Общие физические, физико-механические и химические свойства почв

Почва обладает общими физическими свойствами (структура, структурность, водопрочность, плотность твёрдой фазы, плотность сложения, скважность), физико-механическими (связность, прилипание, пластичность, набухание, спелость) и химическими (поглотительная способность, реакция почвенного раствора, плодородие).

 

Общие физические свойства почв

Структура и структурность. Почва обладаетопределёнными физическими свойствамисреди которых различают структуру и структурность. Структура – это отдельности или агрегаты, на которые распадается почва в спелом состоянии. Структурность – способность почвы распадаться на агрегаты. Различают макро- (диаметр почвенных комочков от 0,25 до 10 мм) и микроструктуру (диаметр комочков <0,25 мм). Агрегаты крупнее 10 мм называют глыбистой структурой. Почва может находиться в структурном и бесструктурном состояниях.

При структурном состоянии механические элементы соединены в агрегаты различной величины и формы.

Различают три типа структур, внутри каждого выделяются следующие виды: кубовидная (глыбистая, комковатая, ореховатая, зернистая), призмовидная (столбчатая, призматическая) и плитовидная (плитчатая, пластинчатая, листоватая). Каждый вид структуры характерен для определённой почвы или определённого горизонта профиля почвы.

Водопрочность. Главнейшим качеством почвенной структуры является её водопрочность. Водопрочность структуры – способность почвенных агрегатов противостоять размывающему действию воды. При бесструктурном состоянии механические элементы не скреплены между собой, а находятся в свободной форме.

Плотность твёрдой фазы. Отношение массы твёрдой фазы почвы к массе равного объёма воды при 4°С называется плотностью твёрдой фазы, или удельным весом. Величина плотности твёрдой фазы почв обычно колеблется от 2,4 до 2,6 и зависит от количества гумуса и минералогического состава.

Плотность сложения. Масса единицы объёма сухой почвы в ненарушенном сложении называется плотностью сложения, или объёмным весом. Величина её колеблется от 1 до 1,8 и зависит от механического состава.

Пористость. Общий объём всех пор в почве, выраженный в процентах от общего объёма почвы называется пористостью, или скважностью. Различают пористость внутриагрегатную, общую (или капиллярную) и межагрегатную (некапиллярную). Величина как общей пористости, так и её составных частей в разных почвах различна и зависит от структуры почвы, механического состава и количества гумуса. С пористостью связана микробиологическая деятельность в комке. Если структурный комок пронизан только весьма тонкими порами, то даже при незначительной влажности микробиологические аэробные процессы в нём резко снижаются. Агрономически ценная структура почвы имеет пористость около 50%.

 

Физико-механические свойства почв

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

Связность – способность почвы противостоять разрывающему усилию. Величина связности зависит от силы сцепления частиц.

Липкость – способность почвы во влажном состоянии прилипать к сельскохозяйственным орудиям.

Пластичность – способность почвы изменять форму без распадения на отдельности под действием внешних сил и сохранять приданную форму после устранения этих сил.

Набухание – способность почвы увеличивать объём при увлажнении.

Для установления правильных сроков обработки почвы существенное значение имеет спелость почвы.

Физическая спелость – состояние почвы, при котором она легко обрабатывается, не мажется и не разделяется на глыбы, а крошится на комки разной величины.

Биологическая спелость – состояние почвы, при котором активно развиваются микробиологические процессы, сопровождающиеся выделением значительного количества CO₂ и интенсивным выходом питательных элементов.

Таким образом, общие физические и физико-механические свойства почвы имеют большое значение, так как определяют водно-воздушный и питательный режимы, условия обработки почвы сельскохозяйственными орудиями и влияют на характер и скорость почвообразования.

 

Водные свойства почвы

Виды влаги в почве. Поступая в почву, вода разделяется на отдельные формы и становится в различной степени доступной для растений. Вода в почве находится в трёх категориях – парообразной, связанной и свободной. Парообразная вода – это влага, находящаяся в почвенном воздухе в виде водяного пара. Связанная вода – это вода, которая поглощена поверхностью твёрдых частиц. Она подразделяется на гигроскопичную (образует плёнку непосредственно на поверхности твёрдых частиц и она очень прочно связана с почвой силами молекулярного притяжения) и плёночную (располагается поверх плёнки гигроскопической воды и также удерживается силами молекулярного притяжения). Свободная вода – это вода, заполняющая капилляры почвы и удерживаемая в них капиллярными силами. Различают также гравитационную воду – это вода, которая не может удерживаться в почве и свободно передвигаться по крупным порам под действием силы тяжести. Это неустойчивая форма воды, которая существует только какое-то время после выпадения атмосферных осадков.

