Общие физические свойства почвы. Что такое почва? Виды и свойства почв Свойства почвы 3
В целом, почва представляет собой поверхностный слой твёрдой оболочки нашей планеты, отличающийся плодородием.
Одной из основ для образования почвы служат горные породы.
На протяжении многих лет горные породы, из которых состоят равнины, днища водоемов, равно как и сами горы, разрушались под влиянием воздушных масс, воды, тепла, источаемого солнцем, и живых организмов.
Как образуется почва
В принципе, процесс образования почвы следует рассматривать с точки зрения непосредственной взаимосвязи живой и неживой природы - как результат жизнедеятельности организмов и выветривания горных пород.
Хвоинки, веточки деревьев, сухие опавшие листья и трава, накапливаются в земле и уже за полгода становятся ; под ними, в свою очередь, находятся камешки, глина и песок, перегной, останки животных и насекомых - божьи коровки, муравьи.
В почве также находятся грибы и бактерии
…
Дождевые черви и кроты вообще большую часть своей жизни проводят в почве, лишь изредка показываясь наружу.
Майские жуки в почве откладывают яйца.
Для улиток и лягушек почва является спасением от жаркой погоды.
Земляной шмель в почве зимует.
- Жуки могут проникать в почву на двухметровую глубину;
- муравьи и того больше – до трёх метров;
- а кроты – до пяти метров;
- ну а дождевые черви в этом плане «рекордсмены» – до восьми метров.
Воздух и вода поступают в почву благодаря ходам, которые прокладывают в процессе своей жизнедеятельности животные, тем самым обогащая её.
А ещё животные размельчают остатки растений
в почве, а бактерии превращают их в перегной.
Основным свойством почвы является плодородие.
Под плодородием подразумевают наличие в почве веществ, которые обуславливают рост и развитие растений.
Как определить состав почвы?
Опыт №1. Воздух
Опустите в стакан с водой маленький комочек почвы (сухой). И, вы увидите, как на поверхность воды будут подниматься пузырьки, что и свидетельствует о наличии в почве воздуха.
Опыт №2. Минеральные соли, глина, песок
Опустите почву в стакан с водой, размешайте и оставьте на некоторое время. После чего капните пару капель помутневшей воды на стёклышко и нагрейте его. Когда вода испарится, то на стекле вы увидите белый налёт, указывающий на присутствие в почве минеральных солей.
В самом же стакане можно будет со временем наблюдать следующее: на дне осядет песок, на нём отложится глина, а уже на самой глине – перегной.
Опыт №3. Вода
Разместите размельчённые комки почвы на какой-либо жестяной поверхности и подогрейте её; одновременно держа стёклышко над почвой: стекло сначала запотеет, а потом на неё появятся капли воды. а значит, что в почве содержится вода.
Опыт №4. Перегной
В продолжение предыдущего: не прекращайте нагрев почвы, и вы почувствуете противный запах. Дело в том, что подобный запах дают горящие гниющие останки животных и растений (перегной).
А если продолжить нагрев, то перегной весь сгорит и почва станет серого цвета. Получается, что именно перегной и обуславливает тёмный цвет почвы.
Почва - это особое природное образование, которое служит основным ресурсом для развития сельского хозяйства любой страны. Каковы основные факторы образования почв, и какие их виды существуют?
Что такое почва?
В. И. Даль в своем словаре указывает генезис данного термина от древнерусского слова почивать (лежать). Что такое почва в научном контексте?
Почва (или грунт) - это специфическое природное образование, верхний слой твердой оболочки планеты (литосферы), который отличается системной структурой. Изучением этого уникального природного тела занимается отдельная наука - почвоведение. Отцом данной дисциплины можно считать великого русского исследователя Василия Докучаева. Во второй половине XIX века именно он приложил много усилий для того, чтобы максимально точно ответить на вопрос: "Что такое почва?"
Сложно представить себе, чтобы на несколько десятков километров простиралась одна почва, с одинаковыми свойствами. Ученые выделяют несколько видов грунтов, каждый из которых имеет свой набор особенностей. Однако любой из них формируется под влиянием двух основных процессов:
- Выветривание горных пород.
- Деятельность живых организмов.
Структура почвы
Внутренняя структура любого грунта включает в себя несколько компонентов. Это:
- минеральная часть (материнская порода);
- органическая часть (или гумус);
- вода;
- почвенный воздух;
- живые организмы;
- новообразования и включения.
