1. Определение почвы, как объект изучения: определение, цели, задачи, положение в системе наук и т.д.

Почва по определению Докучаева - наружный слой горных пород, измененный под влиянием воды, воздуха и различных организмов. По определению Хлопина, почва - это верхний слой коры, на котором гнездится органическая жизнь.

Почва - поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырёхфазную (твёрдая, жидкая, газообразная фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов.[1] Её рассматривают как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Почвы являются функцией от климата, рельефа, исходной почвообразующей породы, микроорганизмов, растений и животных (то есть биоты в целом), человеческой деятельности и изменяются со временем.

Почва— самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

Почвове́дение — наука о почве. Она входит в состав естествознания. Почвоведение изучает происхождение, развитие, строение, состав, свойства, географическое распространение и рациональное использование почв.

Цели у всех наук это – комфорт и безопасность. В задачи можно внести «решение глобальных и локальных проблем»

2. Историческое развитие теоретического почвоведения

Накопление эмпирических знаний о почве началось в конце мезолита, когда племена натуфийской культуры произвели первые попытки занятий земледелием. Систематизация сведений была начата в трудах писателей и философов Античности (Коллумела, Феофраст, Плиний старший, Лукреций Кар и др.). В Средние века производились описания земельных угодий с целью установления феодальных повинностей (например, «Писцовые книги» в России).

В XVII—XIX вв. происходит развитие теории питания растений, сформировавшая новый взгляд на почву. В 1629 Ван-Гельмот предложил теорию, что растения питаются только водой, в начале XIX века её сменила теория гумусного питания. Только в 1840 Юстус Либих опроверг её и выдвинул свою теорию минерального питания (в книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии»), что послужило основой возникновения агрохимии. Тогда же возникла и научно-прикладная дисциплина, называемая почвоведением, однако рассматривающая почву лишь как среду развития корней, состоящая из минеральных и органических компонентов. Параллельно в Германии развивается и геологическое почвоведение, по которому почва считалась верхней частью коры выветривания.

В России М. В. Ломоносов в работе «О слоях земных» (1763) первым высказал идею значительной роли растений и их остатков в образовании почвы. Следующий этап развития русского почвоведения связан с деятельностью Вольного экономического общества (образовано с 1765). В XIX веке общество организует экспедиции с целью создания почвенной карты (К. С. Веселовского масштабом 200 вёрст в дюйме и в 1879 В. И. Чаславского 60 вёрст в дюйме).

В. В. Докучаев

Оживлённые дискуссии происходили в то время вокруг генезиса чернозёмов. Президент Общества И. А. Гюльденштедт в 1790-х предложил теорию растительно-наземного происхождения, другие исследователи настаивали на их формировании в ходе геологических процессов (так называемые морская, ледниковая, болотная теории).

Возникновение современного генетического (то есть уделяющего основное внимание генезису почв) почвоведения связано с именем профессора Василия Васильевича Докучаева, который впервые установил, что почвы имеют чёткие морфологические признаки, позволяющие различать их, а географическое распространение почв на поверхности Земли так же закономерно, как это свойственно растениям и животным. В своей монографии «Русский чернозём» (1883) он впервые рассматривает почву как самостоятельное природное тело, формирующееся под воздействием 5 факторов: живых организмов, свойств породы, рельефа, климата и времени развития. 1883 год считается временем возникновения почвоведения как науки.

Большую роль в развитии науки сыграл П. А. Костычев, один из основных оппонентов Докучаева, дополнившим своими положениями его взгляды. Ученик Докучаева Н. М. Сибирцев создал первый учебник по генетическому почвоведению (1889).

3. Роль почвы в биосфере, и обществе

Биосферные функции почвы:

1. Обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов (циклов) веществ на земной поверхности.

2. Стабилизатор поверхности и аккумулятор элементов минерального питания растений.

3. Аккумуляция органического вещества и связанной с ним химической энергии солнечного света.

4. Балансирование химического состава атмосферы и гидросферы.

5. Регулирование биосферных процессов, в частности плотности жизни на Земле.

Сельскохозяйственное значение почвы. Основой экономики является производство продуктов питания, которая определяется благоприятным сочетанием тепла, влаги, солнечного света и почвенного плодородия. Почва является основным средством сельскохозяйственного производства, предметом труда и в известной степени продуктом этого труда. В настоящее время благодаря почвенному плодородию человечество получает 98% продуктов питания, а также древесину, несинтетические продукты для разнообразных производств и многое другое.

4. Морфологические свойства почв: окраска, структура, гранулометрический состав, тип сложения

Окраска почв.

