Плотность твердой фазы, плотность сложения и пористость.

Плотность твердой фазы.Как уже было отмечено,почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз. Если условно исключить жидкую и газообразную составные части почвы, придать твердой фазе монолитное состояние и определить массу единицы ее объема, то это и будет плотность твердой фазы (удельная масса).

Плотность твердой фазы почвы — отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при -\-4° С.

В лабораторных условиях плотность твердой фазы определяют пикнометрическим методом, при котором объем твердой фазы находят по массе воды, вытесненной навеской сухой почвы. При этом исходят из того, что при температуре 4 °С 1 г воды занимает объем, равный 1 см³. Именно поэтому в практике почвоведения плотностью твердой фазы называют отношение массы сухой почвы к массе равного объема воды при температуре 4 °С.

Данный показатель измеряется в граммах на сантиметр кубический (г/см³) и зависит от минералогического состава почвы и содержания в ней органического вещества. Минералы, входящие в состав почвы, отличаются различной удельной массой (от 2,1 до 5 г/ см³ и более).

Соответственно, чем больше в почве тяжелых минералов, тем выше плотность ее твердой фазы. Что касается органического вещества, то его удельная масса (1,2—1,8 г/см³) в 1,5—2 раза меньше, чем у минеральной части почвы. Поэтому почвы с большим содержанием органического вещества всегда отличаются меньшей плотностью твердой фазы.

Различные типы почв имеют неодинаковую плотность твердой фазы. Ее величина для минеральных почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см³ и зависит от минералогического состава почвы и содержания органических компонентов.

Дерново-подзолистые почвы, сформировавшиеся на алюмосиликатных породах и бедные органическим веществом, имеют плотность твердой фазы 2,65—2,70.

Плотность твердой фазы малогумусированных горизонтов субтропических почв 2,7—2,8, богатых органическими компонентами торфяников 1,4—1,8.

В целом плотность твердой фазы — величина довольно стабильная и в минеральных горизонтах большинства почв находится в пределах 2,4—2,7 г/см³, в торфяных — 1,4—1,8 г/см³.

Плотность сложения почв.Сложение почвы определяется взаимным расположением ее частиц и комков. Плотностью сложения (или просто плотностью) почвы (d_v) называется масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном состоянии. При ее определении учитывается не только объем твердой фазы почвы, но и объем пор, поэтому плотность почвы будет всегда меньше плотности твердой фазы ее.

Как и плотность твердой фазы, она выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см³).

У минеральных почв плотность колеблется от 0,9 до 1,8 г/см³, у торфяно-болотных — от 1,15 до 0,40 г/см³. Этот показатель довольно динамичен и зависит от минералогического состава почвы, размера; почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния и пористости.

Большое влияние на его значение оказывает обработка почвы. Как правило, наименьшую плотность почва имеет сразу же после культивации, которая способствует ее разрыхлению и увеличению объема пор. Со временем плотность увеличивается до состояния, которое называется равновесной плотностью. При таком состоянии плотность сложения почвы длительное время почти не изменяется, что в первую очередь объясняется равновесием сил, вызывающих уплотнение почвы и увеличение объема пор.

Уменьшение плотности почвы может происходить в результате ее набухания при увлажнении ипоследующей усадки в засушливый период, замерзания и оттаивания воды в почве, развития корневой системы растений, деятельности обитающих в почве животных, внесения органических удобрений.

Верхние горизонты малогумусных дерново-подзолистых почв имеют плотность 1,2—1,4 г/см³, нижние уплотненные—1,6—1,8 г/см³.

В верхних горизонтах черноземов плотность 1,0—1,2, в нижних 1,3— 1,6 г/см³. Под влиянием приемов окультуривания верхние горизонты пахотных почв имеют более низкий показатель плотности.

Каждая сельскохозяйственная культура предъявляет свои требования к плотности почвы. Наиболее благоприятная для того или иного растения плотность сложения почвы называется оптимальной.

Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная величина плотности на суглинистых и глинистых почвах 1 —1,2 г/см³. Дальнейшее увеличение ее снижает урожай сельскохозяйственных культур. Так, на суглинистых черноземах при плотности почвы 1,5 г/см³ получен урожай овса в 3,7 раза меньше, чем при 1,1 г/см³.

