Физические характеристики грунта: Физические свойства грунтов и их характеристики

Транскрипция

1 1. ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ НАУКА ПОЧВЫ Для начала определим почву как выветрившийся и фрагментированный внешний слой земной поверхности Земли. Первоначально он образуется в результате распада, разложения и перекомпоновки минерального материала, содержащегося в открытых породах, в результате физических, химических и биологических процессов.Модифицированный таким образом материал дополнительно обусловлен активностью и накопленными остатками многочисленных микроскопических и макроскопических организмов (растений и животных). В ряде процессов, которые могут потребовать сотни или даже тысячи лет и которые называются почвообразованием, рыхлые обломки фрагментов породы превращаются в более или менее стабильное, внутренне упорядоченное, активно функционирующее естественное тело. В конечном итоге это приводит к формированию характерного профиля почвы, который напоминает слоеный пирог.Мы можем визуализировать почвенный профиль как составное живое тело, так же, как мы думаем о человеческом теле как об отдельном организме, хотя в действительности это ансамбль многочисленных взаимозависимых и симбиотически согласованных групп органелл, клеток, органов, и колонии бесчисленных организмов. Почвоведение — это изучение почвы во всех ее разветвленных проявлениях и аспектах: в качестве центрального звена в биосфере, в качестве среды для производства сельскохозяйственной продукции и в качестве сырья для промышленности и строительства.Как таковой, он имеет общие интересы с геологией, седиментологией, земной экологией и геоботаникой, а также с такими прикладными науками, как агрономия и инженерия. Из-за различных интересов и проблем, почвоведение обычно делится на несколько подразделений, включая почвоведение (почвообразование 3

2 4 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ почв и классификация), химия почв, минералогия почв, биология почв, почва плодородие и механика почвы.Однако такие различия часто бывают произвольными, потому что на самом деле все науки об окружающей среде неразрывно связаны между собой. ФИЗИКА ПОЧВЫ Физика почв является одним из основных подразделений почвоведения. Он стремится определять, измерять и прогнозировать физические свойства и поведение почвы как в ее естественном состоянии, так и под влиянием человеческой деятельности. Как физика имеет дело в целом с формами и взаимодействиями вещества и энергии, так и физика почвы имеет дело конкретно с состоянием и движением вещества, а также с потоками и преобразованиями энергии в почве.С одной стороны, фундаментальное исследование физики почв направлено на понимание механизмов, управляющих такими процессами, как обмен земной энергией, круговорот воды и переносимых материалов, а также рост растений в поле. С другой стороны, практическое применение физики почвы направлено на надлежащее управление почвой посредством обработки почвы, ирригации, осушения, аэрации, улучшения структуры почвы, контроля инфильтрации и испарения, регулирования температуры почвы и предотвращения эрозии. ,Таким образом, физика почв является фундаментальной и прикладной наукой с очень широким кругом интересов. Изучение науки о почве в целом и физики почвы в частности обусловлено не только врожденным любопытством, которое является главным творческим импульсом нашего вида, но и насущной необходимостью. Усиливающееся давление населения и развития привело к уменьшению почвенных ресурсов нашей маленькой планеты и привело к их нерациональному использованию и деградации в слишком многих частях мира. Поскольку почва не является изолированной средой, но находится в постоянном динамическом взаимодействии с более обширной средой, физика почвы является аспектом более всеобъемлющей области физики окружающей среды (иногда называемой биосферной физикой) и общей науки геофизики.Ранние физики почвы интересовались прежде всего инженерными и сельскохозяйственными аспектами своей дисциплины, поэтому их исследования были сосредоточены на почве в качестве материала для строительства или в качестве средства для производства сельскохозяйственных культур. В последние десятилетия все большее внимание уделяется экологическим аспектам и приложениям физики почв. Следовательно, исследования в области физики почв расширили сферу охвата, включив в нее явления, связанные с природными экосистемами и процессами, влияющими на качество окружающей среды.В настоящее время процессы, происходящие в почве, в настоящее время влияют на всю земную среду, включая местный и региональный климат, естественную пищевую цепь, биоразнообразие и судьбу огромных отходов нашей цивилизации (среди которых много патогенных и токсических агентов). Все чаще основная проблема физики почв смещается от лаборатории к области и от ограниченного одномерного представления к обширному трехмерному представлению, взаимодействующему с областями родственных дисциплин, таких как метеорология и климатология, гидрология, экология и геохимия. ,Большая область физики почв в настоящее время включает в себя большую сложность и изменчивость в пространстве и времени, обработка которых требует использования как стохастических, так и детерминистических методов. Следовательно, наука становится все более интересной и актуальной.

