Физика почв.
Почва, ее физические свойства – это одно из центральных понятий продукционного процесса. Действительно, она обеспечивает растения питательными веществами и водой, она преобразует солнечную радиацию в тепло, хранит это тепло, являясь теплым «одеялом» для семян растений, она впитывает осадки, сохраняет воду, избавляясь от ее избытков и предоставляя воздуху свободно циркулировать в поровом пространстве. С точки зрения агрофизики почва – это гетерогенная многофазная дисперсная система с определенными верхней (как правило, дневная поверхность) и нижней (граница с подстилающей породой или уровень грунтовых вод) с границами. Она обладает свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию. Остановимся подробнее на свойствах гетерогенности, многофазности и дисперсности почвы.
Гетерогенная – это характеристика указывает на то, что различные почвенные частицы почвы могут иметь разное происхождение. Могут, например, представлять собой остатки растительного происхождения, образовываться при дроблении минеральных частиц, являться вторичными (глинными) минералами. Даже частицы, очень близкие по форме и размерам, могут иметь разную природу и обладать различными свойствами, как, в частности, частицы минеральные и органические.
Рассмотрим почву при разном увеличении (рис. 1.1.1): кубик почвы 5 × 5 × 5 см состоит из отдельных агрегатов, пронизан трещинами, межагрегатными порами. Этот кубик распадается на отдельные агрегаты, - почвенные отдельности размерами > 0,25 мм, которые в свою очередь состоят из микроагрегатов. А вот в микроагрегатах представлены отдельные почвенные частицы. Это частицы первичных минералов, кварца, органические остатки, очень тонкие глинистые минералы, которые представляют собой первоэлементы почвы, - элементарные почвенные частицы.
Элементарные почвенные частицы совместно представляют собой твердую фазу почвы. Для характеристики твердой фазы мы можем применить традиционные физические параметры такие как плотность. Эта физическая величина определяется массой вещества в единице объема. В данном случае, для плотности твердой фазы почвы (ρs), это будет масса всех почвенных частиц (ms), отнесенная к их объему (Vs):
- плотность твердой фазы почвы, г/см3.
Твердая фаза почвы, как это видно из рис. 1.1.1, представлена частицами различного происхождения и различной своей природной плотности. Например, органическое вещество имеет плотность 1,3 – 1,5 г/см3, а минералы, составляющие твердую фазу почв, - 2,6 – 2,8 г/см3. Плотность же твердой фазы почвы является средневзвешенной величиной всех составляющих ее компонентов, - и органических веществ, и различных минералов. Поэтому плотность почвы, ρs, существенно зависит от состава почвенной твердой фазы: для торфяных почв она близка к 1,4 г/см3, для пахотных горизонтов колеблется в пределах 2,4 – 2,7, а в горизонтах B и C достигает 2,65 – 2,75 г/см3 (табл. 1.1.1).
Вернемся к рис. 1.1.1. Из него видно, что элементарные почвенные частицы объединены в микроагрегаты и агрегаты. Можно определить плотность этих почвенных образований, плотность агрегата, ρa: это будет масса (ms) единицы объема почвенного агрегата, Va:
.
Заметим, что масса в данном выражении – та же, что и для плотности твердой фазы: ведь массу агрегата составляют те же самые твердофазные элементарные почвенные частицы, соединяясь в агрегат, образуют поры, то плотность агрегата будет заметно ниже плотности почвы, составляя 1,3 – 1,8 г/см3. Зная плотность твердой фазы и плотность агрегата, можно рассчитать и порозность агрегата – объем пор агрегата, отнесенный к объему агрегата:
,
где εагр – порозность агрегатов, выраженная в долях от объема (см3/см3), или, в случае умножения на 100, - в процентах. Можно более подробно раскрыть значение этой формулы, учитывая, что Vпор = Vа – Vs, а Va = ms/ρa и Vs = ms/ρs:
Так по величинам плотности твердой фазы и плотности агрегатов можно рассчитать порозность агрегатов.
Аналогично можно поступить и для почвенного образца. Для него можно ввести понятие плотности: это будет плотность почвы. Но в этом случае следует учесть, что в объем образца вошли свойственные естественной почве трещины, каверны и прочие пустоты (см. рис. 1.1.1). Поэтому плотность почвы, ρb, - масса единицы объема почвы в естественном, ненарушенном состоянии:
- плотность почвы, г/см3.
Плотность почвы – одно из основных, фундаментальных свойств почвы. Без знания этой величины невозможны никакие расчеты, никакая количественная оценка почв. Поэтому данные по плотности и порозности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля. Как и для составляющего почву агрегата, для почвы в целом также можно ввести понятие порозности, как отношение объема пор к объему всего образца, и определить порозность через плотность почвы и твердой фазы почвы:
.
В табл. 1.1.1 приведены характерные значения плотностей для разнообразных почвенных объектов.
Табл. 1.1.1. Типичные значения плотности различных почв.
| Почвенные объекты | Плотность твердой фазы почвы, ρs, г/см3 | Плотность почвы, ρb, г/см3 | Плотность агрегатов, ρа, г/см3 | Порозность почвы, ε, см3/см3 |
| Пахотные горизонты минеральных почв: - суглинистые; - песчаные | 2,55 – 2,65 2,50 – 2,70 | 0,8 – 1,5 1,4 – 1,7 | 1,3 – 1,8 – | 0,69 – 0,46 0,46 – 0,35 |
| Горизонты B и C | 2,65 – 2,75 | 1,5 – 1,8 | 1,4 – 1,9 | 0,42 – 0,32 |
| Торф (верховой) | 1,35 – 1,45 | 0,1 – 0,3 | – | 0,93 – 0,79 |
Приведенные величины – это возможный интервал встречающихся значений. Однако для нормального функционирования почв существует некоторый оптимальный диапазон, находящийся внутри указанных крайних значений. Мы переходим к оценке этих составляющих порового пространства, к рассмотрению плотности почвы, составляющих ее различных видов пористостей как важнейших агрофизических характеристик почвы, от которых зависит урожай растений и другие биосферные функции почв.
Шеин Е.В. Агрофизика. Ростов-на-Дону, «Феникс». 2006.