Оценка плотности сложения (d_v) суглинистых и глинистых почв (Н.А. Качинский)

dv, г/см3	Оценка	г/смз	Оценка
< 1,0	Почва вспушена или богата органическим веществом	1,3-1,4	Пашня сильно уплотнена
1,0-1,1	Свежевспаханная почва	1,4-1,6	Типичные величины для подпахотных горизонтов (кроме черноземов)
1,2-1,3	Пашня уплотнена	1,6-1,8	Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

 

Плотность сложения почвы — не основной, но довольно важный показатель, характеризующий ее плодородие. От нее зависят водные, воздушные и тепловые свойства, развитие корневых систем растений, интенсивность микробиологических процессов, а в конечном итоге — урожайность сельскохозяйственных культур.

К основным агротехническим мероприятиям, направленным на достижение оптимальных параметров плотности сложения почвы, относятся ее глубокое рыхление и внесение органических удобрений.

Пористость — суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Пористость выражается в процентах от общего объема почвы.

 

Этот показатель весьма непостоянен. Он тесно связан с плотностью сложения, гранулометрическим составом и структурным состоянием почвы и находится в пределах 25—90%. Его максимальные значения (80—90%) характерны для торфяных горизонтов.

Сумма всех видов пористости составляет общую пористость почвы. Ее обычно вычисляют по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой фазы (d):

Робщ=(1- d_v/ d)*100

за 1 принимается общий объем почвы со всеми ее порами.

 

Экспериментально общую пористость определяют заполнением всех пор жидкостью, объем которой замеряют.

Пористость почвы, прежде всего, определяется ее структурностью, а также зависит от плотности, механического и минералогического состава. В макроструктурных почвах на поры приходится большая часть объема; в микроструктурных почвах — меньшая часть объема почвы.

С общей пористостью связаны водопроницаемость, воздухопроницаемость и воздухоемкость, газообмен между почвой и атмосферой.

 

В структурных почвах поры располагаются как между агрегатами, так и внутри них, между элементарными почвенными частицами. При этом поры делятся на капиллярные и некапиллярные.

Капиллярные поры — это поры, которые находятся между мельчайшими почвенными частицами и в которых вода передвигается под действием капиллярных сил. Некапиллярные поры расположены между структурными отдельностями или крупными механическими элементами.

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы, некапиллярная — объему крупных пор.

Более полное представление об условиях обеспечения растений водой и кислородом дает учет капиллярной и некапиллярной пористости. Самые благоприятные условия увлажнения и воздухообеспеченности складываются в почвах при соотношении капиллярной и некапиллярной пористости 1 : 1.

По Н. А. Качинскому, пористость подразделяется:

на общую, пористость агрегатов, межагрегатную,

капиллярную, поры, заполненные прочносвязанной водой, поры, заполненные рыхлосвязанной водой, поры, занятые воздухом (пористость аэрации).

В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую пористость капилляров, заполненную водой, и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30—40 % в торфяных почвах.

Таблица 2.Оценка пористости почв

(Н.А. Качинский)

Общая пористость в вегетационный период для суглинистых и глинистых почв,%	Качественная оценка пористости	Общая пористость в вегетационный период для суглинистых и глинистых почв,%	Качественная оценка пористости
>70	Почва вспушена — избыточно пористая	50-40	Неудовлетворительная для пахотного слоя
65-55	Культурно-пахотный слой — отличная	40-25	Характерна для уплотненных иллювиальных горизонтов — чрезмерно низкая
55-50	Удовлетворительная для пахотного слоя

 

2.Физико-механические свойства почвы

 

К физико-механическим свойствам почвы относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке.

Пластичность— способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность проявляется только при влажном состоянии почвы. В зависимости от степени увлажнения характер пластичности изменяется.

В соответствии с этим Аттерберг предложил различать следующие константы пластичности почвы:

а) верхний предел пластичности, или предел текучести, — весовая влажность почвы при которой стандартный конус под действием собственной массы (76 г) погружается в почвенный образец на глубину 10 см;

б) нижний предел пластичности, или предел раскатывания, — весовая влажность, при которой образец почвы можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования в нем разрывов;

в) число пластичности —разность между числовым выражением верхнего и нижнего пределов пластичности.

 

Пластичность теснейшим образом связана с механическим составом почв. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые— в пределах 7—17; супеси — меньше 7; пески непластичны (число пластичности стремится к 0).

Существенное влияние на пластичность оказывают также состав коллоидной фракции почвы, состав поглощенных катионов и содержание гумуса. Установлено, что при узком соотношении SiO₂: R2O3 пластичность проявляется особенно ярко. Степень ее зависит и от соотношения поглощенных катионов. Наибольшей пластичностью отличаются солонцовые глинистые почвы, содержащие 25—30 % и больше обменного натрия от емкости поглощения, наименьшей — почвы, насыщенные кальцием и магнием. При высоком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость— свойство влажной почвы прилипать к другим телам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

Решающая роль в проявлении липкости принадлежит тонкому слою слабосвязанной воды. Этот слой воды называется адгезионным, а сам процесс склеивания с его помощью почвенных частиц и различных предметов — адгезией. Чем тяжелее по гранулометрическому составу почва, тем сильнее она прилипает к твердым телам. Это объясняется тем, что более диспергированные почвы имеют большую удельную поверхность и соответственно большую гидрофильность. Липкость возрастает также с увеличением содержания в почве органического вещества.

