиц, участвующих в формировании агрегатов. Высокую механическую прочность имеют агрегаты глинистых и тяжелосуглинистых по гранулометрическому составу иллювиальных горизонтов. В сухом состоянии они разрушаются с большим трудом, однако в воде легко распадаются на механические элементы.

Агрономически ценная структура должна отличаться не только механической прочностью, но и водопрочностью.

Водопрочность – это способность агрегатов длительное время противостоять размывающему действию воды. Она зависит от качества материала, склеивающего механические элементы.

Свойство почвы образовывать устойчивые агрегаты – это свойство почвенной структуры, пожалуй, самое важное структурное и функциональное свойство почвы. Агрегат характеризуется тем, что связи внутри него, между отдельными частицами (в микроагрегате) или микроагрегатами (в макроагрегате) выражены сильнее, чем между агрегатами. Поэтому в почве и выделяются отдельные агрегаты, что свидетельствует о том, что почвенная структура представлена рассыпчатым, зерноподобным, агрегированным веществом, а не единой монолитной массой. Чем лучше выражена эта структура, чем устойчивее к воздействию воды и механических нагрузок почвенные агрегаты, тем лучше функционирует почва, тем выше и устойчивее ее продуктивность.

Хорошая структура определяет и хорошее проникновение влаги, за счет пониженной плотности повышается ее порозность, и почва способна вместить и удержать большое количество воды, питательных веществ, в ней лучше движутся газы, активнее газообмен.

Почва должна сохранять свою уникальную комковато-зернистую структуру после обильных осадков и последующего легко подсушивания, когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки и агрегаты.

Во всех теориях структурообразования отсутствует главный действующий “герой” практически всех почвенных процессов – вода. Без нее все события в формировании почвенной структуры кажутся разобщенными, не связанными друг с другом. В последнее время родилась идея, что основную роль в природном клее должно играть органическое вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникновению высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата. Чтобы разъяснить эту идею, попробуем поставить эксперимент.

Рис. Схема возникновения расклинивающего давления между отрицательно заряженными минеральными частицами. Стрелками указано направление движения воды в пространство с положительно заряженными сорбированными катионами.

Возьмем две стеклянные трубки. Внутреннюю поверхность одной из них смажем вазелином. Опустим концы трубок в воду и скоро увидим, что в чистой трубке вода поднялась на некоторую высоту, а в смазанной вазелином, напротив, опустилась ниже первоначального уровня. Причина этого эффекта связана с различными свойствами поверхности. По чистому стеклу вода хорошо растекается – оно гидрофильно. Поверхность, отталкивающая воду (в нашем случае покрытая вазелином), гидрофобна.

А что, если нечто подобное происходит и в почвенных агрегатах? Но для этого необходимы следующие условия: гумусовые вещества, вырабатываемые микроорганизмами из растительных остатков, должны обладать гидрофобными свойствами и при этом прочно удерживаться на гидрофильной (аналогичной стеклу) поверхности минеральных частиц. Значит, почвенные органические молекулы должны иметь как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, или, как говорят биохимики, быть амфифильными. Тогда в почвенной поре молекула органического вещества одной своей частью (гидрофильной) прочно удерживается на поверхности минеральной частицы, а другой (гидрофобной) – ориентируется внутрь, в межчастичное пространство. Вода в такую пору поступает медленно. Это очень важно. Именно медленно, без закупоривания пор и разрыва агрегатов защемленным воздухом. При этом комочки увеличиваются в объеме, набухают. Почва как бы становится единой глинистой массой. Органические молекулы гумуса своими гидрофобными окончаниями держатся друг за друга, не позволяя молекулам воды разорвать гидрофобные связи. Чем больше гидрофобных окончаний, тем устойчивее агрегаты и тем сильнее они противостоят расклинивающему действию воды. Теперь эту гипотезу следует доказать экспериментально.

Рис. Возникновение устойчивой почвенной структуры благодаря амфифильным свойствам почвенного гумуса. Гидрофобные компоненты прочно связываются друг с другом, а гидрофильные - с минеральными частицами. Такой органо-минеральный комплекс устойчив и к механическим воздействиям, и к разрушающему влиянию воды

Еще в 1930-1950 годах В.Р. Вильямс, известный как теоретик и пропагандист травопольной системы земледелия обратил внимание, что (зернистая) структура почвы возникает в прикорневой зоне растений. В формировании почвенных комочков-агрегатов участвуют сами корни (своими корневыми выделениями) и живущие внутри комочков-агрегатов почвы микроорганизмы, которые вырабатывают специфическое вещество – «свежий» (по определению Вильямса) гумус. Причем снаружи комочков-агрегатов почвы живут аэробные микроорганизмы (развивающиеся при наличии достаточного количества кислорода), а внутри комочков почвы - анаэробные бактерии, развивающиеся при недостатке кислорода. Аэробные микроорганизмы при наличии кислорода разлагают органику на более простые соединения, а анаэробные микроорганизмы в условиях недостатка кислорода из поступающей полуразложившейся органики и корневых выделений растений синтезируют новое вещество – гумус. Вот он то и обладает свойствами «клея», связывающего частицы почвы в зерна (в комочки-агрегатики), образуя (зернистую) структуру почвы. Из этого и родилась знаменитая травопольная система, предполагающая засевание полей травой на несколько сезонов для восстановления плодородия и структуры почвы.

Сохранение структурности почвы – важнейшая задача при ее обработке. При обработке почвы следует учитывать следующие правила:

2. Общие физические свойства почв

К общим физическим свойствам почв относят:

1. Плотность сложения
2. Плотность твердой фазы
3. Пористость почвы

1. ПЛОТНОСТЬ СЛОЖЕНИЯ (ПЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ)

Плотность сложения (dv) – это масса абсолютно сухой почвы (М) в единице объема почвы (V) со всеми свойственными естественной почве пустотами, выраженная в г/см3:

dv = М/V

Плотность почвы более вариабельный показатель, чем плотность твердой фазы (см. далее). Она изменяется во времени и пространстве, особенно в верхних горизонтах, подвергающихся постоянному воздействию климатических, биологических и антропогенных факторов.

Плотность почвы – это одно из основных фундаментальных свойств почвы. Плотность определяет соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами. Величину плотности почв определяют многие причины. Большое значение имеет минералогический состав твердой фазы почвы, присутствие органического вещества. Тяжелые минералы в почве способствуют увеличению плотности, а легкие понижают ее. Большое количество органических веществ уменьшает плотность.

Но в большей степени величины плотности почв зависят от их сложения и структурного состояния. Рыхлые почвы с зернистой и комковатой структурой, с большой пористостью обусловливают малые величины плотности. Почвы же бесструктурные, слитые характеризуются повышенными значениями плотности. Почвы могут уплотняться под влиянием прохода тяжелых сельскохозяйственных машин, выпаса скота, поливов. Плотность увеличивается в глубоких горизонтах почвы, что приводит к необратимому снижению уровня плодородия. Это наблюдается как под пропашными и зерновыми культурами, так и под многолетними насаждениями.

Плотность почвы в среднем определяется величинами 1,2-1,4 г/см3. К ним оказались экологически приспособленными большинство растений. При этом, как правило, складываются экстремальные условия для живых организмов в почвенной среде.

Оценка плотности сложения по Качинскому (1965), используемая в РФ представлена в таблице:

Плотность минеральных почв изменяется от 0,9 до 1,8 г/см3, а у торфяно-болотных – от 0,15 до 0,40 г/см3.

Отклонение от оптимальной величины плотности в любую сторону приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Плотность сложения почвы имеет важное агрономическое значение, поскольку сильно влияет на условия жизни растений и почвенных микроорганизмов.