Цвет почвы широко используется в почвоведении для присвоения названий почвам (чернозем, краснозем, желтозем, серозем и др.). Окраска почв зависит от ее химического состава, условий почвообразования и влажности. Для окраски почв наиболее важны три группы веществ. Гумусовые в-ва придают почве черную, темно-серую и серую окраску; соединения железа (III) – красную, оранжевую и желтую, а соединения железа (III) – сизую и голубоватую; кремнезем, легкораствориые соли, карбонат кальция – белую и белесую окраски. Цвет почвы во многом зависит от ее месторасположения (в зависимости от залегания почвы в определенном горизонте), а так же от её составных веществ. Окраска почв - это важный морфологический признак, которым руководствуются при расчленении почвенной толщи на генетические горизонты. Разнообразие окраски обусловлено содержанием в почвенной массе веществ, имеющих различные цвета. Гумусовые вещества, сульфид железа, окись марганца и первичные минералы окрашивают почвенные горизонты в черные, серые и бурые тона; окиси железа и марганца - в красные, оранжевые, желтые и бурые. Белая окраска почвенных горизонтов обусловлена накоплением кварца, аморфного кремнезема, кальцита, каолинита (белая глина), водорастворимых солей, гипса и карбонатов, а так же других минералов, не загрязненных железом и гумусом. Такая окраска характерна для аридных почв. Сизая окраска вызвана соединениями закислых форм железа. Красная свидетельствует о наличие негидротированных окислов железа и сульфата железа. Бурая - это смешение белой, красной и желтой почв. В синей присутствуют вивианит и фосфор. Встречается в болотных почвах. Окраска горизонтов почвы, как правило, не имеет чистых тонов, преобладают смешанные цвета. Поэтому прибегают к обозначению оттенка и интенсивности окрашивания: красно-бурый, темно-серый с буроватым оттенком и т.д. Окраска горизонтов нередко бывает неоднородной - на фоне основного цвета проступают прожилки, пятна, прослойки иной окраски. Все это свидетельствует об очаговости протекающих процессов накопления, выноса и оглеения. При определении окраски почвы в полевых условиях необходимо учитывать влажность почвы и степень освещенности почвенного разреза. Влажная почва имеет более темную окраску, чем воздушно-сухая. В тени почва выглядит темнее, чем на солнце.

Типы окраски: почвы бывают однородные и неоднородные (пятнистая – пятна, диаметром более 5 мм, неравномерно распределены на фоне другого цвета; крапчатая - мелкие пятна менее 5 мм; полосчатая - чередование полос разного цвета; мраморовидная - пестрая окраска).

Гранулометрический состав и его экологическое значение

Гранулометрический состав — содержание в мелкоземе почвы механических элементов (фракций) различной крупности. Твердая фаза почвы состоит из механических элементов различного происхождения. Механические элементы — это разнообразные по величине обломки минералов и горных пород, органические вещества и органо-минеральные соединения.

Кристаллы льда и живое вещество к механическим элементам не относятся.

Механические элементы в основном достаются почве в наследство от материнской породы. В процессе почвообразования они не остаются неизменными, так как в почве постоянно происходят разнообразные явления: дробление, растворение, гидролиз, осаждение, гумификация и др. Наблюдаются также процессы перемещения тонких механических элементов по профилю многих почв, обеднение ими верхних горизонтов и обогащение нижних.

В полевых условиях для определения гранулометрического состава используется проба на пластичность, сухое растирание. В лабораторных условиях гранулометрический состав определяется седиментацией частиц в водной среде. Пробы отбираются с минутным, часовым и суточным интервалом, высушиваются и взвешиваются.

Размеры частиц отражают различия в свойствах гранулометрических фракций, свойства которых напрямую зависят от удельной поверхности частиц и их химического и минералогического состава.

Гранулометрический состав — важнейшая характеристика почвы. От нее зависят очень многие свойства почвы и ее плодородие. Грану лометрический состав оказывает существенное влияние на водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, зольных элементов и азота.

Связь с илом характерна для запасов гумуса, поглощенных оснований, глубины появления карбонатов. Ил — главный поглотитель, абсорбент многих химических веществ, в том числе и загрязнителей окружающей среды, включая тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

Гранулометрический состав играет существенную роль при регулировании водного режима почв и проведении оросительных и осушительных мелиорации. Он влияет на скорость просыхания почв, определяет скорость промачивания, фильтрационные свойства, высоту поднятия капиллярной каймы. Он определяет различное механическое сопротивление почв воздействию почвообрабатывающих орудий в связи с неодинаковой липкостью и плотностью песчаных и глинистых почв. Песчаные и супесчаные почвы легко поддаются обработке и называются легкими, а тяжелосуглинистые и. глинистые почвы — тяжелыми. Роющие животные выбирают легкосуглинистые, лессовидные, супесчаные почвы.

Существенную роль играет гранулометрический состав в тепловых свойствах почв: легкие почвы относятся к более «теплым», т. е. быстрее оттаивают и прогреваются. Тяжелые почвы считаются «холодными». Это имеет большое значение на северной границе распространения земледелия.

