Лекция 11. Радиоактивность почв. Физико-механические свойства почв. Радиоактивность почв

- обусловлена присутствием в почвах набора радиоактивных элементов естественного и антропогенного происхождения. Она выражается количеством ядерных превращений (распадов) в единицу времени.

Основная часть радиоактивности почв связана с естественными радиоактивными элементами (ЕРЭ), которые подразделяются на 2 группы: первичные (т.е. перешедшие в почву из почвообразующей породы или с геохимическим потоком) и космогенные (попадающие в почву из атмосферы, где они возникают при взаимодействии космического излучения с ядрами стабильных элементов).

Естественные радиоактивные элементы в почвах: радиоизотопы (радионуклиды) тяжелых элементов с порядковыми номерами больше 82, которые образуют три семейства: урана, актиния и тория. Они испускают в основном альфа-частицы (ядра гелия), а некоторые – бета- и гамма-излучение.

Искусственная радиоактивность обусловлена загрязнением почв радиоактивными изотопами, образовавшимися в результате термоядерных и атомных взрывов. Радиоактивное загрязнение почвенного покрова: в 50-е годы 20 века в результате наземных испытаний ядерного оружия повсеместно наблюдались радиоактивные выпадения из атмосферы. В настоящее время увеличилось количество источников ядерного загрязнения в связи с расширением сферы использования ядерной энергии не только в военных, но и мирных целях (атомные электростанции, урановые шахты и обогатительные фабрики, рудники, заводы по разделению изотопов, хранилища радиоактивных отходов и т.д.). Важную роль в повышении радиоактивного фона могут играть и тепловые станции, которые работают на угле и горючих сланцах – их зольные выбросы содержат такие радиоактивные элементы, как полоний, радий, уран в концентрациях превышающих фоновый уровень.

Характерно, что при радиоактивном загрязнении почв почти не изменяются их основное свойства (реакция, питательный режим и т.д.), но накопление радиоактивных веществ может превышать пределы биологически безопасных доз.

Особо опасными загрязнителями являются ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹²⁹I, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce, ²²⁶Ra, ²³⁸U, которые характеризуются высокой энергией излучения, длительным периодом полураспада (Т_1/2 для ⁹⁰Sr – 28 лет, ¹³⁷Cs – 33 года, ²³⁸U – 4,5*10⁹ лет). По степени подвижности они располагаются в ряд: ¹³⁷Cs>¹⁴⁴Ce>¹²⁹I. Они могут смываться поверхностными водами, мигрировать вниз по профилю почв. Содержание их в почве зависит от емкости поглощения почвы, от минералогического состава, содержания гумуса. На их поступление в растения влияют ионы элементов, являющихся аналогами радионуклидов. Например, ⁹⁰Sr по своим свойствами близок к кальцию, ¹³⁷Cs – к калию. Поэтому высокие дозы калия и кальция препятствуют накоплению в растениях повышенного количества радионуклидов.

Физико-механические свойства почв.

Некоторые процессы, протекающие в почвах, определяются их физико-механическими свойствами, которые проявляются при воздействии внешних нагрузок и подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, не приводящих к их механическому разрушению. К ним относятся сжимаемость, просадочность, консолидация (уплотнение).

Прочностные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, вызывающих их разрушение – сдвиг, разрыв.

Реологические свойства характеризуют поведение почв под давлением во времени. К ним относятся вязкость, пластичность, тиксотропность.

Кроме того, к физико-механическим свойствам в почвоведении относят набухание, усадку, липкость, т.е. свойства высокодисперсных систем, проявляющихся без механических воздействий со стороны.

Изучение физико-механических свойств важно для понимания механизмов физических процессов и для сельского хозяйства. Физико-механические свойства определяют условия обработки почв, затраты на обработку, сроки полевых работ, при которых менее деформируются почвы и их обработка производится с наименьшими затратами горючего.

1. Деформационные свойства

Сжимаемость почв под нагрузкой происходит при их механической обработке. В настоящее время на полях используется очень тяжелая сельскохозяйственная техника, поэтому вопрос изучения сжимаемости почв весьма актуален. Сжимаемость зависит от минералогического и гранулометрического состава почв, порозности и трещиноватости, оструктуренности и прочности структуры, сложения и ориентации глинистых частиц, их размера и формы, влажности почв и др.

Присутствие в почвах минерала монтмориллонита и высокое содержание органических веществ приводят к значительному уплотнению почв под нагрузками. Высокая порозность почв также может быть показателем возможности уплотнения почв под нагрузкой.

Сжимаемость почв ведет к уменьшению общей порозности, изменению размеров и форм пор и структурных отдельностей.

Частным случаем проявления сжимаемости почв и грунтов является просадочность. Просадка – это понижение поверхности почв в результате уменьшения их пористости и растворении содержащихся в них солей при замачивании. Просадка приводит к возникновению таких форм рельефа, как поды, степные блюдца. Особенно велики просадки на лессовых почвогрунтах при введении их в орошаемое земледелие. Это объясняется их высокой пористостью, малой гидрофильностью, выносом легкорастворимых солей.

2. Прочностные свойства

Связность – характеризует способность почвы оказывать сопротивление разрывающему усилию, стремящемуся разъединить механические элементы, т.е. определяется свойство взаимного сцепления частиц почв. Выражается в кг/см².

Связность нужно учитывать при оценке сопротивления и сцепления почв. Она характеризует прочность структуры, что также важно знать при оценке мелиоративных характеристик почв.

Связность зависит от гранулометрического и минералогического состава почв, количества и состава клеющих компонентов, обменных оснований, содержания органического вещества, влажности. Обусловлена она явлениями адсорбции, когезии, цементации. Наибольшая связность у почв, имеющих в составе монтмориллонит. При облегчении гранулометрического состава почв и увеличении доли каолинита прочность структурных связей снижается, уменьшается их связность.

Оструктуривание почв, которое приводит к увеличению прочности отдельных агрегатов, уменьшает связность почв, облегчает их обработку, оптимизирует условия развития корневых систем. Присутствие соды и увеличение количества натрия способствует пептизации частиц и увеличению связности почв (например – солонцы и многие слитые почвы).

На связность почв большое влияние оказывает содержание воды. При понижении количества воды возникает явление когезии – это слипание однородных по химической природе частиц за счет непосредственного взаимодействия их поверхностей, обусловленного энергией поверхностного натяжения при дегидратации.

Органическое вещество влияет на связность двояко: гумус увеличивает связность песчаных почв и снижает у глинистых за счет увеличения их агрегированности и снижения площади соприкосновения.

С прочность сцепления почвенных частиц связано понятие твердость почв. Твердостью называется свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Выражается в кг/см², измеряется с помощью твердомеров. При одной и той же плотности твердость почв может значительно меняться в зависимости от влажности.

Твердость зависит от тех же параметров, что и связность: от минералогии, дисперсности, состава обменных оснований, содержания гумуса, влажности. Она оценивает при полевом описании, при этом выделяются градации: рыхлая, рыхловатая, уплотненная, твердая и очень твердая почва.

Твердость почв изменяется от 5 до 60 кг/см². Самой большой твердостью в сухом состоянии характеризуются слитые почвы и солонцы.

Твердость почв определяет тягловое усилие сельскохозяйственных орудий. Сила тяги, отнесенная к единице рабочей площади обрабатывающего орудия, называется удельным сопротивлением.

Оно определяется по формуле:

К = Р / (а*б),

где Р – сила тяги, кг; а – глубина пахоты, см; б – ширина захвата плуга, см.

Удельное сопротивление зависит от влажности почв. Оно минимально в некотором диапазоне влажности, характерном для каждой почвы. При снижении влажности резко увеличивается твердость почв, поэтому растет их удельное сопротивление и увеличиваются затраты на их обработку. При увеличении влажности растет липкость почв, сила сцепления почвенных частиц с поверхностью обрабатывающих орудий, что также увеличивает удельное сопротивление.

Обработка почв, находящихся вне оптимального диапазона влажности, приводит к ухудшению их структуры: при обработке сильно увлажненных почв не происходит крошение почвы и образование агрономически ценных агрегатов, происходит заглыбление почв. При обработке сухих почв происходит распыление почв, что ухудшает их противоэрозионные свойства.

Удельное сопротивление почв колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см², а у черноземов в пределах оптимальной влажности – 0,25-0,64 кг/см².

3. Реологические свойства

Одним из главных реологических свойств почв является их пластичность. Пластичность – это способность почв менять свою форму (деформироваться) под действием внешних сил (без разрывов и трещин) и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия.

Пластичность определяет консистенцию почвы – т.е. степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием механического воздействия при различной влажности. Выделяют формы консистенции:

1. Твердая – почва имеет свойства твердого тела, не пластична;

2. Полутвердая – переходное состояние между твердым и пластичным телом;

3. Вязкопластичная – почва обладает пластичностью, но не прилипает к другим телам;

4. Липкопластичная – почва обладает пластичностью и прилипает к другим телам;

5. Вязкотекучая – почва в состоянии растекаться толстым слоем;

6. Жидкотекучая – почва может растекаться тонким слоем.

В обычном состоянии для почвы характерны четыре первые формы консистенции. Но в некоторых почвах с сильным переувлажнением в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. При этом наблюдается подвижность (ползучесть) почв – т.е. способность в переувлажненном состоянии течь под влиянием собственной массы. Данное явление распространено в тундре и на склонах при выклинивании грунтовых вод.

Частный случай текучести – тиксотропность, когда переувлажненные почвы приобретают текучесть при механическом воздействии и снова переходят в твердое состояние в покое.

Характеристиками консистенции почв являются константы Аттенберга:

1. верхний передел пластичности, или предел текучести – это массовая влажность почв, при которой стандартный конус под воздействием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на 10 см;

2. нижний предел пластичности – граница между полутвердым и пластичным состоянием почвы – массовая влажности, при которой образец можно раскатать в жгут диаметром в 3 мм без образования разрывов и трещин;

3. число пластичности – разности между числовым выражением верхнего и нижнего пределов пластичности. Число пластичности показывает диапазон влажности, в котором проявляются пластичные свойства почв.

Пластичность зависит от гранулометрического состава почв и формы слагающих почву частиц. Пластичность глин вдвое больше пластичности суглинков и втрое больше пластичности супесей. Пески практически непластичны.

Число пластичности равно: в глинах 35-40; в суглинках 10-20; в супесях 5-10 и в песках 0.

Почвы, содержащие монтмориллонит более пластичны, чем содержащие каолинит. Увеличение солей в почвенном растворе снижает число пластичности.

С пластичность почв связана их вязкость – это внутренне трение, возникающее при течении почвы. Вязкость почв важна при изучении эрозионных процессов, при обработке почв.

Липкость – это свойство дисперсионных систем прилипать к поверхности различных тел. Липкость почв количественно характеризуется усилием в ньютонах, которое необходимо для отрыва металлической пластинки от поверхности почвы, выражается в Н/см². Проявляется липкость только во влажном состоянии, что обусловлено силами молекулярного сцепления, возникающими на границе раздела между минеральными частицами, тонким слоем воды и поверхностью соприкасающегося предмета. Т.е. главная роль в возникновении липкости принадлежит слабосвязанной воде, это свойство называется адгезией, а слой воды называется адгезионным слоем.

Липкость почв тесно связана с гранулометрическим составом, оструктуренностью почв, их сложением. Это определяет характер и свойства поверхности раздела почва – плоскость предмета.

Липкость почв в большой степени зависит от влажности почв, поэтому основными показателями липкости являются:

1. Влажность начального прилипания;

2. Влажность максимального прилипания;

3. Влажность максимальной липкости.

Липкость определяет важное агрономическое свойство почв – физическую спелость: определяется уровнем увлажнения, при котором исчезает способность почвенных частиц прилипать к сельскохозяйственным орудиям, но возникает способность самоагрегироваться. Для разных почв нижний предел липкости различен. Поэтому сроки и условия проведения полевых работ разные на разных почвах.

Набухание – это увеличение объема почвы или ее отдельных структурных элементов при увлажнении. В основе набухания лежит свойство почвенных коллоидов сорбировать воду, и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц, при этом раздвигая их. Чем больше поверхность почвенных частиц (дисперсность почв) и чем больше водоудерживающая способность почвенных частиц, тем более мощную пленку они могут создавать вокруг себя, и тем больше набухаемость таких почв. Основная роль в набухании почв принадлежит минералогическому составу

Процесс обратный набуханию называет усадкой. При усадке происходит уменьшение объема почв при их высыхании и дегидратации.

Способность почв к набуханию (усадке) характеризуется параметрами:

1. Степень набухания (усадки) – измеряется по изменению объема образца почвы при увлажнении (высыхании), выражается в процентах от исходного объема:

V_наб. = ((V₁-V₂)/ V₂)*100

V_ус. = ((V₁-V₂)/ V₁)*100

, где V₁ – объем влажной почвы; V₂ – объем сухой почвы.

2. Влажность набухания – это влажность в процентах, при которой прекращается набухание. Влажность набухания зависит от исходной влажности почвы – чем она ниже, тем выше влажность набухания и тем больше степень набухания. Следовательно, переосушение почв приводит к увеличению амплитуды изменений объема, которые связаны с набуханием и усадкой, что вызывает увеличение давления набухания.

3. Давление набухания – проявляется в почве при невозможности или ограниченности объемных деформаций внутри почвенного профиля. Оно может быть измерено с помощью внешней нагрузки и равно силе, при которой не будет происходить изменения объема при увлажнении.

Между степенью и давлением набухания существует прямая зависимость;

4. Деформационные напряжения – возникают в почве при иссушении и способствуют образованию трещин на поверхности почв и структурных отдельностей.

Набухание и усадка наблюдаются во всех почвах в разной степени, наиболее выражены – в слитых почвах и солонцах, это определяет их неблагоприятные физические свойства. При набухании и усадке возникают большие давления внутри почв, образуются трещины, что приводит к разрыву корневой массы растений. Глубокая трещиноваться способствует перемешиванию почвенной массы (частицы с поверхности почвы падают в трещины) и приводит к формированию мощного, но недифференцированного профиля.

В процессе почвообразования циклы набухания и усадки, которые связаны с циклами увлажнения и иссушения, играют очень важную роль, однако их роль в зависимости от амплитуды процесса двояка. При малых амплитудах увлажненияони способствуют формированию мелкокомковатой структуры, вызывая растрескивание почв по мере их иссушения, способствуют самомульчированию поверхности почв, разрушают почвенные корки, способствуют улучшению водно-физических свойств почв. При больших амплитудах увлажнения циклы набухания и усадки, которые многократно повторяются в естественных условиях и при орошении, способствуют разрушению структуры почв.

Физико-механические свойства почв важно учитывать при использовании почв: при механической обработке в земледелии, при использовании в качестве основы для сооружений, при дорожном и аэродромном строительстве, при использовании почвы в качестве строительного материала, в гидротехнике при строительстве каналов и водохранилищ, при гидротехнической мелиорации почв (ирригация и дренаж) и т.д. Кроме того, их необходимо учитывать при производстве сельскохозяйственных машин и другой техники. Изучением физико-механических свойств занимается раздел почвоведения – механика почв, а также грунтоведение и инженерная геология.