Сильно уплотненная сухая почва оказывает большое сопротивление развитию корневой системы растений. Для обработки такой почвы требуются дополнительные энергетические затраты. При уплотнении почвы сокращается количество макропор и крупных капилляров, увеличивается доля горизонтально ориентированных пор. В результате этого снижается предельно-полевая влагоемкость (НВ), ухудшается газообмен почвы, возрастает содержание влаги, недоступной для растений. Плотные почвы имеют плохую водопроницаемость, поэтому значительное количество воды, поступающей на их поверхность, не проникает в глубь профиля, а испаряется или же при наличии уклона формирует поверхностный сток, вызывая развитие эрозии.

На переуплотненных почвах снижается эффективность минеральных удобрений. При сильном увлажнении в плотных почвах все поры заполняются водой, в результате чего развиваются анаэробные условия и активизируются соответствующие группы организмов.

Поэтому регулирование плотности почвы – важный фактор оптимизации условий произрастания сельскохозяйственных культур.

2. ПЛОТНОСТЬ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

Плотность твердой фазы (d) – это масса твердых компонентов почвы (М) в единице объема без учета пор (Vs), или, это отношение твердой массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при 40 С.

d (г/см3) = М/Vs

Эта величина зависит от природы и соотношения минералов и органических веществ, входящих в состав почвы. В отличие от плотности сложения, плотность твердой фазы величина практически неизменная (const).

В верхних горизонтах малогумусных почв плотность твердой фазы чаще всего варьирует в пределах от 2,5 до 2,65 г/см3. С увеличением степени гумусированности почвы плотность твердой фазы снижается и составляет 2,3-2,45 г/см3. В средней и нижней части почвенного профиля плотность твердой фазы, как правило, возрастает, достигая 2,7-2,8 г/см3.

ПОРИСТОСТЬ ПОЧВЫ

Пористость почвы (порозность) – это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца (%) Рассчитывается по данным о плотности сложения (dv) и плотности твердой фазы (d) почвы.

Общую пористость, Pобщ.,% рассчитывают по формуле:

Pобщ. = 1-(dv/d) * 100

Между соприкасающимися элементарными почвенными частицами, микро- и макро агрегатами всегда имеются различного рода пустоты, которые называют порами.

По почвенным порам перемещается вода с растворенными в ней веществами, в них содержится воздух. В почвенных порах обитают микроорганизмы, простейшие и другие представители почвенной биоты, по ним в почву проникают корни и корневые волоски растений. Поэтому общий объем пор, составляющих это пространство – важнейшие характеристики почвы.

Формирование пористости происходит в результате действия различных факторов: образования и разрушения структуры, упаковки и переупаковки почвенных частиц, микро- и макроагрегатов, растрескивания почвенной массы под влиянием попеременно действующих процессов нагревания-охлаждения и набухания-усадки, заполнения свободного порового пространства подвижным почвенным материалом, выщелачивания растворимых веществ, деятельности живых организмов.

Величина пористости зависит:

1. От гранулометрического состава;
2. Структуры почвы;
3. Содержания гумуса;
4. Биогенности почвы;
5. Обработки и приемов окультуривания

Почвенные поры имеют различный размер и конфигурацию. Самые мелкие поры сосредоточены внутри агрегатов, более крупные – стыковые поры, поры-трещины, поры-полости располагаются между агрегатами. В связи с различной локализацией пор общая пористость подразделяется на агрегатную (если поры находятся внутри агрегатов) и межагрегатную (если поры расположены между агрегатами).

Макропоры – это в основном межагрегатная порозность, а мезо- и микропоры – внутриагрегатная. Это справедливо для хорошо оструктуренных почв, когда явно выделяются почвенные агрегаты. Однако такое соответствие наблюдается не всегда. Макропоры могут быть представлены биопорами (ходами червей, корней растений и пр.). И эти макропоры могут быть ответственны за специфический почвенный перенос, по образному выражению Шеина Е.В. – практически моментальный “ проскок” веществ внутри почвы.

В почвах часто выделяют капиллярную и некапиллярную пористость (порозность).

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы.

Некапиллярная пористость равна объему крупных пор, как правило, межагрегатных. Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом. Вода в них находится под действием гравитационных сил и не удерживается. В капиллярных порах размещается вода, удерживаемая менисковыми силами.

Поры, в которых находится капиллярная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений, называют активными. К неактивным относятся поры, занимаемые связанной водой. В агрономическом отношении важно, чтобы почвы располагали большим объемом капиллярных пор и при этом имели некапиллярную пористость не менее 20-25% общей пористости.

Оценку общей пористости дают по шкале Н.А. Качинского:

При оптимизации условий для произрастания сельскохозяйственных культур недостаточно оперировать только величиной общей пористости. Для создания устойчивого запаса влаги в почве при одновременно хорошем воздухообмене (аэрации) необходимо, чтобы некапиллярная пористость составляла 55-65% от общей. Если она меньше 50 %, то происходит ухудшение воздухообмена, что вызывает развитие анаэробных процессов. Важно, чтобы при увлажнении почвы до НВ пористость аэрации составляла в минеральных почвах не менее 15 % от объема, в торфяных почвах – 30-40 %.

Относительно верхней границы оптимальных значений пористости аэрации единой точки зрения нет. В качестве ориентировочных для минеральных почв можно указать значения пористости аэрации на уровне 20-25 % от объема почвы, а в условиях орошения – 30%.

Пористость аэрации (Pаэр.), % вычисляют по формуле:

Pаэр = Робщ. – (влажность почвы, % * dv)

Пористость почвы – величина динамичная, индивидуальная и генетически присущая тем или иным почвам. Однако общим для всех почв является закономерность: чем выше плотность почвы, тем меньше ее пористость и наоборот.

3. Вода в почве. Водные свойства, гидрологические константы и режимы

Воде принадлежит важнейшая роль во многих процессах, протекающих в почвах. Это выветривание и образование новых минералов, гумусообразование и бесчисленное множество химических и физико-химических реакций в почвенных растворах, теплорегулирование и т.д.

Наземные растения системой своих побегов постоянно расходуют воду на испарение и транспирацию. Эта вода извлекается корнями растений из почвы. Растения потребляют значительное количество воды на жизненные процессы, рост, образование тканей.

Закономерности состояния и поведения влаги в почве изучали многие исследователи: А.А. Измаильский, Г.Н. Высоцкий, А.Ф. Лебедев, А.Г. Дояренко, С.И. Долгов, Н.А. Качинский, А.А. Роде и др.

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

Термин “водные свойства” означает совокупность свойств почвы, обусловливающих накопление, сохранение и передвижение воды в почвенной толще. К водным свойствам почвы относятся водоудерживающая способность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность.

Водоудерживающей способностью называется свойство почвы поглощать и удерживать воду в своем профиле, противодействия стеканию ее под действием силы тяжести. Основными удерживающими воду в почве силами являются сорбционные и капиллярные. Количественно водоудерживающая способность представляет влагоемкость.

Влагоемкость почвы – это максимальное количество той или иной формы (категории) почвенной воды, удерживаемое соответствующими силами в почве.

Это свойство зависит от:

1. гранулометрического состава
2. минерального состава и гумусированности
3. состояния увлажненности,
4. структуры и пористости,
5. температуры почвы,
6. концентрации и состава почвенных растворов,
7. степени окультуренности,

а также от других факторов и условий почвообразования.

Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв обогащенных гумусом.

Водопроницаемость почвы – это свойство почвы впитывать и пропускать через свой профиль поступающую с поверхности воду.

При этом различают поглощение, впитывание воды почвой, когда вода заполняет поры и пустоты сухой почвы, передвигаясь от генетического горизонта к горизонту (1 стадия), и фильтрацию, когда свободная вода проходит сквозь толщу насыщенной влагой почвы под воздействием силы тяжести и градиента напора (2 стадия). Водопроницаемость связана с гранулометрическим составом и оструктуренностью почвы.

Измеряется водопроницаемость объемом воды, фильтрующимся через единицу площади поперечного сечения почвы в единицу времени.

По методу Н.А. Качинского для оценки водопроницаемости почв суглинистого и глинистого гранулометрического состава учитывают, какой объем воды пройдет (профильтруется) через почву в первый час фильтрации при напоре 5 см и температуре воды 100С.