Обычно чем легче гранулометрический состав, тем меньше в почвах гумуса и элементов питания растений. По мере возрастания количества илистых частиц увеличивается и потенциальное плодородие. Однако потенциальное плодородие зависит не только от богатства почвы, но и от ее физического состояния. Так, очень тяжелые глинистые почвы хотя и могут содержать много гумуса и элементов питания, но снижают свое плодородие из-за ухудшения физических свойств. Это характерно для слитых почв черноземной полосы и долин рек, серых и бурых лесных почв, каштановых почв сухих степей. Негативное влияние высокого содержания глинистых частиц в почвах может быть компенсировано их хорошей оструктуренностью. Такие свойства типичны для черноземов, имеющих хорошую структуру при глинистом составе, для сероземов, обладающих карбонатной микроагрегатностью, для красных и желтых аллитных почв с железистой псевдопесчаной агрегатностью

5. Морфологические свойства: влажность, липкость, вскипание от НСl, новообразования и включения.

Почвенные новообразования.

Новообразования – скопления веществ различной формы и химического состава, которые образуются и откладываются в горизонтах почвы в результате почвообразовательных процессов. По происхождению различают новообразования химического и биологического происхождения. Новообразования химического происхождения делят по форме и по химическому составу. По форме химические новообразования разделяют на группы:

1) налеты и выцветы - химические вещества, выступающие на поверхности почвы или на стенке разреза в виде тончайшей пленочки (например, растворимые соли);

2) потеки и корочки- вещества, которые выступая на поверхности почвы или по стенкам трещин, образуют слой небольшой толщины;

3) прожилки и трубочки- вещества, заполняющие ходы червей или корней, поры и трещины почв;

4) конкреции и стяжения- скопления различных веществ более или менее округлой формы;

5) прослойки- вещества, накапливающиеся в большом количестве, пропитывающие отдельные слои почв.

Новообразования биологического происхождения делят по происхождению на следующие группы:

1) червоточины - извилистые ходы и канальцы червей;

2) капролиты - зернистые клубочки экскрементов червей, представляющие собой кусочки земли, прошедшие через пищеварительный аппарат червей и пропитанные их выделениями;

3) кротовины- пустые или заполненные ходы роющих животных (сусликов, кротов, сурков);

4) корневины- полости, образующиеся после перегнивания крупных корней растений;

5) дендриты- «узоры» от перегнивания мелких корешков на поверхности структурных отдельностей.

Группы новообразований: 1. Элювиальные - кремнеземистая присыпка или пятна кремнезема; характерна для подзолистых горизонтов, образуется из остаточного кварца. 2. Иллювиальные - известковые, марганцевые, песковые, железистые и гумусовые выцветы, примазки и подтёки; образуются в результате миграции веществ из верхних горизонтов в более глубокие, а затем их возвращение обратно. 3. Гидрогенно- аккумулятивные - легкорастворимые соли, известковые и железистые новообразования; происходит перенос веществ грунтовыми водами и их отложение. 4. Прикорневые - это чехлики и трубки разного состава, образующиеся вокруг корня. 5. Унаследованные - эти новообразования связаны с древними процессами почвообразующей породы. Новообразования дают возможность судить о генезисе и плодородии почв.

Включения – присутствующие в почве тела органического и неорганического происхождения, образование которых не связано с почвообразовательным процессом. По происхождению включения можно разделить на 4 группы. Литоморфы – обломки почвообразующей породы, рассеянные в почве (камни, валуны, галька). Криоморфы – различные формы льда, связанные с сезонной или вечной мерзлотой (конкреции, линзы, прожилки). Биоформы – включения, образование которых связано с деятельностью живых организмов: 1) остатки корней, стеблей, стволов растений; 2) кости животных; 3) раковины моллюсков; 4) окаменелости – окремнелые, обызвесткованные, загипсованные или ожелезненные остатки растений. Антропоморфы – предметы, связанные с деятельностью человека (фрагменты кирпича, стекла, металлические предметы, черепки и т.п.). К последним относятся археологические находки, позволяющие судить о возрасте почв.

Влажность почвы - содержание в почве влаги в твердом, жидком и газообразном состоянии. Влажность почвы определяется в процентах от массы сухой почвы или от объема. От соотношения влаги и воздуха в почве зависит в значительной степени рост и развитие растений.

ВОДА В ПОЧВЕ

Вода в почве имеет разные физические свойства в зависимости от взаимного расположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы (твердой, газовой, жидкой). Части воды, обладающие одинаковыми свойствами, получили название форм почвенной воды.

ФОРМЫ ВОДЫ

Твердая вода (лед) является одним из источников жидкой и парообразной воды.

Химически связанная вода включает конституционную и кристаллизационную влагу.

Конституционная вода входит в состав минералов (Аl(ОН)₃, Fe(OH)₃, глинистых и др.), органических и органо-минеральных соединений в виде групп ОН. Кристаллизационная вода содержится в кристаллогидратах различных солей: гипс - CaSO., • 2Н₂О, мирабилит - Na₂SO₄ • 10Н₂О, битофит – MgCO₃ • 6Н₂О, гидрофилит -СаС1₂ • 6Н₂О и т. д.

