Методика определения плотности почвы кратко

Обновлено: 07.07.2024

Плотность почвы – фундаментальная физическая величина, широко используемая в почвоведении для оценки соотношения между твердой, жидкой и газообразной фазами почвы, расчета общей и дифференциальной пористости, запасов вещества, оценки степени сложения и других почвенно-экологических, агрофизических характеристик.

Целью исследования является разработка методических принципов определения плотности сложения черноземных почв.

Ключевые слова: плотность почвы, усадка, набухание, пластичность.

Morozov Igor V., Vareldzhan Diana E., Borovikova Yana V., Kolesnikova Nadezhda A.

Keywords: soil bulk density, compaction, swelling, plasticity.

Введение

Одним из основных показателей физического состояния почвы является ее плотность сложения, которая под действием различных факторов очень динамична, изменяется во времени и в пространстве. Плотность почвы обусловливает многие почвенные процессы (водный, воздушный, тепловой и др.), а также напрямую влияет на рост и развитие растений [23].

Данные по плотности почвенных слоев и горизонтов обязательно сопровождают полную характеристику почвенного профиля. Без знания этой величины невозможны никакие расчеты, никакая количественная оценка почв. Например, расчет общей пористости, запаса питательных веществ, воды, гумуса, нормы полива, массы слоя почвы [11]. Величина плотности почвы в естественном состоянии используется для расчета объема земляных работ, расчета энергетических затрат при обработке почвы [3].

Существует много методов определения плотности сложения почв. Однако при изучении черноземов, обладающих заметной набухаемостью при увлажнении и усадкой при высыхании, зависимость плотности от постоянно меняющейся естественной влажности столь велика, что возникают сомнения в целесообразности изучения данного показателя в разовых полевых определениях при соответствующей зафиксированной влажности почвы [15].

Целью данного исследования является разработать методические принципы определения плотности сложения черноземов.

Объект и методы исследования

Объектом исследования является чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный тяжелосуглинистый иловато-пылеватый на желто-бурых лессовидных тяжелых суглинках (на примере Ботанического сада ЮФУ, г. Ростов-на-Дону). Чернозем обыкновенный карбонатный характеризуется существенным изменением объема при увлажнении, проявляя способность к набуханию и усадке. Данная особенность почвы явилась решающим фактором при выборе объекта исследования, так как изменение объема вносит существенные коррективы в результаты определения плотности сложения почвы и подходы к интерпретации полученных данных [16].

По определению, плотность сложения ρ_b – это масса сухой почвы ненарушенного сложения в единице ее объема, т.е. со всеми свойственными естественной почве пустотами или, другими словами, это масса единицы объема почвы в ее естественном, ненарушенном состоянии [6].

Именно такое представление о плотности почвы и является источником ошибок и противоречий, которые в настоящее время не нашли решения в почвоведении и физике почв, в частности. Например, к таким ошибкам относится утверждение о том, что плотность почвы зависит от ее влажности [18]. Проблема в том, что экспериментально действительно обнаруживается такая зависимость, что связано с объемными изменениями, причиной которых и является увеличение и уменьшение влажности почвы.

Для решения проблемы изучения плотности почв, подверженных объемным изменениям, мы исходили из того, что изменение влажности почвы сопровождается изменением ее объема, а, следовательно, при определении плотности буровым методом, в режущее кольцо в зависимости от величины естественной влажности попадает разное количество почвы. При этом особенность метода заключается в том, что в зависимости от влажности почвы (то есть объемных изменений) режущим кольцом будет отбираться разная масса почвы (с учетом пересчета на сухую навеску) при неизменном объеме данного кольца.

Таким образом, чем выше влажность исследуемой почвы, то есть выше ее набухаемость, тем меньшее количество сухой почвы отсекается режущим кольцом, следовательно, тем меньшее значение мы получаем при расчете плотности. Это обстоятельство и приводит к последующим ошибкам в определении запаса вещества, запаса влаги, расчете общей и дифференциальной пористости, неверной оценке агрофизического состояния и др. Следовательно, можно сделать вывод, что ошибки заключаются в выборе способа определения плотности почвы и неверной интерпретации полученных результатов.

