Фізико-механічні властивості

Фізико-механічні властивості ґрунтів враховують при конструюванні й експлуатації сільськогосподарських машин, нормуванні операцій з обробітку ґрунтів, зносу робочих органів, витрат паливно-мастильних матеріалів. Інтерпретація залежності росту і розвитку коренів від ґрунтово-екологічних умов також здійснюється з урахуванням фізико-механічних характеристик ґрунту, тому що опір ґрунту росту коренів енергетично подібний до проникнення в нього металевого клина. До основних фізико-механічних властивостей, належать твердість, питомий опір, зв’язність, опір розриву, зрушенню та роздавлюванню, липкість, пластичність, набрякання й усадка.

Твердість є не що інше, як опір (кгс/см²) проникненню в ґрунт будь-якого тіла певної форми (циліндра, конуса, кулі, клина). Він у висушеному важкосуглинковому ґрунті складає 150-180 кгс/см². Твердість є дуже важливим діагностичним показником екологічного стану ґрунту, перед усім його придатності для механічного обробітку (при твердості >15-20 кгс/см² витрати на обробіток різко зростають), а також використовується для непрямої оцінки здатності ризосфер освоювати кореневмісний шар. Через велике екологічне значення цієї властивості ґрунту для її визначення запропоновані різноманітні прилади — від простого ломика Желєзнова (твердість визначають за глибиною входження в ґрунт плунжера, що падає з певної висоти) до сучасного твердоміра з автоматичною реєстрацією і графічною видачею результатів на екран дисплея міні-ЕОМ з докладною диференціацією за глибиною кореневмісного шару.

Питомий опір ґрунту характеризується через зусилля (кгс/см²), що витрачається на підрізання шару, його оборот і тертя об робочу поверхню плуга. Це, за Горячкіним, сила тяги на гаку трактора (стискальне зусилля), віднесена до одиниці поперечного перерізу шару. Величину питомого опору ґрунтів установлюють за допомогою різних роботомірів. Виходячи з визначення, питомий опір слід вважати складною властивістю ґрунту, що залежить від його стану, передусім від зв’язності і структурності.

Питомий опір ґрунтів змінюється в діапазоні від 0,2 - 0,3 до 0,7 - 0,8 кгс/см² і вище та залежить від гранулометричного складу, гумусованості ґрунту, агрофону (після просапних, зернових або багаторічних трав питомий опір дуже розрізняється) і його стану (забур’яненість, наприклад, збільшує опір), а також глибини обробітку . Величина питомого опору визначає вибір класу трактора й умов агрегатування, кількість причіпних знарядь, витрати пального. На неокультурених суглинкових солонцях за питомого опору 0,9-1,0 кгс/см² навантаження буде значним, що потребує зняття 1 - 2 корпусів плуга. Для підвищення ефективності обробітку ґрунтів і зниження витрат розробляють спецпокриття плугів, застосовують поліпшені марки сталі для зменшення тертя «ґрунт — метал» тощо.

Зв’язність – це зусилля, здатне розчленувати ґрунт. Зв’язність спричинюється різними типами зв’язків – найміцнішими є суто хімічні (виникають при контакті кристалічних решіток мінералів безпосередньо або через шари різного складу – крем’янки, необоротно зкоагульованих гумусових речовин, півтораоксидів) і молекулярними (фізичними, ван-дерваальсовими), що виникають у колоїдно-дисперсних системах при їх змочуванні й утворенні менісків вологи в місцях контакту поверхонь. Останні переважають у більшості ґрунтів як оборотно зв’язні (механічно руйнуються у зволоженому стані і зміцнюються при висушуванні). Зв’язність солонців коливається в межах 80-120 кг/см³. Із збільшенням у ґрунтах вмісту крупнодисперсних елементів та їх оструктурюванні зчеплення слабшає і зв’язність зменшується. Цей показник зумовлює твердість і різні види опорів.

Пластичність – здатність ґрунтів змінювати свою форму під впливом зовнішнього навантаження і зберігати утворену форму після усунення навантаження. У пересушеному і перезволоженому стані ґрунти не мають пластичності. Ця властивість виявляється тільки у певному інтервалі зволоження між верхньою і нижньою межами пластичності. За меншої вологості ґрунт з пластичного переходить у напівтвердий і твердий, а за більшої – з пластичного в текучий чи напіврідкий стан.

Липкість – це зусилля (г/см²), потрібне для відриву ґрунту від металу (липкість «ґрунт –метал») або колеса (липкість «ґрунт – гума»). Н.А. Качинський поділяє ґрунти на виразно липкі (липкість > 15 г/см2), середньолипкі (2-5 г/см2) і слабколипкі (< 2 г/см2). Липкість виявляється тільки за певного рівня вологості, близького до верхньої межі пластичності. При обробітку ґрунту в стані липкості поверхневий шар зазнає найгрубішої деформації. Найбільшу липкість мають солонці. При вологості, коли виявляється липкість, якісно обробити ґрунт неможливо. Він налипає на знаряддя, не кришиться, за таких умов погіршується прохідність машин і збільшуються витрати пального. З цієї причини липкість – украй негативна властивість ґрунту. Будь-які агрозаходи, спрямовані на збагачення ґрунту органічними речовинами, кальцієм, поліпшення структури, сприяють збільшенню періоду, протягом якого липкість не виявляється, і одночасно зменшують її величину.

Набрякання й усадка – здатність ґрунтів змінювати свій об’єм у процесі зволоження-висушування. Прояв цієї властивості зумовлений головним чином наявністю в ґрунті гідрофільних глинистих мінералів типу монтморилоніту з рухомими кристалічними решітками, здатними до так званого внутрішньопакетного або інтраміцелярного (осмотичного) зв’язування вологи. Склад обмінно-поглинених основ у колоїдному комплексі впливає на величину набрякання (одновалентні катіони посилюють цю здатність). У вологому стані солонці сильно набрякають, цей показник досягає до 35%. Надмірне набрякання ґрунту відчутно зменшує його зв’язність, посилює розмокання і руйнування. Усадка – протилежний набряканню процес, підпорядкований тим самим закономірностям. При усадці і підсушуванні ґрунт спочатку ущільнюється, а потім починає розтріскуватися. Якщо висушування попередньо зволоженого ґрунту відбувається швидко, утворюються тріщини досить великого діаметра і глибини. Набрякання й усадку прийнято оціню вати за зміною лінійних й об’ємних параметрів зразка ґрунту щодо початкових параметрів. Набрякання й усадка постійно чергуються, спричинюючи цим сезонну динаміку структурного (загалом фізичного) стану ґрунтів.

Стиглість ґрунту. Діапазон параметрів вологості різних ґрунтів, за якої спостерігається їх найкраща придатність до механічного обробітку, свідчить про фізичну стиглість ґрунтів. У генетично різних, але подібних за гранулометричним складом, ґрунтів параметри фізичної стиглості є зближеними . У легких ґрунтів діапазон вологості з найкращою готовністю до обробітку є досить широким, а її період – набагато тривалішим. Солонцюватість скорочують обидва показники. Із цієї причини дуже важливо визначити період настання фізичної стиглості і вчасно здійснити обробіток ґрунтів. Досвідчені агрономи звичайно без проблем за допомогою прямих і непрямих методів визначають потрібний термін обробітку (за здатністю легко розпадатися зім’ятого в руці ґрунту, за посірінням гребенів тощо).

Підорна підошва, поверхнева кірка, зсідання ґрунтів. Ущільнений прошарок між орним і підорним шарами, що є наслідком обробітку ґрунту на постійну глибину, називається підорною підошвою. Її утворення пояснюється не тільки дією механічного навантаження техніки і ґрунтообробних знарядь, а й поступовим закупорюванням шпар верхньої частини підорного шару, зруйнованими в процесі механічного обробітку і переміщеними вниз дрібнодисперсними компонентами ріллі. Підорна підошва негативно впливає на ґрунтово-екологічні режими – обмежує надходження вологи, збільшує поверхневий і внутрішньоґрунтовий стік, зменшує об’єм кореневмісного шару, притискаючи основну масу коренів до верхнього шару ґрунту. Тим самим у разі дефіциту вологи збільшується ризик недоодержання врожаю сільськогосподарських культур (особливо з глибокою кореневою системою).