Парообразная вода содержится в почвенном воздухе в виде водяного пара. Физически связанная (сорбированная) вода представлена двумя формами: прочносвязанная и рыхлосвязанная влага.

Капиллярная вода находится в капиллярах или на стыках (точках соприкосновения) почвенных частиц. Удерживается в почве силами менискового сцепления. Это основная форма влаги, используемая растениями. Она может находиться в разобщенном, или неподвижном состоянии (влага разрыва капилляров) или в капиллярно-подвижном, когда все капилляры заполнены. Капиллярная влага является продуктивной формой влаги в почвах. Она подразделяется на капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую, др.

Свободная вода наблюдается в двух формах: капиллярная и гравитационная.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива.

Капиллярно-подпертая вода образуется в почвах при подъеме воды снизу от горизонта грунтовых вод по капиллярам на некоторую высоту, т. е. это вода, которая содержится в слое почвы непосредственно над водоносным горизонтом и гидравлически с ним связана подпирается водами этого горизонта.

Гравитационная вода — свободная форма воды в почве Гравитационную воду делят на просачивающуюся гравитационную и воду водоносных горизонтов (подпертая гравитационная вода).

Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и сохранять эту форму впоследствии.

Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют состав коллоидной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гумуса. Например, при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием — снижается. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость — способность почвы прилипать к различным поверхностям. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении. Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение натрием — увеличению липкости. С липкостью связано такое агрономическое и ценное свойство почвы, как физическая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипает к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спелости.

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим содержанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много поглощенного кальция. Набухание может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных отдельностей.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это обратный процесс набуханию. При высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.

Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические показатели, как сумма энергетических затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ машин и орудий.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы. Связность определяет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство специальными приборами — твердомерами. Высокая твердость является признаком плохих физико-химических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влияет на сопротивление при обработке.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удельное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.

Про хлор это к вытяжкам….

6. Гранулометрический и минералогический состав почв

Кристаллы льда и живое вещество к механическим элементам не относятся.

В почвах могут находиться частицы диаметром как менее 0,001 мм, так и более нескольких сантиметров. Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это, в свою очередь — большие величины ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшую агрегированность, но меньшую порозность. Тяжёлые (глинистые) почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие (песчаные) — с водным режимом.

Для подробного анализа весь возможный диапазон размеров делят на участки, называемые фракциями. Единой классификации частиц не существует. В российском почвоведении принята шкала Н. А. Качинского. Характеристика гранулометрического (механического) состава почвы даётся на основании содержания фракции физической глины (частиц менее 0,01 мм) и физического песка (более 0,01 мм) с учётом типа почвообразования.

В мире также широко применяется определение механического состава почвы по треугольнику Ферре: по одной стороне откладывается доля пылеватых (silt, 0,002—0,05 мм) частиц, по второй — глинистых (clay, <0,002 мм), по третьей — песчаных (sand, 0,05—2 мм) и находится место пересечения отрезков. Внутри треугольник разбит на участки, каждый из которых соответствует тому или иному гранулометрическому составу почвы. Тип почвообразования при этом не учитывается.

Минеральный состав

Около 50—60 % объёма и до 90—97 % массы почвы составляют минеральные компоненты. Минеральный состав почвы отличается от состава породы, на которой она образовалась: чем старше почва, тем сильнее это отличие.

Минералы, являющиеся остаточным материалом в ходе выветривания и почвообразования, носят название первичных. В зоне гипергенеза большинство из них неустойчиво и с той или иной скоростью разрушается. Одними из первых разрушаются оливин, амфиболы, пироксены, нефелин. Более устойчивыми являются полевые шпаты, составляющие до 10—15 % массы твёрдой фазы почвы. Чаще всего они представлены относительно крупными песчаными частицами. Высокой стойкостью отличаются эпидот, дистен, гранат, ставролит, циркон, турмалин. Содержание их обычно незначительно, однако позволяет судить о происхождении материнской породы и времени почвообразования. Наибольшую устойчивость имеет кварц, который выветривается за несколько миллионов лет. Благодаря этому в условиях длительного и интенсивного выветривания, сопровождающегося выносом продуктов разрушения минералов, происходит его относительное накопление.

Почва характеризуется высоким содержанием вторичных минералов, образованных в результате глубокого химического преобразования первичных, или же синтезированных непосредственно в почве. Особенно важна среди них роль глинистых минералов — каолинита, монтмориллонита, галлуазита, серпентина и ряда других. Они обладают высокими сорбционными свойствами, большой ёмкостью катионного и анионного обмена, способностью к набуханию и удержанию воды, липкостью и т. д. Этими свойствами во многом обусловлена поглотительная способность почв, её структура и, в конечном счёте, плодородие.