Именно гумус определяет ключевое свойство почвы - её плодородие. Не следует полагать, что грунт - образование исключительно "мертвое" и абиотическое. В нем проживает множество живых организмов - от бактерий до клещей и дождевых червей. В почвенной среде обитают даже представители семейства Млекопитающие (к примеру, крот).
Свойства и значение в природе
Невозможно правильно ответить на вопрос, что такое почва, не рассказав о её основных свойствах. Не менее важно знать и о её роли в природе и жизни человека.
Итак, основные свойства почвы - это:
- водопроницаемость (почва - это пористое образование, которое хорошо пропускает воду, однако это свойство зависит от структуры и механического состава конкретного грунта);
- влагоемкость (с другой стороны, почва способна и удерживать определенное количество влаги, питая тем самым корни растений);
- водоотдача (способность почвы поднимать воду вверх по грунтовым порам).
Однако самым главным (и уникальным) свойством этого природного образования является её плодородие - способность насыщать корни растений питательными веществами и водой, что, в свою очередь, обеспечивает их жизнедеятельность. С помощью рациональных методов обработки земель человек может повышать плодородность той или иной почвы.
Роль и место почвы в природе сложно переоценить. Ведь она, по сути, является именно тем "мостиком", который обеспечивает взаимодействие всех четырех оболочек Земли - литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы.
Процесс почвообразования
Как уже говорилось выше, грунт образуется в результате двух процессов: выветривания горной породы и жизнедеятельности организмов.
К факторам почвообразования можно отнести следующие:
- климатические особенности региона;
- рельеф;
- материнская горная порода;
- биота (растения и животные);
- деятельность человека.
Однако главным фактором почвообразования выступает именно климат территории. Он влияет не только на формирование грунтов, но и на их распределение по территории планеты (широтная зональность почв).
Климатические процессы влияют на формирование почвы непосредственно, определяя во многом её режим и структуру, а также косвенно (посредством растительности и животных организмов).
Основные типы и зоны почвы
Грунты, как и многие другие компоненты природы, подвержены географической (широтной) зональности. Так, можно выделить следующие (основные) почвы:
- Краснозём и желтозём - типы грунтов, формирующиеся в субтропическом и тропическом климате, в условиях повышенной увлажненности.
- Подзолистые почвы - бедные грунты, которые формируются под хвойными и смешанными лесами. Эти почвы распространены в умеренных широтах Европы и Северной Америки.
- Серо-бурые почвы - особый тип грунтов, который формируется под пустынями и полупустынями. Отличаются большой засоленностью, распространены в Центральной Азии.
- Чернозём - самый плодородный тип почв. Сформировался в степной и лесостепной зоне Евразии и Америки.
В зависимости от минерального состава и структуры, почва также может быть: глинистой, песчаной, каменистой, песчано-глинистой и т. п.
Глинистая почва содержит в своем составе около 40-60% глины. Она отличается специфическими свойствами: вязкостью, сыростью и пластичностью. Водопроницаемость такого грунта обычно не очень высокая. Именно поэтому глинистая почва крайне редко бывает полностью сухой.
Заключение
Почва - это особенное природное тело, с определенными свойствами и структурой. Однако главной, ключевой особенностью является её плодородность. Свойства почвы обуславливают очень важное её место в географической оболочке. Ведь именно она обеспечивает взаимодействие всех её структурных элементов. К тому же это важный экономический ресурс, от которого зависит продовольственная безопасность любой страны мира.
Физические свойства почвы включают:механический состав ,структуру, удельный и объемный вес, порозность, плотность, окраску, влажность, температуру и т.д.
Механический состав отражает соотношение песка (частиц с диаметром от 2 до 0,02 мм), пыли (0,02–0,002 мм) и ила (менее 0,002 мм) или физической глины (менее 0,01 мм).
Минеральные частицы крупнее песка (больше 2 мм) составляют скелет почвы .
Структура почвы отражает характер слипания первичных частиц (песок, пыль, ил) в комочки различных размеров, форм.
Показателем рыхлого или плотного состояния почвы служит объемный вес , т. е. масса почвы в единице объема (включает как отдельные частички, так и пространство пор).
Плотность частичек (удельный вес ) представляет только вес твердых частиц. Например, средний удельный вес почвы равен 2,65 г/см 3 , а средний объемный вес равен 1,3 г/см 3 .
Высокий объемный вес – результат уплотнения почвы или высокого содержания в ней песка.
Площадь пустот или пор, называемая «открытым» пространством почвы, представляет часть почвы, не занятую почвенными частицами. Объем пор зависит от способа упаковки твердых частиц, определяющего степень порозности почвы.
