Где n - объем пор в единице почвы или грунта.
Пористость выражают в % от общего объема почвы и вычисляют по показателям плотности почвы W и плотности твердой фазы (d).
Очевидно, что сумма объемов пор и частиц равна единице (т + п = 1). Тогда, принимая во внимание, что п = 1-т, можем получить несколько иное выражение для коэффициента пористости:
Необходимо отметить еще некоторые важные соотношения, которые вытекают из определения коэффициента пористости. Для этого запишем следующие уравнения:
Решая эту систему уравнений относительно и и от, получим:
|
| 2) объем твердых частиц в единице объема горизонта: |
|
1) объем пор грунта или почвенного горизонта в единице его объема:
Нужно отметить, что коэффициент пористости и его производные играют очень важную роль в механике грунтов и инженерно-экологическом почвоведении при расчете деформаций грунтов.
Пористость зависит от гранулометрического состава, структурности, деятельности почвенной фауны, содержания органического вещества, в пахотных горизонтах — от частоты и приемов обработки и окультуренности почвы.
Различают капиллярную и некапиллярную пористость, составляющие вместе общую пористость. Поры могут быть заполнены водой и воздухом. Некапиллярные поры обеспечивают водопроницаемость и воздухообмен, капиллярные — удерживают воду за счет капиллярных сил. Для создания хорошего и устойчивого запаса влаги при одновременном нормальном воздухообмене (аэрации) необходимо, чтобы капиллярная пористость составляла 55— 65 % общей пористости. Если она меньше 50 %, то воздухообмен ухудшается и может возникнуть анаэробные условия. Для наилучшего обеспечения растений водой и воздухом и высокой эффективности применяемых удобрений и других мероприятий по созданию высоких урожаев важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость, заполненную водой, и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30-40 % в торфяных почвах.
Таблица 1.
Основные физические свойства исследуемой почвы.
| Глубина, см | Пористость, | r, г/см3
| d, г/см3 | Удельная поверхность м2/г | Удельная теплоёмкость кал/г |
| Верхнекетский район торфянисто- подзолистая грунтово-глеевая, разрез 75 - 92 | |||||
| 0 - 5 | 0, 905 | 0, 171 | 1, 49 | 159, 3 | - |
| 5 - 10 | 0, 601 | 1, 06 | 2, 69 | 80, 3 | - |
| 10 - 20 | 0, 502 | 1, 34 | 2, 68 | 72, 6 | - |
| 20 - 40 | 0, 439 | 1, 50 | 2, 71 | 51, 1 | - |
| 40 - 60 | 0, 450 | 1, 49 | 2, 65 | 59, 7 | - |
| 70 - 100 | 0, 454 | 1, 47 | 2, 66 | 76, 5 | - |
Коэффициент фильтрации (Kf) определяют на компрессионно-фильрационном приборе из полевой лаборатории Литвинова. Методика определения Kf на приборах данного типа подробно описана в руководствах по методам исследования физико-механических свойств грунтов (ГОСТ 25248-78; Ломтадзе, 1990) и в инструкции к данной лаборатории. Здесь следует лишь отметить, что при испытаниях должно быть обеспечено плотное герметичное соединение всех стыков прибора, что достигается с помощью мастики или пластилина.
Определение наименьшей влагоёмкости почвы и коэффициента фильтрации. Наименьшая влагоёмкость почвы (НВ) или полевая влагоёмкость по С.В. Долгову является важнейшей почвенно-гидрологической величиной, характеризующей способность почвы накапливать влагу и удерживать её в поле действия гравитационных сил. Методики определения НВ хорошо освещены в методической литературе (Вадюнина, Корчагина, 1985; Ломтадзе, 1990) и мы их не приводим. Отметим лишь, что при лабораторных определениях величины НВ на почвенных монолитах время, необходимое для полного стекания гравитационной влаги (а следовательно, и время определения НВ), будет зависеть от величины Kf исследуемого горизонта почвы, что учтено в таблице 2.
Таблица 2.
Зависимость времени определения величины НВ от значений коэффициента фильтрации почвенного горизонта.
| Kf, см/сек | Время определения НВ при высоте образца в см | |
| 1×10-2 | 3 - 5 мин | 15 - 20 мин |
| 1×10-3 | 35 - 40 мин | 1,5 - 2 часа |
| 1×10-4 | 5,5 - 6 часов | 24 часа |
| 1×10-5 | 48 - 50 часов | 9 суток |
| 1×10-6 | 20 суток | - |
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
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».
Физическая смелость—состояние почвы, при котором она хорошо крошится на комки, не прилипая к орудиям обработки. Она определяется влажностью почвы и зависит от тех же факторов, что связность и липкость. Для среднесуглинистых почв физическая спелость наступает при следующей их абсолютной влажности (в%): дерново-подзолистые — 12—21, серые лесные — 15—23, черноземы — 15—24, каштановые — 13—25. С утяжелением гранулометрического состава интервал физической спелости почв во времени и по показателям влажности становится уже.
Помимо физической спелости выделяют биологическую спелость, которая характеризуется таким температурным состоянием почвы, при котором активно развиваются биологические процессы (деятельность почвенной биоты, прорастание семян и др.). Для большинства почв она близка к 10 °С.
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.