3 ПРОФИЛЬ ПОЧВ 5 Задача физики почвы усложняется из-за огромной и непонятной запутанности среды, содержащей множество минеральных и органических компонентов, все они нерегулярно фрагментированы и по-разному связаны в геометрической структуре, которая настолько сложна и лабильна, что ее сложно решить. наше воображение и описательные силы.Часть твердого материала состоит из кристаллических частиц, а часть состоит из аморфных гелей, которые могут покрывать кристаллы и изменять их поведение. Твердая фаза в почве взаимодействует с жидкостями, водой и воздухом, которые проникают в поры почвы. Вся почва почти никогда не находится в равновесии, поскольку она попеременно смачивает и высыхает, разбухает и сжимается, рассеивается и флоккулирует, затвердевает и размягчается, нагревается и охлаждается, замерзает и оттаивает, уплотняет и растрескивается, поглощает и выделяет газы, адсорбирует и выделяет обменные ионы, растворяет и осаждает соли, становится кислым или щелочным и проявляет аэробные или анаэробные условия, приводящие к химическому окислению или восстановлению.ПРОФИЛЬ ПОЧВЫ Наиболее очевидной частью любого грунта является его поверхностная зона. Через него вещество и энергия переносятся между почвой и атмосферой. Поверхность может быть гладкой или без косточек, зернистой или покрытой коркой и трещинами, рыхлой или твердой, ровной или наклонной, с растительностью или паром, мульчированной или открытой. Такие условия влияют на процессы радиационного и теплообмена, движения воды и растворенного вещества, а также диффузию газов. Несмотря на то, что поверхность важна, она не обязательно отображает характер почвы в целом.Чтобы описать последнее, мы должны подробно изучить почву. Мы можем сделать это, выкопав траншею и разделив почву от поверхности вниз, таким образом выявляя то, что обычно называют профилем почвы. Профиль почвы, как правило, состоит из последовательности более или менее различных слоев. Это может происходить из-за характера осаждения или осаждения, что можно наблюдать на ветро-осажденных (эоловых) почвах и особенно на осажденных водой (аллювиальных) почвах. Если, однако, пласты образуются в результате внутренних почвообразующих (педогенных) процессов, они называются горизонтами.Верхний слой, или горизонт, является зоной основной биологической активности и поэтому обычно обогащен органическим веществом и имеет более темный цвет, чем подстилающая почва. Здесь растения и животные и их остатки взаимодействуют с чрезвычайно разнообразным и лабильным множеством микроорганизмов, таких как бактерии, простейшие и грибки, миллионы которых можно найти в небольшом количестве верхнего слоя почвы. Кроме того, обычно существуют различные формы макроорганизмов (в том числе дождевых червей, членистоногих и грызунов), которые роются в почве.Горизонт А, как правило, является наиболее плодородной зоной почвы, но он также является зоной, наиболее уязвимой для эрозии под воздействием воды и ветра (особенно если он лишен растительного покрова или его защитных остатков). Под горизонтом A находится горизонт B, где некоторые материалы (например, глина или карбонаты), которые выщелачиваются из горизонта A просачивающейся водой, имеют тенденцию накапливаться. Горизонт В часто толще горизонта А. Давление вышележащего грунта имеет тенденцию уменьшать пористость более глубоких слоев.В некоторых случаях чрезмерно плотный или уплотненный горизонт В может препятствовать газообмену, дренажу воды и проникновению корней.