Об’єктивним способом діагностики наявності підорної підошви є вимірювання твердості ґрунту твердоміром вертикального типу з автоматичною реєстрацією параметрів за глибиною кореневмісного шару. Її присутність майже у всіх орних ґрунтах, безумовно, діагностує процес фізичної деградації. Для запобігання утворенню підорної підошви здійснюють диференційований обробіток ґрунту з чергуванням різних технологій, знарядь обробітку, зміною його глибини. Показово, що безполицеві способи основного обробітку (плоскорізний, чизельний) підорної підошви не утворюють.

Отже, солонці характеризуються дуже поганими параметрами фізико-механічних властивостей, тому для їх поліпшення використовують агротехнічні, хімічні і біологічні заходи.

Агротехнічними є різні способи обробітку ґрунтів, за допомогою яких можна якісно підготувати посівний шар, зруйнувати підорну підошву, брили, здійснити безліч інших агрономічнокорисних операцій. Водночас тривалий механічний вплив на ґрунт погіршує структурність, розпорошує його, переущільнює орні шари. Із цієї причини зловживати механічним обробітком не можна. Доцільно обмежитися плоскорізним або взагалі поверхневими способами обробітку. В Україні є всі передумови для широкого впровадження мінімальних способів, які сприяють не лише збереженню, а й поліпшенню фізико-механічних властивостей ґрунтів.

Хімічними способами є гіпсування та штучне оструктурювання ґрунтів. Гіпсування солонцюватих ґрунтів позитивно впливає на фізико-механічні властивості (твердість, опір обробітку, липкість та ін.). Це так звані заходи хімічної меліорації, метою яких є зміна складу поглинених катіонів (натрію в солонцюватих ґрунтах на кальцій – гіпсування). Позитивна дія цих заходів посилюється при внесенні хімічних меліорантів разом з гноєм.

Біологічні заходи є найбільш універсальними й добре відомими з давніх часів, екологічно орієнтованими, ефективними майже на всіх ґрунтах. Це передусім внесення гною та інших органічних добрив (різноманітних компостів, торфу, сапропелю тощо). Оструктурювальний ефект і відповідно поліпшення фізико-механічних властивостей можливі лише за глибокого їх заорювання під плужний обробіток восени, а в разі неглибокого внесення внаслідок швидкої мінералізації їх довгострокова (меліорувальна) дія зникає. Сівозміна і використання фітомеліоративних можливостей вирощуваної культури також впливають на фізико-механічні властивості. Особливо привабливими тут є культури суцільного посіву з глибокою кореневою системою, сидерати, рослинні рештки.

Водні властивості

Вода в природі виконує дві функції: забезпечує багато фізичних і хімічних процесів; є потужною транспортною геохімічною системою, яка сприяє переміщенню речовин у просторі. У житті ґрунту вода виконує такі функції: вона є одним із факторів ґрунтоутворення й процесів вивітрювання мінералів; гумусоутворення; хімічні реакції відбуваються тільки у водному середовищі; під впливом води проходить формування ґрунтового профілю; регулювання температури ґрунту відбувається за допомогою води; вона є одним із факторів життя рослин та організмів, а також родючості ґрунтів.

Вода у ґрунті зв’язана з ґрунтовими частинками по-різному і має різну рухливість та здатність засвоюватись рослинами. У ґрунті розрізняють такі форми води: хімічно зв’язана, пароподібна, гігроскопічна, плівкова, капілярна і гравітаційна.

Водні властивості ґрунту – властивості ґрунту, які визначають поведінку ґрунтової вологи. До них відносяться: вологоємність, водопроникність, водопідіймальна здатність, випарна здатність ґрунту.

Водопроникність – це здатність ґрунтів всмоктувати й пропускати через себе воду, яка поступає з поверхні. Це одна з важливих ґрунтово-гідрологічних характеристик, що впливає на особливості формування стоку, водний режим ґрунту. Процес руху води має два етапи: всмоктування (інфільтрація) та просочування (фільтрація).

Інфільтрація – заповнення водою вільних пор ґрунту під впливом сорбційних, меніскових, гравітаційних сил і градієнта напору. Фільтрація – безперервний рух води в насиченому ґрунті під впливом градієнта. Межею між всмоктуванням і фільтрацією вважають установлення постійної швидкості фільтрації.

Водопроникність ґрунтів знаходиться в тісній залежності від їх гранулометричного складу і хімічних властивостей, структурного стану, щільності, вологості й тривалості зволоженості. Дуже знижує водопроникність ґрунтів наявність набряклих колоїдів, особливо насичених натрієм або магнієм. При зволоженні таких ґрунтів вони швидко набрякають і робляться практично водонепроникними.

Таблиця 2.7

Межі швидкості водопроникності (за М.О. Качинським)

Водопроникність солонців складає менше 50 мм/хв., що, як видно з таблиці 2.7, є задовільним показником.

Водопроникність грає як позитивну, так і негативну роль. При низькій водопроникності можуть спостерігатися такі негативні явища, як вимокання культур, застій води на поверхні ґрунту, заболочення, стік води по поверхні схилу і розвиток ерозії. При дуже високій водопроникності не створюється достатній запас води в кореневмісному шарі ґрунту, а при зрошенні спостерігаються великі втрати води, що призводить до екологічних проблем. Для підвищення водопроникності використовується глибоке розпушування, щілювання, піскування, збагачення органічною речовиною, штучне структуроутворення.

Вологоємкість ґрунту – величина, яка кількісно характеризує ґрунтову водоутримуючу здатність. Залежно від умов утримання вологи розрізняють таку вологоємність ґрунту як польову, загальну, капілярну, найменшу, повну, максимальну молекулярну, адсорбційну молекулярну.

Найменша вологоємність відповідає капілярно-підвішеній формі вологи, що утворюється після стікання надлишку вологи в глиб ґрунту при досить глибокому заляганні ґрунтових вод. Величина найменшої вологоємності залежить від механічного, мінералогічного, хімічного складу грунту та його об'ємної щільності.

Найменша вологоємність солонців складає 22-32%.

Вологість в'янення (коефіцієнт в'янення) – вологість ґрунту, за якої проявляються ознаки в'янення рослин. Ця величина зале­жить від властивостей ґрунту (механічний склад, засолення, наяв­ність торфу тощо) і біологічних особливостей рослин. Вологолюбні рослини починають в'яну­ти при вищій, посухостійкі – при нижчій вологості ґрунту.

Вологість в'янення даних ґрунтів коливається межах 13-16%.

Водопідйомна здатність характеризує здатність вологи підніматися ґрунтовими капілярами. Через гідрофільність мінеральних ґрунтів їх капіляри добре змочуються водою, в них утворюються увігнуті меніски, які спричинюють поверхневий натяг, що ініціює підняття вологи. Чим тоншими є капіляри, тим вище піднімається волога. Якщо в піщаних ґрунтах максимальна висота капілярного підйому не перевищує 0,5-0,7 м, то в суглинистих вона є на порядок більшою (до 3 - 6 м), а в глинистих – знову зменшується (особливо помітно при їх солонцюватості). Швидкість капілярного підняття вологи також залежить від діаметра капілярів і вологості ґрунту. У посушливих (аридних) умовах підняття вологи здійснюється повільніше, ніж у гумідних. У цілому швидкість підняття вологи здійснюється згідно з кривою параболічного типу (висока швидкість на початку і подальше поступове згасання). При досягненні рівня капілярної вологоємності швидкість підняття вологи падає. Важливу роль при капілярному піднятті вологи відіграє температура, яка дуже впливає на в’язкість води. Капілярні підняття вологи за умови, що кореневмісний шар потрапляє в зону його впливу, набуває великого екологічного значення для ґрунтотворення та агрономічної практики, оскільки водний і сольовий баланс, процеси оглеєння, живлення рослин та багато інших моментів є залежними від капілярного підняття вологи.

