Физико-химические факторы.
Важная роль в структурообразовании принадлежит физико-химическим факторам — коагуляции и цементирующему воздействию почвенных коллоидов.
В состав почвенной массы входят частицы самых разных размеров. Самые мелкие из них, размерами от 0,2 до 0.001 мкм относятся к коллоидам.
Почвенные коллоиды образуются в процессе выветривания и почвообразования, в результате дробления крупных частиц, или путем соединения молекулярно раздробленных веществ, размеры от 0,2 до 0.001 мкм.
Коллоиды в почвах представлены сложной системой минеральных, органических и органоминеральных соединений. В большинстве почв преобладают минеральные коллоиды, на долю которых приходится 85—90% их общей массы.
Водопрочность приобретается в результате скрепления частиц почвы и микроагрегатов коллоидными веществами (органическими и минеральными). Но чтобы отдельности, скрепленные коллоидами, не расплывались от действия воды, коллоиды должны быть необратимо скоагулированы. Такими коагуляторами в почвах чаще всего являются двух- и трехвалентные катионы Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+.
Таким образом, если почвенные коллоиды насыщаются двух- и трехвалентными катионами, то могут образоваться прочные структурные отдельности, не размываемые водой.
При наличии одновалентных катионов, таких, как Na+, необратимой коагуляции не происходит и прочной структуры не образуется.
Наиболее прочно скрепляющими веществами являются органические коллоиды, в частности гуматы кальция.
Большое значение в образовании водопрочной структуры принадлежит и минеральным коллоидам. Однако почвенные агрегаты, образующиеся при участии только минеральных коллоидов, без гумусовых веществ, не обладают водопрочностью.
Из высокодисперсных минералов наибольшее значение в создании водопрочной структуры имеют глинистые минералы и минералы гидроокисей железа и алюминия.
Наиболее водопрочная структура образуется при взаимодействии гуминовых кислот с минералами монтмориллонитовой группы и гидрослюдами и менее водопрочная — при взаимодействии с кварцем, аморфной кремнекислотой и каолинитом. Минералы гидроокисей железа и алюминия играют важную роль в оструктуривании многих красноцветных глин и красноземов.
Химические факторы.
Определенное склеивающее и цементирующее воздействие на почвенные комочки могут оказывать и химические факторы.
Сюда относится образование различных труднорастворимых химических соединений (углекислого кальция, гидроокиси железа, силикатов магния и др.), которые при пропитывании агрегатов почвы цементируют их, а также могут агрегировать и раздельночастичные механические элементы.
Так, при временном избыточном увлажнении может проявиться оструктуривающая роль соединений железа. При избыточном увлажнении в почве протекают восстановительные процессы, сопровождаемые образованием водорастворимых форм закисного железа, которые пропитывают почвенные агрегаты.
При подсыхании почвы в ней развиваются окислительные процессы, при этом подвижные формы закисного железа переходят в нерастворимые соединения окисного железа, цементируя почвенные агрегаты.
Однако, по исследованиям Н. А. Качинского, эти агрегаты при высокой водопрочности имеют малую пористость (<40%), так как часть объема пор постепенно заполняется гидратом окиси железа.
Биологические факторы.
Основная роль в структурообразовании принадлежит биологическим факторам, т. е. растительности и организмам, населяющим почву.
Наиболее сильное оструктуривающее влияние на почву оказывает многолетняя травянистая растительность.
Она обладает сильноразветвленной корневой системой, которая образует при разложении большое количество связанного с кальцием гумуса, и там, где создаются благоприятные условия для развития травянистой растительности, формируются хорошо оструктуренные почвы (луговые, лугово-черноземные, черноземы и др.).
Деятельность червей в оструктуривании почв давно известна. Частички почвы, проходя через кишечный тракт дождевых червей, уплотняются и выбрасываются в виде небольших комочков — капролитов. Эти комочки обладают высокой водопрочностью. Структура, созданная дождевыми червями, по форме легкоотличима — поверхность агрегатов носит «оплавленный» характер.
Коллоидные продукты жизнедеятельности и автолиза микроорганизмов являются цементирующими веществами в почве и способствуют структурообразованию.
С воздействием биологических факторов связана и определенная сезонная возобновляемость структуры в почвах.
Как видно из характеристики факторов структурообразования, их разделение в определенной мере условно, так как отдельные факторы могут выполнять различную роль по характеру вызываемых ими явлений.
Например, корни растений выступают и как биологический фактор (источник гумуса), и как физико-механический (уплотнение и рыхление).
Промораживание и оттаивание, изменяя давление, выступают как физико-механический фактор, а коагулируя коллоиды, в определенной мере влияют и на действие физико-химических факторов. Совокупное действие факторов структурообразования неразрывно связано с природными условиями почвообразования.
Наибольшей водопрочностью обладают почвы черноземной зоны, где оптимально выражены природные факторы структурообразования (мощное развитие травянистой растительности, большое содержание гумуса с преобладанием в нем гуматов кальция, высокая микробиологическая активность почв и др.).
К северу и югу от указанной зоны наблюдается меньшая водопрочность структуры почвы, что связано с ухудшением условий для развития травянистой растительности, уменьшением содержания гумуса и гуминовых кислот, появлением в поглощающем комплексе каштановых и бурых почв ионов натрия и рядом других причин.
4.Форма и размеры структурных агрегатов почвы
Форма и размеры структурных агрегатов почвы имеют диагностическое значение, а потому систематизированы определенным образом. На территории бывшего СССР была принята классификация почвенной структуры, в которой выделяются три типа (по развитию осей) и несколько родов (по форме) и видов (по размеру).
I. Округло-кубовиднаяструктура при более или менее равномерном развитии по трем осям, характерная для верхних гумусовых горизонтов почв;
в пределах этого типа выделяется 7 родов структуры:
— глыбистая — неправильная форма и неровная поверхность агрегатов, характерна для глеевых, слитых, выпаханных горизонтов, а также на переходе к горизонту С на рыхлых породах;
— комковатая — округлая форма с шероховатой поверхностью без выраженных ребер и граней, характерна для гумусовых и метаморфических горизонтов;
—пылеватая — мельчайшие микроагрегаты, форма которых неразличима невооруженным глазом, характерна для выпаханных и элювиальных горизонтов;
ореховатая — более или менее правильные острореберные агрегаты, напоминающие буковые орешки, характерна для верхней частииллювиального горизонта и метаморфических горизонтов;
— зернистая — более или менее правильная форма с выраженными гранями и ребрами, напоминающая гречневую крупу, характерна для гумусовых горизонтов лугово-степных почв, особенно черноземов;
— конкреционная — сплошное скопление рыхло располагающихся или частично сцементированных округлых конкреций, как в ортштейне, канкаре или пизолитовом латерите;
— икряная — мелкие разной формы, но хорошо оформленные округлые агрегаты образуют сплошную массу.
II. Призмовидная структурапри выраженном развитии по вертикальной оси, характерная для иллювиальных горизонтов и суглинистых почвообразующих пород; выделяются три рода этой структуры:
— столбовидная — правильной формы отдельности с хорошо выраженными вертикальными гранями, округлой «головкой» и неровным основанием, характерна для солонцовых и слитых горизонтов;
— призмовидная — вертикально вытянутые отдельности слабо оформлены, с неровными скорлуповатыми гранями и острыми вершинами, округленными ребрами, характерна для нижней части иллювиальных горизонтов и суглинистых почвообразующих пород;
— призматическая — грани и ребра вертикальных призм четко выражены, характерна для иллювиальных горизонтов.
III. Плитовидная структурапри развитии по горизонтальным осям, характерна для элювиальных горизонтов почв; выделяются два рода этой структуры:
— плитчатая — при более или менее четко развитых горизонтальных поверхностях спайности;
— чешуйчатая — при небольших, несколько изогнутых поверхностях спайности.
Во многих случаях почвы имеют смешанную структуру: комковато-зернистую, ореховато-комковатую, комковато-глыбистую, ореховато-призмовидную и т. п., что означает преобладание в том или ином горизонте структурных отдельностей разной формы и размеров.
Тип структуры определяется характером почвообразования, причем обычно имеет место закономерная смена структуры в почвенном профиле.
В образовании почвенной структуры различаются две стадии, обычно протекающие одновременно: во-первых механическое разделение почвенной массы на агрегаты того или иного размера и различной формы и,
во-вторых, упрочнение этих агрегатов и приобретение ими определенного внутреннего строения.
Размеры структурных агрегатов всех 3 типов существенно различаются. Наиболее крупные фракции присущи округло-кубовидному типу. Размеры глыбистых агрегатов составляют от 10 до 200 мм и более. Агрегаты комковатой фракции имеют размеры 0.25-10 мм, ореховатой – 5-10 мм, зернистой – 0.25-5 мм, пылеватой фракции < 0.25 мм.
Призмовидный тип структуры занимает среднее положение.
Наименее мелкие фракции у плитовидной структуры, около 1-5 мм.
Для округло-кубовидной и призмовидной структуры измеряются диаметры отдельностей, для плитовидной — высота (толщина) плиток.Таблица1. Размеры структурных агрегатов в почвах, мм
| Типы и вилы структуры | Размеры агрегатов | Типы и вилы структуры | Размеры агрегатов |
| Округло-кубовидная | Мелкостолбчатая | <30 | |
| Крупноглыбнстая | >200 | Крупнопризмовидная | >50 |
| Глыбистая | 200—100 | Мелкопризмовидная | <50 |
| Мелко глыбистая | 100—10 | Карандашная | <10>50 |
| Крупнокомковатая | 10-3 | Крупнопризматическая | >50 |
| Комковатая | 3—1 | Призматическая | |
| Мелкокомковатая | 1—0,25 | Мелкопризматическая | 10-5 |
| Пылеватая | <0,25 | Тонкопризматическая | <5 |
| Крупноореховатая | > 10 | Плитовидная | |
| Ореховатая | 10-7 | Крупноплитчатая | >5 |
| Мелкоореховатая | 7—5 | Плитчатая | 5-3 |
| Крупнозернистая | 5-3 | Пластинчатая | 3-1 |
| Зернистая | 3—1 | Листоватая | <1 |
| Мелкозернистая (поро цшетая)- | 1-0,25 | Скорлуповатая | >3 |
| Призмовидная | Грубочешуйчатая | 3-1 | |
| Тумбовидная | > 100 | Мелкочешуйчатая | <1 |
| Крупностолбчатая | 100-30 |
* Для округло-кубовидной и призмовидной структуры измеряются диаметры отдельностей, для пдитовндной—высота (толщина) плиток
5.Утрата и восстановление структуры почвы
Структура почвы динамична. Она разрушается и восстанавливается под влиянием различных факторов. Управление ими позволяет поддерживать почву в необходимом структурном состоянии.
Причинами утраты структуры являются:
механическое разрушение, физико-химические явления и биологические процессы.
Механическое разрушение структуры происходит под влиянием обработки почвы, передвижения по ее поверхности машин и орудий, людей, животных, под ударами капель дождя.
Важнейшими путями уменьшения механического разрушения почвенной структуры является обработка почвы в состоянии ее спелости, а также минимализация обработки.
Физико-химические причины утраты структуры связаны с реакциями обмена двухвалентных катионов (кальция и магния) в ППК на одновалентные (натрий и аммоний).
При этом коллоиды (главным образом гумусовые вещества), прочно цементирующие механические элементы в агрегаты, пептизируются при увлажнении и структурные отдельности разрушаются. Поэтому приемы химической мелиорации почв (известкование, гипсование и др.), приводящие к обогащению ППК обменным кальцием, способствуют и улучшению структуры.
Биологические причины разрушения структуры связаны с процессами минерализации почвенного гумуса — главного клеящего вещества при образовании структуры.
Восстановление и сохранение структуры — непременное условие ведения земледелия. Существуют приемы, способствующие восстановлению почвенной структуры.
К химическим приемамотносят известкование кислых почв и гипсование солонцов. В результате известкования почва становится более структурной, в ней увеличивается водопроницаемость и уменьшается плотность.
Известкованные почвы отличаются более благоприятными физико-механическими свойствами.
Гипсование устраняет щелочную реакцию солонцовых почв, улучшает их физические свойства и структурное состояние. 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 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.
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.
Прочная структура восстанавливается под воздействием как многолетних трав, так и однолетних сельскохозяйственных культур.
Пшеница, подсолнечник, кукуруза образуют мощную корневую систему и могут оказывать достаточно сильное оструктуривающее влияние на почву.
Лен, картофель, капуста, свекла, овощные культуры, имеющие слабую корневую систему, обычно оказывают небольшое структурообразующее действие на почву.
При высокой урожае многолетние травы (особенно бобово-злаковые травосмеси и бобовые) сильнее оструктуривают почву, чем однолетние сельскохозяйственные культуры.
Это объясняется тем, что многолетние травы образуют мощную и сильноразветвленную корневую систему. Их корневые и пожнивные остатки (4—18 т на 1 га в пахотном слое) содержат значительное количество белков, углеводов и других соединений, наиболее благоприятных для деятельности микроорганизмов и формирования гумусовых веществ.
В корневых остатках однолетних сельскохозяйственных культур к моменту их созревания находится преимущественно клетчатка, малопригодная для гумусообразования.
Так, в одном из определений в дерново-подзолистой почве из-под многолетних трав содержалось 54,2% водопрочных агрегатов, а в почве под однолетними сельскохозяйственными культурами (старопашка) водопрочных агрегатов содержалось 32,7%.
Через агрегаты почвы из-под многолетних трав за один и тот же срок наблюдения прошло почти в 5 раз больше воды, чем через почвенные агрегаты из-под однолетних культур.
Благоприятное оструктуривающее действие на почву оказывают органические удобрения.
Так как в условиях интенсивного ведения сельскохозяйственного производства повсеместно широкое применение травосеяния невозможно, то главенствующая роль при этом должна принадлежать правильной агротехнике, особенно применению удобрений как одному из главных факторов улучшения структурного состояния пашни. Структурообразующим фактором при внесении в почву навоза, компостов, сидератов является органическое вещество.
В краткосрочных опытах лаборатории защиты почв от эрозии Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси изучено действие и последействие органических удобрений (соломистого навоза) на структурно-агрегатный состав почвы. Полученные данные показывают, что органические удобрения, вносимые даже в невысоких дозах, положительно влияют на структурно-агрегатный состав пахотного слоя почвы.
| Культура | Вариант опыта* | Содержание агрономически ценных агрегатов, % |
| Озимая пшеница | N90P70K100 | 60,4 |
| N90P60K110 + навоз 40 т/га (последействие) | 62,4 | |
| Овес | N90P70K100 | 45,9 |
| N90P60K-110 + навоз 40 т/га | 53,7 |
В вариантах с применением под озимую пшеницу 40 т/га навоза наблюдалось увеличение содержания агрономически ценных агрегатов на 2,0%.
Положительное влияние органических удобрений на агрономически ценную структуру почвы проявилось в последействии и при возделывании овса. На органоминеральном фоне доля агрегатов размером 0,25—10,0 мм была выше, чем на минеральном фоне на 7,8%.
Однако минеральные удобрения также улучшают структуру почвы, несомненно влияют на структурообразование: стимулируют развитие растений, так как при этом растения развивают более мощную корневую систему и оставляют в пахотном слое много корневых и пожнивных остатков, которые способствуют повышению содержания органического вещества в почве, являющегося энергетическим материалом для развития микроорганизмов и образования структуры.
В лаборатории защиты почв от эрозии Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси в течение нескольких лет в звене севооборота бобово-злаковые травы — озимая пшеница — овес изучали влияние минеральных удобрений на структурно-агрегатный состав и водопрочность структуры дерново-подзолистых на мощных моренных суглинках почв разной степени эродированности.
| Вариант | Содержание агроном. ценных агрегатов,% | ±,% |
| Бобово-злаковые травы | ||
| Без удобрений | 59,3 | |
| N60P55K65 | 7,7 | |
| Озимая пшеница | ||
| Без удобрений | 55,1 | |
| N90P60K110 | 60,4 | 5,3 |
| Овес | ||
| Без удобрений | 27,4 | |
| N90P70K100 | 45,9 | 18,5 |
Удобрения вносили в дозах, рассчитанных на планируемый урожай зерновых культур — 45 ц/га, бобово -злаковых трав — 50 ц/га сена. Формы удобрений: азотные — карбамид, фосфорные — суперфосфат аммонизированный, калийные — калий хлористый.
Было установлено, что наилучшая структура почвы была под бобово-злаковыми травами. Содержание агрономически ценных агрегатов составляло 59-67%, за счет удобрений увеличение количества агрегатов составило 7.7%. Под зерновыми культурами содержание структурных агрегатов уменьшалось под озимой пшеницей до 55-60%, и 27-46% под овсом.
Систематическое применение минеральных удобрений оказало положительное влияние на структурное состояние почвы. Чем более длительный период вносили минеральные удобрения, тем выше была структурность почвы. Различия между неудобренным и удобренным вариантом, на 3 год под овсом, составили 18,5%.
Искусственное оструктуривание почв осуществляется введением в них небольшого количества структурообразующих веществ, по преимуществу органических соединений (П. В. Вершинин).
С 1950 г. в ряде стран в качестве искусственных структурообразующих веществ широко испытывают полимеры и сополимеры, главным образом состоящие из производных акриловой, метакриловой и малеиновой кислот.
В иностранной литературе они получили название «крилиумы». Внесение сополимера из метакриловой кислоты (60%) и метакриламида (40%) только в количестве 0,001% массы почвы существенно увеличивает водопрочность структуры.
Все перечисленные факторы образования почвенной структуры очень динамичны, действуют в едином комплексе, и их разделение носит условный характер.
Таким образом, наиболее важными агротехническими мероприятиями, способствующими образованию почвенной структуры, являются
рациональная система обработки почв с учетом их свойств и особенностей; обработка почв в состоянии их физической спелости;
применение в достаточных количествах органических и минеральных удобрений; известкование кислых почв;
правильное чередование культур в севообороте;
посев многолетних трав;
запрет бессистемного выпаса скота на пастбищных угодьях.
6.Сложение почвы
Сложение почвы — физическое состояние почвенного материала (в профиле почвы в целом или в ее отдельном горизонте), обусловленное взаимным расположением и соотношением в пространстве твердых частиц и связанных с ними пор (геометрия пространства, занятого почвенным материалом).
Сложение отражает две стороны физического состояния почвенной массы: характер расположения отдельных механических частиц и агрегатов и характер пористости, которая при этом образуется.
Отдельные частицы и агрегаты могут прилегать друг к другу по-разному, обусловливая тем самым различную степень плотности почвы.
По степени плотности различают:
слитное (очень плотное), плотное, рыхлое и рассыпчатое сложение почвы.
При слитном сложении почва не поддается копке лопатой;
при плотном сложении лопата входит в почву с большим трудом;
при рыхлом сложении она входит легко,
а при рассыпчатом — без всяких усилий.
По характеру пористости различают следующие типы сложения почвы:
тонкопористое — диаметр пор меньше 1 мм;
пористое — поперечник нор колеблется в пределах 1—3 мм;
губчатое — много пор диаметром 3—-5 мм;
ноздреватое — почва имеет полости от 5 до 10 мм;
ячеистое — характеризуется полостями крупнее 10 мм;
трубчатое — полости соединяются в канальцы.
Кроме различного рода пор и полостей, которые обычно пронизывают структурные отдельности, пористость почв характеризуется системой трещин, образующихся в сухое время года.
По этому признаку различают
тонкотрещиноватое сложение — ширина трещин но превышает 3 мм;
трещиноватое — трещины достигают 10 мм ширины;
щелеватое — ширина трещин более 10 мм.
Во влажные периоды года, когда почва, впитывая воду, набухает, щели сильно уменьшаются или совсем исчезают.
Различные горизонты почвенного профиля характеризуются разным сложением.
Верхним горизонтам свойственно более рыхлое сложение.
Характер сложения во многом зависит от механического темпа и структуры почвы, а также от деятельности корней растении и населяющих почву червей, насекомых и землероев.
Сложение почвы оказывает значительное влияние на ее воздухо- и водопроницаемость и на глубину проникновения корней растений. Уплотненные горизонты препятствуют проникновению корневой системы. Со сложением связана величина сопротивления, которое оказывает почва обрабатывающим орудиям.