Водные свойства почвы. Важными водно-физическими свойствами почвы являются влагоёмкость, влажность, водопроницаемость, водоподъёмная способность и испаряющая способность.

Влагоёмкость почвы – это количество воды, которое почва может удерживать в себе. Различают полную, полевую и капиллярную влагоёмкость. Полная, или наибольшая влагоёмкость – это наибольшее количество влаги, которое может находиться в почве при полном заполнении всех пор водой. Капиллярная влагоёмкость – это количество воды, которое почва может удержать при полном насыщении капилляров. Полевая, или наименьшая влагоёмкость – это наибольшее количество подвешенной свободной влаги, которое может удержать почва. Подвешенная свободная влага появляется в почве при увлажнении её атмосферными осадками или полевыми водами.

Влажность почвы – это общее количество воды, содержащееся в данное время в почве. Влажность – непостоянная величина и может очень сильно колебаться в одной и той же почве. Она не отражает количества влаги доступной для растений. Влажность завядания – это влажность при которой наблюдаются устойчивые признаки завядания растений.

Водопроницаемость почвы – это способность почвы впитывать и фильтровать через себя влагу. Водопроницаемость зависит от механического состава, оструктуренности и степени увлажнения почвы.

Водоподъёмная способность – это способность почвы поднимать по капиллярам влагу. Скорость и высота подъёма зависят в первую очередь от механического состава.

Испаряющая способность – это способность почв испарять влагу со своей поверхности. Кроме водоподъёмной способности, на величину испаряемости влияют температура почвы и приземного слоя атмосферы, скорость ветра, цвет почвы, характер её поверхности и т.д.

 

Воздушные свойства почвы

 

К воздушным свойствам почвы относятся воздухоёмкость и воздухопроницаемость.

Воздухоёмкость – это способность почвы содержать то или иное количество воздуха. Величина воздухоёмкости зависит от пористости почвы и от её влажности.

Воздухопроницаемость – это способность почвы пропускать воздух. Воздухопроницаемость зависит от механического состава и структуры. В целом количество воздуха в почве может колебаться от 0 до 40% объёма почвы.

 

Тепловые свойства почвы

 

К основным тепловым свойствам почвы относятся теплопроводность, теплоёмкость и отражательная способность.

Теплопроводность – это способность почвы проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла в джоулях, которое проходит через площадь в 1 м² за 1 сек. при градиенте температуры в 1º К/м. Она зависит от механического состава, влажности почвы и содержания в ней воздуха.

Теплоёмкость – это способность почвы поглощать тепло и выражается в количестве тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы (1 кг) или объёма почвы (1 м³) на 1°С [Дж/(кг · К)]. Теплоёмкость зависит от минералогического и механического составов, влажности почвы и содержания в ней органического вещества.

Отражательная способность – это способность почвы отражать лучистую энергию солнца и выражается через альбедо, которое представляет собой отношение отражённого количества лучистой энергии к общему её количеству. Почвы отражают от 15 до 45% энергии.

 

Химические свойства почв

К данному явлению можно отнести функции коллоидных частиц, поглотительную способность и реакцию почвенного раствора.

Понятие о коллоидных растворах. Химические свойства почв обусловливаются наличием в ней коллоидных растворов, состоящих из коллоидных частиц чрезвычайно мелких размеров (<0,001 мм) и обладающих большой удельной поверхностью. Коллоидный раствор – это коллоидно-дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость (вода), а дисперсной фазой – твёрдое вещество. Находясь в растворе, коллоидные частицы в результате взаимодействия с ионами раствора приобретают определённое строение и электрический заряд. Процесс соединения отдельных коллоидных частиц и выпадение осадка называется коагуляцией. Осадок, возникший в результате коагуляции, называется гелем. Обладая в силу высокой дисперсности огромной поверхностью, гели могут поглощать (сорбировать) из раствора ионы различных химических элементов, не образуя с ними при этом химических соединений. Катионы раствора, поглощаясь коллоидными частицами, вытесняют ранее поглощённые катионы. Высокодисперсные частицы почвы в подавляющем большинстве случаев заряжены отрицательно и поэтому сорбируют различные катионы. Таким образом, в процессе поглощения имеет место своеобразный физико-химический обмен химических элементов.