Высоко содержание минералов-оксидов и гидроксидов железа (лимонит, гематит), марганца (вернадит, пиролюзит, манганит), алюминия (гиббсит) и др., также сильно влияющие на свойства почвы — они участвуют в формировании структуры, почвенного поглощающего комплекса (особенно в сильно выветрелых тропических почвах), принимают участие в окислительно-восстановительных процессах. Большую роль в почвах играют карбонаты (кальцит, арагонит см. карбонатно-кальциевое равновесие в почвах). В аридных регионах в почве нередко накапливаются легкорастворимые соли (хлорид натрия, карбонат натрия и др.), влияющие на весь ход почвообразовательного процесса.

7. Общефизические свойства: объемная, удельная массы, коэффициент пористости, фильтрации,

Плотность твердой фазы — это масса твердой фазы почвы в абсолютно сухом состояний, выраженная весовыми единицами, на определенный объем (кг/м3, г/см3 и т. д.) или отношение массы твердой фазы (части) к массе равного объема воды при 4°С. Плотность твердой фазы зависит от минералогического состава и содержания органического вещества. Например, минерал кварц имеет плотность 2,65, а глинистые минералы — 2,45— 2,5 г/см3. Плотность органического вещества почвы не превышает 1,25—1,80 г/см3. В среднем плотность твердой фазы составляет 2,5—2,65 г/см3. В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, она не превышает 2,3— 2,5 г/см3 и увеличивается в нижних горизонтах (около 3 г/см3).

Объемная масса. Почва — пористое тело, поэтому, кроме плотности,, она обладает объемной массой. Этот показатель характеризует почву в сухом состоянии с ненарушенным сложением (со всеми порами и промежутками) и выражается в весовых единицах на объем (кг/м3, г/см3).

Объемная масса одной и той же почвы всегда меньше плотности твердой фазы. Величина объемной массы почвы зависит от минералогического и механического состава, содержания органического вещества, структурного состояния и сложения почвы.

Объемная масса пахотного слоя минеральных почв изменяется в широких пределах —от 0,8 до 1,5. Это связано с обработкой, свойствами почвы и сельскохозяйственной культурой. После обработки почва имеет наименьшую объемную массу, затем она постепенно уплотняется, и через определенный срок (неодинаковый для различных почв) величина объемной массы становится более или менее постоянной. Эту величину принято называть равновесной (И. Б. Ревут). Для различных типов почв имеются определенные пределы равновесной объемной массы — для пахотного слоя дерново-подзолистых почв она составляет 1,5—1,6 г/см3, для черноземных почв — 1,0—1,3 г/см3.

Величина объемной массы влияет на водный, воздушный, тепловой режимы почвы, а также на рост, развитие и продуктивность растений. Оптимальная величина объемной массы пахотного слоя различных почв зависит не только от свойств почвы, но и от биологических особенностей растений. Так, для зерновых культур, возделываемых на дерново-подзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах она составляет 1,20—1,35, на тех же почвах, но для картофеля — 1,0—1,2 г/см3. На каштановых почвах при возделывании пшеницы оптимальная величина объемной массы будет 1,0—1,2 г/см3. Увеличение объемной массы выше оптимальной снижает урожай сельскохозяйственных растений.

Пористость почвы (порозность, скважность) — суммарный объем всех пор, выраженный в процентах объема всей почвы. Это так называемая общая пористость, она зависнет от механического состава, содержания гумуса, структурного состояния и сложения почвы.

В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, общая пористость достигает 50—60%, в нижних — она снижается, составляя в суглинистых и глинистых почвах 35— 45%, а в песчаных —30—35%.

Величину общей пористости определяют экспериментально или рассчитывают, исходя из данных объемной массы и плотности твердой фазы почвы.

В зависимости от размера пор (мелких капилляров или крупных) выделяют капиллярную и некапиллярную пористость. Мелкие поры в почвах (капилляры) обычно бывают заполнены водой, а крупные — воздухом.

Таким образом, соотношение объемов твердой фазы, некапиллярных и капиллярных пор характеризует строение пахотного слоя.

Наиболее благоприятные условия водно-воздушного режима для произрастания растений в пахотном слое почвы наблюдаются при величине общей пористости 50—55% и соотношении некапиллярной и капиллярной 1:1 (в зависимости от зональных условий это соотношение может изменяться). В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость (поры заполнены водой) и одновременно некапиллярную пористость (поры заполнены воздухом) — не менее 20% общего объема почвы.

Удельный вес почвы. Если взять отношение веса к.-л. объема почвы к весу такого же объема воды, то получим т. н. «кажущийся удельный вес» почвы, который меньше истинного удельного веса твердых почвенных частиц, так как твердые частицы почвы занимали не весь взятый объем, а были разделены промежутками. Есть способы определить истинный удельный вес; он оказывается в разных почвах неодинаковым; для большинства почв, не содержащих очень большого количества перегноя, он колеблется от 2,4 до 2,8; в торфяных почвах удельный вес падает до 1,2-1,4.

Зная кажущийся и истинный удельный вес почвы можно определить ее «порозность», т. е. долю данного объема, не занятую твердыми частицами. Так, напр., если истинный удельный вес почвы равняется 2,6, а кажущийся 1,3, то на долю промежутков придется половина всего объема,- порозность почвы будет 50%. Если при том же истинном удельном весе кажущийся будет только 1,1, то это будет говорить, о большей порозности, которая в этом случае равна 57%.

Коэффициент пористости - отношение объема пор к объему твердой фазы. Выражается в долях единицы. Значение коэффициента пористости для грунтов меняется в довольно широких пределах (примерно 0,20-1,5, а для органо-минеральных грунтов до 2-20).

Определение основных показателей сжимаемости грунтов производится путем их уплотнения под нагрузкой без возможности бокового расширения в условиях одномерной задачи. При такой схеме нагрузки деформации могут развиваться только в одном направлении. Испытания грунтов проводятся в жестком кольце (одометре), сам прибор называется компрессионным. Нагрузка на поверхность грунта прикладывается ступенями, величина ее устанавливается в зависимости от естественного состояния грунта и составляет 0,010; 0,025; 0,05 МПа. На каждой ступени нагрузки после стабилизации замеряется осадка и строится компрессионная кривая в координатах "давление - коэффициент пористости", для водонасыщенных грунтов в координатах - "давление - влажность".

Для вывода формулы, на основании которой можно определение коэффициента пористости при любой величине деформации образца, введем следующие обозначения: e0 - начальный коэффициент пористости грунта; e - коэффициент пористости грунта при любой нагрузке; si - полная осадка образца при данной ступени нагрузки, измеренная от начала загружения; Ap - изменение пористости грунта от начала загружения; h - начальная высота образца.

Таким образом, коэффициент относительной сжимаемости равен относительной осадке, приходящейся на единицу давления. Если изменение вертикального давления происходит на бесконечно малую величину, то коэффициент пористости изменяется пропорционально этому давлению. После дифференцирования исходного уравнения можно записать.

Зависимость выражает закон уплотнения грунта: бесконечно малое изменение относительного объема пор грунта прямо пропорционально бесконечно малому изменению давления. Основными характеристиками сжимаемости грунтов является модуль общей деформации и коэффициенты бокового давления и поперечного расширения.

Модуль общей деформации, как и для упругих тел, является коэффициентом пропорциональности между напряжениями и относительными деформациями. В то же время модуль общей деформации существенно отличается от модуля упругости тем, что определяется по ветви уплотнения и, таким образом, учитывает упругие и остаточные деформации грунтов. Модуль общей деформации является важной характеристикой, используемой для расчета оснований зданий и сооружений по деформациям, и определяется в полевых и лабораторных условиях. Наиболее распространенный способ - проведение компрессионных испытаний с последующей их обработкой. В этом случае модуль общей деформации, где p - коэффициент, учитывающий невозможность бокового, расширения грунта (для песков и супесей 6 = 0,76, суглинков - 0,63 и глин - 0,42).

8. Физико-механические свойства

пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и удельное сопротивление

К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и удельное сопротивление. Физико-механические свойства имеют большое значение для оценки технологических свойств почвы — условий ее обработки, работы посевных и уборочных агрегатов.

Пластичность — способность почвы изменять свою форму (деформироваться) без образования трещин под воздействием внешних сил и сохранять приданную форму после прекращения механического воздействия. Пластичность обусловлена илистой фракцией и зависит от влажности почвы. Сухие почвы не обладают пластичностью. Избыточно увлажненные начинают течь и теряют пластичность. В связи с этим различают верхний и нижний пределы пластичности. Верхний определяется величиной весовой влажности, при которой почва начинает течь, нижний—при которой почву еще можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования трещин. Пластичность зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов, состава обменных катионов. Наибольшей пластичностью обладают глинистые почвы, наименьшей — песчаные. Повышенное содержание обменного иона натрия увеличивает пластичность. Более гумусированные почвы характеризуются меньшей пластичностью. Пластичные почвы обладают меньшим сопротивлением к механическому воздействию. Чем выше пластичность, тем почва больше подвержена образованию колеи на ее поверхности при проходе агрегатов.

Липкость — способность влажной почвы прилипать к другим телам. Это свойство проявляется в определенных пределах влажности, когда сцепление между почвенными частицами меньше, чем между ними и соприкасающимися предметами. Она определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от почвы, и выражается в г/см². По липкости почвы подразделяют (по Н. А. Качинскому): на предельно вязкие (> 15 г/см²), сильновязкие (5—15), средневязкие (2—5) и слабовязкие (<2 г/см²).

Липкость оказывает отрицательное влияние на условия обработки, если состояние влажности и повышенная пластичность почвы вызывают ее прилипание к рабочим частям машин. При этом увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов почвы, ее структурности и состава обменных катионов. Наибольшей липкостью обладают тяжелые бесструктурные и слабооструктуренные почвы; насыщенность почв ионом кальция снижает липкость, а иона натрия увеличивает ее.