Випарна здатність ґрунту. Частина води, яка потрапляє у ґрунт, випаровується. Швидкість випаровування залежить від механічного і структурного складу ґрунту. Глинисті і суглинисті ґрунти з великою капілярністю випаровують більше води, ніж легкі ґрунти, наприклад піщані. Структурні ґрунти, в порівнянні з безструктурними, втрачають менше вологи.

Випаровування вологи ґрунтом підсилює вітер. Крім того, чим сухіше повітря і вища його температура, тим більша втрата води при випаровуванні.

Величина випаровування, також, залежить від експозиції схилу. Наприклад, ґрунти на південних схилах втрачають більше води, ніж на північних. Рослинність зменшує випаровування вологи.

Доступність ґрунтової води для рослин є винятково важливою характеристикою, яка визначає значною мірою родючість ґрунтів. Рослини в процесі життя поглинають дуже велику кількість води. Вони витрачають її на транспірацію та утворення біомаси.

Солонці характеризуються слабкою доступністю для рослин ґрунтової вологи.

Водний баланс – співвідношення між водою, що потрапила в ґрунт (атмосферні опади, конденсована волога, ґрунтові та іригаційні води), до води, що була ним втрачена (фізичне випаровування, транспірація, поверхневий та внутрішньоґрунтовий боковий і вертикальний стік) за певний проміжок часу.

Водний режим ґрунту – сукупність явищ, що визначають надходження, переміщення, витрату й використання організмами ґрунтової вологи.

Водний режим ґрунтів діагностується за коефіцієнтом зволоження (КЗ), розрахованим методом Г.М. Висоцького:

КЗ = Ʃ_оп/Е,

де Ʃ_оп – сума опадів за рік, мм; Е – випаровуваність (максимум вологи, здатної випаруватися з відкритої водної поверхні) за рік, мм.

Залежно від величини КЗ виділяють промивний (>1), періодично промивний (>1, <1), непромивний (близько 1), випітний (<1) типи водного режиму, до яких О.А. Роде додав мерзлотний, іригаційний, заплавний (рис. 8.8).

Промивний тип вирізняється щорічним промочуванням усієї товщі ґрунто-підґрунтя до підґрунтових вод. Частина атмосферних опадів просочується через ґрунт і втрачається з ґрунтовим стоком. Цей тип водного режиму характерний для багатьох ґрунтів лісової зони, у тому числі й Українського Полісся, сприяючи формуванню в цих умовах дерново-підзолистих ґрунтів.

Періодично промивний тип є характерним для регіонів з приблизно однаковою річною величиною опадів і випаровування (північ Лісостепу, де домінують опідзолені, у тому числі чорноземні, ґрунти). Залежно від умов року (кількості опадів) формується промивний або непромивний тип водного режиму.

Непромивний тип формується на територіях степу і напівпустель із чорноземами звичайними, південними, каштановими ґрунтами, де опадів випадає менше, ніж випаровується, глибина промокання є невеликою, а між нею і капілярною облямівкою лежить шар з постійною вологістю, близькою до вологості в’янення (мертвий горизонт).

Випітний (ексудативний) тип притаманний ландшафтам з близьким заляганням підґрунтових (нерідко засолених) вод, за участю яких формуються солончакові та солонцюваті ґрунти сухих степів, напівпустель і пустель.

Мерзлотний (кріогенний) тип характеризується наявністю багаторічної мерзлоти, що діє як водоупор, над яким утворюється верховодка. Із цієї причини ґрунти, де домінує цей тип (північні території, тундра), перезволожені й оглеєні.