4 6 ГЛАВА 1 ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ В основе горизонта B лежит горизонт C, который является исходным материалом почвы. В почве, сформированной из коренной породы на месте (называемой остаточной почвой), горизонт С состоит из выветрившегося и фрагментированного горного материала. В других случаях горизонт С может состоять из аллювиальных, эоловых или ледниковых отложений.Характер профиля зависит в первую очередь от климата, который преобладал в процессе почвообразования. Это также зависит от исходного материала, растительности, топографии и времени. Эти пять переменных известны как факторы почвообразования (Fanning and Fanning, 1989). Зрелые почвы таковы, что подвергались воздействию этих факторов в течение достаточного периода времени, так что имело место полное развитие профиля. Последовательность горизонтов A, B, C хорошо распознается в некоторых случаях, например, в типичной зональной почве (т.е.почва, связанная с определенной климатической зоной), такая как подзол (также известный как сподозол). В других случаях отчетливо не виден горизонт В, и почва тогда характеризуется профилем А, С. В недавнем аллювии едва различима профиль. Типичное развитие почвы и ее профиль, называемый педогенезом (Buol et al., 2003), можно резюмировать: оно начинается с физического разрушения обнаженного скального образования, которое обеспечивает исходный материал почвы.Постепенно разрыхленный материал колонизируется живыми организмами. Последующее накопление органических остатков на поверхности и под ней вызывает развитие заметного горизонта. Этот горизонт может приобретать агрегированную структуру, которая до некоторой степени стабилизируется гелеобразными компонентами комплекса органического вещества (известного как гумус) в результате разложения растительных и животных остатков. Продолжающееся выветривание (разложение и перекомпоновка) минералов может привести к образованию глины.Некоторая часть образовавшейся глины имеет тенденцию мигрировать вниз вместе с другими переносимыми материалами (такими как растворимые соли) и накапливаться в промежуточной зоне (горизонт В) между поверхностной зоной основной биологической активности и более глубоким исходным материалом так называемый горизонт С. Важными аспектами почвообразования и развития профиля являются двойные процессы элюции и иллювиации (вымывание и промывание, соответственно), когда глина и другие вещества эмигрируют из вышележащего элювиального горизонта А и накапливаются в нижележащем иллювиальном горизонте В.Два горизонта существенно различаются по составу и структуре. В ходе этих процессов профиль в целом углубляется по мере постепенного преобразования верхней части горизонта C. До тех пор, пока в конечном итоге не будет достигнуто квазистабильное состояние, при котором контрпроцессы почвообразования и эрозии почвы более или менее сбалансированы. В естественном состоянии горизонт А может иметь толщину в метрах. При удалении от растительного покрова и измельчении или уплотнении в результате обработки почвы или движения этот горизонт может потерять половину или более своей первоначальной толщины в течение нескольких десятилетий.В засушливых регионах соли, такие как сульфат кальция и карбонат кальция, растворенные в верхней части почвы, могут выпадать на некоторой глубине в осадок, образуя цементированную кастрюлю (иногда называемую калишей, от испанского слова «лайм»). Эрозия горизонта А может вывести горизонт В на поверхность. В крайних случаях, как горизонты А, так и В могут размыться естественной или антропогенной эрозией, так что горизонт С подвергается воздействию, и тогда может начаться новый цикл почвообразования. В других случаях зрелая почва может быть покрыта новым слоем отложений (аллювиальным или эоловым), так что новая почва может образовать более

5 ПРОФИЛЬ ПОЧВЫ 7 закопанная старая почва.В тех случаях, когда эпизоды осаждения происходят многократно в течение длительного периода времени, последовательность почв может формироваться последовательно, таким образом регистрируя почвенную историю, называемую палеопедологией региона (включая свидетельство климата и растительности, которые преобладали во время каждого из них). формирование профиля). Возможны многочисленные вариации описанных процессов в зависимости от местных условий. Например, характерная глубина почвы варьируется от места к месту. Почвенные долины, как правило, глубже холмистых почв, а глубина последних зависит от крутизны склонов.Местами глубину профиля трудно определить, потому что почва смешивается с исходным материалом без какой-либо четкой границы. Тем не менее, зона ВСТАВКИ 1.1 Физика почвы и окружающая среда По мере роста населения и повышения уровня жизни требования к сельскохозяйственным продуктам чрезвычайно возросли. Больше земель было занято обработкой, включая маргинальные земли, которые особенно уязвимы для деградации в результате таких процессов, как эрозия, истощение органических веществ и питательных веществ, загрязнение, заболачивание и засоление.Другие формы землепользования — города, дороги, фабрики, аэропорты, откормочные площадки, места захоронения отходов и места отдыха и развлечений — захватывают все больше земель. Следовательно, область, остающаяся для естественных экосистем, сократилась и была разделена на более мелкие анклавы в ущерб многочисленным видам. Взаимные сдержки и противовесы, которые долгое время поддерживали богатое разнообразие жизни на Земле, теперь находятся под угрозой из-за аппетита человека к ресурсам и из-за их бессмысленного использования и утилизации отходов.Следовательно, задача состоит в том, чтобы обеспечить потребности людей способами, которые являются устойчивыми на местном уровне и не наносят ущерба окружающей среде в целом. Два альтернативных подхода были предложены, чтобы предотвратить дальнейшее разрушение оставшихся естественных экосистем и уменьшить давление на хрупкие маргинальные земли. Один из способов — ограничить деятельность человека областями выбора, где производство может быть интенсифицировано. Это требует оптимизации всех производственных факторов для достижения максимальной эффективности использования почвы, воды, энергии и других необходимых ресурсов (например,г., питательные вещества и меры борьбы с вредителями). Проблемы заключаются в том, что почвенные процессы трудно контролировать, и, поскольку почва представляет собой открытую систему, постоянно взаимодействующую с окружающей средой, трудно предсказать запаздывающие и удаленные по времени последствия почвенных процессов. Полный контроль над сельскохозяйственным производством в конечном итоге может быть достигнут только в закрытых помещениях, таких как теплицы или на закрытых полях. Другой подход заключается в разработке более натуралистических способов производства, которые совместимы с окружающей средой и не требуют радикальной изоляции производства от соседних экосистем.Этот агроэкосистемный подход иллюстрируется тенденциями органического земледелия и агролесоводства. В любом случае, физические свойства и процессы почвы имеют первостепенное значение. Физические факторы оказывают сильное влияние на то, будет ли почва прохладной или теплой, анаэробной или аэробной, влажной или сухой, компактной или высокопористой, твердой или рыхлой, диспергированной или агрегированной, непроницаемой или проницаемой, эрозированной или консервированной, не засоленной или не содержащей соли, выщелоченной или богатые питательными веществами. Все это, в свою очередь, определяет, может ли почва быть благоприятной или неблагоприятной средой для различных типов растений и других живых организмов, а также для альтернативных способов производства; короче говоря, можно ли продуктивно и устойчиво управлять почвой при нейтрализации, а не переносе загрязнителей окружающей среды.

6 8 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Биологическая активность редко простирается ниже 23 метров и во многих случаях меньше 1 метра. ПОЧВЫ РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНОВ Каждая климатическая зона имеет характерную группу почв. Во влажных тропиках наблюдается тенденция растворять и вымывать кремнезем и накапливать оксиды железа и алюминия. В результате почвы обычно окрашены в красный цвет, оттенок окисленного железа. Куски или блоки, извлеченные из таких почв и высушенные на солнце, могут затвердеть, образуя кирпичи; следовательно, эти почвы называются латеритами, от латинского слова позже, что означает кирпич.С другой стороны, почвы влажных прохладных областей часто имеют горизонт А, состоящий из тонкого поверхностного слоя, затемненного органическим веществом и подстилаемого отбеленным пепловидным слоем; в свою очередь, это перекрывает обогащенный глиной горизонт В. Эта почва была названа подзолями ранними русскими педологами (от русских слов pod = земля и зола = пепел) и известна как сподозоли в современной американской системе. В почвах, которые плохо дренированы (заболочены), могут наблюдаться условия химического восстановления профиля, на что указывают полосы изменения цвета (пятнистость).В отличие от почв влажных областей, из которых выщелочены почти все легко растворимые соли, почвы засушливых областей имеют тенденцию осаждать умеренно растворимые соли кальция и магния. (Особенно распространены скопления карбоната кальция [известь] и сульфата кальция [гипс].) При определенных условиях почвы аридной зоны могут даже накапливать более легко растворимые соли натрия (NaCl и Na 2 CO 3) и калия. Такие почвы подвержены чрезмерному засолению, в крайних случаях они становятся практически стерильными.Орошаемые почвы в плохо дренированных речных долинах засушливых районов особенно подвержены процессу засоления. Когда такие почвы выщелочены из избытка солей, их необходимо обработать почвенными добавками (такими как гипс), чтобы заменить заменяемые ионы натрия кальцием, чтобы ион натрия не стал причиной рассеивания глины и разрушения структуры почвы. Выдающаяся почва, сформировавшаяся естественным образом в некоторых промежуточных полувлажных и полузасушливых регионах (например, на Украине, в Аргентине и прерийных штатах Северной Америки, так называемый кукурузный пояс Соединенных Штатов), представляет собой почву, классически называемую черноземом (по-русски для чернозема) с его необычайно густой, гумусовый, плодородный горизонт.В то время как российские педологи были первыми, кто разработал универсальную систему классификации почв более столетия назад, другие школы педологии с тех пор предложили альтернативные таксономии, которые, как утверждают, были более подробными и всесторонними. Среди них следует упомянуть системы, предлагаемые Продовольственной и сельскохозяйственной организацией США, а также системы, разработанные в рамках исследования почвы в США. Каждая система распознает сотни типов почв и их варианты. В качестве иллюстрации мы представляем гипотетический профиль почвы на рис. Это не типичная почва, поскольку среди множества различных типов почв, признанных педологами, ни один тип не может считаться типичным.Наша фигура предназначена только для того, чтобы предложить вид контрастов по внешнему виду и структуре между различными горизонтами, которые могут встречаться в профиле почвы. Педологи классифицируют почвы по способу формирования (генезиса) и распознаваемым свойствам (см. Рис. 1.2).

7 ПОЧВЫ РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНОВ 9 Поверхностная мульча A Горизонт B Горизонт C Горизонт Горизонт Рис. Схематическое изображение гипотетического профиля почвы. Горизонт A показан с агрегированной крошечной структурой, горизонт B с столбчатой ​​структурой и горизонт C с не полностью выветренными фрагментами породы.Solum (истинная почва) Regolith (выветрившийся материал) 0 горизонт (растительные остатки) A горизонт (зона элюции) B горизонт (зона иллювиации) A1 A2 A3 B1 B2 B3 Не разложившийся мусор Частично разложившийся мусор Зона накопления гумуса Зона сильнейшего выщелачивания Переходный к горизонту B Переход к горизонту A Зона максимальной освещенности Переход к горизонту C горизонт C (исходный материал) C Неконсолидированная порода R Слой (коренная порода) R Консолидированная порода Рис. Описательная терминология для горизонтов профиля почвы.

8 10 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Почва как разнородная трехфазная система Термин «система» относится к группе взаимодействующих, взаимосвязанных или взаимозависимых элементов, составляющих интегрированный объект. Поскольку вся природа на самом деле является интегрированной сущностью, определение любого домена в природе как системы является, по общему признанию, произвольным упражнением. Мы решили сделать это по соображениям удобства, поскольку наши собственные ограничения не позволяют нам справляться со всей сложностью природы одновременно.Однако та часть природы, на которой мы можем в любой момент сосредоточить свое внимание, обязательно является подсистемой внутри более крупной системы, с которой наша система постоянно взаимодействует. Способы взаимодействия обычно включают в себя передачу или обмен материалов и энергии. Системы могут сильно различаться по размеру, форме и степени сложности. Они могут состоять из одного или нескольких веществ и из одной или нескольких фаз. Самая простая система — это система, состоящая из одного вещества, которое обладает одинаковыми физическими свойствами.Примером такой системы является водоем, состоящий полностью из однородного льда. Такая система является однородной. Система, состоящая из одного химического соединения, также может быть гетерогенной, если это вещество проявляет различные свойства в разных областях системы. Область, которая физически однородна внутри, называется фазой. Например, смесь льда и жидкой воды химически однородна, но физически неоднородна, поскольку включает две фазы. Три обычных фазы в природе — это твердая, жидкая и газообразная фазы.Система, содержащая несколько веществ, также может быть монофазной. Например, раствор соли и воды представляет собой однородную жидкость. Система из нескольких веществ также может быть неоднородной. В гетерогенной системе свойства могут различаться не только между одной фазой и другой, но также между внутренними частями каждой фазы и границами раздела, через которые фаза вступает в контакт друг с другом. Интерфейсы демонстрируют специфические явления, возникающие в результате взаимодействия фаз. Важность таких явлений (в том числе адсорбции, поверхностного натяжения и трения) при определении поведения системы в целом зависит от величины межфазной площади на единицу объема системы.Системы, в которых по меньшей мере одна из фаз подразделяется на множество мельчайших частиц, которые вместе представляют очень большую межфазную площадь на единицу объема, обычно называют дисперсными системами. Коллоидные золи (включая аэрозоли), гели, эмульсии и аэрозоли являются примерами дисперсных систем. Почва представляет собой гетерогенную, многофазную, дисперсную и пористую систему, состоящую из частиц, с большой площадью раздела на единицу объема. (Например, пригоршня глины может иметь площадь внутренней поверхности в несколько гектаров, причем гектар равен 2.5 соток!). Дисперсный характер почвы и ее последующая межфазная активность приводят к таким явлениям, как адсорбция воды и химических веществ, капиллярность, ионный обмен, набухание и усадка, рассеивание и флокуляция. Три фазы обычной природы представлены в почве следующим образом: твердая фаза образует почвенную матрицу; жидкая фаза — это вода в почве, которая всегда содержит растворенные вещества, поэтому ее следует правильно называть почвенным раствором; и газообразная фаза — это почвенная атмосфера.Твердый матрикс почвы состоит из частиц, которые различаются по химическому и минералогическому составу, а также по размеру, форме и ориентации. Он также содержит аморфные вещества, в частности органическое вещество, которое прикрепляется к минеральным зернам

9 ПОЧВА КАК ДИСПЕРСНАЯ ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА 11 Вода Воздух Минеральное вещество Органическое вещество Рис Схематический состав (по объему) почвы со средней текстурой на состояние считается оптимальным для роста растений.Обратите внимание, что твердое вещество составляет 50%, а поровое пространство — 50% объема почвы, причем последний делится поровну между водой и воздухом. стрелки показывают, что вода и воздух связаны между собой, так что увеличение одного связано с уменьшением другого. и могут связывать их вместе в совокупности, называемые агрегатами. Организация твердых компонентов почвы определяет геометрические характеристики поровых пространств, в которых вода и воздух передаются и удерживаются. Наконец, почвенная вода и почвенный воздух различаются по составу как во времени, так и в пространстве.Относительные пропорции трех фаз в почве не фиксированы, а постоянно изменяются в зависимости от таких переменных, как погода, растительность и управление. На рисунке 1.3 представлен гипотетический объемный состав почвы со средней текстурой в условиях, которые считаются приблизительно оптимальными для роста растений. ВСТАВКА 1.2 Концепция типичного элементарного объема Некоторые свойства почвы (например, температура) могут быть измерены в некоторой точке, тогда как другие свойства зависят от объема. Предположим, мы хотим измерить некоторые зависящие от объема свойства почвы, такие как пористость.Если наш образец очень маленький, скажем, размер отдельной частицы или поры, измеренная пористость может варьироваться от нуля до 100 процентов, в зависимости от точки, в которой мы проводим измерения (будь то частицы или поры). Если мы измеряем пористость несколько раз в нескольких соседних точках, результаты будут сильно колебаться. Однако, если мы увеличим масштаб или объем каждого образца, чтобы охватить его как частицами, так и порами, флуктуации между повторными измерениями в соседних местах уменьшатся.Если мы будем продолжать увеличивать образец постепенно, мы в конечном итоге получим последовательное измерение средней пористости почвы. Минимальный объем образца, необходимый для получения согласованного значения измеряемого параметра, был назван репрезентативным элементарным объемом (REV) (Bear, 1969). Очевидно, что REV становится больше в почвах, которые сильно агрегированы (а также в почвах с трещинами или иным образом неоднородными), чем в более однородных почвах. Проблема с концепцией REV состоит в том, что разные параметры могут демонстрировать разные пространственные или временные закономерности, поэтому REV для одного параметра или свойства может отличаться от таковых для других параметров.То есть каждое свойство может иметь свой характерный масштаб. Еще более серьезным может быть сбой концепции REV в случае структурированных полей, то есть в полях, которые систематически меняются в одном или другом направлении. В таких полях увеличение размера измеряемой выборки может вообще не давать постоянного значения.

10 12 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ ОБЪЕМ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОСТАВА ПОЧВЫ Рассмотрим соотношения объема и массы между тремя фазами почвы и определим некоторые основные параметры, которые могут помочь в характеристике почвы физически.Рисунок 1.4 представляет собой схематическое изображение гипотетической почвы, в которой три фазы были разделены и сложены одна над другой с целью показать их относительные объемы и массы. На рисунке справа указаны массы фаз: масса воздуха M a, которая ничтожна по сравнению с массами твердых веществ и воды; масса воды М ш; масса сухих веществ M s; и общая масса M т. (Эти массы также могут быть представлены в терминах их весов, являющихся произведением каждой массы и гравитационного ускорения.) Объемы тех же компонентов указаны в левой части диаграммы: объем воздуха V a, объем воды V w, объем пор V f = V a + V w, объем твердых веществ V s и общий объем репрезентативной выборки V т. На основе этой диаграммы теперь мы можем определить термины, которые обычно используются для выражения количественных взаимосвязей трех основных почвенных фаз. Плотность твердых частиц (средняя плотность частиц) ρ s ρ s = M s / V s (1.1) В большинстве минеральных почв средняя масса на единицу объема твердых частиц составляет около кг / м 3.Это близко к плотности кварца, который обычно является наиболее распространенным минералом в самой крупной фракции почвы. Некоторые из минералов, составляющих лучшую фракцию почвы, имеют одинаковую плотность. Однако присутствие оксидов железа и различных других тяжелых минералов (обычно определяемых как минералы с плотностью, превышающей 2900 кг / м 3) увеличивает среднее значение ρ s, тогда как присутствие органического вещества низкой плотности, как правило, связано с объемом. V a Воздух M a ~ OV f V w Вода M w M t V t M s V s Твердые частицы Рис. Схема почвы как трехфазной системы.

11 Плотность в сухом состоянии ρ b ρ b = M s / V t = M s / (V s + V a + V w) (1.2) Удельный объем в сухом состоянии vbvb = V t / M s = 1 / ρ b (1,4 ОБЪЕМ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОЧИНЕННЫХ ПОЧВ 13 понижают среднюю плотность твердой фазы. Иногда плотность выражается через удельный вес, g, который представляет собой отношение плотности любого материала к плотности воды при 4 ° С и при атмосферном давлении. Последняя плотность составляет около 1000 кг / м 3, поэтому удельный вес твердой фазы в типичной минеральной почве составляет около 2.65, значение, которое численно (но не размерно) равно плотности, выраженной в cgs. система единиц (г / см 3). Насыпная плотность сухого вещества выражает отношение массы твердых веществ к общему объему почвы (твердые частицы и поры вместе). Очевидно, что ρ b всегда меньше, чем ρ s. Если поры составляют половину объема, то ρ b составляет половину от ρ s, а именно, около кг / м 3, что эквивалентно насыпному удельному весу (то есть отношению объемной плотности почвы к плотности воды в стандартных условиях ) Объемный удельный вес песчаных почв с относительно небольшим объемом пор может достигать 1.6, тогда как у агрегированных суглинков и глинистых почв может быть ниже 1,2. В то время как средняя плотность частиц обычно постоянна, объемная плотность очень лабильна. На него влияет структура почвы, то есть ее рыхлость или степень уплотнения, а также ее характеристики набухания и усадки. Последние зависят как от содержания глины, так и от содержания воды. Однако даже в чрезвычайно уплотненных почвах объемная плотность остается заметно ниже, чем плотность твердого вещества, поскольку частицы никогда не могут идеально сцепляться.Несмотря на то, что поровое пространство может быть уменьшено путем уплотнения, оно никогда не может быть устранено. Общая (влажная) насыпная плотность ρ t ρ t = M t / V t = (M s + M w) / (V s + V a + V w) (1.3) Это выражение общей массы влажной почвы. за единицу объема. Как таковой, этот параметр зависит сильнее, чем объемная плотность сухого вещества, от влажности почвы или содержания воды. Объем единицы массы сухого грунта (обратная величина сухой насыпной плотности) служит еще одним полезным показателем степени рыхлости или уплотнения почвенного тела.Пористость f f = V f / V t = (V a + V w) / (V s + V a + V w) (1.5) Пористость является показателем относительного порового пространства в почве. Его значение обычно колеблется от 0,3 до 0,6 (30–60%). Грунтованные почвы имеют тенденцию быть менее пористыми, чем мелкозернистые почвы, хотя средний размер отдельных пор больше в первом. В глинистых почвах пористость сильно варьируется, поскольку почва попеременно набухает, сжимается, агрегирует, рассеивается, уплотняется и образует трещины. Как обычно определяется

12 14 ГЛАВА 1 ФИЗИКА ПОЧВЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧТЫ, термин пористость относится к объемной доле пор, и это значение должно быть в среднем равным ареальной пористости (доле пор в репрезентативном поперечном сечении). -секционная площадь), а также средней линейной пористости (дробная длина пор по прямой линии, проходящей через грунт в любом направлении).Тем не менее, общая пористость ничего не показывает о размерах или формах различных пор в почве. Коэффициент пустотности ee = V f / V s = (V a + V w) / (V t V f) (1.6) Коэффициент пустот также является показателем дробного порового пространства, но он связывает это пространство с объемом твердых частиц а не к общему объему почвы. Как таковой, он колеблется между 0,3 и 2. Преимущество этого индекса перед предыдущим состоит в том, что в случае е любое изменение объема пор влияет только на числитель определяющего уравнения, тогда как в случае f такое изменение влияет и числитель и знаменатель.Коэффициент пустотности является индексом, обычно предпочитаемым почвенными инженерами, в то время как пористость чаще используется агрономами. Пример задачи. Докажите следующее отношение пористости к плотности частиц и насыпной плотности: уравнение как V f / V t = 1 (M s / V t) / (M s / V s) Упрощая правую часть, получаем V f / V t = 1 (V s / V t) = (V t V s) / V t Но так как V t V s = V f, мы имеем V f / V t = V f / V t влажность почвы (содержание воды) Содержание воды в почве может быть выражено различными способами: относительная к массе твердых веществ, или к общей массе, или к объему твердых веществ, или к общему объему, или к объему пор.Различные индексы определяются следующим образом. Масса Влажности w w = M w / M s (1.7) Это масса воды относительно массы частиц сухой почвы. Стандартное определение сухой почвы относится к массе почвы, высушенной до равновесия (на практике, в течение 24-часового периода) в печи при 105 ° С, хотя глинистая почва может все еще содержать заметное количество воды в этом состоянии. Массовая влажность иногда выражается в виде десятичной дроби, но чаще в процентах. Образец почвы

13 Соотношение объема воды v w v w = V w / V s (1.9) ОБЪЕМНЫЕ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ 15, высушенные в обычном воздухе при температуре окружающей среды (а не в духовом шкафу), как правило, удерживают на несколько процентов больше воды, чем при сушке в духовом шкафу. Точно так же почва, высушенная в печи, подвергнутая воздействию обычного воздуха, постепенно приобретет заметную влажность. Это явление происходит из-за тенденции глинистой фракции почвы поглощать влагу из воздуха, свойства, известного как гигроскопичность. Количество, адсорбированное таким образом, зависит от типа и содержания глины в почве, а также от влажности окружающей атмосферы.Содержание воды при насыщении (когда все поры заполнены водой) также выше в глинистых, чем в песчаных почвах. В разных почвах w может составлять от 25% до 60%, в зависимости от насыпной плотности. В особом случае органических почв, таких как торфяные или навозные, содержание насыщенной воды в пересчете на массу может превышать 100%. Объемная влажность θθ = v w / V t = V w / (V s + V f) (1.8) Объемная влажность (часто называемая объемным содержанием воды) обычно рассчитывается как процент от общего объема почвы.Следовательно, при насыщении он равен пористости. В песчаных почвах θ при насыщении составляет порядка 40%; в средне-текстурированных почвах это примерно 50%; а на глинистых почвах он может приближаться к 60%. В последнем фактически объем воды при насыщении может превышать пористость сухого грунта, так как глинистые почвы набухают при увлажнении. Использование вместо θ для выражения содержания воды часто более удобно, поскольку оно более непосредственно применимо для расчета потоков и объемов воды, добавляемых в почву в результате дождя или ирригации, а также для количеств, извлекаемых из почвы в результате испарения и транспирации.Соотношение объемов также эквивалентно отношению глубины почвенной воды, то есть глубине воды на единицу глубины почвы. Пример задачи Докажите следующее соотношение между объемной влажностью, массовой влажностью, объемной плотностью и плотностью воды (ρ w = M w / V w): θ = wρ b / ρ w Опять же, мы начинаем с подстановки соответствующих определений wv, wm , ρ b и ρ w: V w / V t = [(M w / M s) (M s / V t)] / (M w / V w) Переставляя правую часть, мы получаем V w / V t = (V w M w M s) / (M w M s V t) = V w / V t Для набухающих грунтов, в которых пористость заметно изменяется с влажностью, может быть предпочтительным указать объем воды, присутствующей в образец для инвариантного объема частиц, а не для общего объема.При насыщении v w равно соотношению пустот e.

