Текст книги "Почвоведение и инженерная геология"

2.5 Определение общих физических свойств почвы

Почва как физическое тело состоит из четырех фаз: твердой, жидкой, газообразной и населения почвы. Твердая фаза представлена минеральными и органическими веществами, жидкая – водой с растворенными в ней соединениями (почвенный раствор), а газообразная – почвенным воздухом.

Плотностью твердой фазы почвы называется отношение массы твердой фазы почвы в сухом состоянии к массе равного объема воды при температуре +4 °C. Эта величина зависит от природы входящих в почву минералов и от количества органического вещества.

В среднем плотность твердой фазы у большинства почв равна 2,50–2,65 г/см³ и изменяется в зависимости от указанных причин. Чем больше гумуса содержит почва, тем меньше плотность твердой фазы. Так, чернозем с 10 %-м содержанием гумуса имеет плотность твердой фазы около 2,4 г/см³, а дерново-подзолистая почва с 2,5 %-м содержанием гумуса – 2,6 г/см³. У торфов плотность твердой фазы зависит от степени разложения и зольности торфа и колеблется от 1,4 до 1,7 г/см³. Некоторые скелетные почвы имеют плотность твердой фазы 3,0 г/см³.

Знание плотности твердой фазы почвы необходимо для вычисления пористости почвы. Кроме того, плотность твердой фазы почвы дает некоторую ориентировку в петрографическом составе входящих в почву минералов и указывает на соотношение минеральной и органической частей.

Плотность твердой фазы почвы определяют пикнометрическим способом. Для ее вычисления надо знать объем и массу твердой фазы почвы. При пикнометрическом способе объем твердой фазы находят путем вытеснения воды взятой навеской почвы.

Ход анализа

1. В колбу наливают около 250 мл дистиллированной воды, кипятят примерно полчаса для удаления из нее растворенного воздуха и охлаждают до комнатной температуры.

2. Берут пикнометр (или мерную колбу) на 100 мл, наливают в него до метки прокипяченную и охлажденную дистиллированную воду, измеряют температуру и взвешивают на аналитических весах.

3. Из просеянного через миллиметровое сито образца отвешивают на аналитических весах в стеклянный стаканчик или в какуюлибо другую тару 9–10 г воздушно-сухой почвы. Одновременно берут навеску для определения гигроскопической влаги, если ее не определяли.

4. Из взвешенного пикнометра выливают немного больше 1/2 объема воды и высыпают в него навеску почвы. Стаканчик, в котором находилась почва, снова взвешивают и по разности между стаканчиком с почвой и пустым стаканчиком находят массу почвы, взятой для определения плотности твердой фазы.

5. Почву и воду в пикнометре кипятят 30 мин для удаления воздуха, доливая дистиллированной водой по мере выкипания до половины его объема.

6. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры и доливают прокипяченную и охлажденную воду до метки, вытирают снаружи фильтровальной бумагой и взвешивают на аналитических весах. Нужно следить, чтобы температура пикнометра с водой и почвой и первоначальная температура пикнометра с водой были одинаковыми.

7. Плотность твердой фазы почвы вычисляют по формуле

где d – плотность твердой фазы, г/см³; А – навеска сухой почвы, г; В – масса пикнометра с водой, г; С – масса пикнометра с водой и почвой, г.

Форма записи результатов

Плотностью почвы называют массу единицы ее объема в естественном сложении. При определении плотности узнают массу почвы в определенном объеме со всеми порами. Определяя плотность твердой фазы, узнают массу твердой фазы почвы, занимающей весь объем, без пор. Таким образом, плотность сложения одной и той же почвы всегда будет меньше плотности ее твердой фазы. Плотность характеризует взаимное расположение почвенных частиц и агрегатов и выражается в граммах на 1 см³. Она зависит от гранулометрического состава, содержания органического вещества и структурного состояния почвы.

Плотность сложения минеральных почв колеблется от 0,8 до 1,8 г/см³. В верхних горизонтах черноземных почв плотность составляет 1,0–1,2, в нижних – 1,3–1,6 г/см³. У почв с небольшим содержанием гумуса плотность около 1,3–1,6 г/см³. В нижних горизонтах почв с плотным сложением она составляет 1,6–1,8 г/см³. Плотность целинных верховых болотных почв 0,04–0,08, старопахотных низинных болотных почв 0,2–0,3 г/см³.