Исходя из таких представлений, мы предлагаем ввести следующие понятия:

Предлагаемые нами категории плотности почвы будут определяться преимущественно внутренними свойствами самой почвы.

Для подтверждения предлагаемых положений, в лабораторных условиях нами определены следующие показатели:

- плотность чернозема обыкновенного карбонатного Ботанического сада ЮФУ с учетом динамики данного параметра в горизонтах А_п, А_п/пах и В₁ (глубина 0–65 см);

- плотность горизонта А_п/пах чернозема обыкновенного карбонатного Ботанического сада ЮФУ в 3-х кратной аналитической повторности;

- полевая влажность исследуемой почвы с учетом динамики данного параметра по профилю;

- объемная усадка почвы в горизонтах А_п, А_п/пах и В₁ (глубина 0–60 см).

- данные показатели были использованы для расчета приведенной плотности почвы (т.е. плотности почвы на пределе набухания) и плотности почвы на пределе усадки.

Верхний и нижний пределы пластичности определяли по ГОСТ 5180-84 [7], а усадку путем геометрических измерений почвенных блоков с использованием штангенциркуля.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные результаты (табл. 1) показали, что исследуемая почва в ненарушенном сложении характеризуется как уплотненная с постепенным увеличением данного параметра вниз по профилю. Так, в горизонте А_п плотность составила 1,25 г/см 3 , в горизонте А_п/пах – 1,36 г/см 3 и в горизонте В₁ – 1,38 г/см 3 .

Таблица 1 – Физические свойства чернозема обыкновенного карбонатного (Ботсад ЮФУ, объем цилиндра – 238 см 3 )

Плотность (объемная масса) почвы – масса абсолютно сухой почвы при ненарушенном сложении (со всеми имеющимися в почве порами) в единице объема. Плотность выражается в г/см 3 . Значения плотности почвы изменяются в пределах от 0,4 до 1,8 г/см 3 и зависят от механического состава , количества органического вещества и структуры почвы .

Оптимальная плотность для большинства культур равен 1-1,2 г/см 3 . При этих значениях плотности создаются наиболее благоприятные водный, тепловой, воздушный и питательный режимы в плодородном слое почвы , а также наиболее оптимальные условия для корневой системы. Разные культуры неодинаково реагируют на разную плотность. Пропашные культуры формируют свой урожай в почве (картофель, сахарная свекла, морковь и др.) или развивают мощную корневую систему (кукуруза, подсолнечник), поэтому отзывчивы на рыхлую почву, т.е. формируют самый высокий урожай при более низких значениях плотности почвы (0,9-1,0 г/см 3 ). Озимые культуры (озимая рожь, озимая пшеница) требуют более плотных почв – оптимальные значения плотности 1,1-1,3 г/см 3 . Под воздействием сельскохозяйственной техники плотность почвы нередко увеличивается на 1,4-1,6 г/см 3 , при этом переуплотняется не только пахотный слой, но и подпахотный. Переуплотненная почва оказывает большое сопротивление корням растений, в плотные почвы плохо проникает вода, затрудняется воздухообмен между почвенным и атмосферным воздухом, ухудшается деятельность микроорганизмов, все это ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Знание плотности почвы позволяет определить пористость, запасы влаги, элементы питания в почве, необходимые при расчете норм полива и количества вносимых удобрений.

Методика определения объемной массы.

Необходимо взять металлический бур-патрон и взвесить пустой вместе с двумя крышками. Для определения объема бура-патрона измерить его диаметр и высоту. Закрыть одну из крышек, в цилиндр совочком небольшими порциями насыпать воздушно-сухую почву, взятую с горизонта 0-25 см. Почву насыпать до верхней части цилиндра, при этом постукивать по его боковой части. После этого бур-патрон закрыть второй крышкой и взвесить вместе с воздушно-сухой почвой. Затем почву высыпать в тот же ящик, откуда она была взята, и повторить взвешивание второго и третьего образцов, взятых из того же ящика. Трехкратное взвешивание необходимо для получения более точного значения результатов.

