Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

392	Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

2. Усадка почв и почвенных агрегатов

Свойство почв и почвенных педов уменьшать свой объем прииссушенииназываетсяусадкой.Следуятакомуопределению,можно считать, что усадка это процесс, противоположный набуханию. В принципе это правильно. Только следует учитывать, что эти два процесса не бывают абсолютно равны друг другу ни по динамикам, нипопромежуточнымстадиям.Онихарактеризуютсягистерезисом. Поэтому о полной идентичности, обратимости этих процессов говорить не следует. Можно считать, что это две стороны одного и того же процесса изменения объемапочвы при изменении влажности, но не симметричные.

Набухание увеличение объема почвы в целом или отдельных структурных элементов при увлажнении. Вызывается поглощениемвлагиминеральнымииорганическимиколлоидами.

Усадка уменьшение объема почвы при высыхании. Сопровождается образованием трещин и сильным уплотнением почвы в межтрещинном пространстве.

Кривые набухания и усадки зависимости коэффициента пористости или удельных объемов почвы и ее составляющих (агрегатов, педов) от влажности, характеризуются гистерезисом.

Процесс деформации усадки также характеризуется кривой усадки,зависимостьюизмененияобъемапочвенногообразцаиликоэффициентапористостипочвыотвлажности(рис.XVII.3а,б).Наэтой кривойможновыделитьнесколько стадий,илиэтапов.

На кривых усадки (рис. XVII.3) выделяют четыре этапа. Стадия структурной усадки. Незначительная по проявлению,

по объему усадки. Изменение объема порового пространства ( V) к изменению влажности ( W) невелико, V/ W << 1.Вода выходит из крупных капилляров, а структура почвы, объем ее порового пространства изменяются мало. Заканчивается этап при влажности, соответствующей влажности структурной усадки (Wстр.).

Стадия нормальной усадки. Пропорциональное изменению влажности изменениепорового объема, V/ W 1. Характерна для широкогодиапазона влажностипримерноотвлажности предела текучести до влажности предела пластичности.

Стадия остаточной усадки. Соответствует началу появления непосредственных контактов частиц друг с другом. Изменение объема порового пространства заметно снижается V/ W<<1.

2. Усадка почв и почвенных агрегатов

393

V, %				а
V
24
20
16	пре-
	дель-
12	ная	оста-
8		точная
4			нормальная				структурная
	4	8	12	16	20	24	28	W
e	Ф, см3/г			б
1.5	0.6
	пре-	оста-		нормаль-		структурная
	дель-	точная
				ная
	ная
1.0	0.4

0.50.2

Wпр

10

20

30 W

WМАВ

Рис. XVII.3. Кривая усадки: изменение относительного объема (а), коэффициента пористости (е) и удельного объема пор (Ф, см3/г) почвы (б) от влажности с соответствующими этапами. Пунктирные прямые характеризуют нормальную усадку, когда V/ W = 1

Удаляется в основном пленочная, рыхлосвязанная вода. Заканчивается эта стадия при влажности предела усадки (Wпр.). Эта влажность близкаквлажностимаксимальнойадсорбционнойвлагоемкости(МАВ).

394	Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Предельная усадка: V/ W < 0.5.Вода удаляется из междоменногопространства,адсорбированнаяводаполимолекулярнойадсорбции.

Иногда выделяют последнюю стадию – «сухое» набухание, – характеризующуюся небольшим увеличением объема за счет прекращения «сдавливающего» частицы действия пленок воды. Остается лишь сильно адсорбированная вода, не создающая межчастичных водных перемычек.

Дляприведенногонарис.XVII.3 примерастепеньусадки(аналог степени набухания) составила 19%, влажность предела усадки Wпр – около 5%.

Изменениеобъема почвыилипочвенногообразца наиболееинтенсивнопроисходитна стадиинормальнойусадки.Идляэтогоэтапа, этапа линейной усадки,наиболее важно определить усадку. Она будет характеризовать почвенный объект по стадии (нормальной) линейной усадки. Дляэтогокрупныепочвенные фрагменты(комки, педы) объемом 50 200 см3 увлажняют при капиллярно-сорбцион- ном давлении влаги около 330 см водн.ст., что соответствует, по мнению большинства зарубежных исследователей, величине наименьшей влагоемкости (НВ). Определяют плотность при этом значении влажности ( b_330) и после высушивания этого образца ( b_сух). По этим данным о плотности почвенного фрагмента рассчитывают индекс линейной усадки. В большинстве руководств он обозначается как COLESTD (Coefficient Of Linear Extensibility):

			b_сух	1/ 3
COLESTD 100					1 .
			b_330

По этому индексу, в зависимости от удельной поверхности

игранулометрического состава, все почвы разделяются по усадке

исоответственно набуханию (табл. XVII.1).