Набухание— увеличение объема почвы при увлажнении. Выражается в объемных процентах от исходного объема сухой почвы. Это свойство связано со способностью коллоидов почвы сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц. Набухание наиболее выражено у глинистых минералов с расширяющейся решеткой, что обусловливает не только поверхностную сорбцию воды, но и проникновение ее в межпакетные промежутки минералов. При этом объем таких коллоидов может увеличиваться в 2 раза. Повышению набухаемости способствует внедрение иона натрия в ППК. Набухание — отрицательное свойство; его проявление может сопровождаться выпиранием почвенной массы, разрушением структурных агрегатов.

Усадка — сокращение объема почвы при высыхании. Это явление обратно набуханию и зависит от тех же факторов. Чем выше набухание почвы, тем сильнее ее усадка. Выражается она в процентах от объема исходной почвы. Усадка может вызывать разрыв корней, приводит к образованию трещин, что способствует непроизводительной потере влаги за счет испарения.

Связность — способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Выражают ее в кг/см². Связность обусловлена силами сцепления между частицами почвы, зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов, влажности, а также оструктурен-ности почвы и факторов, ее обусловливающих (гумусированности, состава обменных катионов и др.). Наибольшей связностью обладают глинистые почвы и почвы, содержащие большое количество обменного натрия. Оструктуренные почвы характеризуются меньшей связностью. Невысокую связность имеют песчаные почвы. Минимальная связность наблюдается при влажности, близкой к влажности завядания.

Учет связности почвы имеет большое значение для качества выполняемых технологических операций — рыхления, перемешивания почвенных слоев, крошения почвы, вспашки и т. п. Эти приемы должны выполняться при наименьшей связности почвы. Определение такого состояния связано с понятием «физическая спелость почвы».

Твердость — свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Выражается она в кг/см². Изеряется при помощи твердомеров. Ёе показатели колеблются от 5 до 60 кг/см² и выше. Высокая твердость почвьг — показатель плохих ее агрофизических качеств. Твердость зависит от влажности, гранулометрического состава, оструктуренности, состава поглощенных катионов, содержания гумуса. С понижением влажности почвы твердость возрастает. Почвы хорошо гумусированные и структурные имеют меньшие показатели твердости, чем малогумусные и бесструктурные. Так, у черноземов твердость в 10—15 раз ниже, чем у солонцов. Высокая твердость увеличивает тяговое сопротивление при обработке, снижает всхожесть семян, затрудняет рост корней растений.

Удельное сопротивление—усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Измеряют сопротивление почвы в килограмме, приходящемся на 1 см² поперечного сечения пласта, поднимаемого плугом. В зависимости от гранулометрического состава, физико-химических свойств, влажности, характера угодья удельное сопротивление почвьг может изменяться от 0,2 до 1,2 кг/см². От удельного сопротивления почвы зависят затраты на ее обработку; с этой величиной связана норма выработки машинно-тракторного парка, расход топливно-сма-зочных материалов.

9. Формы воды в почве

ФОРМЫ ВОДЫ

Твердая вода (лед) является одним из источников жидкой и парообразной воды.

Химически связанная вода включает конституционную и кристаллизационную влагу.

Свободная вода наблюдается в двух формах: капиллярная и гравитационная.

Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почв сверху (после дождя или полива.

ПОЧВЕННО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

Почвенно-гидрологическими константами называют граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности и свойствах воды переходят в качественные.

Максимальная гигроскопичность (МГ) — максимально возможное содержание в почве гигроскопической воды.

Влажность завядания растений (ВЗ) или коэффициент завядания — уровень влажности в почве, при котором начинается устойчивое завядание растений.

Максимальная молекулярная влагоёмкость почвы (ММВ). Максимальная молекулярная влагоёмкость почвы (ММВ) характеризует область перехода (является границей) между плёночной рыхло связанной и капиллярной свободной водой (Воронин, 1984, 1986). Величину ММВ определяют, подвергая насыщенный водой до тестообразного состояния образец почвенного горизонта давлению в 1 мПа. Кроме того, имея данные о ММВ, мы можем с достаточной степенью точности получить и такую важную характеристику почвы, какой является её удельная поверхность:

S_уд = 3, 6232×ММВ, м²/грамм.

Наименьшая влагоемкость (НВ) — максимально возможное количество влаги в почве, которое остается в ней после оттока гравитационной воды.

Полная влагоемкость (ПВ) — это влажность, при которой все поры почвы заполнены водой, т. е. полная водовместимость почвы.

Водопроницаемость — способность почвы воспринимать и пропускать через себя объем воды в единицу времени через единицу поперечного сечения почвы.

Экологическое значение почвенной влаги

Растения чувствительны как к недостатку влаги в почвах, так и к ее избытку. При недостатке влаги падает тургорное давление клеток, теряется их эластичность, резко снижается динамика всех биохимических процессов, сокращается поглощение углекислоты через устьица, в биомассе накапливаются вещества ингибиторы — все это приводит к падению биологической продуктивности или к полной гибели растений.