Далее, точно таким же способом три раза насыпать в цилиндр и взвешивать почву со слоев 25 – 40 см и 40 – 100 см.

Массу воздушно-сухой почвы вычисляют путем вычитания из массы бура-патрона с воздушно-сухой почвы массы пустого бура-патрона. Массу абсолютно-сухой почвы рассчитывают с учетом поправки на влажность – 5%

Плотность (объемную массу) для каждого генетического горизонта рассчитывают путем деления массы абсолютно сухой почвы на объем бура-патрона.

Почвенные образцы отбирают зачастую в тех же местах (рядом) и в те же сроки, что и влажность почвы. Для этого используют специальные почвенные буры (рис. 2), состоящие из рукоятки с бобышкой, штанги с делениями, указателя-выталкивателя, полого цилиндра и съемного заостренного режущего кольца. Используют буры и других конструкций.

Рис. 2. Устройство бура, применяемого для отбора образцов на плотность почвы (а – съёмное режущее кольцо; б – полый цилиндр; в – указатель-выталкиватель; г – штанга с делениями; д – бобышка; е – ручка).

Режущее кольцо в нижней части имеет диаметр на 2 мм меньше чем в средней и верхней – этим и достигается ненарушенность сложения при отборе образца. Их отбирают чаще всего по слоям 10 см до 40 см, а иногда и глубже. Повторность отбора 3-5 кратная на двух несмежных повторениях опыта, на производственных полях более многократная.

Отбор образцов ведут следующим образом:

1) собранный почвенный бур ставят на поверхность почвы перпендикулярно земле и вгоняют в почву ударами молота по бобышке до необходимой глубины;

2) достигнув её, бур поворачивают по часовой стрелке, затем, вращая извлекают из скважины, очищают острым ножом от излишков почвы;

3) снимают осторожно режущее кольцо, очищают его внутреннюю часть от почвы в картонный коробок, туда же выталкивают почву из полого цилиндра;

4) отобранный весь почвенный образец переносят в большой бюкс, предварительно пронумерованный и записанный в журнал или в прочный полиэтиленовый пакет с этикеткой;

5) затем проводят повторные отборы рядом в слое 0-10 см, а в последующем и в других слоях 10-20, 20-30 см и глубже при необходимости;

6) отобранные полностью образцы в ящике переносят в лабораторию, где взвешивают;

7) почвенные пробы полностью высушивают, взвешивают, расчитывают массу абсолютно сухой почвы, что фиксируется также в журнале;

8) определяем объем почвенного образца, взятого для анализа по диаметру, радиусу режущей части кольца, высотой его и цилиндра бура по формуле:

V = π* r 2 * h, см 3 , где π = 3,14;

r – радиус кольца, см;

h – высота кольца и полого цилиндра, см

9) Рассчитываем плотность почвы (г/см 3 ), как отношение массы абсолютно сухой почвы в цилиндре к объему, занимаемому образцом почвы, взятом для анализа:

d ₀ = , г/см 3 ,

где d ₀ – плотность почвы, г/см 3 ;

Д – масса абсолютно сухой почвы в образце, г;

V – объем почвенного образца, см 3 .

2.1 Плотность почвы в пахотном слое ____________________________, г/см 3

Параметры режущего кольца с

Плотность почвы, г/см 3

11) Каждым звеном студенческой подгруппы проводятся анализы полученных данных плотности почвы (табл. 2.1) по исследуемому варианту:

анализ: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12) Обобщаем полученные несколькими звеньями подгрупп данные плотности почвы по различным вариантам (табл. 2.2), проводим анализ и планируем мероприятия по оптимизации плотности почвы:

2.2 Плотность почвы по различным вариантам, г/см 3

Анализ и выводы:

Мероприятия по оптимизации плотности почвы:

Оборудование: специальный почвенный бур или режущее кольцо, нож почвенный, молот, алюминиевые стаканчики, картонный коробок, полиэтиленовые пакетики, фанерная дощечка, ящик с крышкой для транспортировки образцов, электрические весы, сушильный шкаф, этикетки, тетрадь для записей, карандаш.