Іригаційний тип зрошуваних територій, залежно від сезону року, може змінюватися від промивного (за інтенсивного зрошення) до випітного (без штучної подачі води).

Заплавний тип відрізняється затопленням найнижчого гіпсометричного рівня річкової долини повеневими та паводковими водами, алювіальністю, гідроморфізмом тощо.

Типи водного режиму поділяють на підтипи (О.А. Роде, В.А. Ковда, та ін.): промивний – тайговий, напівболотний, болотний, ґрунтово-тайговий, ґрунтово-напівболотний, ґрунтово-болотний, тайговий глибокопромивний; періодично промивний – лісостеповий і степовий потускулярний; непромивний – степовий з глибоким сухим горизонтом і степовий; випітний – лучно-степовий, лучний і солончаковий.

Незважаючи на ускладненість класифікації солонців, все ж за характером водного режиму серед них легко виділяють три типи:

ü автоморфні – степові (підґрунтові води глибше від 6 м).

ü напівгідроморфні – лучно-степові (підґрунтові води на глибині 3 - 6 м).

ü гідроморфні – лучні (підґрунтові води на глибині 1 - 3 м).

Підтипи солонців виділяють з урахуванням зональних умов. Автоморфні солонці поділяють на чорноземні, каштанові, бурі аридно-напівпустельні. Серед напівгідроморфних виділяють: лучно-чорноземні, лучно-каштанові, лучно-бурі напівпустельні, напівгідроморфні мерзлотні. Підтипами солонців гідроморфних є чорноземно-лучні, каштаново-лучні, бурі аридні лучні, лучно-болотні, лучні мерзлотні.

Регулювання водного режиму здійснюють з метою оптимізації умов зволоження. В Україні дуже мало природних ландшафтів, де без додаткових заходів забезпечується агроекологічно оптимальний режим зволоження, через що його доводиться поліпшувати. У зоні Полісся необхідно звільнятися від надлишку вологи, тут потрібно в кореневмісному шарі залишити стільки води, скільки потребує польова культура для транспірації і, відповідно, одержання досить високого врожаю. У Степу, навпаки, варто широко використовувати полив. Однак і в більш помірному кліматі епізодично спостерігається дефіцит або надлишок води, які слід коригувати.

Дефіцит вологи (передусім у верхніх шарах ґрунту) є особливо нищівним на початку вегетаційного періоду. Наприкінці літа в степових регіонах у кореневмісному шарі ґрунту запаси доступної вологи стають зовсім незначними, тому її вміст до наступної весни майже повністю визначається кількістю пізньоосінніх опадів, а також ступенем використання поталих вод. Створення значних запасів вологи в ґрунті навесні повинно розпочинатися з осені за допомогою зяблевого обробітку впоперек схилу (де реально існує небезпека втрати води з поверхневим стоком), снігозатримання (там, де формується стійкий сніговий покрив), формування куліс (одночасно гальмують швидкість вітру і перешкоджають розвитку ерозії та дефляції) і лісосмуг (перешкоджають здуванню снігу з ланів).

Весняне збереження вологи в ґрунті передбачає створення обробітком мульчуючого шару ґрунтів з дрібних агрегатів, що перешкоджає фізичному випаровуванню – це боронування та міжрядні розпушування. Поля необхідно очищати від бур’янів, які непродуктивно витрачають надто багато вологи, а до сівозмін слід включати одне-два поля чорного пару.

Водний режим перезволожених ґрунтів регулюють розпушуванням підорного шару, створенням грядок і гребенів на поверхні для садіння картоплі, профілюванням схилів для безпечного відведення вологи. Але в цих умовах найефективнішим є осушення з одночасним відведенням зайвої вологи та її подачею в періоди, коли верхні шари ґрунту пересихають і культури без води гинуть.

Загалом для регулювання водного режиму застосовують екологізований комплекс гідротехнічних, агролісо- та фітомеліоративних, агротехнічних та інших заходів.