Какими свойствами обладает песчаная фракция

Наиболее грубое разделение почв по механическому составу производится по количеству физической глины (частицы диаметром менее 0,01 мм) и физического песка (частицы диаметром более 0,01 мм).
В табл. 70 приведено параллельное сравнение физических, физикохимических и агрономических свойств глины и песка. Из этого сопоставления следует, что чисто глинистые бесструктурные и чисто песчаные бесструктурные почвы глубоко различны, но и те и другие обладают неблагоприятными свойствами. Практика земледелия давно установила, что лучшими с точки зрения гранулометрического состава являются почвы среднесуглинистого типа, в которых пропорционально представлены как глинистые, так и песчаные частицы. Глинистые же почвы плодородны лишь в том случае, если они богаты органическим веществом и обладают комковато-зернистой структурой.
Чистые песчаные или глинистые отложения представляют собой системы, близкие к монодисперсным, т. е. к системам, у которых диаметр частиц примерно одинаков.

Монодисперсные почвообразующие породы и почвы, однако, распространены в природе крайне редко. Однородные по диаметру частицы песка, супеси и глины встречаются в отложениях древних озер, заливов, пойм и дельт, на относительно ограниченных пространствах; режим водоемов, где происходила седиментация этих отложений, должен был быть сравнительно устойчивым и однородным. Дюнные, барханные пески, утерявшие в процессе эоловой переработки тонкие глинистые и пылеватые частицы, также приобретают характер монодисперсных систем. В подавляющем же большинстве случаев почвообразующие породы и почвы имеют сложный гранулометрический и механический состав.
Для характеристики полидисперсных почв различают фракции с довольно дробным разделением по диаметру частиц:

При оценке микроагрегатного состава почв различают фракции макроагрегатов (с диаметром 10—0,25 мм) и микроагрегатов (с диаметром <0,25 мм).
Фракция микроагрегатов подразделяется на более тонкие, параллельные фракциям механического состава.
Наибольшее распространение в России получили номенклатура и подразделение фракций механическогр состава Н.А. Качинского и В.В. Охотина (табл. 71).

В западной научной литературе используется приводимая ниже так называемая международная классификация механических элементов, обсуждавшаяся и принятая на специальных конференциях:

Свойства фракций механического состава весьма различны. Эти свойства передаются почвам в соответствии с преобладанием тех или иных фракций.
Фракция коллоидных частиц, d<0,25 мк. Частицы коллоидной фракции характеризуются следующими специфическими признаками: длительной устойчивостью во взвешенном в воде состоянии, резко выраженным броуновским движением, высокой поглотительной способностью, преобладанием вторичных глинных минералов, большим содержанием органических веществ, сильно выраженной способностью к коагуляции под воздействием поливалентных катионов, резких колебаний температуры и дегидратации.
Большое содержание коллоидной фракции (20—30—40%) в механическом составе почво-грунтов может определять диаметрально противоположные свойства в зависимости от того, находятся ли коллоидальные вещества в коагулированном состоянии или они не коагулированы. Коллоидные вещества, присутствуя в большом количестве в составе почв и грунтов в некоагулированном состоянии, придают последним чрезвычайно низкую водопроницаемость, весьма медленное передвижение капиллярной воды и малую подвижность воды вообще, а также низкую ее доступность для сельскохозяйственных растений, большую набухаемость и липкость во влажном состоянии, сильную усадку, трещиноватость и твердость в сухом состоянии. Наоборот, если коллоидная фракция находится в коагулированном состоянии, то при большом содержании почвы и грунты характеризуются хорошей структурой и макроагрегатностью, хорошей водопроницаемостью, аэрацией, малой липкостью и т. д.
Фракция надколлоидных частиц, d = 1—0,25 мк. Специфические черты, свойственные фракции коллоидных частиц, выражены в ослабленной степени и у частиц надколлоидной фракции. В частицах этой фракции констатируются большая поглотительная способность, броуновское движение, способность к коагуляции с агрегированием грунта. При большом содержании в почве надколлоидной фракции в некоагулированном состоянии наблюдается низкая водопроницаемость, медленное движение капиллярной воды на большую высоту.
Фракция глинистых частиц, d = 0,001—0,005 мм. Фракция характеризуется пониженной поглотительной способностью. Минералогически она представлена сочетанием вторичных глинных минералов и главным образом тончайших обломков первичных минералов. Обладает резко выраженной способностью к коагуляции. Необратимая коагуляция ослаблена. Содержит повышенное количество гумусовых веществ. При большом содержании в составе почв и грунтов в некоагулированном состоянии сообщает им пониженную водопроницаемость, высокое, но медленное капиллярное поднятие, большую величину недоступной растениям воды, на-бухаемость и липкость во влажном состоянии, усадку, трещиноватость и твердость в сухом.
Фракция иловатых частиц, d = 0,005—0,01 мм. Н.А. Каминский называет эту фракцию средней пылью. Скорость падения частиц этого диаметра в суспензии 1 см в 50 сек. В отличие от глинистых и коллоидных частиц, эта фракция не обладает поглотительной способностью и не обнаруживает эффекта коагуляции. Поэтому большое содержание этой фракции в грунте придает ему целый ряд отрицательных агрономических и мелиоративных свойств: бесструктурность, плотность, плохую проницаемость для корневых волосков, низкую водопроницаемость. Вместе с тем, грунты с большим содержанием этой фракции отличаются быстрым капиллярным передвижением воды на значительную высоту. Они не набухают, мало связны, легко разваливаются, при большой влажности переходят в плывунное состояние, в сухом состоянии легко распыляются.
В тех случаях, когда эта фракция представлена не элементарными механическими обломками, а микроструктурными агрегатами, свойства почв и грунтов заметно улучшаются, повышается водопроницаемость и аэрация грунта, снижается скорость капиллярного поднятия и испарения.
Фракция пылеватых частиц, d = 0,0—0,25 мм. Скорость падения в суспензии 10 см за 5 сек. Н.А. Качинский подразделяет ее на фракцию крупной пыли с диаметром частиц 0,01—0,05 мм и фракцию мелкого песка с диаметром частиц 0,05—0,25 мм. Частицы этого диаметра не обладают поглотительной способностью и не подвергаются коагуляции, т. е. не могут способствовать структурообразованию почв и грунтов.
Многие среднеазиатские лёссы, лёссовидные суглинки, аллювиальные наносы, а также ирригационные отложения на орошаемых полях характеризуются преобладанием этих частиц.
Большое содержание пылеватых частиц в составе почв и грунтов придает им низкую водопроницаемость, склонность к быстрому заплыванию, сравнительно высокую подвижность капиллярной воды, отсутствие набухаемости. Однако если фракция этих частиц представлена микроагрегатами, суммарные свойства почв и грунтов приобретают благоприятные качества с агрономической точки зрения. Поэтому при оценке агрономических, физических и мелиоративных свойств почво-грунта необходимо знать, представлена ли данная фракция элементарными механическими частицами или микроагрегатами.
Фракция песка, d = 0,25—2 мм. Эта фракция совершенно не обладает поглотительной способностью и эффектом коагуляции. Почвы с большим содержанием этой фракции отличаются хорошей водопроницаемостью, низкой влагоемкостью, малой высотой и большой скоростью капиллярного поднятия воды. При большой влажности эти почвы приобретают повышенную связность и несущую способность. Минералогически данная фракция представлена чаще всего обломками кварца, во многих случаях полевыми шпатами и др.
Фракция гравия, d = 2—40 мм. Поглотительной и коагуляционной способностью эта фракция не обладает. При большом содержании в почво-грунте придает ему повышенную водопроницаемость, отсутствие водоподъемной способности и так называемую естественную дренированность, т. е. возможность свободного оттока гравитационной воды. Минералогически фракция представлена обломками первичных минералов и пород.
Фракция щебня и гальки, d крупнее 40 мм. Присутствие большого количества щебня и гальки в почвах весьма ухудшает их агрономические качества. Однако подстилание щебнем и галькой на глубине 3—5 м орошаемых мелкоземистых почв благоприятно. Почвы при этом обладают естественной дернированностью, обеспечивающей свободный отток избыточных оросительных и грунтовых вод. Наличие таких прослоев в почво-грунтах увеличивает эффективность работы искусственного дренажа.
Сравнение свойств различных фракций. При исследовании физических, физико-химических и агрохимических показателей различных фракций, выделяемых при механическом анализе из почв и почвообразующих пород, были вскрыты глубокие различия в свойствах.

В табл. 72 показано, что фракции песчаных частиц с диаметром более 0,25 мм обладают нулевым набуханием, относительно высокой фильтрацией и ничтожной водоподъемной способностью. Перелом этих свойств начинается в частицах с диаметром меньше 0,25 мм, т. е. во фракциях мелкого песка и пыли. В них заметно возрастает высота капиллярного поднятия при одновременном появлении набухаемости и снижении коэффициента фильтрации. Весьма значительная высота капиллярного поднятия, большие величины набухания, пластичности и максимальной молекулярной влагоемкости появляются лишь в иловатых и глинистых частицах.
Существенный скачок в степени дисперсности, возрастании внутренней поверхности, поглотительной способности начинается с фракции меньше 0,002 мм. Однако наиболее высокая поглотительная способность, порядка 55 мг-экв/100 г, высокая теплота смачивания, порядка 1260 кал/100 г, и большое поглощение воды (парообразной и пленочной) появляются во фракциях с диаметром меньше 0,001 мм (табл. 73).

Опыты А.Ф. Лебедева показали, что при изменении процентного соотношения фракций песка и глины коренным образом изменяются воднофизические свойства почв. С возрастанием содержания глины происходит резкое увеличение молекулярной влагоемкости почв (табл. 74).
В табл. 75 приведены данные валового химического состава фракций лёсса и некоторых почв. Из этих данных видно, что во фракциях пыли и песка преобладает кремнезем. Наоборот, во фракции иловатых и глинистых частиц (диаметр меньше 0,005 мм) отмечается существенное повышение содержания полуторных окислов, соединений серы, кальция, магния, фосфора, калия.
Очень важно учитывать распределение гумуса в различных фракциях. Обычно во фракциях среднего и мелкого песка гумус отсутствует, а в крупной песчаной пыли содержание его не превышает 1,5—2,0%. Во фракциях мелкой пыли и ила содержание гумуса достигает 10—12%. При этом возрастает также доля содержания легкогидролизуемого гумуса, извлекаемого кислотными и щелочными вытяжками. С уменьшением диаметра частиц происходит также резкое возрастание содержания подвижной кремнекислоты, соединений фосфора и калия.

Однако следует отметить, что прямого, постоянного и полного соответствия между механическим составом и указанными свойствами почв не бывает. Одна из причин этого отмечена выше. Объединение первичных элементарных частиц в микро- и макроагрегаты, несмотря на обилие глинистых и коллоидных механических частиц, придает почвам и грунтам повышенную водопроницаемость, аэрированность, уменьшение сил сцепления, уменьшение сопротивления механическим усилиям, обеспеченность гумусом и элементами минерального питания растений.
Кроме агрегатности, большое значение имеет форма, химический и минералогический состав частиц. Так, например, частицы листовато-таблитчатой формы (гидрослюды) придают грунтам значительно большую пластичность и связность, чем это можно было бы ожидать по размерам диаметра частиц.
В большой степени свойства почв при одинаковом механическом составе определяются характером поглощенных катионов. Поглощенные щелочные металлы, особенно натрий, придают глинистым и суглинистым почвам значительно меньшую агрегированность и соответственно более низкую водопроницаемость, медленное капиллярное поднятие воды, повышенную набухаемость, вязкость и пластичность во влажном состоянии, твердость, усадку и трещиноватость в сухом. Обратный эффект оказывает поглощенный кальций.