14 16 ГЛАВА 1 ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ Степень насыщения ss = V w / V f = V w / (V a + V w) (1.10) Этот показатель выражает объем воды, присутствующий в почве, относительно поры. объем. Индекс s колеблется от нуля в полностью сухой почве до единицы (100%) в насыщенной почве. Полное насыщение, однако, вряд ли когда-либо будет достигнуто в полевых условиях, поскольку некоторое количество воздуха присутствует почти всегда.В относительно сухой почве воздушная фаза занимает непрерывное пространство, тогда как в очень влажной почве воздух может быть закрыт или заключен в капсулу в виде прерывистых пузырьков. Заполненная воздухом пористость (фракционное содержание воздуха) fafa = V a / V t = V a / (V s + V a + V w) (1.11) Это мера относительного содержания воздуха в почве и как таковая важный критерий аэрации почвы. Это отрицательно связано со степенью насыщения s (то есть f a = f s). Относительный объем воздуха в почве также может быть выражен в виде доли а объема пор (а не общего объема почвы).Таким образом, a = V a / V f = V a / (V a + V w) (1.12) Проблема с образцом Образец влажной почвы с влажной массой 1,0 кг и объемом 0,64 литра (м 3) был высушен в печь и обнаружили, чтобы иметь сухую массу 0,8 кг. Предполагая типичное значение плотности частиц для минерального грунта (2650 кг / м 3), рассчитайте объемную плотность ρ b, пористость f, коэффициент пустотности e, массовую влажность wm, объемную влажность θ, объемное отношение воды vw, степень насыщения s и заполненная воздухом пористость f a. Насыпная плотность: ρ b = M s / V t = 0,8 кг / м 3 = 1250 кг / м 3 Пористость: f = 1 ρ b / ρ s = / 2650 = = В качестве альтернативы, f = V f / V t = (V t V s) / V t и, поскольку V s = M s / ρ s = 0.8 кг / 2650 кг / м 3 = м 3, следовательно, f = () 10 4 м 3 / м 3 = = 52,8% коэффициент пустотности: e = V t / V s = (V t V s) / V s = () 10 4 м 3 / м 3 = 1,12 Массовая влажность: w = M w / M s = (M t M s) / M s = () кг / 0,8 кг = 0,25 = 25% Объемная влажность: θ = V w / V t = м 3 / м 3 = = 31,25% (Примечание: V w = M w / ρ w, где ρ w 1000 кг / м 3). В качестве альтернативы θ = wρ b / ρ w = 0,25 (1250 кг / м 3 / 1000 кг / м 3) = объемное соотношение воды: vw = V w / V s = м 3 / м 3 = степень насыщения: s = V w / (V t V s) = м 3 / () 10 4 м 3 = Заполненная воздухом пористость: fa = V a / V t = () 10 4 м 3 / м 3 = 0.216

15 ОБЪЕМЫ И МАССОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ СОСТАВНЫХ ПОЧВ 17 Проблема с образцом Какая эквивалентная глубина воды содержится в профиле почвы на глубине 1 м, если массовая влажность верхних 0,4 м составляет 15%, а нижних 0,6 м — 25 %? Предположим насыпную плотность 1200 кг / м 3 в верхнем слое и 1400 в нижнем слое. Сколько воды содержится в почве, в кубических метрах на гектар земли? Напомним, что θ = w (ρ b / ρ w), где ρ w = 1000 кг / м 3. Объем влаги в верхнем слое: θ 1 = 0.15 (1200/1000) = 0,18 Эквивалентная глубина в верхнем 0,4 м = m = m = 72 мм Объемная влажность в нижнем слое: θ 2 = 0,25 (1400/1000) = 0,35 Эквивалентная глубина в нижнем 0,6 м = m = 0,21 м = 210 мм Общая глубина воды в 1-м профиле = мм = м Объем воды, содержащейся в 1-м профиле на гектар (1 га = 10 4 м 2) = м 1000 м 2 = 2820 м 3