Величина липкости определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Липкость выражается в граммах на 1 см². Она проявляется при увлажнении почвы, приближающемся к верхнему пределу пластичности. Высокогумусированные почвы (черноземы, дерновые) даже при высоком увлажнении (30— 35 % от массы) не проявляют липкости

Состав поглощенных оснований почвы в значительной мере определяет ее липкость. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует снижению величины прилипания, тогда как с возрастанием насыщенности натрием липкость почвы резко увеличивается.

На прилипание существенно влияет механический состав почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка она наименьшая.

Н. А. Качинский (1934) делит почвы по липкости на предельно вязкие (>15 г/см²), сильновязкие (5—1.5), средние по вязкости (2—5), слабовязкие (<2 г/см²).

Набухание— увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек). Набухание выражают в объемных процентах и определяют по формуле:

 

Vнаб . = (V1-V2)/V2 * 100

 

где Унаб — процент набухания от исходного объема; V\ — объем влажной почвы; У₂ — объем сухой почвы.

 

Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы.

Набухание тесно связано с составом глинистых минералов почвы. Минералы монтмориллонитовой группы с расширяющейся кристаллической решеткой обладают наибольшей набухаемостью, минералы каолинитовой группы — наименьшей. Органические коллоиды при увлажнении также сильно увеличиваются в объеме.

Большое влияние на набухание оказывает состав обменных катионов почв. При насыщении почв одновалентными основаниями (особенно натрием) набухание достигает 120—150%. тогда как при насыщении почв двух- и трехвалентными катионами значительного увеличения в объеме при набухании не наблюдается.

Набухание почвы может вызвать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в поверхностном слое почвы. Вследствие набухания частички почвы могут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению агрегатов.

Усадка— сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы. Усадку можно измерять в объемных процентах по отношению к исходному объему:

Vус . = (V1-V2)/V2 * 100

где Уу_С — процент усадки от исходного объема; V\ — объем влажной почвы; У₂ — объем сухой почвы.

При сильной усадке в почве образуются многочисленные трещины, происходит разрыв корней растений, усиливается физическое испарение влаги.

Важнейшие технологические показатели — величина энергетических затрат, расход горючего, смазочных материалов, износ сельскохозяйственных машин и др. — определяются связностью и твердостью почвенных частиц.

Связность— способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызывается связность силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена механическим и минералогическим составом, структурным состоянием почвы, влажностью и характером ее сельскохозяйственного использования.

Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наименьшей — песчаные. Малоструктурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в кг/см².

Твердость— сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и и т.д.). Твердость определяется специальными приборами — твердомерами. Выражается в килограммах на 1 см². Высокая твердость — признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. В этих условиях требуются большие затраты энергии на обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо проникают в почву. Она хуже пропускает влагу и воздух. На почвах со значительной твердостью растения развиваются плохо.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения. По мере уменьшения влажности она резко возрастает. По П. У. Бахтину (1961), со снижением влажности оподзоленного чернозема с 34,5 до 13,3 % твердость почвы увеличивается в 7 раз.

Заметное влияние на твердость оказывает структурность почвы. Распыленная почва при высыхании оказывает значительно большее механическое сопротивление, чем комковато-зернистая.

Твердость непосредственно связана с составом поглощенных оснований почвы; так, у черноземов, насыщенных кальцием, она в 10— 15 раз меньше, чем у солонцов.

Хорошо гумусированные почвы, насыщенные двухвалентными катионами, имеют меньшую твердость, чем малогумусные. Прямое влияние на твердость почвы и ее связность оказывает механический состав. Сопротивление раздавливанию тяжелых глин после высушивания достигает 150—180 кг/см² (А. Н. Соколовский, 1956).

С твердостью связана такая важная технологическая характеристика почвы, как сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы при обработке находится в прямой зависимости от твердости почвы.

Удельное сопротивление— усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Удельным сопротивлением обусловливается величина силы тяги (Р) при вспашке почвы: Р=КХ,аХб, где К — удельное сопротивление; а — глубина пахоты, см; б — ширина захвата плуга, см.

Выражается удельное сопротивление в килограммах на 1 см². В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния удельное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см².

Наименьшим удельным сопротивлением характеризуются не насыщенные основаниями почвы легкого механического состава (супесчаные и песчаные), самым большим — тяжелосуглинистые и глинистые почвы солонцового типа, содержащие свыше 20—30% натрия от емкости поглощения. Существенное влияние на удельное сопротивление оказывает увлажнение почвы. Максимальное удельное сопротивление наблюдается при влажности, близкой к влажности устойчивого завядания, минимальное — при средней увлажненности почвы.

На различных угодьях величина удельного сопротивления существенно изменяется. При обработке целинных и старозалежных земель она возрастает на 45—50 % по сравнению со старопахотными почвами.

На почвах под пропашными удельное сопротивление значительно меньше, чем под зерновыми культурами и многолетними травами.

Удельное сопротивление зависит также от засоренности почв (особенно корневищными сорняками).

Почвы с хорошей структурой при прочих равных условиях оказывают меньшее сопротивление при обработке, чем бесструктурные.

Спелость почвы. С физико-механическими свойствами почвы тесно связана ее спелость. Различают физическую и биологическую спелость почвы.

Физической спелостью называется состояние почвы, при котором она оказывает наименьшее сопротивление обрабатывающим орудиям, хорошо крошится и образует максимальное количество мезоагрегатов. Влажность физически спелой почвы колеблется от 60 до 90% от наименьшей влагоемкости. Она зависит от гранулометрического состава. У песчаных и супесчаных почв состояние физической спелости наступает при более высокой влажности, чем у суглинистых и глинистых.

Насыщение почвенного поглощающего комплекса катионами кальция и магния значительно снижает липкость почв, что способствует более ранней их обработке в весенний период. Состояние физической спелости наступает раньше и у высокогумусированных почв, отличающихся от почв с низким содержанием гумуса большей степенью оструктуренности.

Под биологической спелостью понимают такое состояние почвы, при котором почвенные микроорганизмы начинают активно содействовать освобождению продуктов питания для растений.

 

3.Тепловые свойства и тепловой баланс почвы.

 

Тепловой режим играет большую роль в почвообразовании, так как с ним связана энергия происходящих в почве биологических, химических, физических и биохимических процессов. Он непосредственно влияет на рост и развитие растений.

Температура почвенных горизонтов — основной показатель ее теплового режима.

С температурой почвы связаны растворимость в воде минеральных соединений, кислорода и углекислого газа, скорость поступления в растения питательных элементов и влаги.

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация, — главный источник тепла на земной поверхности. Среднее количество тепла, поступающего к Земле, составляет 8 Дж на 1 см² в 1 минуту (солнечная постоянная), но количество солнечной энергии, поступающей на поверхность почвы, меньше из-за рассеивания ее атмосферой, а также из-за отражения от земной поверхности.

Теплота, выделяемая при химических и биологических процессах, идущих в верхних слоях почвы (разложение органических остатков), а также приток тепла из глубинных слоев составляют незначительную величину по сравнению с лучистой энергией Солнца.

Основными тепловыми свойствами почвы являются теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотительную способность почвы обычно характеризуют величиной альбедо (А), которая показывает, какую часть поступающей лучистой энергии отражает почва.

 

Альбедопредставляет собой количество коротковолновой солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы и выраженное в процентах ог общей величины солнечной радиации, достигающей поверхности почвы.

Для идеально отражающей поверхности альбедо будет 100%, а для абсолютно черного тела, целиком поглощающего поступающую лучистую энергию Солнца, эта величина будет стремиться к нулю.

Альбедо является важнейшей тепловой характеристикой, зависящей от цвета почвы, ее структурного состояния, влажности и выровненности поверхности.

Альбедо почв, покрытых растительностью, зависит также от особенностей растений, цвета листьев и стеблей.

Наиболее существенное влияние на лучепоглотительную и лучеот-ражательную способность почв оказывают количество и качество гумуса, определяющие цвет почвы, а также ее гранулометрический состав.

 

Теплоемкость— свойство почвы поглощать тепло.

Различают удельную и объемную теплоемкость почвы.

Удельная теплоемкость — количество тепла в джоулях, затрачиваемое для нагревания 1 г сухой почвы на 1°С.

Объемная теплоемкость — количество тепла в джоулях затрачиваемое для нагревания 1 см³ сухой почвы на 1°С.

Теплоемкость зависит от минералогического, механического состава и влажности почвы, а также от содержания в ней органического вещества.

Теплопроводность почвы — способность ее проводить тепло.

Теплопроводность измеряется количеством тепла в джоулях, которое проходит в секунду через 1 см² почвы слоем 1 см.

В почве тепло передается различными путями: через разделяющие твердые частицы воду или воздух; при контакте частиц между собой; излучением от частицы к частице; конвекционной передачей тепла через газ или жидкость.

На величину теплопроводности влияют химический и механический состав, влажность, содержание воздуха, плотность и температура почвы.

 

4.Типы теплового режима почв

Под тепловым режимом почвы понимают совокупность всех явлений поступления, передвижения и отдачи тепла почвой.

Основной показатель этого режима — температура почвы. Поэтому тепловой режим часто называют температурным. Определяется он температурой почвы на различных глубинах и в разные сроки.

В течение года наибольшим колебаниям подвержена температура поверхности почвы. Каждому почвенному типу присущи свои пределы температуры на глубине 20 см, поэтому основным показателем теплового режима почвы считается ее средняя температура на этой глубине.

На тепловой режим влияют климат, растительность, рельеф, снеговой покров, а также гранулометрический состав, влажность и цвет почвы.

Температурный режим почв обусловливается их географическим положением, с которым связано поступление лучистой энергии к поверхности почвы, и проявлением основных тепловых свойств почвенных горизонтов — теплопоглотительной способности, теплоемкости и теплопроводности.

Температура почвы оказывает непосредственное влияние на развитие растений, особенно корневой системы.

Между температурой почвы и произрастающими на ней растениями обнаруживается не только прямая, но и обратная связь: растительный покров оказывает существенное влияние на динамику температуры впочве.

Растения и пожнивные остатки уменьшают суточные и сезонные колебания температур в верхнем слое почвы.

Тепловой режим почв зависит от рельефа местности. Экспозиция склонов и их крутизна определяют разницу в количестве тепла, получаемого от солнечной радиации. Почвы на южных, юго-западных и юго-восточных склонах прогреваются лучше, чем на северных, северо-западных и северовосточных склонах и выровненных пространствах.

Сильно влияет на температурный режим снеговой покров: препятствует глубокому промерзанию почвы, уменьшает потерю тепла из нее вследствие излучения.

 

Тепловойбаланс почвы является количественной характеристикой теплового режима.

Тепловой баланс складывается из приходной части, это прямая, рассеянная и длинноволновая радиация, в расходной части это отраженная и излученная радиации.

Типытеплового (температурного) режимапочв.

В зависимости от среднегодовой температуры и характера промерзания почвы выделяет четыре типа температурного режима почв:

мерзлотный, длительно сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий.

Мерзлотный тип температурного режима характерен для местностей, где среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. В таких почвах преобладает процесс охлаждения, сопровождающийся промерзанием их влаги до верхней границы многолетнемерзлых пород.

Этот тип теплового режима выражен в почвах ряда провинций Евразиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областей.

Длительно сезоннопромерзающий тип температурного режима проявляется на территориях, где преобладает положительная среднегодовая температура почвенного профиля. Глубина проникновения отрицательных температур не менее 1 м, но смыкания сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается (не исключается отсутствие многолетнемерзлых пород). Длительность промерзания не менее 5 месяцев.

Сезоннопромерзающий тип температурного режима отличается положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Промерзание не более 5 месяцев. Подстилающие породы немерзлые.

Длительно сезоннопромерзающим и сезоннопромерзающим типами теплового режима охватывается наибольшая часть территории бывшего СССР.

Непромерзающийтип температурного режима наблюдается в местностях, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются. К ним относятся теплая южноевропейская фация и области субтропического пояса.

 

Приемы регулирования теплового режима почв. Знание теплового баланса и его элементов, теплового потока в почву и тепловых свойств позволяет использовать различные агрономические мероприятия, существенно влияющие на тепловой режим почв.

Все приемы активного влияния на тепловой режим почв делятся на агротехнические, агромелиоративные и агрометеорологические.

К первой группе относятся различные способы обработки почвы: прикатыва-ние, гребневание, оставление стерни, мульчирование;

ко второй — орошение, осушение, лесные полосы, меры борьбы с засухой;

к третьей — приемы, снижающие излучение тепла из почвы, меры борьбы с заморозками и др.

 

5.Регулирование физических и физико-механических свойств почвы

5.1. Негативные изменения физических и физико-механических свойств почв

 

В результате антропогенного воздействия на почву (лущение, вспашка, культивация, боронование, прикатывание и т. п.) и естественных процессов (осадки, ветер, высушивание и т. п.) происходят изменения физических свойств почвы, которые обусловливают формирование многих негативных процессов, в том числе образование плужной подошвы, почвенной корки.

Плужная подошва — это уплотненный слой почвы на границе пахотного и подпахотного горизонтов. Она значительно ухудшает (снижает) поступление воды в почву, в подпахотные слои, вызывает переувлажнение верхних слоев и увеличивает сток воды с полей даже при общем дефиците влаги. Образуется плужная подошва в результате проведения основной обработки почвы в течение длительного времени примерно на одинаковую глубину. Под тяжестью почвообрабатывающих машин, в основном плугов, на глубине обработки почва уплотняется. В то же время в результате длительной интенсивной обработки разрушается структура почвы. В ней возрастает доля микроструктуры, пылевидных илистых частиц. Эти частицы под действием воды и других факторов опускаются вниз до уровня уплотненного почвообрабатывающими машинами слоя, аккумулируются в нем, окончательно закупоривая поры и межагрегатные пустоты этого слоя, и превращают его практически в водоупорный, водонепроницаемый слой — плужную подошву. Она ухудшает водный, воздушный и пищевой режимы, условия роста и развития культурных растений, снижает их урожайность.

Чтобы не допустить образования плужной подошвы и для ее устранения, необходима система дифференцированной обработки почвы, предусматривающая чередование различных (отвальной и безотвальной) разноглубинных технологий обработки почвы. Наряду с отвальной обработкой (вспашкой) следует шире применять безотвальные орудия — чизели, учитывая реакцию возделываемых культур на эти способы обработки почвы. Чизели, имея небольшую площадь соприкосновения с подпахотным горизонтом, значительно меньше и не по всей плоскости уплотняют почву и не способствуют формированию плужной подошвы.

Почвенная корка— это уплотненный слой самого верхнего горизонта почвы. Она является механическим препятствием на пути появляющихся всходов культурных растений, значительно ухудшает газообмен почвы с приземным слоем воздуха, обрекая проростки культурных растений на кислородное голодание, способствует развитию болезней и в целом приводит к изреживанию и чаже полному уничтожению всходов, резко снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Почвенная корка образуется чаще всего на полях, не занятых культурными растениями, преимущественно весной, до появления всходов или в процессе их появления. Она — результат совместного действия антропогенных и естественных факторов: интенсивная систематическая механическая обработка почвы приводит к ухудшению ее структуры, накоплению пылевидных илистых фракций, снижению водопрочности структуры, Выпадающие на такую почву ливневые осадки усиливают распыление агрегатов, заиливают капилляры и межагрегатные поры верхнего слоя почвы, превращая ее после высыхания в сплошной, непроницаемый для воды, воздуха и проростков культурных растений монолит.

Образованию почвенной корки может способствовать неумелое прикатывание почвы. Применение этого приема до наступления физической спелости, особенно на бесструктурных почвах, приводит к образованию почвенной корки. Выпадающие сразу после прикатывания осадки также усиливают этот процесс.

Приемы борьбы с почвенной коркой можно разделить на долговременные и оперативные. К долговременным относятся все мероприятия, улучшающие структуру и прочность агрегатов, а также способствующие повышению содержания органического вещества (гумуса) почвы.

К оперативным методам борьбы с коркой относятся механические приемы, направленные на разрушение уплотненного слоя почвы. Это боронование довсходовое и по всходам, обработка почвы и посевов игольчатыми рабочими органами и т. д. Формирование на поверхности почвы рыхлого мульчирующего слоя толщиной 1,5—2 см, прерывающего капилляры, препятствует возникновению почвенной корки или по меньшей мере снижает темпы ее образования и вредоносность. Поэтому в агрегате с катками следует применять легкие бороны, которые и сформируют этот мульчирующий слой.

 

От физико-механических свойств почвы в значительной степени зависят качество ее обработки, условия роста и развития культурных растений, уровень их урожайности.

Наибольшее значение при этом имеют структура, плотность, твердость и липкость почвы. Эти свойства в сочетании с влажностью определяют готовность почвы к обработке, ее качество и условия жизни растений.

Агрономически ценная комковато-зернистая структура, придавая почве рыхлое сложение, облегчает прорастание и распространение корней растений, а также уменьшает энергетические затраты на механическую обработку почвы. Бесструктурные почвы по сравнению со структурными, обладая большей связностью, оказывают и более сильное удельное сопротивление при обработке.

Плотность почвы — важнейшее условие высокой продуктивности сельскохозяйственных растений. Для большинства культур она составляет от 1,1 до 1,3 г/см³. При увеличении или уменьшении плотности почвы на 0,1—0,2 г/см³ по сравнению с оптимумом урожай снижается, а при значительном уплотнении резко падает. Особенно чутко реагируют на уплотнение черноземы. При повышении плотности выщелоченного чернозема на 0,1 г/см³ урожай зерновых колосовых культур снижается на 15 %, а при повышении ее нa 0,2 г/см³ — на 50 %. Вред избыточного уплотнения проявляется и повышенном сопротивлении почвы проникновению в глубь ее профиля растущих корней растений в результате увеличения объемной массы, снижения общей и некапиллярной скважности, ухудшения водного, воздушного, пищевого и теплового режимов, снижения биологической активности почвы, нарушения оптимальных условий жизни растений.

При уплотнении почвы уменьшается не только общий объем пор, но и их размер.

Уплотненная почва плохо впитывает и фильтрует влагу, что спосообствует усилению поверхностного стока, эрозии и в целом снижению влагообеспеченности растений, создает предпосылки для более частого проявления засухи в большинстве регионов.

На уплотненной почве длина корней и их масса значительно меньше, чем на неуплотненной, причем большая часть их располагается у поверхности почвы, что ухудшает условия минерального питания.

Применение мощной тяжелой техники может вызвать сильное уплотнение пахотного и подпахотного горизонтов. При этом ухудшается порозность почвы и резко возрастает ее удельное сопротивление.

 

Наряду с плотностью значительно ухудшает качество обработки и почвы и увеличивает затраты на ее выполнение липкость почвы.

При обработке почвы в сильновязком и предельном состоянии (липкость > 5 г/см²), когда частицы почвы приобретают коллоидный характер и легко могут смещаться по отношению друг к другу, происходит пластичное деформирование почвы. Это приводит к нарушению пористости, замазыванию, образованию корки, глыб и плужной подошвы. В зависимости от вида и скорости почвообрабатывающих машин это пластичное деформирование в результате сдавливания почвы, например отвалом плуга, вызывает дополнительное сильное уплотнение почвы. Состояние почвы при этом практически необратимо, то есть оно не может быть устранено или изменено в короткий срок приемами обработки. Только длительное воздействие природных сил (изменение почвы от набухания и сжатия, образование трещин под действием мороза) может постепенно восстановить нарушенную структуру почвы.

Твердость и удельное сопротивление также влияют на качество обработки почвы, и затраты на ее проведение аналогичны влиянию плотности.

 

Многие агрофизические свойства почвы довольно динамичны и их можно регулировать с помощью агротехнического, биологического и химического воздействия.

 

5.2.Мероприятия по улучшению физико-механических свойств, сохранению и восстановлению почвенной структуры

 

Проблема улучшения физико-механических свойств почвы — одна из главных в земледелии, так как от этого зависят увеличение урожайности сельскохозяйственных культур и повышение производства продукции растениеводства.

Существует множество приемов регулирования физико-механических свойств и восстановления почвенной структуры. Их можно объединить в три большие группы: механические, химические, биологические.

 

К механическим приемам относят интенсивную механическую обработку почвы, почвоуглубление, щелевание и т. д. Эти приемы позволяют существенно улучшить физико-механические свойства почвы. Однако действие их кратковременное, и поэтому для достижения продолжительного эффекта необходимо систематическое многократное применение их.

А это, в свою очередь, имеет отрицательный эффект, так как систематические интенсивные механические обработки способствуют увеличению доли микроструктуры (илистых фракций) в структуре почвы.

Эффективность обработок почвы во многом зависит от ее влажности. Она должна обрабатываться в состоянии физической спелости. В этом случае формируется наиболее ценная с агрономической точки зрения структура, а почва отличается невысокой плотностью и хорошей воздухообеспеченностью.

Агротехнические приемы (вспашка, культивация, прикатывание и др.) значительно изменяют плотность и общую пористость пахотного и подпахотного горизонтов почв, их удельное сопротивление. В результате применения различных агротехнических приемов верхние горизонты почв приобретают благоприятное строение. Оптимальная плотность пахотного слоя почвы определяется биологическими особенностями сельскохозяйственной культуры, а также погодными условиями. Г. Б. Гальдин (1963), исследуя влияние прикатывания на урожай яровой пшеницы, показал, что для выщелоченных черноземов Пензенской области оптимальная плотность составляет 1,11—1,14 г/см³. При такой плотности в засушливый год урожай повысился на 26% по сравнению с контролем (плотность почвы 1,04 г/см³), тогда как во влажные годы прикатывание не дало эффекта.

 

Химические приемы мелиорации изменяют состав поглощенных оснований и весь комплекс физических и физико-химических свойств почв. К наиболее распространенным химическим приемам улучшения физических свойств почв относятся известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение искусственных клеящих веществ (полимеров). В результате известкования почва становится более структурной, в ней увеличивается водопроницаемость и уменьшается плотность. При этом химическая мелиорация почв особенно эффективна на фоне органических удобрений

Гипсованием устраняется щелочная реакция солонцовых почв, улучшаются их физические свойства и структура. Твердость, сопротивление при обработке, липкость и другие физико-механические свойства в результате замещения поглощенного натрия на кальций становятся более благоприятными в агрономическом отношении.

Однако применением известкования и гипсования нельзя полностью решить проблему улучшения физико-механических свойств и структуры почвы.

 

Биологические приемы направлены на повышение содержания органического вещества (гумуса) в почве. Эти приемы универсальны и долговечны. С увеличением содержания гумуса в почве улучшаются не только физико-механические и химические свойства, но и все почвенные режимы: пищевой, водный, воздушный. С повышением содержания гумуса в почве уменьшается ее плотность и повышается устойчивость к деформациям различного типа. При содержании гумуса в почве 3,7 % и более равновесная плотность почвы устанавливается на уровне их оптимальной величины для культурных растений. Такие почвы даже после принудительного уплотнения способны к разуплотнению под действием естественных факторов (увлажнение, замораживание, высушивание) и не требуют рыхления с целью регулирования физических свойств. Почвы с содержанием гумуса менее 3,7 % после принудительного уплотнения не восстанавливают исходную плотность. На таких почвах необходима механическая обработка как средство регулирования физико-механических свойств.

Наиболее комплексное влияние на агрофизические свойства почвы оказывают органические удобрения. Они увеличивают содержание в почве гумуса и тем самым положительно влияют как на общие физические, так и на физико-механические свойства, доводя их до оптимальных параметров. Аналогичную роль выполняет и посев многолетних трав. После их уборки благодаря мощной корневой системе и большому количеству растительных остатков в почве остается много органического вещества, из которого в дальнейшем образуется гумус.

К биологическим приемам регулирования физико-механических свойств почвы относят совершенствование севооборотов, включающее увеличение доли многолетних трав в структуре посевных площадей; применение сидеральных культур; увеличение объема вносимых органических удобрений; оптимизацию обработки почвы, направленную на уменьшение интенсивности и глубины рыхлений в разумных пределах с целью снижения темпов минерализации органического вещества почвы и распыления структуры.

Краткий конспект Лекции 6

 

Почва представляет собой сложную саморегулирующуюся, по-ликомпонентную, многофазную систему. Выделяют четыре физические фазы: твердую, жидкую, газовую и живую.

Твердая фаза почвысостоит из минеральной и органической частей. Минеральная часть составляет обычно 95—99 %. Твердая фаза — прочная основа, скелет почвы. Минеральная ее часть сформировалась из материнских геологических пород и содержит остаточные минералы (обломки и частицы исходных пород и минералов), вторичные (вновь образованные) минералы.

Органическая часть — это неразложившиеся и полуразложившиеся остатки живых организмов, главным образом растительные продукты их разложения и гумус.

Твердая фаза почвы полидисперсна, она состоит из частиц и агрегатов различной формы и величины: от крупных глыб, обломков породы, комков и песчинок до коллоидных частиц.

Основные характеристики твердой фазы почвы: минералогический, химический, гранулометрический, агрегатный состав, структура, плотность, пористость (скважность), связность.

Жидкая фаза почвы представляет собой почвенный раствор, который формируется из воды, поступающей в почву с атмосферными осадками, из грунтовых вод, при конденсации водяных паров. Объем и химический состав почвенного раствора динамичны и зависят от количества поступающей воды, водно-физических свойств и химического состава почвы.

Газовая фаза почвы представлена почвенным воздухом, который заполняет свободные от воды пустоты (поры) в почве. Источником почвенного воздуха являются воздух атмосферы и образующиеся в почве газы. Состав почвенного воздуха значительно отличается от атмосферного и весьма динамичен. Вода и воздух в почве находятся в динамическом равновесии на основе антагонизма: чем больше воды, тем меньше воздуха, и наоборот.

Живая фаза почвы представлена живыми организмами, населяющими почву и участвующими в почвообразовательных процессах.

Твердая, жидкая, газовая и живая фазы находятся в тесном взаимодействии, составляя единую систему — почву.

В связи с этим, к показателям, характеризующим почву как физическое тело, относятся помимо ее структуры, общие физические и физико-механические, а также водные, воздушные и тепловые свойства.

Общие физические свойства

 

Основными физическими свойствами почвы являются: