Механічні властивості ґрунту

Реферат на тему:

Механічні властивості ґрунту.

Ґрунт складається з трьох фаз — твердої, рідкої і газоподібної, а також біологічної частини — ґрунтової біоти (грунтової флори, фауни, бактерій, грибів тощо).

Тверда фаза — це основа ґрунту, яка складається з мінеральної та органічної частин.

Мінеральна речовина більшості ґрунтів складає 80−90% твердої фази, яка входила до складу материнської породи. За величиною мінеральні частинки ґрунту, або так звані механічні елементи, ділять на фракції (табл. 1).

Таблиця 1. Класифікація механічних елементів ґрунту (за М.А. Качинським).

Частинки розміром менше 0,01 мм складають фракцію фізичної глини, а більші 0,01 мм — фізичного піску.

Залежно від співвідношення різних фракцій виділяють різновидності ґрунтів за механічним складом (табл.2).

Таблиця 2. Класифікація чорноземних ґрунтів за механічним складом (за М.А.Качинським).

Органічна частина ґрунту складається із залишків рослин і тварин, які не розклалися та гумусу.

Гумусце складний динамічний комплекс різних специфічних ґрунтових органічних сполук. Гумус складає 60−90% органічної частини ґрунту, крім торфових.

У складі гумусу виділяють три основні групи сполук: гумінові кислоти, фульвокислоти та гумусове вугілля, або гуміни.

Гумінові кислоти мають молекулярну масу 1000 — 1200 і більше, колір від темно бурого до коричнево-чорного. Не розчиняються у воді й розчинні в лугах. Коагулюючи з частинками ґрунту утворюють структурні агрегати. Основними представниками цієї групи є: гумінова, ульмінова та гіматомеланова кислоти.

Фульвокислоти — це сполуки з меншою молекулярною масою, ніж гумінові. Колір від світло жовтого до оранжевого. Розчиняються у воді і лугах. Основними фульвокислотами є: кренові та апокренові кислоти.

Гуміни — це сполуки, нерозчинні навіть у лугах, які є, очевидно, продуктами руйнування гумінових кислот. Гуміни утворюють комплекси з мінеральними частинками ґрунту. Відомі представниками цієї групи є: гумін, ульмін. Також до гумінів відносять ґрунтові бітуми.

Ґрунти характеризуються певними водними властивостями, такими як водопроникність, водопіднімальна, випаровувальна та водоутримуюча здатності.

Водопроникністю називають здатність ґрунту пропускати за одиницю часу певну кількість води з верхніх у нижні горизонти. Процес водопроникності ділять на вбирання та фільтрацію. Вбирання проявляється за неповного насичення ґрунту вологою, тобто тоді, коли пори неповністю заповнені водою, а також включаються сорбційні та капілярні сили. Фільтрація виникає за максимального насичення ґрунту вологою. Вимірюють водопроникність висотою стовпа води, яка просочилась у ґрунт за певний час, і називається ця величина коефіцієнтом фільтрації.

Водопроникність ґрунту залежить від механічного складу і структури ґрунту. Піщані та структурні ґрунти швидше пропускають воду, ніж глинисті і безструктурні. На водопроникність впливає також кількість органічної речовини та колоїдів, які затримують велику кількість вологи.

Водопіднімальна здатність — здатність ґрунту піднімати воду капілярами з нижніх горизонтів у верхні. Швидкість і висота піднімання води залежить від діаметра пор, а значить, від механічного складу і структури ґрунту.

Вода у ґрунті піднімається тим вище, чим тонші капіляри, але швидкість руху води зменшується. Так, у глинистих ґрунтах вода в капілярах піднімається повільно, але на більшу висоту, в піщаних — швидше, але на меншу висоту.

У безструктурних ґрунтах, порівняно із структурними, вода швидше рухається капілярами і непродуктивно витрачається випаровуючись в атмосферу.

Випаровувальна здатність — це властивість ґрунту випаровувати воду. Власне випаровування — це перехід води в стан водяної пари, що зумовлює безпосередні втрати її з ґрунту. Цей процес залежить від таких факторів, як наявність енергії (тепла) для переходу води з рідкого стану в газоподібний, здатність повітря переносити водяну пару від випаровуючої поверхні, наявність води на випаровуючій поверхні.

Водоутримуюча здатність — це властивість ґрунту утримувати в собі воду. За умови високого вмісту води водоутримуюча здатність низька, а під час зменшення кількості води — швидко зростає.

Кількість та доступність рослинам ґрунтової води характеризується вологоємністю ґрунту, яка визначається, як вміст води в ґрунті, виражений у відсотках від його маси або об'єму.

О.А. Роде виділив п’ять показників вмісту води в ґрунті: максимальну адсорбційну вологоємність, максимальну гігроскопічність, вологість стійкого в’янення рослин, найменшу, або польову, вологоємність і повну вологоємність.

Максимальна адсорбційна вологоємність — це максимальна кількість води, яку може утримати ґрунт за рахунок сил адсорбції. Ця вода недоступна для рослин.

Максимальна гігроскопічність характеризується максимальною здатністю ґрунту вбирати газоподібну вологу із повітря, відносна вологість якого не нижче 94%. Ця волога недоступна для рослин.

Вологість стійкого в’янення рослин — запас вологи, за якого спостерігається постійне в’янення рослин, яке не зникає і у вологій атмосфері. Відповідно, в ґрунті залишається тільки недоступна для рослин вода. Цю кількість води в ґрунті також називають коефіцієнтом в’янення.

Найменша, або польова, вологоємність (НВ) — відповідає такій кількості води, яка складається із всіх форм ґрунтової вологи, крім підґрунтової, гравітаційної та капілярно-підпертої. Це верхня межа доступної рослинам ґрунтової вологи після стікання гравітаційної води.

Повна вологоємність (ПВ) — найбільша кількість вологи, яку здатний утримувати ґрунт, коли всі пори (капілярні і некапілярні) заповнені водою і поглинальна здатність ґрунту повністю реалізована.

Таким чином, інтервал доступної рослинам вологи обмежується двома величинами — повною вологоємністю і вологістю стійкого в’янення. Оптимальною для більшості сільськогосподарських рослин є вологість ґрунту — 60% ПВ або 80% НВ.

Сукупність фізичних та фізико-хімічних явищ, що зумовлюють зміну кількості вологи в ґрунті та швидкості її пересування, називають водним режимом ґрунту. До водного режиму ґрунту належить надходження, вбирання та затримання ним води, її переміщення та витрачання, зміна її фізичного стану тощо.

Залежно від цих процесів виділяють різні типи водного режиму (за Г. Н. Висоцьким): промивний, періодично промивний, непромивний, випітний, а також (за О.А. Роде) іригаційний і мерзлотний.

Промивний. Опадів випадає більше, ніж втрачає ґрунт, і вода, просочуючись донизу, промиває його горизонти. Цей тип водного режиму характерний для Поліської і Північно-Західної Лісостепової зон України.

Періодично промивний характерний для реґіонів, де чергуються періоди повного промивання ґрунту із обмеженим промоканням. Характерний майже для всього Лісостепу України.

Непромивний тип поширений у районах, де випадає мало опадів, і між верхнім вологим шаром ґрунту та підґрунтовими водами знаходиться незволожений горизонт. Зустрічається на чорноземних і каштанових ґрунтах Південного Степу України.

Випітний тип водного режиму зустрічається в районах, де кількість вологи, яку втрачає ґрунт, значно перевищує кількість опадів. Такий водний режим характерний для пустель та Південного сухого степу України.

Іригаційний водний режим — це водний режим поливних земель.

Мерзлотний тип водного режиму характеризується накопиченням надлишкової води у верхньому шарі ґрунту за рахунок непроникності нижніх замерзлих горизонтів на фоні невеликої кількості опадів. Характерний для Тундрової зони Півночі.

До заходів регулювання водного режиму ґрунтів відносять заходи боротьби з посухою — затримання снігу, дощової води, збільшення водопроникності та вологоємності ґрунту, збереження ґрунтової вологи, штучне зрошення та з перезволоженням ґрунту — осушувальні заходи.

Вбирна здатність ґрунту і його реакція Властивість ґрунту вбирати і утримувати різні речовини називають вбирною здатністю.

К.К. Гедройц виділив п’ять видів вбирної здатності ґрунту: механічну, біологічну, хімічну, фізичну та фізико-хімічну.

Механічна вбирна здатність — це вбирання і затримування ґрунтом твердих частинок у своїх порах подібно фільтру.

Біологічне вбирання зумовлюється процесами життєдіяльності рослин і мікроорганізмів, які поглинають важливі для себе елементи.

Хімічна вбирна здатність ґрунту пов’язується з утворенням у ньому важкорозчинних сполук, які завдяки цьому утримуються. Визначається ця вбирна здатність хімічними реакціями, що закріплюють аніони чи катіони залежно від розчинності утворених солей. Наприклад, перехід розчинної солі дигідрофосфату кальцію у важкорозчинний фосфат.

Фізичне вбирання відбувається за рахунок поглинання ґрунтом молекул речовин завдяки силам притягання (адсорбції).

Фізико-хімічна, або обмінна, вбирна здатність зумовлена наявністю в ґрунті колоїдів, які утворюють у ґрунтовому розчині колоїдні міцели. Між ґрунтовим розчином і колоїдною міцелою проходить в еквівалентній кількості обмін іонами.

Колоїдна міцела, або частинка, складається із ядра (агрегат недисоційованих молекул), шару адсорбованих потенціалвизначаючих іонів, шару компенсуючих іонів, який поділяється на нерухомий, або міцно-зв'язаний, і рухливий, або дифузійний, шари.

Провідна роль в утворенні колоїдних міцел належить гумусовим кислотам та іонам Са2+ і Мg2+.

З фізико-хімічною вбирною здатністю пов’язані поняття ємності вбирання ґрунту і ґрунтового вбирного комплексу.

Ємність вбирання — це сума поглинутих або обміняних іонів.

Ґрунтовий вбирний комплекс (ҐВК) являє собою сукупність колоїдів, які здатні до реакцій обмінного вбирання.

Кожен ґрунт має певну реакцію ґрунтового розчину, що залежить від наявності в ньому, в першу чергу, іонів водню, які зумовлюють кислу реакцію (наприклад — болотні і підзолисті ґрунти), та гідроксильних іонів, що зумовлюють лужну реакцію (наприклад — каштанові і солонцеві ґрунти).

Реакцію ґрунтового розчину виражають у pH, що є від'ємним десятковим логарифмом концентрації іонів водню. За величиною pH ґрунти поділяють на такі групи: сильнокислі - pH < 4,5- середньокислі - 4,6−5,0- слабокислі - 5,1−5,5- близькі до нейтральних — 5,6−6,0- нейтральні - 6,1−7,0- лужні - 7,1−8,0- сильнолужні - pH > 8,1.

У районах Полісся і Півночі Лісостепу частіше зустрічається саме кисла реакція ґрунтового розчину, що негативно впливає на продуктивність сільськогосподарських рослин та життєдіяльність ґрунтових організмів.

Розрізняють актуальну і потенційну кислотність ґрунту.

Актуальна, або активна, кислотність зумовлюється наявністю в ґрунтовому розчині вільних іонів Н+. Визначається у водних ґрунтових витяжках.

Потенційна — зумовлена наявністю іонів Н+ та Аl3+ у зв’язаному вигляді в складі ґрунтового вбирного комплексу. Залежно, які солі використовують для визначення потенційної кислотності, вона буває обмінною (використовують розчини нейтральних солей — KCl, NaCl, BaCl2) і гідролітичною (лужна сіль, частіше всього — СH3COONa).

Для зниження кислотності ґрунти вапнують, вносячи крейду, мергель, дефекат:

[ҐВК]2 Н+ + CaCO3 = [ҐВК]Ca2+ + H2CO3 -> CO2, H2O.

Лужність ґрунту зумовлюється не тільки іонами ОН-, а також Na+, який, реагуючи з вуглекислим газом у водному середовищі, утворює в ґрунті луг (NaOH):

[ҐВК]2Na+ + CO2 + H2O = [ҐВК]2Н+ + Na2CO3.

Na2CO3 + H2O -> 2 NaOH + CO2 + H2O.

Лужні ґрунти гіпсують, вносячи гіпс, кальцій якого витісняє із ҐВК іони натрію:

[ҐВК]2Na+ + CaSO4 = [ҐВК]Ca2+ + Na2SO4.

Утворений в результаті реакції сульфат натрію добре розчинний і вимивається з верхніх горизонтів ґрунту.

В якості меліорантів лужних ґрунтів останнім часом широко почали використовувати фосфогіпс — відхід суперфосфатного виробництва. У деяких країнах використовують сірчану кислоту, яка особливо ефективна на ґрунтах карбонатного засолення, та сірчанокисле залізохлористий кальцій — за содового засолення.

У південних степових районах України, де в ґрунтах близько до поверхні залягають карбонати, застосовують так звану самомеліорацію — перемішування верхніх горизонтів з нижнім карбонатним під час глибокої оранки.