Физика почв

Образование почв — сложный многокомпонентный процесс, включающий в себя физические, физико-химические, химические, биологические и другие подпроцессы. Физика почв описывает образование почв (её твёрдой фазы) из горных пород, объединяя различные процессы в единое понятие «выветривание», простейшим из которых является физическое выветривание. Физическое выветривание представляет собой результат многократных периодических изменений температуры в атмосфере и поверхностных слоях породы, в то время как глубинные слои находятся практически в термостатированном состоянии. Это определяет характер возникновения пульсирующих механических напряжений, что приводит к образованию трещин, разломов, обломков и мелких частиц породы. Скорость этих процессов зависит от амплитуды температурных колебаний, процессы почвообразования на основе физического выветривания протекают быстрее в более континентальном климате. На скорость физического выветривания влияет и биография региона, в частности, неоднородность пород, наличие талых вод, климат, определяющий наличие и количество осадков, образование льда в трещинах, расклинивание их в сезонных циклах, и другие. Физическое выветривание сопровождается и ускоряется процессами химического выветривания, в результате которых под воздействием воды и растворённых в ней кислорода и углекислоты происходит химический переход одних минералов в другие, обладающие уже иными физическими свойствами. По мере развития физического и химического выветривания в процессах почвообразования увеличивается вклад биологического выветривания, при котором дальнейшее разрушение и измельчение продуктов физического и химического выветривания ускоряется воздействием продуктов жизнедеятельности живых организмов, от лишайников, мхов и грибов до более сложных растительных организмов, а после накопления необходимого количества почвы (или протопочвы) — высших организмов. Характер почвы и её физические свойства зависят, в значительной степени, и от их структуры и гранулированности.

Важным свойством почв, наряду с минералогическим и химическим составом, определяющим физические характеристики и процессы, протекающие в них, является структура и гранулометрический состав. Одной из характеристик почв является степень дисперсности составляющих её частиц. Физические свойства и процессы, протекающие в почвах, состоящих из больших обломков породы, крупного гравия, в песчаных почвах и высокодисперсных почвах, различны. Кроме того, от степени дисперсности составляющих почву частиц зависит и её минералогический состав. Так, в почвах с размерами частиц менее ${\displaystyle 0,001\;{\text{мм}}}$ преобладают т. н. первичные материалы, образовавшиеся из магмы в глубинных слоях земли под воздействием высоких давлений и температуры (наибольшее распространение получили алюмосиликаты, составляющие до ${\displaystyle 80\;\%}$ веса земной коры). Первичные минералами считают минералы на основе кремния и алюминия, а также слюду, мусковит, серицит, флогопит и другие. К вторичным материалам почв относят материалы, образовавшиеся из первичных в результате химических и биохимических процессов. Степени дисперсности почвенных частиц принято классифицировать по Н. А. Качинскому, согласно которой выделяются следующие фракции:

Почвы по гранулометрическому составу классифицируются по Н. А. Качинскому на песок рыхлый, песок связный, супесь, суглинок лёгкий, суглинок средний, суглинок тяжёлый, глина лёгкая, глина средняя, глина тяжёлая, по каменистости — на некаменистую, слабокаменистую, среднекаменистую, сильнокаменистую. Полные названия почв формируются составлением названий двух доминирующих фракций. Структуру почвы разделяют также по форме структурных элементов, из которых она состоит — кубовидная, призмовидная и плитовидная (плитчатая и чешуйчатая).

Методы механического анализа почв разделяются на два типа — без химического воздействия на почву, т. н. физико-химические методы (например, воздействием ультразвука), и с химическим воздействием на почву (например, пирофосфатный метод подготовки почвенных образцов для механического анализа).

Плотность почвы является ей фундаментальным физическим свойством. В физике почв разделяют плотность твёрдой фазы и плотность сложения почвы. При создании почвенного профиля данные по этим видам плотностей, а также порозности лежат в основе его построения. Плотностью сложения (обозначается ${\displaystyle \rho _{b}}$ или ${\displaystyle d_{v}}$) называют массу абсолютно сухой почвы в единице объёма почвы со всеми свойственными данной почве пустотами, другими словами, плотностью сложения считают массу единицы объёма почвы в её ненарушенном, естественном состоянии. Плотность сложения используется во всех расчётах порозности, запасов воды и питательных веществ, гумуса, микроэлементов, норм полива, по этому параметру оценивают степень окультуренности почвы. Важной физическим параметром почв является удельная поверхность, определяемую как суммарную поверхность частиц в одном грамме материала (размерность, соответственно, ${\displaystyle S_{\text{уд}}={\Biggl [}{\frac {{\text{см}}^{2}}{\text{г}}}{\Biggl ]}}$. Обычно удельную поверхность почвы определяют геометрическим методом, по кривым сорбции водяных паров, и другими. Плотность сложения определяют с помощью разных методов, наиболее распространёнными из которых являются буровой и фиксажный методы. На основании многочисленных измерений выделены оптимальные диапазоны плотности почвы (например, по А. Г. Бондареву, 1985 г.) для растениеводства.