Почвы, обладающие высокой водопроницаемостью, не способны создать хороший запас влаги в корнеобитаемом слое, а характеризующиеся низкой водопроницаемостью переувлажняются, обусловливают стекание воды по поверхности почвы и развитие эрозии или застаивание воды на поверхности и вымокание посевов.

Интенсивность водопроницаемости зависит от:

1. гранулометрического состава
2. структурного состояния
3. физико-химических свойств почвы

Почвы легкого гранулометрического состава (пески, супеси) благодаря наличию крупных некапиллярных пор отличаются высокой водопроницаемостью. Хорошей водопроницаемостью характеризуются суглинистые и глинистые почвы с водопрочной комковато-зернистой структурой. В бесструктурных суглинистых и особенно глинистых почвах водопроницаемость очень низкая.

В почвах, содержащих обменный натрий, водопроницаемость существенно снижается. При высоком соедержании в ППК обменного натрия почва сильно набухает, и становится практически водопроницаемой.

Водоподъемная способность почвы – это свойство почвы вызывать восходящее передвижение, содержащийся в ней влаги за счет капиллярных сил.

Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения зависят в основном от:

1. гранулометрического состава
2. структурного состояния
3. пористости почв

Высота капиллярного поднятия воды возрастает по мере уменьшения диаметра капиллярных пор. Поэтому водоподъемная способность песчаных почв составляет 0,5 -1 м, супесчаных 1,0 -1,5 м, суглинистых – 3-4 м, лессовидных пород – 4-5 м. В бесструктурных глинистых почвах, несмотря на наиболее мелкий размер капилляров, по сравнению с почвами иного гранулометрического состава, водоподъемная способность снижается, поскольку капилляры заполнены преимущественно связанной водой.

Благодаря водоподъемной способности почвы растения дополнительно снабжаются влагой, поступающей из грунтовых вод. Это особенно важно в засушливых регионах. Однако, при близком залегании грунтовых вод к поверхности, может произойти заболачивание, а когда они минерализованные – засоление почв.

Особой характеристикой воды в почве является ее влажность.

Влажность почвы (весовая) – количество воды, находящейся в данный момент в почве, приходящееся на единицу массы абсолютно сухой почвы.

Влажность почвы (объемная) – количество воды, находящейся в данный момент в почве, приходящееся на единицу объема абсолютно сухой почвы.

Формула расчета влажности почвы:

Влажность почвы = (масса испарившейся влаги / масса сухой почвы) ? 100, %

Важно отметить особенность традиционного почвенного подхода, когда расчет влажности ведется именно на абсолютно сухую навеску. Поэтому, если встречаются значения влажности > 100 % (при процентном выражении доли воды к весу абсолютно сухой почвы), значит, речь идет об оторфованных почвах, торфах, лесных подстилках, степном войлоке, когда вес абсолютно сухого веществ значительно меньше, чем вес влаги вмещающимся в нем.

Обычные же минеральные почвы имеют, как правило, диапазон изменения влажности от долей до 50 % к весу.

Запас воды в почве рассчитывают:

В м3/га = (W1•Н1) + … (Wn•Нn),

В мм = В м3•0,1

Максимальный запас почвенной воды:

МЗВ м3/га = (НВ1•Н1) + (НВ2•Н2) + …(НВn•Нn),

МЗВ мм = МЗВ м3/га•0,1

Дефицит запаса почвенной воды:

ДВ м3/га = МЗВ м3/га – В м3/га,

ДВ мм = МЗВ мм – В мм

Запас недоступной воды в почве:

ЗНВ м3/га = (ВЗ1•Н1) + (ВЗ2•Н2) + …(ВЗn•Нn),

ЗНВ мм = ЗНВ м3/га•0,1

Запас доступной (полезной) воды в почве:

ЗПВ м3/га = В м3/га – ЗНВ м3/га,

ЗПВ мм = В мм – ЗНВ мм

Максимальный запас доступной воды в почве:

МЗПВ м3/га = МЗВ м3/га – ЗНВ м3/га,

МЗПВ мм = МЗВ мм – ЗНВ мм,

где W1, Н1 – соответственно полевая влажность в % от объема и мощность первого слоя в колонне;

W2, Н2 – то же второго слоя и т.д.;

НВ1, НВ2, НВ3 – наименьшая влагоемкость в % от объема для первого, второго и т.д. слоев почвы в колонне;

ВЗ1, ВЗ2, ВЗ3 – влажность завядания в % от объема для первого, второго и т.д. слоев почвы в колонне.

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Почвенно-гидрологические константы (ПГК) – это граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные отличия. К ним относятся:

МАВ или ГВ (максимальная адсорбционная влагоемкость или гигроскопическая влажность) – наибольшее количество прочносвязанной, строго ориентированной воды, удерживаемой адсорбционными силами. Адсорбция паров воды происходит из почвенного или атмосферного воздуха. Такая вода присутствует в воздушно-сухой почве. Она наблюдается только в почвенных образцах, которые находятся в условиях лаборатории и очень редко в природных условиях. Относительная влажность воздуха (или относительное давление паров воды) в лаборатории – величина хоть и заметно колеблющаяся (от 30 до 80 %), но не сильно изменяющая МАВ. Она нужна для расчета массы абсолютно сухой навески (mа-с) по данным о массе воздушно-сухой (т.е. в атмосфере лаборатории, mb-с) навески:

mа-с = mb-с * 100 / МАВ, % +100

МГ, Wмг (максимальная гигроскопичность) – наибольшее количество сорбированной парообразной воды из воздуха с относительной влажностью 98 %. Насыщение воздуха парами воды увеличивает количество сорбируемой воды, поэтому вокруг почвенной частицы образуется полимолекулярный слой адсорбированной воды. Она соответствует рыхлосвязанной. Это величина “рубежная” и достаточно условная. Определить ее можно только в лаборатории, в условиях равновесия почвы с парами воды при их содержании в окружающей атмосфере, равными 98 %.

ВЗ (влажность завядания растений) – влажность почвы, при которой влага становится недоступной для растений и они, теряя тургор, необратимо (даже при помещении в насыщенную парами воды атмосферу) завядают. Нижний предел доступной воды в почве.

Эта величина экспериментально определяется методом вегетационных миниатюр, когда растения выращивают в небольших стаканчиках емкостью около 100 см3 до стадии третьего листа. Поверхность почвы прикрывают от испарения песком и парафином и прекращают полив. Когда обнаруживаются признаки завядания, растения ставят на ночь во влажную камеру. И если после нахождения во влажной атмосфере потеря тургора буде заметна, это означает, что в почве достигнута влажность, соответствующая ВЗ.

ВРК или РВК (влажность разрыва капилляров, разрыв влажности капилляров) – влажность, соответствующая разрыву сплошности капилляров и при этом прерывается гидравлическая связь капиллярной сети. Сплошность заполнения водой капилляров теряется в результате испарения и потребления воды растениями. При этом уменьшается подвижность воды и доступность ее растениям. ВРК, иначе говоря, характеризует нижний предел оптимальной влажности.

Общепринятых методов определения ВРК нет, иногда эту величину считают близкой к 70 % от НВ для суглинистых почв, а для песчаных и супесчаных – около 50-60 % от НВ.

НВ или ППВ (наименьшая влагоемкость или предельно полевая влагоемкость, полевая влагоемкость) – наибольшее количество капиллярно-подвешенной воды. Это важнейшая характеристика водных свойств почвы.

Влажность, установившаяся после стекания избытка воды предварительно насыщенной почвы; достигается, как правило, через 2-3 дня после интенсивного дождя или полива хорошо дренируемой гомогенной почвы.

НВ дает представление о наибольшем количестве воды, которое почва способна накопить и удерживать длительное время. Вся система капиллярных пор при влажности НВ заполнена водой, поэтому в почве создаются оптимальные условия влагообеспеченности растений.