При избытке влаги у растений нарушается кислородный обмен растения, а в почвах накапливаются ядовитые закисные соединения. Для большинства сельскохозяйственных растений содержание воздуха в почве, обеспечивающее хорошие условия для роста и развития, а также надлежащий газообмен между почвой и атмосферой, равно 20—40% от порозности. Это обеспечивается уровнем влажности почвы, равной 60-80% от наименьшей (полевой) влагоемкости.

Важнейшей экологической характеристикой почвы является влажность устойчивого завядания или влажность завядания (ВЗ). Она характеризуется коэффициентом завядания. Его величина зависит от количества в почвах коллоидов и глинистых минералов. Почвы, богатые гумусом и тяжелые по механическому составу, отличаются более высокими значениями влажности, при которых растения начинают завядать, чем почвы песчаные и супесчаные.

10. Почвенно-гидрологические константы: максимальная гигроскопичность, влажность завядания растений (ВЗ), влажность разрыва капилляров (ВРК), максимальная молекулярная влагоёмкость почвы (ММВ), наименьшая влагоемкость (НВ), полная влагоемкость (ПВ);

Максимальная гигроскопичность (МГ) — максимально возможное содержание в почве гигроскопической воды.

S_уд = 3, 6232×ММВ, м²/грамм.

11. Водопроницаемость, водоподъемная сила

12. Экологическое значение почвенной влаги

Экологическое значение почвенной влаги

13. Поглотительная способность почв

Поглотительной способностью почв называется свойство почвы к обменному или необменному поглощению различные твердых, жидких и газообразных вещества, отдельных молекул, катионов и анионов.

Обменная поглотительная способность – это способность почвы поглощать и обменивать ионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц (в диффузном слое), на ионы почвенного раствора в эквивалентном количестве.

Если потенциалопределяющий слой почвенных коллоидов заряжен отрицательно, то обмениваются катионы, если заряд положительный – обмениваются анионы.

Основные закономерности обменного поглощения катионов заключаются в следующем.

1. Обмен происходит в эквивалентных количествах по законам обменных химических реакций.

2. Любой поглощенный катион может быть вытеснен и заменен любым другим катионом почвенного раствора.

3. Энергия поглощения и вытеснения катионов различна и зависит от величины валентности и атомной массы.

Чем меньше радиус иона, тем выше плотность электростатического напряжения на его поверхности, тем в большей степени он гидратирован. Исключение представляет комплексный ион NH₄, обладающий большей гидратацией, чем ион К⁺, меньший по размеру.

На энергию поглощения оказывает влияние концентрация иона в почвенном растворе. Катион натрия, обладающий меньшей способностью к внедрению, чем катионы аммония и калия, может их вытеснять при высокой концентрации в почвенном растворе.

4. Обменное поглощение носит обратимый характер. Na⁺ вытесняют с помощью гипсования.

5. Скорость обмена обусловлена строением ядер коллоидных частиц, строением кристаллических решеток глинных минералов, величины внутримицеллярной порозности. Скорость обмена велика, почти мгновенная, если она развивается на внешних поверхностях коллоидов и может продолжаться долго (несколько суток) при внутримицеллярном обменном поглощении.

В поглощенном состоянии в почве могут находиться различные катионы: ca,Mg,k, na, H, FE, Mn Общее количество всех поглощенных катионов называется емкостью поглощения (Т). Ее характеризуют с некоторой условностью емкостью катионного обмена (ЕКО) и выражают в мг- экв на 100 г почвы.

Различают 3 вида ЕКО (Орлов, 1985). ЕКО эффективная, или реальная, определяемая при естественной величине рН почвы; ЕКО стандартная, определяемая из буферного раствора с рН 6,5 (в некоторых методах, принятых за рубежом – 8,0-8,5); ЕКО дифференциальная, зависимая от рН, характеризующая приращение ЕКО с увеличением рН.

Суммарное количество всех обменных катионов, за исключением Н⁺ и А1³⁺, называют суммой обменных оснований (S), которая также выражается в мг-экв на 100 г почвы. Так как в почве всегда присутствуют Н⁺ и А1³⁺, то сумма поглощенных оснований меньше ЕКО (Т). Доля суммы поглощенных оснований от емкости поглощения, выраженная в процентах, называется степенью насыщенности почв основаниями (V):

Известна отрицательная сорбция почвой хлоридов и нитратов, которая впервые была описана К.К. Гедройцем как отрицательное физическое поглощение веществ. Отсутствие поглощения почвой нитратов вызывает их вымывание из почвы и миграцию в водоемы. Это явление неблагоприятно сказывается на экологическое состояние водоемов, так как вызывает их эфтрофию при неумеренном использовании нитратных удобрений.

Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 36 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция	\|	следующая лекция ==>
	\|	James Hillman. The Feeling Function. 1971 1 страница

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.062 сек.)