Плотность твёрдой фазы почвы (обозначается ${\displaystyle \rho _{s}}$ или ${\displaystyle d}$) определяется как отношение твёрдой массы почвы к её объёму, другими словами, это масса твёрдых компонентов почвы в единице объёма без учёта пор. Плотность твёрдой фазы измеряют с помощью пикнометрических методов в лабораторных условиях (см. пикнометр). Измерения плотности проводятся или приводятся к температуре ${\displaystyle 4\;^{\circ }}$С.

Изучение плотностей почв и их удельных поверхностей важно проводить в динамике, поскольку микроагрегатные почвы имеют склонность к самоуплотнению, что важно учитывать в растениеводстве.

Порозность почв определяют как отношение объёма почвенных пор в почвенном образце к объёму всего образца. Обозначают порозность как ${\displaystyle \epsilon ={\Biggl [}{\frac {V_{\text{пор}}}{V_{\text{обр}}}}{\Biggl ]}={\Biggl [}\%,\;{\frac {{\text{см}}^{3}}{{\text{см}}^{3}}}{\Biggl ]}}$, или, при расчётах, как:

${\displaystyle \epsilon (\%)=(1-V_{\text{обр}})\cdot 100=(1-{\frac {\rho _{b}}{\rho _{s}}})\cdot 100={\frac {\rho _{s}-\rho _{b}}{\rho _{s}}}\cdot 100}$.

Порозность важно знать при составлении почвенных профилей и агрономических характеристик, поскольку это важнейшая характеристика при расчётах водопроницаемости, влагоёмкости и влажности почв, водоудерживающая и водоподъёмная способность почвы, внутрипочвенные воздухоемкость и воздухообмен с атмосферой. Порозность почв используется при моделировании и расчётах температурных свойств почвы. Нахождение оптимальных соотношений между этими характеристиками является важной задачей в физике почв. Критерии и диапазоны оптимальной порозности почв были предложены Н. А. Качинским в 1985 году. По типу пор дисперсных грунтов разделяют на макропоры (> 1000 мк), мезопоры (1000—10 мкм), микропоры (10 — 0,1 мкм) и ультракапиллярные поры (менее 0,1 мкм).

Физические параметры и характеристики, связанные с водой, служат фундаментальным основанием для всех расчётов и моделей почв^[7]. Многие из параметров определены как основополагающие термины в физике почв. Влагоёмкость определяют как максимальное количество воды, удерживаемое в почве, водопроницаемость — способность почв впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности, выражаемая в миллиметрах водяного столба за единицу времени (а также других, кратных единицах. Водопроницаемость приводится к одной температуре, а коэффициент фильтрации корректируют для температуры ${\displaystyle 10\;^{\circ }}$С по формуле Хазена:

${\displaystyle K_{10}={\frac {K_{t}}{0,7+0,03T}}}$,

где ${\displaystyle K_{10}}$ — коэффициент фильтрации при температуре ${\displaystyle 10\;^{\circ }}$С, ${\displaystyle K_{t}}$ — коэффициент фильтрации при данной температуре, ${\displaystyle 0,7}$ и ${\displaystyle 0,3}$ — эмпирические коэффициенты, ${\displaystyle T}$ — температура воды, используемой для определения коэффициента водопроницаемости.

Отдельно выделяют капиллярную влагоёмкость как количество воды в почве, удерживаемое за счёт капиллярных сил. Водопроницаемость как процесс делят на поглощение воды почвой, прохождение воды от слоя к слою ненасыщенной водой почвы и фильтрацию^[8]. Важным законом физики почв является закон Дарси, согласно которому поток влаги в насыщенной почве пропорционален коэффициенту фильтрации и градиенту гидравлического напора. Влажность почвы делят на относительную, объёмную, массовую или весовую естественную влажность, максимальную гигроскопическую влажность, массовую влажность и другие. Многочисленные параметры влажности и величины, связанные с ними (в частности, коэффициенты впитываемости, и другие), определяют лизиметрическими методами (например, водопроницаемость почвы определяют с помощью метода рам). На основании полученных данных находят объёмы послойных запасов влаги, расчётные нормы полива, рассчитывают контуры смачивания почв, гигроскопичности почвы (по Митчерлиху) и другие.

Окраска, или цвет почв — важный морфологический признак, необходимый для определения генезиса почвы и протекающих в ней процессов. По цвету почвы можно судить о её дренированности, аэрации, содержании неорганических и органических веществ и о некоторых других свойствах. Цвет почвы, или её окраску, в основном определяют три группы соединений: гумус, соединения железа и углекислая известь, или кремнекислота. Оттенки цвета почвы создаются различными комбинациями этих компонентов в почве. Для описания цвета почв используют четыре основных цвета — чёрный, красный, синий и белый.

Гумус придаёт почве тёмную, чёрную, тёмно-серую и серую окраски. Наличие оксидов и гидратов железа окрашивает почву в тёмные цвета. Наличие влаги придаёт почве серый и сизый оттенки. Красный цвет почвы связан с наличием большого количества водного оксида железа ${\displaystyle {\ce {(Fe2O3\cdot nH2O)}}}$, где ${\displaystyle n}$ — целое число. Большие концентрации этого вещества делают почву красной, ржавой, красно-бурой, при малых концентрациях — жёлтой или оранжевой. Тропические, ярко-красные почвы обязаны своим цветом гематиту ${\displaystyle {{\ce {Fe2O3}}}}$. Голубоватые и сизые тона почве придают соединения типа ${\displaystyle {\ce {(FeO\cdot nH2O)}}}$. Белым цветом почвы обязаны кремнезёму ${\displaystyle {{\ce {SiO2}}}}$, углекислой извести ${\displaystyle {\ce {CaCO3}}}$, каолиниту ${\displaystyle {\ce {(H2Al2Si2O8\cdot H2O)}}}$ и глинозёму ${\displaystyle {\ce {(Al2O3\cdot nH2O)}}}$, а также гипс и различные соли.

Оттенки почве придаёт и её структура — бесструктурные почвы светлее структурированных, влажные темнее сухих. Унификацию цветов, для исключения субъективных факторов, осуществляют с помощью атласа цветов Манселла, в котором цвета построены как сочетания отражающего тона (hue), насыщенности (chroma) и светлоты (value). Обозначение 10YR6/4 означает, что тон почвы 10YR, светлота равна 6 и цветность (насыщенность) равна 4.

Температура почвы определяется соотношением интенсивностей прямого облучения (солнечный свет) и рассеянного. В среднем на один квадратный сантиметр поверхности Земли попадает 1.94 кал/мин${\displaystyle \cdot }$см². Эта величина неравномерна по поверхности Земли из-за изменений угла падения солнечных лучей. Кроме того, температура почвы — один из самых периодически изменяющихся параметров, причём с разными временными параметрами, суточными и годовыми. Температура почвы зависит также от её теплоёмкости, теплопроводности, наличия вулканической активности, термических источников, высоты над уровнем моря, количества осадков, и т. д. Тепловые режимы почв имеют особенность — наличие температурных волн, направленных от поверхностных слоёв к внутренним, нижним. В значительной степени температура почвы зависит и от растительности (травы, лесов, и т. д.). Растительность играет роль экранирующего солнечное излучение слоя. Для оценки тепловых режимов почв используют сумму среднесуточных температур в течение года, называемую напряжением температур. В меньшей степени на температурные режимы почвы влияют экзотермические реакции в почвах и внутренняя энергия планеты.

Теплоёмкостью почвы называют количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма почвы на ${\displaystyle 1\;^{\circ }}$С. Температурные характеристики почвы в значительной степени зависят от её влагоёмкости и влажности. Теплопроводность почвы определяет её способность проводить тепло, что влияет на глубину прогревания или охлаждения почвы в данной местности.

Температура влияет на интенсивность механических, геологических, химических и биологических процессов в почвах. Улучшений тепловых режимов почв добиваются мульчированием торфом, соломой, разрыхлением или уплотнением, посадкой растений, увлажнением, снегозадержанием, установкой кулис и щитов, и т. д.

Состав почвы определяет её электрические свойства. Почвы являются носителями электрических зарядов. Электрические заряды в почвах возникают на границах минеральных зёрен, кластеров, органо-минеральных матриц. На их поверхностях накапливаются катионы, нейтрализующие отрицательный заряд почвенной матрицы. Коллоидные частицы обладают собственным двойным электрическим слоем, что создаёт электрический потенциал относительно почвенной матрицы. На химическом уровне в почве возникают многочисленные ионы, которые могут перемещаться благодаря содержащейся в почве воде, порам и щелям, по которым вода способна перемещаться. Это приводит к возникновению электрических токов в почве, действие которых также меняет физические свойства почвы. Экспериментально можно измерить эти токи с помощью нескольких электродов, помещённых в почву, измеряя ток между ними. На величину естественного электрического поля почвы влияют многие факторы, от влажности и гранулометрического состава до атмосферного электричества. Потенциал верхних слоёв почвы зависит также и от растительного покрова. Для исследования электрических свойств почвы проще всего измерять её электрическое сопротивление. Процессы почвообразования и физические характеристики почв описывают в том числе и с помощью стационарных электрических полей (СЭП). Теоретические модели поведения СЭП на морфонно-горизонтном, профильном, катенно-ландшафтном и зональном уровнях организации почвенного покрова созданы А. И. Поздняковым. Концепции поведения СЭП почв рассматриваются как фундаментальные свойства почв и применяют для общего генетического и прикладного почвоведения.