Поглотительная способность. Способность почвы поглощать газы, пары и растворенные или взмученные в воде соединения называется поглотительной способностью. На поглотительной способности почв основан метод очистки сточных бытовых и промышленных вод. Сточные воды вместо прямого сбрасывания в реки и моря отводятся на специально участки - поля фильтрации, где они очищаются в результате фильтрации через почвенную толщу.

К Л. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности почв: механическое, физическое,химическое, физико-химическое и биологическое.

Механическая поглотительная способность. Способность почвы как пористого тела задерживать фильтрующиеся через нее вещества называется механической поглотительной способностью. При механическом поглощении задерживаются лишь такие частички, диаметр которых больше диаметра пор почвы. Величина этого поглощения зависит от механического состава почвы: чем тяжелее почва, тем тоньше диаметр ее пор,тем выше, следовательно, механическое поглощение. Она предотвращает вымывание изпочвы илистых и коллоиднах частиц и тем самым делает устойчивым механический состав. Иногда взоне орошаемого земледелия образуются новые почвы, где вместе с водой на поле попадает ил.

Физическая поглотительная способность. Способность почвы увеличивать концентрацию молекул растворенного вещества в пограничном слое раствора, окружающем почвенные коллоиды называется физической (молекулярной) поглотительной способностью. Поглощение молекул приэтом происходит вследствие того, что поверхность почвенных коллоидов обладает свободной энергией. Путем физического поглощения в почве могут накапливаться пары воды и разнообразные газы. Наиболее энергично поглощается вода и аммиак, затем углекислый газ и совсем слабо кислород и молекулярный азот.

Химическая поглотительная способность. Способность почвы накапливать труднорастворимые соединения, поступающие в почвенный раствор называется химической поглотительной способностью. Благодаря химическому поглощению в почве накапливаются фосфаты, которые становятся доступными для растений лишь при изменении реакции среды, в противном случае они являются балластом в почве.

Физико – химическая поглотительная способность. Способность почвы обменивать катионы из почвенного поглощающего комплекса (диффузного слоя) на катионы почвенного раствора называется обменной, или физико-химической поглотительной способностью. Она обусловлена наличием коллоидов – частиц размером ‹ 0,0001 мм. Состав коллоидов в почвах представлен гумусовыми веществами, глинистыми материалами, гидратами окиси алюминия, железа, кремния. Эти коллоиды в большей своей массе имеют отрицательный заряд, поэтому в реакциях обмена участвуют только катионы. Обменное поглощение всегда строго эквивалентно.

Суммарное количество способных к обмену катионов называется ёмкостью поглощения и выражается в мг-экв/100 г почвы. Большое влияние на величину ёмкости поглощения оказывает состав минеральных коллоидов.

Обменная поглотительная способность оказывает большое влияние на питательный режим почв. Благодаря этому виду поглотительной способности в почве удерживается от вымывания значительная часть катионов (Са²⁺, Мg²⁺, К⁺, NH₄⁺ и др.), вносимых человеком в виде минеральных удобрений или освобождающихся при разложении органических удобрений и растительных остатков. Поэтому, чем выше величина обменного поглощения, тем больше катионов удерживает почва, и тем больше, следовательно, в ней запас питательных веществ. Наиболее распространёнными катионами являются Са²⁺, М²⁺, которые присутствуют во всех почвах. Они оказывают положительное влияние на почву. Катионы Са⁺⁺ и Mg⁺⁺ являются хорошими коагуляторами, способствуют образованию структуры, обеспечивают благоприятные условия для деятельности микроорганизмов.

Органические и минеральные коллоиды вместе с обменно-поглощенными из почвенного раствора катионами называются почвенным поглощающим комплексом.