Знание плотности почвы позволяет высчитывать запасы воды, питательных веществ в пахотном или любом другом горизонте почвы. Таким образом, определение плотности почвы имеет важное агрономическое значение.

От плотности почвы зависят водно-воздушные, тепловые и биологические свойства. С уплотнением суглинистых и глинистых почв уменьшается общая пористость и объем пор аэрации, увеличивается объем неактивных пор, в которых вода практически недоступна растениям, снижается скорость фильтрации, затрудняется распространение корней.

Чрезмерно рыхлое состояние почвы также неблагоприятно, так как почва при этом быстро иссушается, нарушается контакт семян, корней растений с почвой. Отрицательное влияние повышенной плотности на легких почвах (пески и супеси) сказывается слабее или вовсе не сказывается для ряда культур.

В лабораторных условиях плотность сложения почвы определяют из рассыпного образца с нарушенным сложением почвы. Но такой метод не дает действительного представления о плотности сложения почвы в ее естественном залегании.

Ход анализа

1. Берут цилиндр (бюкс). Взвешивают его.

Насыпают в цилиндр почву из нерастертого образца, уплотняя ее по мере наполнения (постукивают дном цилиндра о ладонь руки). Измеряют высоту насыпного слоя почвы, диаметр цилиндра и определяют объем почвы.

Взвешивают цилиндр с почвой.

2. Вычисляют плотность сложения почвы (d_V) по формуле

где d _v – плотность сложения почвы, г/см ³ , P – масса сухой почвы, г; V – объем почвы, см³.

Объем цилиндра вычисляем по формуле

где π= 3,14; r – радиус цилиндра, см; h – высота цилиндра, см.

Форма записи результатов

Таблица 6 – Оценка плотности сложения суглинистых и глинистых почв (по Н.А. Качинскому)

Между механическими элементами и агрегатами в почве имеются промежутки – поры. В них размещаются вода, воздух, микроорганизмы, корни растений. Объем пор в почве, их размер зависят от гранулометрического состава, структуры и плотности почвы. Количество пор и соотношение их по размерам определяют важнейшие свойства почв, и прежде всего водно-воздушные.

Суммарный объем пор в почве в единице объема называется общей пористостью. Общая пористость подразделяется на капиллярную и некапиллярную (поры аэрации). 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 находятся капиллярная вода, почвенный воздух, микроорганизмы и корни растений, называются активными. К неактивным относят поры, занимаемые связанной водой (прочносвязанная и рыхлосвязанная вода).

В агрономическом отношении важно, чтобы почвы располагали большим объемом капиллярных пор и при этом имели некапиллярную пористость не менее 20–25 % от общей пористости. Если при влажности почвы, соответствующей предельной полевой влагоемкости, в почве находится наибольшее количество капиллярноподвешенной влаги, а объем пор аэрации составляет величину меньше указанной, необходимы агротехнические или мелиоративные мероприятия по улучшению аэрации почв.

Общую пористость можно рассчитать на основании плотности твердой фазы и плотности сложения почвы по формуле

где С_к – общая пористость, проц.; d – плотность твердой фазы почвы, г/см³; d_V – плотность сложения почвы, г/см³.

Для оценки общей пористости (в %) суглинистых и глинистых почв Н.А. Качинский предлагает нижеследующую шкалу:

>70 Избыточно пористая. Почва вспушена.

55–65 Отличная. Культурный пахотный слой.

50–55 Удовлетворительная для пахотного слоя.

<50 Неудовлетворительная для пахотного слоя.

40–25 Чрезмерно низкая. Характерна для уплотненных иллювиальных горизонтов.

Пористость аэрации – это часть общей пористости почвы, заполненная воздухом. Она равна разности между объемом общей пористости и объемом воды, которая содержится в почве в момент определения пористости.

Пористость аэрации вычисляют на основании данных общей пористости, влажности и плотности сложения почвы и выражают в процентах по отношению к объему почвы.

Расчет скважности аэрации (А_Э) производят по формуле

где А_W – содержание воды в объемных процентах. Эту величину вычисляют по формуле

где W – влажность почвы, проц.; d_V – плотность сложения почвы, г/см³.

Оборудование и материалы. 1. Пикнометры емкостью 100 мл. 2. Воронки. 3. Аналитические весы. 4. Электроплитка. 5. Кипяченая остуженная вода. 6. Почва, просеянная через сито 1 мм. 7. Нерастертый образец почвы. 8. Аллюминиевые цилиндры. 9. Технохимические весы. 10. Линейка.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте понятия плотности сложения, плотности твердой фазы, пористости почвы и их агрономическую оценку. 2. Какова оптимальная плотность почвы для сельскохозяйственных культур? 3. Что такое равновесная плотность почвы? 4. От каких свойств почвы зависит плотность сложение почвы, плотность твердой фазы, пористость? 5. Укажите приемы регулирования общих физических свойств почв.

2.6 Определение водно-физических свойств почвы

Почва как многофазная, полидисперсная система способна поглощать и удерживать воду. В ней всегда находится определенное количество влаги. Содержание влаги в процентах к массе сухой почвы (высушенной при 105 ºС) характеризует влажность почвы. Последнюю можно выражать также в процентах от объема почвы, м³/га, в мм.

Основными водными свойствами почв являются водоудерживающая способность, водопроницаемость и водоподъемная способность.

Свойство почвы удерживать влагу от стекания сорбционными и капиллярными силами называется водоудерживающей способностью. Количество влаги, которое способна удержать почва, называется влагоемкостью. В зависимости от того, в какой форме находится удерживаемая вода, различают максимальную адсорбционную влагоемкость (МАВ), предельную полевую (наименьшую полевую) влагоемкость (ППВ), капиллярную влагоемкость (KB) и полную влагоемкость (ПВ), или водовместимость. Максимальная адсорбционная влагоемкость – наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемое сорбционными силами. Предельная полевая влагоемкость – наибольшее количество капиллярноподвешенной воды, которое может удерживать почва менисковыми или капиллярными силами после стекания всей гравитационной воды. Капиллярная влагоемкость – максимальное количество капиллярноподпертой воды, которое может содержаться в почве. Полная влагоемкость – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при заполнении всех пор водой.

Влагоемкость выражают в процентах массы сухой почвы, в процентах объема почвы, миллиметрах, в кубических метрах на 1 га.

Ход анализа

Берут металлический цилиндр с сетчатым дном. Внутрь его кладут фильтровальную бумагу. Определяют массу пустого цилиндра. Затем в цилиндр насыпают почву из нерастертого образца, уплотняя ее при этом, путем постукивания цилиндром о ладонь. После этого снова взвешивают цилиндр с почвой, для того, чтобы определить массу воздушно-сухой почвы в объеме цилиндра. Для определения скорости капиллярного подъема воды измеряют высоту почвы в цилиндре. Металлический цилиндр с почвой помещают в специальную ванночку с водой так, чтобы сетчатое дно цилиндра стояло на фильтровальной бумаге, концы которой опущены в воду, и засекают время начала насыщения. Вода по порам бумаги передается почве, и происходит ее капиллярное насыщение. После того, как произойдет насыщение (поверхность почвы увлажнится), снова засекают время. После полного насыщения цилиндр взвешивают на технохимических весах.

Расчеты капиллярной влагоемкости (КВ) в процентах производят по формуле

где В – масса почвы в объеме цилиндра после насыщения, г; Е – масса абсолютно сухой почвы в объеме цилиндра, г.

Скорость капиллярного подъема воды находят по формуле

где h – высота столба почвы, помещенного в цилиндр, мм; t – продолжительность насыщения, мин.

Форма записи результатов

Предельная полевая влагоемкость (ППВ) или наименьшая влагоемкость (НВ) – наибольшее количество капиллярноподвешенной воды, которое может удерживать почва менисковыми или капиллярными силами после стекания всей гравитационной воды.

Предельная полевая влагоемкость – важнейшая характеристика водных свойств почв. В природной обстановке она наблюдается после обильного увлажнения почв и стекания всей гравитационной влаги. При предельной полевой влагоемкости в почве имеется максимальное количество влаги, доступной растениям. Разница между ППВ и влажностью завядания (ВЗ) характеризует, по Н.А. Качинскому, диапазон активной или продуктивной влаги.

В почвах с глубоким залеганием грунтовых вод, в профиле, лежащем выше капиллярного увлажнения, высший предел влажности – наименьшая влагоемкость (НВ). Общепринятым методом определения НВ считается метод делительных площадок, заливаемых водой в полевых условиях. Но этот метод длительный и трудоёмкий, особенно в условиях, когда нет близко пресной воды, и когда требуется определить НВ на большую глубину. Этим и объясняется ограниченность широкого использования этого метода.

Ход анализа

Лабораторный метод С.Н. Пустовойта и А. Ражабова основан на определении водоудерживающей способности почв и заключается в нижеследующем.

Из образца воздушно-сухой почвы берут среднюю пробу около 40 г, растирают каучуковым или деревянным пестиком и просеивают через сито с отверстиями 3 мм. Просеянную почву тщательно взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Навеску помещают в специально приготовленный цилиндр с сетчатым дном. Цилиндры могут быть приготовлены из стекла, пластмассы или цветных нержавеющих металлов. Высота цилиндра около 10 мм. На нижний скошенный конец цилиндра прикрепляется туго натянутая шелковая или бронзовая сеточка с отверстиями около 0,1 мм.

Перед анализом цилиндр с сеткой и фильтром и стакан для сбора фильтрата предварительно смачивают водой. Смоченный цилиндр в подвешенном состоянии помещают в смоченный химический стакан ёмкостью 50–100 мл.

В подготовленный к анализу цилиндр помещают навеску почвы 10 г, затем в цилиндр пипеткой точно наливают 10 мл воды. Для более быстрого и полного стекания фильтрата к сетке с внешней стороны цилиндра прикрепляется хорошо смоченный кружочек фильтровальной бумаги.

Для предохранения налитой воды от испарения весь прибор помещают под большой смоченный стакан или стеклянную банку ёмкостью 0,5 литра. Под банку или стакан помещают комок сильно увлажненной ваты или марли. Через 30–40 минут, когда фильтрация из цилиндра полностью прекращается, фильтрат, собранный в стакане, переносят в градуированную пробирку и измеряют объём с точностью до 0,1 мл.

Результаты определения наименьшей влагоемкости записываются следующим образом:

С – навеска почвы, г ________________

V₀ – объем (см³) прилитой воды __________________

V₁ – объем (см³) фильтрата _______________

Наименьшую влагоёмкость (НВ) вычисляют по формуле

где НВ – наименьшая влагоёмкость, проц.; V₀ – объем прилитой воды, см³; V₁ – объем фильтрата, см³; С – навеска почвы, г; 0,43 – коэффициент Кабаева, полученный экспериментальным путем.

Таблица 7 – Оценка наименьшей влагоемкости

Оборудование и материалы. 1. Цилиндры с сетчатым дном. 2. Технохимические весы. 3. Плоскодонная чашка. 4. Фильтровальная бумага. 5. Линейка. 6. Секундомер (или часы с секундной стрелкой). 7. Почва, просеянная через сито 3 мм. 8. Стеклянные стаканчики объемом 100 мл и на 500–600 мл. 9. Измерительный цилиндрик на 5 мл.

В приводимых ниже формулах буквенные знаки имеют следующие значения:

W – влажность почвы в весовых процентах для слоя почвы в момент работы;

d_V – плотность сложения почвы, г/см³;

Н – толщина изучаемого слоя, см;

Нв – влажность, соответствующая наименьшей влагоемкости почвы, проц.

МГ – максимальная гигроскопичность, проц.

Таблица 8 – Оценка запасов продуктивной влаги по шкале А.В. Бадюковой, З.А. Корчагиной (мм)

Расчеты запасов воды в почве (в миллиметрах водного слоя) проводятся по формулам.

1. Запас воды в изучаемом почвенном слое в момент работы (В):

2. Запас воды, соответствующий наименьшей влагоемкости (НВ):

3. Запас воды, соответствующий влажности завядания (ВЗ):

Для этого рассчитывают сначала влажность устойчивого завядания растений (Вз) в весовых процентах:

4. Запас полезной для растений воды в почве (ЗПВ):

5. Максимальный запас полезной влаги для растений (МЗПВ):

6. Дефицит запасов почвенной влаги (ДВ):

7. Оптимальная поливная норма (ОПН) рассчитывается по формуле

Чтобы перейти от мм водного слоя к кубическим метрам, надо результат умножить на 10, так как 1 мм = 10 м³/га.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие категории воды выделяют в почве; каковы их прочность связи с твердой фазой почвы и доступность растениям? 2. Что такое почвенно-гидрологические константы? 3. Какое влияние на водные свойства оказывают гранулометрический состав, структурное и гумусовое состояние, состав поглощенных катионов почв? 4. Что называется влажностью завядания и как ее вычисляют? 5. Какая влага называется продуктивной? Укажите диапазон продуктивной влаги в почве. 6. Какие применяют мероприятия по регулированию водного режима в различных природных зонах?

2.7 Задачи по разделу «Физические свойства почвы»

С целью овладения навыками расчета и оценки различного рода почвенно-мелиоративных показателей при изучении физических свойств почв предлагаются нижеследующие задачи.

1. Найти влажность почвы, если масса влажной почвы 30 г, а масса сухой почвы 20 г.

2. Какова влажность завядания растений, если максимальная гигроскопическая влажность почвы 5 %?

3. Определить количество недоступной влаги в пахотном горизонте (0–20 см) почвы при плотности сложения, равной 1,2 г/см³, максимальной гигроскопичности 3,76 %.

4. Определить запас продуктивной влаги в пахотном слое (0– 20 см) чернозема выщелоченного, имеющего полевую влажность 30 %, влажность устойчивого завядания растений – 10,5 %, плотность сложения пахотного слоя – 1,07 г/см³.

5. Полевая влажность пахотного слоя темно-каштановой почвы равна 10 %. Определить запас продуктивной влаги пахотного горизонта (0–20 см), если плотность сложения равна 1,22 г/см³, а максимальная гигроскопичность равна 3,76 %.

6. Чернозем обыкновенный. Посев кукурузы на силос. Запас влаги в почве перед посевом в слое 0–50 см – 179 мм, перед уборкой – 96 мм, осадки за вегетационный период составили 190 мм. Урожайность зеленой массы – 180 ц/га. Определить коэффициент водопотребления (мм/т).

7. Почва – чернозем выщелоченный, посев пшеницы. Запас влаги в метровом слое перед посевом 362 мм, перед уборкой – 210 мм, осадки за вегетационный период составили 190 мм. Урожайность яровой пшеницы 16,7 ц/га. Определить общий расход влаги и коэффициент водопотребления.

8. Плотность твердой фазы 2,5 г/см³, плотность сложения 1,08 г/см³, влажность почвы 28 %. Определить пористость аэрации.

9. Слой почвы 0–20 см, наименьшая влагоемкость 40 %, влажность почвы 25 %. Определить дефицит влажности.

10. Слой почвы 0–100 см, наименьшая влагоемкость 30 %, влажность почвы 20 %, плотность сложения 1,2 г/см³. Определить оптимальную поливную норму.

11. Рассчитать массу пахотного слоя мощностью 20 см на 1 га, если плотность сложения почвы 1,2 г/см³.

12. В пахотном слое (0–30 см) чернозема типичного с плотностью сложения 0,96 г/см³ содержится гумуса 9,5 %, валового азота – 0,65 и валового фосфора – 0,21 %. Рассчитать их запасы.

13. В пахотном слое (0–20 см) почвы при плотности сложения 1,18 г/см³ содержится нитратного азота – 15, а аммиачного азота – 5 мг на 100 г почвы. Определить запасы подвижных форм азота.

14. Дать название почвы по гранулометрическому составу, если известно, почва содержит частиц меньше 0,01 мм – 48 %.

15. Дать полное название почвы по гранулометрическому составу с использованием преобладающих фракций, если она содержит: частиц больше 0,25 мм – 0,5 %, 0,25–0,05 – 15,5 %, 0,05– 0,01 мм – 47,1 %, 0,010–0,005 мм – 6,9 %, 0,005–0,001 мм – 8,9 %, меньше 0,001 мм – 21,1 %.