Эта величина является основой большинства гидрологических, мелиоративных расчетов.

КВ (капиллярная влагоемкость) – количество влаги в почве, удерживаемое капиллярными силами в зоне капиллярной каймы грунтовых вод – “капиллярно-подпертая влага”.

ПВ (полная влагоемкость, водовместимость) – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор (капиллярных и некапиллярных) водой, за исключением занятых “защемленным” и адсорбированным воздухом. В почве присутствуют гравитационная и капиллярная вода.

Количественные оценки почвенно-гидрологических констант зависят от минералогического и гранулометрического состава, содержания гумуса, структурного состояния, пористости и плотности почв (табл. )

Существует правило (не всегда соблюдающееся!) о соотношении величин влажностей, соответствующих почвенно-гидрологическим константам:

ПВ : НВ : ВРК : ВЗ : МГ = 1 : 0,5 : 0,35 : 0,25 : 0,05

Но, очень важно, это правило можно применять лишь для ориентации в величинах почвенно-гидрологических констант, но оно неприменимо для количественных расчетов. Основой для нахождения величин почвенно-гидрологических констант является их экспериментальное определение.

Таким образом, почвенно-гидрологические константы отражают характерные почвенно-гидрологические условия, связанные с определенными силами, удерживания воды в почве и ее подвижности и доступности для растений.

Рассмотрим диапазоны между отдельными почвенно-гидрологическими константами, характеризующие доступность почвенной влаги для растений:

ПВ-НВ – диапазон подвижной влаги. Указывает на количество воды, которое может стечь при наличии свободного стока из рассматриваемой почвенной толщи. ЛЕГКОДОСТУПНАЯ

НВ-ВРК– диапазон легкоподвижной, легкодоступной для растений влаги. Это наиболее эффективная часть той продуктивной влаги, которая характеризуется диапазоном НВ-ВЗ. Иногда этот диапазон заменяют другим – (НВ-70 % НВ). Этот диапазон влажности следует поддерживать в корнеобитаемом слое, чтобы, с одной стороны, избежать непродуктивных потерь влаги на стекание ее в нижележащие слои, а с другой – способствовать наиболее эффективной работе фотосинтетического аппарата растений. ДОСТУПНАЯ

ВРК-ВЗ– лежит в пределах между ВРК и ВЗ. Характеризует низкую продуктивность растений. ТРУДНОДОСТУПНАЯ

ВЗ-МАВ– она представлена рыхлосвязанной водой. Трудная доступность объясняется низкой подвижностью этой воды. Количественно определяется диапазоном между ВЗ и МАВ. ВЕСЬМА ТРУДНОДОСТУПНАЯ

МАВ– Недоступность воды объясняется тем, что всасывающая сила корней намного меньше сил, которые удерживают эту воду на поверхности почвенных частиц. Это мертвый запас воды. НЕДОСТУПНАЯ

КАТЕГОРИИ, ФОРМЫ И ВИДЫ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ

Основные категории и формы почвенной воды различаются между собой прочностью связи с твердой фазой почвы и степенью подвижности:

Твердая вода (лед) – образуется в почве в форме льда при ее промерзании в осенне-зимний период (сезонное промерзание) или сохраняется на определенной глубине в промерзающей толще почвогрунта, не оттаивая даже летом. Твердая вода в почве, способная таять и испаряться, представляет собой потенциальный источник жидкой и парообразной воды. Твердая вода неподвижна, растениям недоступна;

Парообразная – содержится в виде водяного пар в почвенном воздухе, нередко насыщая его до 100 %. Она передвигается от мест с большей упругостью водяных паров, а также с током воздуха. В снабжении растений водой парообразная влага практически значения не имеет. Перенос воды в форме пара может осуществляться по пустотам вокруг корней, которые оттягивают влагу из окружающего почвенного пространства, что имеет значение для уплотненных посевов. При понижении температуры парообразная вода, конденсируясь, может переходить в жидкую;

Химически связанная:

1. конституционная – это гидроксильная группа (ОН) находящихся в почве веществ: гидроксидов железа, алюминия, титана, марганца, коллоидно-дисперсных глинистых минералов, органических и органо-минеральных соединений;
2. кристаллизационная – это целые молекулы воды, входящие в кристаллы: например - гипс (CaSO4 ? 2 H2O);

Химически связанная вода растением недоступна.

Физически связанная:

1. прочносвязанная – это первая форма физически связанной, или сорбированной, воды, называемая гигроскопической водой. Она образуется в результате сорбции почвенными частицами водяных паров из воздуха. Это вода покрывает почвенные частицы тонкой пленкой, состоящей из 1-3 слоев молекул. Молекулы воды, сорбированные почвой, являясь диполями, находятся в строго ориентированном положении.
2. рыхлосвязанная – это вторая форма физически связанной, или сорбированной, воды, называемая пленочной водой; она образуется в результате дополнительной (к МГ) сорбции молекул воды при соприкосновении твердых коллоидных частиц почвы с жидкой водой. Пленочная, или рыхлосвязанная, вода слабоподвижна, растениям малодоступна.

Свободная:

Оценка запасов продуктивной воды в различных слоях почвы (по Вадюниной, Корчагиной):

ТИПЫ ВОДНОГО РЕЖИМА

Водный режим почвпредставляет собой явление, слагающееся из рассмотренных выше элементарных процессов. Эти элементы водного режима почв зависят от таких факторов и условий, как радиационный баланс, осадки, ветер, влажность, температура воздуха, литологические и гидрогеологические особенности материнских и подстилающих пород, рельеф, растительность и, следовательно, значительно изменяются в пространстве и во времени.

Сочетание различных факторов и условий создает различные типы, подтипы и классы водного режима почв. Впервые классификация типов водного режима почв была предложена Г.Н.Высоцким. В ее основу положены следующие признаки:

1. наличие или отсутствие вечномерзлого слоя в почвенно-грунтовой толще;
2. охват годовым влагооборотом только почвенного слоя или всей почвенно-грунтовой толщи до грунтовых вод;
3. преобладание в годовом или многолетнем цикле восходящего или нисходящего передвижения влаги в почвенно-грунтовой толще.

Дальнейшее развитие эта проблема получила в работах А.А.Роде, который выделял 6 типов водного режима, дополнительно подразделяя их на подтипы. В настоящее время выделяют следующие типы водного режима почв:

Мерзлотный тип – возникает в области вечной мерзлоты, где почва в течение теплого периода года оттаивает лишь на сравнительно небольшую глубину – метр или несколько метров – и под ней сохраняется вечномерзлый водоупорный слой. При обильном поступлении влаги на поверхность почвы в ее толще создается водоносный горизонт – надмерзлотная верховодка, которая может существовать большую часть вегетационного периода. Годовой влагооборот охватывает только почвенный слой.

Промывной тип (осадки >>> испарение) – характерен для тех территорий, где годовая сумма осадков выше испаряемости. Почвенно-грунтовая толща ежегодно подвергается сквозному промачиванию до грунтовых вод. Это значит, что некоторая часть атмосферных осадков, поступившей в почву, просачивается через ее толщу и стекает грунтовым или почвенным стоком. Годовой влагооборот охватывает ежегодно всю почвенно-грунтовую толщу. Нисходящее передвижение влаги преобладает над восходящим. Весной и осенью происходит ежегодное сквозное промачивание почвенной толщи вплоть до грунтовых вод, благодаря чему происходит активный вынос всех растворимых и геохимически подвижных продуктов выветривания и почвообразования за пределы почвенного профиля. Водный режим такого типа характерен для почв лесных зон – подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных. В весенний период верхняя часть почвенного профиля этих почв часто находится в переувлажненном состоянии и на некоторой глубине образуется верховодка, в нижней части профиля влажность практически никогда не бывает меньше предельно-полевой влагоемкости.

Периодически промывной тип (осадки > испарение) – соответствует климатическим условиям со среднемноголетней сбалансированностью осадков и испаряемости (КУ = 1), как например, в северной части лесостепной зоны, где формируются оподзоленные и выщелоченные черноземы. Сквозное промачивание почвенного профиля имеет место только во влажные годы. В обычные по увлажнению и засушливые годы происходит ограниченное промачивание почвы, что характерно для непромывного типа водного режима, влагооборот осуществляется в пределах почвенного профиля. В нижней части профиля почва периодически иссушается до влажности разрыва капилляров, в верхней – до влажности завядания.

Непромывной тип (осадки = испарение) – формируется в почвах степной и сухостепной зон (обыкновенные и южные черноземы, каштановые почвы), где средняя годовая норма осадков немного меньше величины испаряемости. Мощность почвенного профиля, вовлекаемая в годовой влагооборот, чаще всего не превышает 2 м. При этом атмосферные осадки не достигают верхней границы капиллярной каймы грунтовых вод. Связь между атмосферной и грунтовой влагой осуществляется через слой с постоянно низкой влажностью, близкой к влажности завядания. Этот слой называется “мертвым” горизонтом. Передвижение воды через “мертвый” горизонт в том или ином направлении осуществляется в форме пара или пленочной влаги.

В верхней части профиля влажность почв, формирующихся в условиях непромывного типа водного режима, колеблется в соответствии с выпадающими атмосферными осадками от полной влагоемкости до влажности завядания. В нижних горизонтах влажность почв в течение всего года находится между влажностью завядания и влажностью разрыва капилляров.

Почвы, сформировавшиеся в условиях водного режима непромывного типа, отличаются от почв с водным режимом периодически промывного и промывного типов меньшей выщелоченностью от подвижных продуктов почвообразования. В профиле таких почв всегда выделяют горизонты, обогащенные водорастворимыми соединениями (гипсом, карбонатами кальция и др.), расположенными ниже той глубины, на которую происходит среднемноголетнее промачивание почвы атмосферными осадками.

Выпотной тип (осадки <<< испарение) – формируется в почвах при неглубоком залегании уровня грунтовых вод в степной и особенно полупустынной и пустынных зонах, т.е. там, где испаряемость заметно превышает количество выпадающих осадков.

В таких условиях происходит интенсивное восходящее передвижение влаги по капиллярам от грунтовых вод к поверхности почвы и ее последующее испарение. Если грунтовые воды минерализованные, то верхние горизонты обогащаются водорастворимыми солями, что ведет к формированию обширной группы засоленных почв и луговых солончаков разного химизма и степени засоления.

Ирригационный тип – формируется при искусственном орошении и отличается большим разнообразием категорий в зависимости от вида полива и поливной нормы, глубины и сезонных колебаний уровня грунтовых вод, наличия и характера искусственного дренажа.

Рассмотренные типы водного режима отражают общие закономерности влагооборота в многолетних циклах. В любой почвенной зоне условия водного режима в отдельные периоды года могут существенно отличаться от среднегодовых, т.е. в годовом цикле будет совмещено несколько типов водного режима.

Количественной характеристикой водного режима почвы служит ее водный баланс, учитывающий приходные и расходные статьи влаги.

1. Приходные (осадки, снеготаяние, орошение, внутрипочвенный сток, конденсация паров, грунтовые воды)
2. Расходные (испарение, питание растений, поверхностный и внутрипочвенный сток)

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА

Оптимизация водного режима – важнейшее звено в комплексе мероприятий, направленных на создание условий, благоприятных для роста и развития сельскохозяйственных культур.

При регулировании водного режима учитывают климатические, литолого-геоморфологические и почвенные условия, а также особенности водопотребления возделываемых культур. Чтобы создать оптимальный водный режим, регулируют поверхностный сток, улучшают водно-физические свойства почв, применяют орошение, осушение, лесомелиорацию, различные агротехнические приемы. Обычно проводят комплекс мероприятий, направленных на искусственное изменение природных и расходных статей водного баланса и соответственно общих и продуктивных запасов влаги в почве.

4. Почвенный воздух. Воздушные свойства и режимы

Газовая фаза почв или почвенный воздух – это смесь газообразных веществ, занимающая поровые пространства почвы и находящаяся в свободном, водорастворенном или адсорбированном состоянии.

Почвенный воздух формируется:

1. Путем заполнения поровых пространств воздухом из приземного слоя атмосферы;
2. В результате диффузионных процессов, как следствие различия парциальных давлений отдельных газов почвенной газовой фазы и атмосферы;
3. Как продукт почвенных биохимических и химических процессов, включая дыхание почвенных организмов

Из всех компонентов почвы воздушная фаза – наиболее динамичная по объему и соотношению формирующих ее газов. Главные по массе – это N2, О2, и СО2, а также вода. Примерное их содержание в сравнении с атмосферой (% от объема):

ВОЗДУШНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Воздухоемкость – это та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности.

Выделяют полную, или потенциальную воздухоемкость, которая свойственна сухим почвам. Она соответствует пористости (порозности) почв и напрямую зависит от их плотности. Актуальная воздухоемкость – это содержание воздуха в почве в каждый конкретный момент при том или ином уровне увлажнения.

Вода и воздух в почвах антагонисты: чем больше воды в почве, тем меньше воздуха. Оптимальная экологическая гармония для большинства растений – вода и воздух должны содержаться в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы 60 % от НВ.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость – непременное условие газообмена между почвой и атмосферным воздухом. Чем она выше, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе содержится кислорода и меньше углекислого газа.

Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.

Воздухопроницаемость также определяется гранулометрическим составом, плотностью сложения и влажностью почвы. Переуплотнение и обесструктуривание почв сопровождается уменьшением воздухопроницаемости. Особенно неудовлетворительной воздухопроницаемостью отличаются почвы с высоким содержанием агрегатов диаметром менее 0,5 мм.

ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ И ЕГО РЕГУЛИРОВАНИЕ

Воздушный режим почв – совокупность явлений газообмена почвенного воздуха с атмосферным, передвижения воздуха в почвенном профиле, изменения его состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Воздушный режим почв находится в прямой зависимости от погодных условий, характера растительности, активности почвенной биоты, свойств почв и особенностей агротехники. В связи с этим он характеризуется высокой лабильностью, что находит свое отражение в суточной и сезонной (годовой) динамике.

Наиболее благоприятным воздушным режимом характеризуются хорошо оструктуренные суглинистые и глинистые почвы, а также почвы легкого гранулометрического состава. Имея рыхлое сложение и хорошо развитую систему некапиллярных пор, такие почвы способны быстро пропускать и перераспределять воду и воздух, поступающие в них.

Напряженный воздушный режим, вследствие затрудненного газообмена, складывается в почвах с неудовлетворительной структурой и тяжелым гранулометрическим составом.

В агроценозах воздушный режим почвы во многом зависит от характера использования пашни и возделываемой культуры. Обработка почвы влияет на ее сложение и пористость. При этом изменяются условия жизнедеятельности биоты и скорость передвижения газов в почвенном профиле.

Сильно влияет на газовый режим почвы растительность. В результате потребления корнями растений воды, кислорода и выделения углекислого газа содержание воздуха в почве и его состав изменяется.

Воздушный режим почв регулируют с помощью различных агротехнических и мелиоративных мероприятий. Комплекс мероприятий, направленных на окультуривание почв, включает:

Создание глубокого пахотного слоя;
Рыхление подпахотных горизонтов;
Внесение химических мелиорантов для уменьшения дисперсности почвенной массы;
Регулирование реакции среды и режима кальция;
Применение минеральных и особенно органических удобрений с целью увеличения гумусированности и оструктуренности почв.

В целом, поскольку воздушный режим почвы тесно связан с ее водным режимом, то и регулируют их в основном с помощью одних и тех же мелиоративных и агротехнических приемов. Однако следует учитывать, что излишняя аэрация почвы так же нежелательна, как и недостаточная, поскольку она способствует усилению окислительной деструкции органического вещества и переходу важных биофильных элементов в формы, труднодоступные для растений.

5. Тепловые свойства и режимы

Это свойства, благодаря которым лучистая энергия Солнца поглощается поверхностью почвы, превращается в тепловую энергию, аккумулируется, передвигается от слоя к слою и излучается с поверхности почвы.

Основные тепловые свойства почвы: теплопоглотительная способность, теплоемкость, теплопроводность.

Теплопоглотительная способность – это поглощение почвой лучистой энергии Солнца. Теплопоглотительная способность характеризуется величиной альбедо (А) , которая показывает, какую часть поступающей лучистой энергии отражает почва. Альбедо представляет собой отношение отраженной радиации к суммарной, поступающей к поверхности почвы, выраженное в процентах. Для идеально отражающей поверхности альбедо равно 100 %, а для абсолютно черного тела, целиком поглощающего лучистую энергию Солнца, альбедо стремиться к нулю.

Альбедо зависит от цвета почвы, ее структурного состояния, влажности и выравненности поверхности, а также от особенностей растений, цвета листьев и стеблей. Наиболее существенное влияние на теплопоглотительную способность почв оказывают количество и качество гумуса, определяющие цвет почвы, а также ее гранулометрический состав. Высокогумусированные почвы (черноземы) поглощают лучистой энергии на 10-15 % больше, чем малогумусированные, также как и глинистые по сравнению с песчаными.

Теплоемкость – способность почвы удерживать тепло.

Различают весовую и объемную теплоемкость почвы.

Весовая теплоемкость это количества тепла, затрачиваемое на нагревание 1 г почвы на 10С (Дж/г на 10С).

Объемная теплоемкость – это количества тепла, затрачиваемое на нагревание 1 см3 почвы на 10С (Дж/см3 на 10С).

Теплоемкость зависит от минералогического, гранулометрического состава и влажности почвы, а также от содержания в ней органического вещества. Весовая теплоемкость для большинства минеральных почв в абсолютно сухом состоянии колеблется в относительно узких пределах от 0,17 до 0,2. По мере повышения влажности теплоемкость песчаных почв возрастает до 0,7, глинистых – до 0,8, а торфянистых – до 0,9. Глинистые почвы отличаются большей влагоемкостью и весной медленно прогреваются, вследствие чего их называют холодными. Легкие по гранулометрическому составу почвы (песчаные, супесчаные) весной прогреваются быстрее. Поэтому они получили название теплых почв.

При одинаковом увлажнении более теплоемки те почвы, в которых больше гидрофильных коллоидов. Чем гумусированнее почва, тем она более теплоемка. Теплоемкость рыхлых почв значительно выше теплоемкости плотных.

Теплопроводность почвы – способность почвы проводить тепло. Она измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит за 1 с через 1 см3 почвы.

Тепло в почве передается через разделяющие твердые частицы, воду, воздух, при непосредственном контакте частиц между собой, излучением от частицы к частице.

На величину теплопроводности влияют химический и гранулометрический состав, влажность, содержание воздуха, плотность и температура почвы. В сухом состоянии почвы, богатые гумусом и обладающие высокой пористостью аэрации, очень плохо проводят тепло.

Химико-минералогический состав почвы незначительно влияет на теплопроводность, так как передача тепла через газовую и воздушную среды осуществляется чаще, чем при контакте между частицами.

Теплопроводность тем больше, чем крупнее гранулометрические элементы почвы (пыль, песок).

Теплопроводность твердой фазы примерно в 100 раз больше теплопроводности воздуха. Поэтому рыхлая почва менее теплопроводна, чем плотная. При повышении плотности с 1,1 до 1,6 г/см3 теплопроводность возрастает в 2-2,5 раза. При увеличении пористости с 30 до 70 % теплопроводность уменьшается в 6 раз.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОЧВ

Тепловой режим почвы включает совокупность поступления и отдачи тепла почвой, его передвижения в ней и всех изменений температуры почвы.

Источники тепла в почве – лучистая энергия солнца (прямая, рассеянная, а также атмосферная радиация); тепло, получаемое от воздуха; тепло, образующееся в результате разложения органических остатков; внутреннее тепло земного шара; тепло от радиоактивных процессов, происходящих в почве. Из пяти источников тепловой энергии последние три настолько малы, что ими можно пренебречь.

Количество тепла, получаемого почвой от воздуха, также невелико и может быть существенным лишь в отдельных случаях, например при вторжении теплых воздушных масс. Таким образом, наиболее важный источник тепла – лучистая энергия солнца.

Для каждого типа почв характерна определенная динамика температур в течение вегетационного периода и на различной глубине. Наибольшие колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы. С глубиной ее колебания уменьшаются. Суточные изменения температуры полностью затухают на глубине 40-50 см. Годовая динамика температуры зависит от природной зоны.

Глубина промерзания почвы в зимнее время зависит от мощности снежного покрова. Под снегом почва промерзает на незначительную глубину, а в бесснежные зимы или при сдувании снега ветром почва может промерзать на глубину 0,7-0,9 м и более. Поэтому снегозадержание проводят не только для накопления влаги в почве, но и для сохранения тепла.

Типы теплового (температурного) режима:

Мерзлотный тип распространен в Евроазиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областях. В зоне вечной мерзлоты среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. Замерзание доходит до многолетнемерзлых пород.
Длительно сезоннопромерзающий тип характерен для областей с преобладанием положительной среднегодовой температуры почвенного профиля. Промерзание на глубину не менее 1 м, но до многолетнее мерзлых пород не доходит.
Сезоннопромерзающий тип отличается положительной годовой температурой, вечная мерзлота отсутствует, промерзание почвы продолжается не более 5 месяцев.
Непромерзающий тип выражен в южных районах, где не наблюдается промерзание почв.

Регулирование теплового режима почв

Различают агротехнические, агромелиоративные и агрометеорологические приемы регулирования теплового режима почв.

К агротехническим приемам относят: прикатывание, гребневание, оставление стерни, мульчирование;

К агромелиоративным – орошение, осушение, лесные полосы, борьбу с засухой;

К агрометеорологическим – борьбу с заморозками, меры по снижению излучения тепла из почвы и др.

6. Физико-механические (технологические) свойства

К физико-механическим свойствам почвы относят:

1. Пластичность
2. Липкость
3. Набухание
4. Усадка
5. Связность
6. Твердость
7. Удельное сопротивление при обработке

Пластичность– способность почвы менять свою форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия.

Пластичность определяет консистенцию почвы – степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием механического воздействия при различной влажности.

Выделяют несколько форм консистенции:

1. Твердая, почва имеет свойство твердого тела, не пластична;
2. Полутвердая, переходное состояние между твердым и пластичным телом;
3. Вязкопластичная, почва обладает пластичностью, но не прилипает к другим телам;
4. Липкопластичная, почва обладает пластичность и прилипает к другим телам;
5. Вязкотекучая, почва в состоянии растекаться толстым слоем;
6. Жидкотекучая, почва может растекаться тонким слоем.

В обычных условиях для почвы характерно 4 первые формы консистенции. Однако, в некоторых почвах с сильным переувлажнением в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. Они определяют подвижность (ползучесть) почв – способность ее в переувлажненном состоянии течь под влиянием собственной массы. Текучесть почв активно проявляется в тундре, а также на склонах в зонах выклинивания грунтовых вод. При этом создаются специфические солифлюкционные формы рельефа.

Липкость– это свойство влажной почвы прилипать к другим телам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

Липкость определяет такое важное производственное свойство почв, как их физическая спелость.

Физическая спелость почв – обусловливается уровнем увлажнения, при котором исчезает способность почвенных частиц прилипать к с.-х. орудиям, но возникает способность самоагрегироваться.

Нижний предел физической спелости для разных почв различен, следовательно, липкость почв определяет оптимальные сроки и условия проведения полевых работ на конкретных почвах. Раньше других достигают состояния физической спелости легкие песчаные почвы и гумусированные черноземы.

Состав поглощенных оснований почвы в значительной мере определяет ее липкость. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует снижению величины прилипания, тогда как с возрастанием насыщенности натрием липкость почвы резко увеличивается.

На прилипание существенно влияет гранулометрический состав почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка – она наименьшая. По липкости почвы подразделяются на предельно вязкие (более 15 г/см2), сильно вязкие (5-15), средние по вязкости (2-5), слабовязкие (менее 2).

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличение гидратных оболочек). Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы. Набухание тесно связано с составом глинистых минералов почвы. Минералы монтмориллонитовой группы с расширяющейся кристаллической решеткой обладают наибольшей набухаемостью, минералы каолинитовой группы – наименьшей. Органические коллоиды при увлажнении сильно увеличиваются в объеме.

Большое влияние на набухание оказывает состав обменных катионов почв. При насыщении почв одновалентными основаниями (особенно натрием) набухание достигает 120-150%, тогда как при насыщении двух- и трехвалентными катионами значительного увеличения в объеме при набухании не наблюдается.

Усадка – сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы.

Практически целесообразно использовать следующие разделения почв по набухаемости:

1. При увлажнении объем увеличивается менее чем на 10% – слабо набухающие почвы;
2. Объем увеличивается от 10 до 20% - средне набухающие почвы;
3. Объем увеличивается от 20 до 30% - сильно набухающие почвы;
4. Более 30% - очень сильно набухающие почвы.

Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызывается связность силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена гранулометрическим и минералогическим составом, структурным состоянием почвы, влажностью и характером сельскохозяйственного использования.

Набольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наименьшей – песчаные. Малоструктурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в килограммах на 1см2 (кг/см2).

Твердость – сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра). Твердость определяется специальными приборами – твердомерами. Выражается в килограммах на см2. Высокая твердость – признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. В этих условиях требуются большие затраты энергии на обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо проникают в почву. Она плохо пропускает влагу и воздух. На почвах со значительной твердостью растения развиваются плохо.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения. По мере уменьшения влажности она резко возрастает.

С твердостью связана важная технологическая характеристика почвы – сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы при обработке находится в прямой зависимости от твердости почвы.

Удельное сопротивление – это усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Удельным сопротивлением обусловливается величина сила тяги при вспашке почвы. Выражается удельное сопротивление в кг/см2.

7. Значение физических свойств почв

Плотность почвы влияет не только на ее продуктивность. Она обусловливает формирование объемов порового пространства, в которых живут, функуционируют почвенные микроорганизмы, почвенная биота. Поэтому если изменить объем пор, измениться и почвенная биота, и почва будет функционировать иначе. Иначе будут проявляться экологические функции почв.

Физико-механическим свойствам почвы отводят первостепенное значение при решении многочисленных энергетических проблем, связанных с обработкой почвы. Физико-механические свойства определяют качество обработки почвы и характер ее деформации при работе сельскохозяйственных агрегатов, износ отдельных частей орудий обработки, соприкасающихся с почвой и коэффициент их полезного действия. Поэтому оценка этих свойств необходима для конструирования с.-х. орудий и машин, расчета сопротивления почвы при обработке и перекатывании по ней с.-х. техники. Физико-механические свойства оказывают значительное влияние на развитие и характер распространения корневых систем культурных растений по профилю почвы. В связи с этим регулирование физико-механических свойств имеет большое значение для эффективного использования пахотных угодий.

В целом, фундаментальные физические свойства, такие как, гранулометрический состав, плотность почвы, микро- и макроструктура оказывают влияние на урожай в виде создания оптимальных диапазонов содержания воды, воздуха, тепла. Или, учитывая динамичность этих характеристик, в поддержании оптимального водного, воздушного и теплового режимов для произрастания растений. Агрохимические факторы – внесение удобрений, различных стимулирующих веществ –проявляют себя только при благоприятных почвенно-физических условиях.

Все физические свойства имеют свой оптимальный диапазон, который следует создавать и поддерживать для нормального развития растений. Таким образом, именно водный и воздушный режимы определяют урожайность полевых культур, т.е. условия содержания и статуса и воздуха являются основополагающими почвенно-физическими факторами развития агроценоза.

Задачи по теме «Физические и водно-физические свойства почв. »

Содержание работы

Содержание работы заключается в решении задач и упражнений, которые выдает преподаватель индивидуально для каждого студента. Упражнения представляют собой вопрос или задание в форме вопросов, на которые нужно ответить.

Дать оценку:

1. Общей пористости почвы.
2. Пористости аэрации.
3. Какой категории и почвенно-гидрологической константе соответствует влажность воздушно-сухой почвы, степень доступности ее растениям?
4. МГ, ВЗ, какой категории и форме почвенной воды соответствуют эти показатели, степень доступности растениям.
5. Какой категории почвенной воды соответствует влажность почвы после дождей?
6. Общий и доступный для растений запас влаги в слое 0-20 см.

Нанести на график:

1. Значение влажности воздушно-сухой почвы.
2. Значения МГ и ВЗ.
3. Значение полевой влажности.
4. Значение Робщ.

По графику определить:

1. Величину НВ.
2. Диапазон активной влаги.
3. Формы и виды свободной воды.

Задачи:

Вариант 1.

Чернозем выщелоченный, тяжелосуглинистый, структурный, гумус 10%, плотность 0,90 г/см3, плотность твердой фазы 2,58 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 6% от объема почвы.

Полевая влажность после дождей:

0-10 см =34,0%,
10-20 см =36,0%,
20-30 см = 39%,
30-40 см = 40,0%,
40-50 см = 35, 0%.

Вариант 2.

Чернозем супесчаный, бесструктурный, гумус 5%, плотность 1,1 г/см3, плотность твердой фазы 2,68 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 1,5%.

Полевая влажность после увлажнения:

0-10 см = 9,0%,
10-20 см = 10,0%,
20-30 см = 12 %,
30-40 см = 10,0 %,
40-50 см = 7,0%.

Вариант 3.

Каштановая суглинистая, бесструктурная почва, гумус 5%, плотность 1,26 г/см3, плотность твердой фазы 2,50 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 4,3%.

Полевая влажность после увлажнения:

0-10 см = 32,0%,
10-20 см = 35,0%,
20-30 = 34,0%,
30-40 см = 30,0%,
40-50 см = 30,0%.

Вариант 4.

Черноземно-луговая тяжелосуглинистая почва, структурная, гумус 9%, плотность 0,96 г/см3, плотность твердой фазы 2,38 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 6,5%. Грунтовые воды появляются с 60 см.

Полевая влажность после длительного дождя:

0-10 см = 34,0%,
10-20 см = 35%,
20-30 см = 39,0%,
30-40 см = 40,0%,
40-50 см = 42,0%.

Вариант 5.

Чернозем южный тяжелосуглинистый, структурный, гумус 6,5%, плотность 1,04 г/см3, плотность твердой фазы 2,66 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 6,7%.

Влажность после дождя:

0-10 см = 32,0%,
10-20 см = 30,0%,
20-30 см = 26,0%,
30-40 см = 24,0%,
40-50 см = 23,0%.

Вариант 6.

Дерново-подзолистая тяжелосуглинистая, структурная почва, гумус 3,8%, плотность 1,22 г/см3, плотность твердой фазы 2,62 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 4,7%.

Влажность почвы после ливневого дождя:

0-10 см = 35,0%,
10-20 см = 38,0%,
20-30 см = 40,0%,
30-40 см = 40,0%,
40-50 см = 36,0%.

Вариант 7.

Дерново-подзолистая легкосуглинистая, бесструктурная почва, гумус 1,6%, плотность 1,28 г/см3, плотность твердой фазы 2, 58 г/см3, влажность воздушно-сухой почвы 1,8%.

Влажность почвы после ливневого дождя:

0-10 см = 12,5%,
10-20 см = 12,0%,
20-30 см = 13,0%,
30-40 см = 13,0%,
40-50 см = 13,0%.

Вариант 8.

Дерново-подзолистая легкосуглинистая, укороченная, гумус 1,5%, плотность 1,28 г/см3, плотность твердой фазы 2,58 г/см3, влажность воздушно-сухом состоянии 2,0%. С глубины 60 см появляется глинистый слой породы.

Влажность почвы после дождей:

0-10см = 12,0%,
10-20 см = 13,0%,
20-30 см = 15,0%,
30-40 см = 18,0%,
40-50 см = 21,0%.

Упражнения:

1. Назовите определение «плотность твердой фазы почвы». От каких свойств она зависит?

2. Плотность сложения почвы. От каких свойств она зависит и на какие влияет?

3. Оценочная шкала плотности сложения почвы по Качинскому.

4. Дайте оценку плотности сложения следующих почв:

дерново-сильноподзолистых А1 – 1,23 г/см3, А2 – 1,26 г/см3, В – 1,56г/см3;
серых лесных легкосуглинистых Апах – 1,38 г/см3, А1А2 – 1,48 г/см3, В – 1,51 г/см3;
черноземов выщелоченных тяжелосуглинистых Апах – 1,15 г/см3, АВ – 1,17 г/см3, В – 1,31 г/см3;
каштановых легкосуглинистых Апах – 1,16 г/см3, В – 1,38 г/см3;
каштановых супесчаных Апах – 1,08 г/см3, В – 1,21 г/см3;
средних суглинистых солонцов А – 1,28 г/см3, В1 – 1,68 г/см3.

5. Рассчитайте плотность сложения почвы, если масса сухой почвы равна 20 г, а объем, занимаемый ею, 15 см3.

6. Назовите пределы значений плотности твердой фазы и плотности сложения у минеральных и органогенных почв.

7. Дайте определение пористости почвы и назовите оценочную шкалу пористости почв по Качинскому.

8. Дайте оценку пористости следующих почв, используя шкалу Качинского:

дерново-сильноподзолистых А1 – 51%, А2 – 50%, В – 38%;
серых лесных легкоглинистых Апах – 62%, А1А2 – 57%, В – 45%;
обыкновенных легкосуглинистых черноземов Апах – 55%, АВ – 51%, В – 50%;
средних глинистых солонцов А – 53%, В – 40%;
торфяно-болотных Ат – 79%, Т – 85%, G – 32%.

9. Дайте оценку плотности сложения и общей пористости пахотного слоя:

чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого:

а) 0,92 г/см3 и 72%,
б) 1,12 г/см3 и 63%,
в) 1,18 г/см3 и 53%;

каштановой среднесуглинистой почвы:

а) 1,20 г/см3 и 49%,
б) 1,14 г/см3 и 54%.

10. Рассчитайте плотность твердой фазы и плотность сложения, если известно, что общая пористость равна 53%, влажность почвы – 22% от массы сухой почвы, масса сырой почвы составляет 350 г, а общий объем почвы (объем твердой и газообразной фаз) – 227 см3.

11. Назовите факторы, оказывающие преобладающее влияние на величину плотности твердой фазы и плотности сложения почв.

12. Определите пористость аэрации, если известно, что плотность твердой фазы почвы равна 2,5 г/см3, плотность сложения 1,08 г/см3, а влажность почвы – 28%.

13. Определите пористость аэрации в 0-20 см слое почвы, если:

а) влажность – 20%, общая пористость – 58%, плотность сложения – 1,12 г/см3;
б) влажность – 35%, общая пористость – 52%. Плотность сложения – 1,20 г/см3;
в) влажность – 30%, общая пористость – 52%, плотность сложения – 1,17 г/см3.

14. Почему в почвах, имеющих агрономически ценную структуру, пористость всегда выше, чем в бесструктурных почвах?

15. Определите массу сухой почвы, если во влажном состоянии она составляет 250 г, а влажность равна 25%.

16. Что является «естественным регулятором» водно-воздушного режима почв и почему?

17. В каком состоянии увлажнения (влажном или сухом) сильнее разрушается структура дождевыми каплями? Почему?

18. В каком состоянии увлажнения (влажном или сухом) почва скорее замерзает и глубже промерзает? Почему?

19. Определите влажность и доступную влагу почвы, если масса влажной почвы равна 30 г, сухой – 20 г, а МГ – 5%.

20. Определите влажность почвы, полную влагоемкость, вывод об условиях увлажнения, если масса сырой почвы равна 97 г, сухой – 81 г, общая пористость почвенного образца составляет 49% от общего объема почвы этого образца, равного 63 см3.

21. Рассчитайте общий и продуктивный запас воды:

в слое 0-20 см с влажностью почвы 22%, МГ – 6%, плотностью сложения1,20 г/см3;
в слое 0-20 см с полевой влажностью 10%, МГ – 3,76%, плотностью сложения 1,22 г/см3;
в слое 0-30 см с полевой влажностью 24%, ВЗ – 10%, плотностью сложения 1,07 г/см3;
в слое 0-40 см с полевой влажностью 30%, ВЗ – 10,5%, плотностью сложения 1,08 г/см3;
в слое 0-20 см с полевой влажностью 34%, ВЗ – 17,3%, плотностью сложения 1,12 г/см3;
в слое 0-30 см с полевой влажностью 38%, МАВ – 3,2%, плотностью сложения 1,15 г/см3.

22. Определить запас продуктивной воды в слое почвы 0-25 см, если известно, что масса сырой почвы – 250 г, после высушивания – 200 г, плотность сложения – 1 г/см3, МГ – 10%.

23. Определите количество недоступной воды в:

метровой толще чернозема выщелоченного легкосуглинистого при средней для этого слоя плотности сложения, равной 1,42 г/см3 и ВЗ – 3,65%;
пахотном слое (0-20 см) темно-серой почвы при плотности сложения 1,25 г/см3 и ВЗ – 5,12%;
полуметровом слое лугово-черноземной тяжелосуглинистой почвы с плотностью сложения 0,91 г/см3 и МГ – 12%.

24. Определите максимальный запас продуктивной влаги в слое 0-20 см серой лесной почвы с плотностью сложения 1,55 г/см3, ПВ – 33,6%, ВЗ – 11.5%.

25. Рассчитайте диапазон активной влаги в %, мм, м3/га, если дано: НВ – 40%, ВЗ – 10%, плотность сложения – 1,31 г/см3.

26. Определите дефицит влажности при следующих параметрах: а) НВ – 40%, полевая влажность – 25%; б) НВ – 25%, плотность сложения – 1,35 г/см3, полевая влажность – 18%.

27. Определите количество (мм) просочившейся через слой 0-20 см гравитационной воды, если влажность почвы в этом слое равна 40%, плотность сложения – 1,25 г/см3, НВ -37%.

28. Назовите значения гидрологических констант в разных почвах. Какие почвенные свойства влияют на гидрологические константы?

29. Покажите на примерах применение гидрологических констант в агрономической деятельности.

30. Влажность почвы в слое 0-15 см равна 32%, нВ – 30%, плотность сложения – 1,25 г/см3. Определите количество просочившейся через слой 0-15 см гравитационной воды в мм.

31. Определите диапазон активной влаги почвы, которая имеет НВ – 25,5%, ВЗ – 16,0%, плотность сложения – 1,37 г/см3.

32. Дайте оценку запасам продуктивной влаги:

в слое 0-20 см почвы: 16 мм, 27 мм, 34 мм, 45 мм, 60 мм;
в слое 0-50 см: 26 мм, 44 мм, 62 мм, 70 мм, 90 мм;
в слое 0-100 см: 52 мм, 85 мм, 110 мм, 160 мм, 190 мм.

33. Роль ранневесеннего рыхления почв.

34. Роль после посевного прикатывания почв.

35. Восстановление структуры способствует увеличению содержания, какой формы воды в почве?

36. Какие мероприятия способствуют улучшению водного режима территорий избыточного увлажнения?

37. Как изменяются запасы воды в почве в зависимости от агротехнических приемов?