Биологическая поглотительная способность. Способность почвы накапливать в результате жизнедеятельности растений и микроорганизмов зольные элементы и азот называется биологической поглотительной способностью. Живые организмы избирательно усваивают исходя из физиологической потребности из растворов элементы, переводят их в нерастворимые соединения, тем самым способствуют их аккумуляции в верхних горизонтах почвы.

Реакция почвенного раствора. Одним из основных вопросов агрономического почвоведения является учение о реакции почвы. Большинство растений требует для своего развития нейтральной или слабокислой реакции. Почвенный раствор – это свободная почвенная вода. Большая часть соединений находиться в почвенном растворе в виде ионов. Различают актуальную (или активную), потенциальную, обменную и гидролитическую кислотность.

Актуальная кислотность – это кислотность почвенного раствора. Её величина зависит от количества органических и минеральных кислот в растворе. Выражают её величиной водного рН. Реакция почвенного раствора определяется концентрацией находящихся в нем ионов водорода Н⁺ и гидроксила ОН^-. При этом концентрация ионов водорода в чистой воде, имеющей нейтральную реакцию, равна 10^-7 г/л H⁺. Иметь дело с такими малыми величинами неудобно, то оперируют с отрицательным десятичным логарифмом концентрации H⁺-иона. Этот логарифм обозначают pH. Поэтому, в нейтральных растворах рН = 7, в щелочных - >7 и в кислых - <7. При этом по значению рН различают почвы сильнокислые (3,0-4,5), кислые (3,5-5,5), слабокислые (3,5-:6,5), нейтральные (6,6-7,0), слабощелочные (7,0-7,5), щелочные (7,5-8,5) и сильнощелочные (8,5 и более).

Потенциальная кислотность – это кислотность почвы, проявляющаяся при взаимодействии почвы с нейтральными или гидролитически щелочными солями. Эта форма кислотности обусловлена наличием ионов H⁺ и Al⁺⁺⁺, находящихся в поглощённом состоянии в почвенном поглощающем комплексе. Так как прочность связи водорода и алюминия с почвенным поглощающим комплексом различна, то потенциальная кислотность подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность – это кислотность раствора, образующаяся при вытеснении H⁺ и Al⁺⁺⁺ нейтральной солью (KCl, NaCl, BaCl₂).

Гидролитическая кислотность – это кислотность раствора, образующаяся при взаимодействии почвы с гидролитически щелочной солью (т.е. солью сильного основания и слабой кислоты).

Повышенная кислотность угнетает деятельность микроорганизмов, питательный режим резко ухудшается. В кислых почвах происходит разрушение её структуры.

Сельскохозяйственные культуры, такие как картофель, овёс, рожь, лён лучше всего развиваются в условиях слабокислой или близкой к нейтральной реакции (pH 5,1-6), а горох, пшеница - при pH 6-7.

Основной мерой борьбы с повышенной кислотностью является известкование почв. Многие почвы обладают щелочной реакцией (pH>7) и для ликвидации щёлочности проводят гипсование почвы.

Буферность почвы – это способность почвы сохранять свою реакцию при сравнительно небольшом добавлении кислот или щелочей.

Плодородие. Почвы в отличие от горной породы обладает важнейшим свойством – плодородием. Плодородие – это способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде и воздухе. В зависимости от происхождения выделяют естественное (природное) и искусственное плодородие.

Естественное, или природное плодородие – плодородие, которое создаётся в почве под влиянием природных факторов почвообразования и которое присуще любой почве как природному телу. Создаётся оно медленно.

Искусственное плодородие – плодородие, которое создаётся при воздействии человека на почву. Мощность его зависит от уровня естественного плодородия и характера воздействия человека на почву.

Выделяют также потенциальное и действительное (эффективное) плодородие. Потенциальное плодородие – плодородие, которое определяется общим (валовым) запасом питательных веществ в почве и которое показывает степень богатства почвы элементами питания. Действительное (эффективное) плодородие – плодородие, которое зависит от количества в почве элементов питания в доступных растениям формах, от содержания воды, кислорода, воздуха и других условий, необходимых для роста и развития растений. Показателем степени его является величина урожая. Фактически эффективное плодородие представляет собой суммарное выражение естественного и искусственного плодородия.

 

Глава 20