Т а б л и ц а XVII.1

Классификация почв по усадке (набуханию) на основании COLESTD

(по Dasog et al, 1988, цит. по McKenzie et al., 2002)

COLESTD	Удельная	Процент физ.глины	Усадка почвы
	поверхность, м2/г	(<0.002 мм)
<3	<100	<20	Слабая
3–6	100–200	20–28	Средняя
6–9	200–300	28–35	Высокая
>9	>300	>35	Очень высокая

2. Усадка почв и почвенных агрегатов

395

Так,например, есливрезультатеэкспериментоввеличины b_сух

и b_330 составили 1.65 и 1.4 г/см3, то COLESTD достигает 5.6, а почва относится к средненабухающим (или среднеусаживающимся).

Наиболее часто кривые усадки выражают в виде зависимости коэффициента пористости (е) или удельного объема пор почвы (Ф, см3/г) от влажности (рис. XVII.3, б). Если изучают усадку отдельных почвенных агрегатов, то кривая усадки агрегатов представляется в виде зависимости от влажности удельных объемов пор агрегатов (D, см3/г).

Для почвоведов особенно важно знать, как проявляется усадка для основных структурных компонентов почвы, для почвы в целом и дляпочвенных агрегатов. Действительно, ведь разница объемовпор почвывцеломи порагрегатов это межагрегатноепоровое пространство. А при больших размерах агрегатов это трещины. Значение трещин в физических процессах переноса огромно. Эти процессы специфичны для почвы там практически всегда представлены агрегатная и межагрегатная (или трещинная) порозность. Специфическая форма трещинной почвенной сети это отдельная интересная и во многом не разгаданная проблема (см. «К вопросу о»: «О трещинах»).

Соответственно чем выше объем пор агрегатов во всем диапазоне влажностей, с учетом усадки самих агрегатов, тем выше физические условия для развития растений, тем больше объемы длясохранениявеществ, жизнимикроорганизмови др. Еслижепри уменьшении влажности наблюдается прирост восновном межагрегатного (трещинного) пространства, то это уже неблагоприятные почвенные физические условия.

Лучше всего эти процессы изменения объемов структурных основных единиц почвы представить на так называемых «диаграммах структурного состояния» почв. В них по оси абсцисс отложено давление влаги в единицах pF, а по оси ординат удельные объемы порового пространства (объем пор/масса почвы): удельный объем пор почвы (Ф = 1/ b – 1/ s , см3/г), удельный объем пор агрегатов (D = 1/ a– 1/ s , см3/г) и удельный объем пор почвы, занятый воздухом, т.е. влажность (W, см3/г, что для воды совпадает с размерностью г/г). Разница кривых удельных объемов почвы и агрегатов (Ф–D) этомежагрегатное, или трещинное(Т,см3/г), пространство в почве.

На приведенных диаграммах (рис. XVII.4)порового пространства ненабухающей и набухающей почв последняя (рис. XVII.4, б)

396	Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

имеет заметно более выраженное «проводящее поровое»пространство в виде трещинного пространства (Т=Ф–D). Оно также зависит от величины pF, но оно значительно больше во всем диапазоне состоянийпочвенной влаги.Почвапрактическипри любойувлажненности имеет трещины, а в сухом состоянии, при больших pF весьма крупные по объему трещины. Такие трещины можно легко визуально заметить в тяжелых глинистых почвах. Внутриагрегатный воздух имеет весьма малое значение во всем диапазоне давлений влаги (рF). Такая почва не предоставляет оптимальных физических условий для проявления почвой биологическихфункций. А вот вещества и поступившая на поверхность вода вней будут «проскакивать» до больших глубин по этим самым трещинам. Это также может быть неблагоприятно в нижние слои, а затем в грунтовыеводымогутпопастьагрохимикаты,втом числеиксенобиотики. Впрочем, в ряде случаев трещины предохраняют от эрозии, так как осадки не стекают быстро по поверхности, а заполняют трещины, увлажняя нижележащие слои характерная особенность набухающих,глинистых почв.

Напротив, вненабухающей почве (рис.XVII.4 а) в наибольшей степенивыраженонепроводящее,асохраняющеепоровоепространство: «быстрые»потокипомежагрегатномупоровомупространству будут значительно меньше, чем в набухающих почвах. Впрочем, известно, что ненабухающих почв в природе практически не существует. Даже песчаные почвы с плохо развитой агрегатной структурой проявляют свойства набухания и усадки. Для большинства суглинистых и глинистых почв это явление выражено весьма заметно, поэтому для них характерны быстрые потоки по межагрегатному пространству с последующим перераспределением влаги и веществ по внутриагрегатному пространству.

На диаграммах видны различия в физическом состоянии набухающих,слитыхпочвиненабухающих, хорошоструктурированных почв, хотя они могут быть и близки по гранулометрическомусоставуи обе относиться к глинистым. Во-первых,в набухающихпочвах усадка отдельных структурных фрагментов явление весьма заметное. Поэтому разница удельных объемов почвы и агрегатов велика, особенно в диапазоне низких влажностей. Сами же агрегаты остаютсяводонасыщенными,внихневходитнеобходимый дляжизнедеятельности корней растений и микробиоты воздух. Агрегированная, слабонабухающая почва предоставляет более благоприятные условия для жизнедеятельности корней растений и почвенной биоты: в агрегатах содержится внутриагрегатный воздух, а вот

2. Усадка почв и почвенных агрегатов

397

межагрегатноепространствовыраженонестользначительно.Вэтом одноизглавнейшихзначенийагрегированной слабонабухающейпочвы благоприятное физическое состояние в широком диапазоне влажностей (давлений влаги).

Ф, D, W (см3 /г)

Ф, D, W (см3 /г)

		а
	0.6	внутриагрегатный	трещины
		воздух
	0.5

0.4					Ф
					T
0.3
0.2	почвенная				D
	влага				W
0.1
0					6 pF
1	2	3	4	5
0.5
0.4					Ф
0.3					T
0.2
0.1					W
0					6 pF
1	2	3	4	5

Рис.XVII.4. Диаграммы порового пространства ненабухающих (а) и набухающих (б) почв

«Квопросу о»

О трещинах

Наверное,многиеобращаливниманиенарастрескавшуюсяпоследождей почву.Особеннозагадочновыглядяттрещины,образовавшиесявилистыхосадках, накопившихся на месте высохших луж. Все эти природные образования напоминаюттрещиннуюсеть,приведеннуюнафотоповерхностислитойпочвы (вертисоли) в Краснодарском крае во время засухи.

Однаконемногиеиз насзадумывалисьнадтакимпростымвопросом:под каким углом друг к другу расположены эти трещины? А вот проф. К.Хартге и егоколлегаЙ.Бахманн, будучиужевсемирноизвестнымиучеными,задумались над таким, казалось бы, наивным вопросом. Они измеряли углы между двумя образовавшимися трещинами для самых различных материалов.

398	Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Оказалось, что большинство первичных, самых крупных трещин в высыхающих глинистых почвах расположены под углом в 90° друг к другу (см. рис.2). Этиперпендикулярнорасположенныетрещинынаблюдалисьвовсехрассмотренныхматериалах.Ихпроисхождениесвязаноспроцессомусадки.Давления, возникающие при усадке материала, приводят к возникновению именно перпендикулярнорасположенныхтрещин. Авотболеемелкиетрещины,расположенныевнутрипервичновыделенныхприусадкеблоков,имеютужесовсемне обязательноперпендикулярноерасположение. Углыэтихнеперпендикулярных трещин быликак больше, таки меньше 90°, хотя сумма средних для этих двух группвсегдабылаблизкак180°.Силы,вызывающиепоявлениеэтихнеперпендикулярных трещин, имеют уже иную природу. Их появление связано с возникновениемдеформацийсдвигаприусадкепочвенногоблока.Действительно, помереразвития «усадочной»трещиныверхние,болеесухиеслоивынуждены двигатьсяпоподстилающимихменеесухимслоям.Возникаетдеформациясдвига, и образовавшийся угол между растрескивающимся материалом будет уже в большей степени определяться силами внутреннего трения. Точнее, углом внутреннего трения. Оказалось, что этот угол внутреннего трения был наибольшимдлямонтмориллонитовыхпочвюжныхрегионовприихсушкевлаборатории.Авотдлятрещин,возникающихпризамораживаниитехжеобъектов, углы внутреннего трения были, как правило, значительно меньше. Так что расположениетрещинвсегдаопределяется процессамиисиламисоответствующей природы, которые и приводят к закономерному виду трещинной сети. (поHartgeK.H.,J.Bachmann.Anglesbetweencracksdeveloppedatprimaryshrinkage of finegrained soil material. «International Agrophysics» 2000. V. 14. N.1, 43–53).

5см

Рис. 2. Трещины на поверхности слитой почвы в Краснодарском крае

3. Липкость почв

399

3. Липкость почв

Липкость способность почвы прилипать к различным предметам. Измеряется в величинах давления, т.е. силы, необходимой для отрыва от почвы штампа известной площади (г/см2, кг/см2, Па и пр.). Из этого определения видно, что липкость зависит от почвы, от ее фундаментальных свойств (гранулометрический, минералогический, агрегатный состав и проч.), более того, от ее влажности. Помимо этого липкость всегда определяется для конкретной поверхности: металла, если дело касается сельскохозяйственных плугов и пр., резины, если касается разработки шин. Для почвоведов особенно важна зависимость липкости от влажности. Эта зависимость представлена на рис. XVII.5. На приведенной зависимости липкости от влажности весьма характерен максимум проявления липкости, приходящейся на влажность выше ВРК, но ниже полной влагоемкости.Тоестьнавлажность,близкуюкНВ,иногданесколько выше.

Рис. XVII.5. Зависимость липкости (Л, г/см2) от влажности (W)

400	Ч. XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

Этозначениеносит названиевлажностимаксимальнойлипкости (Wмакс.липк.). Механизм образования влажности максимального прилипанияпонятенизприведенногонарис.XVII.5схематическогоизображенияпроцессаприлипаниявлажнойпочвыкштампу.Привлажности, близкой к ВРК, прилипание выражено слабо, так как между штампом

ипочвойнеобразуетсясплошнойводнойпрослойки.Нетикапиллярных сил между почвой и штампом, способных вызвать значительное прилипание штампа к почве. По мере увлажнения в почве появляется капиллярная влага, способная образовывать единое водное пространство между почвенными частицами и поверхностью штампа. Максимального значения липкость достигает тогда, когда между почвой

иштампом образуетсятонкийкапилляр, заполненныйводой с сильно вогнутыми менисками, капиллярное притяжение достигает максимума, а влажность соответствует величине максимальной липкости, илимаксимальногоприлипания.Придальнейшемувеличениивлажностивогнутость менискауменьшается, капиллярныесилы притяжения между почвой и штампом ослабевают, уменьшается и липкость.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Набухание увеличение объема почвы и ее фрагментов при увеличении влажности. Вызывается расклинивающим давлением и имеет в основном «осмотическую» природу, связанную с емкостью обмена, насыщающим катионом, амфифильностью почвенного органического вещества и типом структурных связей.

2.Чем ниже валентность катиона и меньше его радиус при одной и той же валентности, тем выше его диссоциация из ППК

ивыше проявление«осмотическихсвойств». Значениеобменныхкатионоввозрастаетвслучаеминераловсподвижнойкристаллической решеткой (типа монтмориллонита).

3.Наибольшим набуханием характеризуются почвы с коагуляционными связями, наименьшей с прочными кристаллизационными связями. Следствием «осмотической»природынабухания является заметное его снижение при увеличении концентрации электролитов в поровом растворе.

4.Агрегированная,свыраженнойвнутриагрегатнойпорозностью

ипрочными межчастичными контактами в почвенных агрегатах (педах), почва набухает слабо; увеличение объема агрегатов небольшое и распространяется в межагрегатное пространство. В набухающих (усаживающихся) почвах усадка отдельныхструктурныхфрагментов(педов)значительновыше.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ части ХVII

401

Поэтому при иссушении набухающей (сильноусаживающейся, слитой) почвы агрегаты остаются близкими к насыщению влагой, в них не входит необходимый для жизнедеятельности корней растений и микробиоты воздух. А уменьшение объема фрагментов реализуется в появлении трещин, которые заметно увеличиваютсявобъемеприиссушении.Агрегированная, слабонабухающая почва предоставляет более благоприятные условия для жизнедеятельности корней растений и почвенной биоты: в агрегатах содержится внутриагрегатный воздух, а вот межагрегатное пространство выполняет функцию буфера увеличения объема агрегатов при увлажнении.Поэтомуанализнабухания–усадкипочвипочвен- ных фрагментов является необходимым элементом оценки физического состояния почвы.

5.Липкость способность почвы прилипать к различным предметам, выраженная в единицах силы, необходимой для отрыва от почвы штампа известной площади, т.е. давления (г/см2, кг/см2, Па и пр.). Зависимость липкости от влажности имеет характерный максимум влажность максимального прилипания,приходящуюсянадиапазонотВРКдокапиллярнойвлагоемкости (около влажности, соответствующей наименьшей иликапиллярной влагоемкости).

Литература

К у л ь ч и ц к и й Л. И., У с ь я р о в О. Г. Физико-химические основы формированиясвойствглинистыхпород.М.,1981.

Осипов В.И.Природапрочностныхидеформационныхсвойствглинистых грунтов.М.,1979.

Грим Р.Минералогияипрактическоеиспользованиеглин.М.,1967. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. /Под ред. Е.Д.Щукинаидр.М.: Изд-воМоск.ун-та, 1985. 266 с.

M c K e n z i e N a i l J., K .J. C o u g h l a n , H. P. C r e s s w e l l. Soil Physical measurements and Interpretation for Land evaluation. CSIRO. 2002. 372 p.