Порозность зависит от природы и величины первичных твердых частиц, содержания и состава органического вещества, механического состава, условий дренажа. Например, верхний горизонт песчаных почв имеет порозность 35–50%, в то время как глинистые почвы – 40–60%. Некоторые плотные горизонты почв имеют порозность только 10%. Поры представляют собой пространство, занимаемое водой или воздухом. Циркуляция воды идет в основном по макропорам. Отсюда легко понять значение сохранения почвенной структуры для свободного движения воды, необходимой для жизнедеятельности растений, переноса ЗВ. Порозность почвы влияет также на ее влагоемкость, на степень выщелачивания и на доступность различных элементов и веществ (включая загрязнители) для корней растений.
К химическим свойствам относятся растворимость и доступность элементов, включая питательные элементы, реакцию почвы (рH), ионный обмен и т.д.
Разнообразие глинистых минералов и органических соединений определяют характер и интенсивность химических реакций, особенно присутствие минеральных и органических коллоидов, которые являются настоящими катализаторами. Они играют важную роль в разрушении пестицидов, в динамике передвижения тяжелых металлов и других загрязнителей в почве.
Присутствие глины и гумусовых веществ обусловливают адсорбционную активность почвы, которая в зависимости от механизмов этого процесса подразделяется на два класса: ионообменную сорбцию и физическую адсорбцию.
Ионообменная сорбция включает: катионный обмен, совершающийся благодаря отрицательным электрическим зарядам илистых частиц, кислотных групп веществ, а также корней растений; анионный обмен, происходящий в основном благодаря присутствию гидроксидов металлов (Al(OH) 3 иFe(OH) 3), а также аморфных глин (вулканический пепел) каолинита и других минералов.
Общее количество удерживаемых ионов составляет ионную емкость почв; ионов с положительным зарядом (катионы) – катионную емкость; ионов с отрицательным зарядом (анионы) – анионную емкость.
Адсорбция играет значительную роль в поглощении и перемещении нейтральных и слабополярных ЗВ (тяжелые металлы, пестициды и др.).
Реакция почв (рH) колеблется от 3,5 (сильно кислая)–7 (нейтральная) и до 11 (сильнощелочная). Сильное закисление почвы – нежелательное явление, т.к. при этом появляется токсичный растворимый алюминий и снижается жизнедеятельность микроорганизмов. Чем больше кислотность почв, тем выше адсорбция тяжелых металлов в растениях, особенно кадмия. Сильно выщелоченные почвы характеризуются пониженной подвижностью микроэлементов и тяжелых металлов, исключая молибден. В таких почвах обычно содержится незначительное количество железа, цинка, магния и фосфора.
Высокая емкость обмена катионов придает почве устойчивость к изменению PHсреды и состава катионов, и, соответственно высокую буферную способность.
Биологические свойства почв определяются почвенной фауной и микроорганизмами.
Почвенная фауна выполняет механическую работу, заключающуюся в тонком измельчении растительных остатков и их перемещении на различную глубину, играет роль в круговороте воды и воздуха в почве. Фауна играет существенную роль в формировании гумуса.
Введение………………………………………………………..…………………3
1. Почва……………………………………………………………………………4
2. Виды почв………………………………………………………………………5
3. Состав и свойства почвы………………………………………………………6
4. Общие физические свойства почвы………………………………………….11
4.1 Водные свойства почв………………………………………………………13
4.2 Тепловые свойства почв…………………………………………………….16
4.3 Физико-механические свойства…………………………………………….18
4.4 Воздушные свойства почв…………………………………………………..20
5. Гумусность………………………………………………………………….....22
6. Плодородие почвы………………………………………………………...…..23
7. Виды плодородия почв…………………………………………………..…...25
8. Факторы, лимитирующие плодородие почвы………………………………26
9. Воспроизводство плодородия почв…………………………………………28
Заключение………………………………………………………..……………..32
Список используемой литературы……………………………………………..34
Перечень принятых терминов………………………..…………………………..35
Введение
Первое научное определение почвы дал В.В. Докучаев: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых». Он установил, что все почвы на земной поверхности образуются путем «чрезвычайно сложного взаимодействия местного климата, растительности и животных организмов, состава и строения материнских горных пород, рельефа местности и, наконец, возраста страны». Эти идеи В.В. Докучаева получили дальнейшее развитие в представлениях о почве как о биоминеральной («биокосной») динамической системе, находящейся в постоянном материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой и частично замкнутой через биологический круговорот.