Задание 3. Расчеты запасов влаги в почве

При возделывании сельскохозяйственных культур важно знать общие запасы воды и количество физиологически доступной растениям влаги в корнеобитаемом слое почвы.

Для определения общего запаса влаги используют абсолютную влажность, ранее нами рассчитанную (табл. 1.1 и 1.2). Вычисление общих запасов почвенной влаги ведут по формуле:

W _{0бщ. =} B ₀ * d ₀ * h , (м 3 /га, т/га)

где: W _0бщ. – общие запасы влаги в м 3 /га, т/га;

B ₀ - абсолютная влажность отдельных слоев почвы, % к массе абсолютно сухой почвы;

d ₀ - плотность почвы отдельных слоев, г/см 3 ;

h – мощность слоя почвы, см.

Запасы влаги очень часто выражают в мм, так как 1 мм/га = 10 м 3 /га, то формула принимает несколько другой вид:

W _0бщ. = , мм

Но не вся влага, находящаяся в почве доступна для растений. Недоступной считается влажность, соответствующая ВУЗР (ВЗ) (влажности устойчивого завядания растений). Многочисленными физиологическими опытами установлены показатели ВУЗР для разных типов почв и горизонтов, на основании чего выведена и математическая зависимость ВУЗР от максимальной гигроскопичности (МГ), равная: ВУЗР = 1,5…2,0 МГ, %.

ВУЗР (ВЗ) – это такая влажность почвы, при которой появляются первые признаки увядания растений, не исчезающие при последующем 12-ти часовом пребывании их в атмосфере, насыщенной водяными парами.

МГ – это наибольшее количество парообразной влаги, которое данная почва может поглотить из воздуха, насыщенного водяными парами, т.е. это максимально возможное содержание в почве гигроскопической влаги.

Для черноземных почв Дона МГ (максимальная гигроскопичность) и плотность (d₀) по слоям составляет:

МГ_0-10 = 7,8%, d ₀ * =	МГ_40-60 = 8,7%, d ₀ = 1,35 г/см 3
МГ_10-20 = 8,0%, d ₀ * =	МГ_60-80 = 9,1%, d ₀ = 1,40 г/см 3
МГ_20-30 = 8,3%, d ₀ = 1,23 г/см 3	МГ_80-100 = 9,3%, d ₀ = 1,45 г/см 3
МГ_30-40 = 8,5%, d ₀ = 1,30 г/см 3

* Определяют на предыдущих практических занятиях.

В наших расчетах: ВУЗР (ВЗ) = 1,5 МГ, и тогда запасы физиологически недоступной влаги рассчитываются по тем же формулам, но уже с показателями МГ и ВУЗР (ВЗ):

W _нд. = 1,5 МГ * d ₀ * h (м 3 /га, т/га)

W _нд. = , мм

И наконец, запасы физиологически доступной (продуктивной) влаги определяют как разность между общим запасом и количеством недоступной влаги (мёртвым запасом).

Расчеты ведём в таблице 3.1:

Запасы почвенной влаги _________________________________ ___ , мм

Слой почвы, см	Абсолютная влажность, %	Плотность почвы, г/см 3	Мощность слоя, см	Общие запасы влаги, мм	Максимальная гигроскопичность, %	Влажность устойчивого завядания, %	Количество недоступной влаги, мм	Запасы продуктивной влаги, мм
0-20
0-40
40-100
0-100

Проводим анализ полученных данных каждым звеном на исследуемом варианте:

Анализ:

Составляем таблицу запасов влаги в почве по различным вариантам и обобщаем полученные данные:

Запасы почвенной влаги в пахотном слое по ________________, мм

Запасы влаги, мм

Анализ:

Мероприятия по накоплению и сохранению влаги:

Задание 4. Строение (сложение) пахотного слоя почвы

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.011)

Плотность почвы – масса абсолютно сухого вещества почвы в единице ее объема ненарушенного естественного сложения.

Плотность определяет соотношение между фазами почвы, связана с ее структурным состоянием. Больше всего плотность зависит от сложения и структуры. Рыхлые почвы с зернистой и комковатой структурой большой пористостью мало плотные. Бесструктурные и слитые – плотные (табл. 3).

Плотность почв и грунтов

Глыбы после вспашка

Корка после полива

Чем больше органических соединений в почве, тем плотность ниже, чем больше минералов оксида железа – тем выше. Учет плотности почв позволяет сравнивать значения конкретного показателя (запасы воды, гумуса) в почвах объективно, не зависимо от их гранулометрического состава. Для этого применяют формулу:

где W (%) – значение определяемой величины в процентах; d – плотность почвы, г/смз; h – мощность слоя почвы, горизонта, в см.

Плотность твердой фазы (удельный вес) – средняя плотность почвенных частиц – масса сухого вещества почвы в единице его истинного объема твердой фазы, выраженная в г/смз или т/мз.

Плотность твердой фазы почвы зависит от ее минералогического состава, количества органических веществ. Плотность твердой фазы почвы малогумусных почв составляет 2,65–2,70 г/смз, у торфяных почв, обогащенных органическими соединениями – 1,4–1,8. Определение плотности твердой фазы почвы проводят по формуле:

где d – плотность твердой фазы почвы, г/смз; М – масса сухой почвы, г; В – масса мерной колбы с водой, г; С – масса мерной колбы с водой и почвой, г.

Пористость (общая порозность) – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы, % от общего объема почвы. Она выражает собой величину полной влагоемкости и полной воздухоемкости в объемных процентах. Общая порозность зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы, ее структуры и плотности. В почвах песчаного гранулометрического состава ее значения составляют 35–40, глинистых – 44–50, гумусовых – 50–60, оглеенных – 26–28 %.

Порозность аэрации (некапиллярная порозность) учитывает поровые пространства в каждый момент почвы, на ее долю приходится не менее 15 %. Некапиллярная пористость обеспечивает воздухообмен (аэрацию) и водопроницаемость.

В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели максимальную капиллярную порозность (заполненные водой капилляры) и одновременно порозность аэрации (заполненные воздухом некапиллярные поры) не менее 15–22 % от объема, в хорошо оструктуренных почвах капиллярная порозность достигает 25–30 %.

Наиболее значимые параметры: общая порозность (Р) и порозность аэрации (Ра). Общую порозность определяют по формуле:

Робщ = (1– dv/ d)100,

где Робщ – порозность, %; dv – плотность почвы, г/смз; d – плотность твердой фазы почвы, г/смз; dv/d – объем твердой фазы почвы; 100 – коэффициент пересчета в проценты.

Порозность аэрации (Ра) рассчитывают по формуле:

где Робщ – порозность, %; Рw – порозность, занятая водой или в упрощенной форме, учитывая плотность воды.

где а – влажность почвы, %.

У чернозема слитого плотность составляет 1,4 г/смз, порозность – 48 % во влажном состоянии и соответственно до 1,95 г/смз и 26 % – в сухом. Вспашка, рыхление увеличивают пористость, снижают плотность. В корнеобитаемом слое плотность снижается на 10–15 %, пористость растет на 15–20 %, скорость впитывания воды возрастает в двое. Оптимальные условия в пахотном слое создаются при плотности 1,0–1,2 смз и порозности, равной 55–60 %. Оценку общей порозности предложил Н. А. Качинский (табл. 4).

Читайте также: