Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам относятся связность, липкость, пластичность, набухание и спелость почвы.

Связность. Способность почвы противостоять разрывающему усилию называют связностью. Она зависит от силы сцепления частиц. Тяжелые бесструктурные почвы, насыщенные одновалентными катионами, более связны по сравнению с легкими структурными почвами, насыщенными кальцием и магнием. Связность зависит также от влажность почвы и играет существенную роль при ее обработке.

Липкость. Это способность почвы во влажном состоянии прилипать к сельскохозяйственным орудиям или другим предметам. Степень липкости зависит от гранулометрического состава, степени структурности и влажности. При одно и то же влажности липкость увеличивается с возрастанием количества илистых частиц и уменьшением структурности почвы.

Пластичность. Способность почвы изменять форму без распадания на отдельности под влиянием внешних сил и сохранять приданную форму после устранения действия этих сил называют пластичностью. Зависит она от гранулометрического состава, содержания влаги и проявляется при среднем содержании влаги. При переувлажнении почва течет, а при недостаточном увлажнении крошится или ломается.

Набухание. Это способность почвы увеличивать объем при увлажнении. Противоположное ему свойство, проявляющееся при высыхании, называют усадкой. Набухание и усадка зависят от гранулометрического состава и состава обменных катионов. Тяжелые почвы, особенно насыщенные натрием, сильно набухают при увлажнении и садятся при высыхании. Эти свойства крайне неблагоприятны, так как вызывают растрескивание почвы и разрыв корней растений.

Спелость почвы. Имеет существенное значение для установленя правильных сроков обработки почвы.

Физической спелостью называют состояние почвы, при котором на легко обрабатывается, не мажется и не разделяется на глыбы, а крошится на комки разной величины. Физическая спелость определяется влажностью почвы, ее связностью и пластичностью.

Биологическая спелость – состояние почвы, при котором активно развиваются микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением питательных элементов. Состояние биологической спелости тесно связано с физической спелостью и температурой пахотного слоя.

Таким образом, физические свойства играют большую роль в жизни почвы, так как определяют ее водно-воздушный и питательный режимы и условия обработки сельскохозяйственными орудиями.

Водные свойства и водный режим почвы

Источники воды в почве. Первым и основным источником воды в почве являются осадки, в жидком или твердом виде поступающие на поверхность почвы. Количество воды, просачивающейся в почву, а также задерживающейся в ней зависит от гранулометрического состава почвы, её оструктуренности и гумусированности. Чем легче почва, тем больше просачивается в нее воды, чем она структурнее, богаче гумусом и тяжелее по гранулометрическому составу, тем больше воды удерживается ею. Большое влияние на поступление воды в почву оказывают также рельеф местности и характер растительности.

Вторым источником воды служит парообразная влага приземных слоев атмосферы, конденсирующаяся при понижении температуры. Этот источник имеет реальное значение в районах с жарким сухим континентальным климатом.

Третий источник – грунтовые воды, если они залегают на сравнительно небольшой глубине (не глубже 3-5 м от поверхности почвы).

В районах орошаемого земледелия главным источником воды служат воды, тем или иным путем подаваемые в поля.

Формы воды и доступность ее растениям. Поступая в почву, вода дифференцируется на отдельные формы и становится в различной степени доступной растениям. Различают следующие основные категории влаги, по-разному связанные с твердой фазой почвы и имеющие неодинаковые подвижность и доступность растениям.

Кристаллическая (конституционная) вода. Входит в состав кристаллических веществ в виде самостоятельных молекул (CaSO₄·2H₂O). Характеризуется очень высокой прочностью связи и неподвижностью.

Твердая влага (лед). Неподвижна.

Парообразная вода. Находится в почвенном воздухе в виде водяного пара. Она содержится в почве в небольшом количестве и свободно передвигается от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей упругостью. Поглощается поверхностью твердых частиц. Ее подразделяют на гироскопическую и пленочную.

Гигроскопической называют воду, которая образует пленку непосредственно на поверхности твердых частиц и очень прочно связана с ними силами молекулярного притяжения. Количество гигроскопической воды зависит в основном от содержания органических и минеральных частиц, способных образовывать вокруг себя пленку. Поэтому тяжелые и хорошо гумусированные почвы содержат больше гигроскопической воды, чем легкие почвы или почвы, содержащие мало гумуса. Максимальное количество воды, которое почва может поглощать поверхностью своих частиц, называется максимальной гигроскопичностью.

Пленочной водой называют воду, которая располагается поверх пленки гигроскопической воды и также удерживается силами молекулярного притяжения. Пленочная вода может образовывать несколько слоев, накладывающихся один на другой. Свободно в почве она не передвигается, но при соприкосновении частиц, имеющих пленки разной толщины, пленки выравниваются и влага переходит от одной частицы к другой. Количество пленочной воды зависит от гранулометрического состава почвы и содержания гумуса. Наибольших величин оно достигает в тяжелосуглинистых и глинистых хорошо гумусированных почвах.

Свободная вода. Свободной называют влагу, заполняющую капилляры почвы и удерживаемую в них капиллярными силами. В зависимости от характера поступления воды в почву различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду.

Капиллярно-подвешенная – это вода, образующая капиллярные столбики, не смыкающиеся внизу с грунтовыми водами или верховодкой. Такая вода появляется в почве при увлажнении ее сверху атмосферными или поливными водами.

Капиллярно-подпертая – это вода, которая образует капиллярные столбики в результате подъема грунтовых вод. Вода одной и другой форм подвижна.

Скорость передвижения капиллярной воды зависит от гранулометрического состава почвы, состава обменных катионов и структуры. Почвы, насыщенные одновалентными катионами, и особенно натрием, при увлажнении сильно набухают. Капилляры в них становятся тонкими или совсем закупориваются, поэтому передвижение воды замедляется. Двухвалентные катионы влияют противоположно. В структурных почвах в отличие от бесструктурных нет единой системы неразорванных капилляров. Значительные по длине капилляры образуются лишь там, где агрегаты непосредственно соприкасаются. Поэтому передвижение влаги в структурных почвах в целом замедлено, что способствует лучшему сохранению воды и предохраняет почву от иссушения.

Почвенные капилляры представляют собой трубки, диаметр которых в разных точках непрерывно меняется – увеличивается и уменьшается. В том случае, когда в какой-то точке капилляр становится настолько тонким, что стенки его почти соприкасаются, он закупоривается. Это закупоривание осуществляется пленочной водой, которая обволакивает мелкодисперсные частицы почвы и тем самым создает пробку в узкой части капилляра. Если таких пробок много, столбик воды оказывается разобщенным на части пробками из пленочной воды. Такая форма влаги называется пленочно-подвешенной.

Различают еще одну форму свободной воды – гравитационную, которая не может удерживаться в почве и свободно передвигается по крупным порам вниз под действием силы тяжести. Это неустойчивая форма влаги и существует какое-то время после выпадения осадков или после полива.

Вода разных форм неодинаково доступна растениям. Парообразную влагу растения непосредственно не усваивают, но конденсируясь, она переходит в иные доступные растениям формы. Гигроскопическая вода очень прочно связана с почвой: она удерживается коллоидными и илистыми частицами с большой силой и поэтому недоступна растениям. Пленочная вода удерживается почвой с несколько меньшей силой, чем гигроскопическая, но и она, как правило, недоступна растениям. Суммарное количество гигроскопической и пленочной воды составляет так называемый мертвый запас влаги. Все виды свободной воды легкодоступны для растений и составляют ее продуктивный запас. Следовательно, обеспеченность растений водой зависит не только от ее общего содержания, но и от соотношения различных форм воды в почве.

Водные свойства почвы. Количество воды, которое почва может удерживать в себе, называют влагоемкостью. Различают несколько ее видов.

Наибольшее количество влаги, которое может находиться в почве при полном заполнении всех пор водой, называют полной или наибольшей влагоемкостью. Она зависит от пористости почвы. Вычисляют полную влагоемкость (в % сухой почвы) по формуле

W=P/V,

где Р – пористость, % объема почвы; V – плотность сложения, г/см³.

Количество воды, которое почва может удержать при полном насыщении капилляров, называют капиллярной влагоемкостью.

Полевой или наименьшей влагоемкостью называют наибольшее количество подвешенной влаги, которое может удержать почва. В полевых условиях такое состояние увлажнения наблюдают после отекания гравитационной влаги при отсутствии подпора грунтовых вод.

Все виды влагоемкости зависят от гранулометрического состава, структуры почвы и содержания гумуса и возрастают с переходом от легких почв к тяжелым, от бесструктурных к структурным и от малогумусированных к хорошо гумусированным почвам.

Общее количество воды, содержащееся в почве, называют влажностью почвы. Влажность – непостоянная величина и в одной и той же почве может колебаться от полной влагоемкости в дождливое время года до ничтожно малых величин в период засухи. Влажность не отражает количества влаги, доступной растениям, так как ее образует как недоступный, так и продуктивный запас воды. Влажность, при которой наблюдается устойчивое завядание растений, называют влажностью завядания. Для разных растений эта величина различна и соответствует в среднем полуторной-двойной максимальной гигроскопичности почвы.

Важные водно-физические свойства, определяющие наряду с влагоемкостью водный и воздушный режимы почвы, - водопроницаемость и водоподъемная способность.

Водопроницаемостью почвы называют ее способность впитывать и фильтровать влагу. Водопроницаемость зависит от гранулометрического состава, структуры и степени увлажнения почвы. Наиболее проницаемы для воды песчаные и супесчаные почвы, в которых поры имеют крупный размер.

Попадая в эти поры, вода не переходит в капиллярную форму, а в виде гравитационной влаги просачивается вниз. В глинистых и суглинистых почвах передвижение воды вниз идет значительно медленнее, так как в них много тонких волосных капилляров.

В структурных почвах по сравнению с бесструктурными при одном и том же гранулометрическом составе водопроницаемость выражена лучше. Этому способствуют система крупных пор и промежутки между структурными отдельностями. При насыщении почвы влагой водопроницаемость постепенно уменьшается.

В результате плохой водопроницаемости на поверхности почвы или в ее верхней части создается переувлажнение, что приводит к выпреванию и вымоканию растений и подавлению деятельности микроорганизмов, разлагающих органические остатки. В итоге резко ухудшаются воздушный и питательный режимы почвы. Основные средства повышения водопроницаемости тяжелых почв – рыхление, оструктуривание, а также изменение их гранулометрического состава путем пескования (внесения песка).

Водоподъемная способность – способность почвы медленно втягивать в себя воду по капиллярным порам под действием менисковых сил. Высота и скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше эти показатели.

Расход влаги из почвы. Следует различать два вида расхода влаги: производительный и непроизводительный. К первому виду относится потребление влаги растительным покровом, ко второму – испарение с поверхности почвы, инфильтрация в грунтовые воды, сток воды и снос снега с поверхности почвы. Наибольший расход влаги происходит в результате ее испарения с поверхности почвы (физическое испарение). При этом почва может иссушаться на глубину до 20 см, а в засушливых районах – до 40 см и более. Скорость испарения влаги зависит от внешних условий и свойств почвы. Испарение увеличивается с повышением температуры и скорости ветра, оно зависит и от формы поверхности. Волнистая поверхность (гребнистая, глыбистая) расходует влаги больше, чем ровная. Растительный покров и мертвый опад растений на поверхности почвы резко сокращают физическое испарение.

Типы водного режима почв. Под водным режимом почвы понимают все процессы, связанные с поступлением влаги, ее расходом, передвижением и изменением ее состояния.

В зависимости от природных условий, почвенного покрова, производственной деятельности человека водный режим на различных почвах складывается по-разному. Выделяют пять типов водного режима почв.

1. Мерзлотный тип встречается в тундре, таежно-лесной зоне Восточной Сибири, т. е. в областях с многолетней мерзлотой. Летом верхний слой почвы оттаивает, насыщается водой, образуется мерзлотная почвенная верховодка, мерзлые нижние горизонты служат водоупором. В течение вегетационного периода верхняя часть почвы насыщена водой.

2. Промывной тип характерен для таежно-лесной зоны, где средняя годовая сумма осадков превышает среднюю годовую испаряемость и почва ежегодно, преимущественно весной, во время снеготаяния промывается до грунтовых вод.

3. Периодически промывной тип встречается в лесостепной зоне на серых лесных почвах, оподзоленных и выщелоченных черноземах, где средняя годовая сумма осадков приблизительно равна средней годовой испаряемости. Промывание толщи почвы до грунтовых вод происходит периодически.

4. Непромывной тип наблюдается в степных зонах (характерен для черноземов степей, каштановых и бурых почв, сероземов), где средняя годовая сумма осадков меньше средней годовой испаряемости. Влага в почву проникает на глубину 1–2 м и не более 4 м. Между увлажняемым слоем и верхней границей грунтовых вод залегает слой с постоянной низкой влажностью («мертвый» горизонт).

5. Выпотной тип создается в областях, где испаряемость значительно превышает сумму осадков, но грунтовые воды близко подходят к поверхности и испаряются («выпотевают»).