Развитие учения о плодородии почв связано с именем В.Р. Вильямса. Он детально исследовал формирование и развитие плодородия почвы в ходе природного почвообразования, рассмотрел условия проявления плодородия в зависимости от ряда свойств почвы, а также сформулировал основные положения об общих принципах повышения плодородия почв при их использовании в сельскохозяйственном производстве.
Цель: Изучить общие физические свойства почвы и их роль в плодородии почв
1.Показать значение почвы для растений и живых организмов
2.Выделить основное свойство почвы – плодородие
3.Воспитать бережное отношение к природе в целом
4.Познакомится с процессом образования почвы
5.Изучение видов плодородие почв
6.Изучить роль гумуса для плодородие почв
Почва
Почва– самый поверхностный слой суши земного шара, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительности, животных, микроорганизмов), солнечного тепла и атмосферных осадков. Почва представляет собой совершенно особое природное образование, обладающее только ей присущим строением, составом и свойствами. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Чтобы быть плодородной, почва должна обладать достаточным количеством питательных веществ и запасом воды, необходимым для питания растений, именно своим плодородием почва, как природное тело, отличается от всех других природных тел (например, бесплодного камня), которые не способны обеспечить потребность растений в одновременном и совместном наличии двух факторов их существования – воды и минеральных веществ.
Почва – важнейший компонент всех наземных биоценозов и биосферы Земли в целом, через почвенный покров Земли идут многочисленные экологические связи всех живущих на земле и в земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой.
Роль почвы в хозяйстве человека огромна. Изучение почв необходимо не только для сельскохозяйственных целей, но и для развития лесного хозяйства, инженерно-строительного дела. Знание свойств почв необходимо для решения ряда проблем здравоохранения, разведки и добычи полезных ископаемых, организации зеленых зон в городском хозяйстве, экологического мониторинга и пр.
Виды почв
Подзолистая почва образовывается под пологом леса хвойного, на котором незначительная травянистая растительность. В почве находиться небольшой запас гумуса (0,7 – 1,5 %). У верхнего слоя (гумусовый) толщина составляет от 2 до 15 см. Глубже бесструктурный, подзолистый белесый, малоплодородный слой, толщина у которого от 2 до 30 см.
Дерново – подзолистая почва . Является более плодородным видом.
У этой почвы гумусовый слой в 15 – 18 см, под которой малоплодородный другой слой. Гумус содержится 1,5 – 1,8 %. Имеет пылящую и легко разрушаемую комковатую структуру. У почвы раствора кислая реакция.
Торфяная (болотная) почва . Образовывается на переувлажненной почве. У торфяных почв два вида: верховые и низинные, у которых друг от друга большие отличия. Верховые торфяники образовываются на повышенных участках, которые переувлажнены мягкими грунтовыми водами и атмосферными осадками. Растут на нем багульник, клюква, голубика, мох.
Пойменные почвы. Располагаются у рек, для овощеводства считаются лучшими. В их составе содержится небольшое количество гумуса, но обладает мощной перегнойной возможностью и прочной зернистой структурой. Ее недостатком является то, что на пониженных участках происходит застаивание холодного воздуха, в весеннем периоде это особенно вредно. У пойменной почвы кислотность различная. По своему составу почва делятся на глинистую, суглинистую, песчаную и супесчаную.
Глинистая почва состоит из глинистых, мелких частиц, проходимость воздуха и воды очень плохая. После дождей происходит быстрое уплотнение, путем образования корки на поверхности.
Суглинистая почва состоит из крупных песчаных и мелких глинистых частиц. Такая почва является более плодородной, чем глинистая, в ней хорошо удерживается влага накопленная зимой и весной. В годы с недостаточным количеством осадков, меньше страдает от засухи.
Песчаная почва состоит из более крупных частиц. В ней происходит быстрое вымывание питательных веществ. Такая почва легко пропускает воду. Песчаная почва имеет низкую плодородность, но подсыхает и прогревается весной быстро. Посадка и посев осуществляется на большой глубине.
Супесчаная почва состоит преимущественно из крупных частиц, содержание глинистых веществ около 20%. По сравнению с песчаной, в такой почве немного лучше удерживается вода. Отличительной чертой является низкое плодородие. В супесчаной почве мало накапливается гумус и быстро идет процесс разложения органических веществ.
Состав и свойства почвы
Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействий, живых микроорганизмов, горных пород и является самостоятельной экосистемой.
Важнейшим свойством почвы является плодородие почвы, т.е. способность обеспечить рост и развитие растений. Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и других организмов. Почва является составной частью биосферы и энергии в природе и поддерживает газовый состав атмосферы.
Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение их неодинаково не только в разных почв, но в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов то верхних горизонтов почвы к нижним и увеличение интенсивности преобразования компонентов материнской породы от нижних и горизонтов к верхним. В твердой части преобладают минеральные вещества. Первичные минералы (кварц, полевые шпаты, роговые обманки, слюды и др.) вместо с обломками горных пород образуют крупные фракции; вторичные минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.), формирующиеся в процессе выветривания, - более тонкие. Рыхлость сложения почвы обусловливают состава ее твердой части, включающей частицы разного размера (от коллоидов почвы, измеряемых сотыми долями мк, до обломков диаметром в несколько десятков см). Основную массу почв составляет обычно мелкозем - частицы менее 1 мм
Твердые частицы в естественном залегании заполняются не весь объем почвенной массы, а лишь некоторую его часть; др. часть составляют поры - промежутки различного размера и формы между частицами и их агрегатами. Суммарный объем пор называется пористостью почвы. Для большинства минеральных почв эта величина варьирует в пределах от 40 до 60%. В органогенных (торфяных) почвах она возрастает до 90%, в заболоченных, оглеенных, минеральных - уменьшается до 27%. От пористости зависят водные составы почвы (водопроницаемость, водоподъемная способность, влагоемкость) и плотность почвы. В порах находятся почвенный раствор и почвенный воздух. Соотношение их непрерывность меняется вследствие поступления в почву атмосферу осадков, иногда оросительных и грунтовых вод, а также расхода влаги - почвенного стока, испарения (отсасывание корнями растений) и др.
Освобождающееся от воды поровое пространство заполняется воздухом. Этими явлениями определяется воздушный и почвенный режим почвы. Чем больше поры заполнены влагой, тем затруднительнее газовый обмен (особенно О2 и СО2) между почвой и атмосферой, тем медленнее протекают в почвенной массе процессы окисления и быстрее - процессы восстановления. В порах также обитают почвенные микроорганизмы. Плотность почвы (или объемная масса) в ненарушенном сложении определяется пористостью и средней плотностью твердой фазы. Плотность минеральных почв от 1 до 1,6 г/см 3 , реже 1,8г/см 3 , заболоченных оглеенных - до 2 г/см 3 , торфяных - 0,1-0,2 г/см 2 .
С дисперсностью сопряжена большая суммарная поверхность твердых частиц: 3-5 м 2 /г у песчаных почв, 30-150 м 2 /г у супесчаных, до 300-400 м 2 /г у глинистых. Благодаря этому почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фракции, обладают поверхностной энергией, которая проявляется в поглотительной способности почвы и буферности почвы.
Минеральный состав твердой части почвы во многом определяет ее плодородие. Органических частиц (растительные остатки) содержится немного, и только торфяные почвы почти полностью состоят из них. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, K, N, Mg, Ca, P, S; значительно меньше содержится микроэлементов: Сu, Mo, I, B, F, Pb и др. Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно увлажняемых территорий, содержится значительное количество СаСО3 (особенно если почвы образовались на карбонатной породе), в почвах засушливых областей - СаSO4 и др. более легко растворимые соли; почвы влажных тропических областей обогащены Fe и Al. Одна реакция этих общих закономерностей зависит от состава почвообразующих пород, возраста почвы, особенностей рельефа, климата и т.д. Например, на основных изверженных породах формируются почвы более богатые Al, Fe, щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава - Si. Во влажны тропиках на молодой коре выветривания почв значительно беднее окисями железа и алюминия, чем на более древних, и по содержанию сходны с почвой умеренных широт. На крутых склонах, где эрозионные процессы весьма активны, состав твердой части почвы незначительно отличается от состава почвообразующих пород. В засоленных почвах содержится много хлоридов и сульфатов (реже нитратов и бикарбонатов) кальция, магния, что связано с исходной засоленностью материнской породы, с поступлением этих солей из грунтовых вод или в результате почвообразования.
В состав твердой части почвы входит органическое вещество, основная (80 - 90%) часть которого представлена сложным комплектом из гумусовых веществ, или гумуса. Органическое вещество состоит также из соединений растительного, животного и микробного происхождения, содержащих клетчатку, лигнин, белки, сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и т.д. и промежуточные продукты их разложения. При разложении органических веществ в почве содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. В естественных условиях они являются основным источником азотного питания растительных организмов. Многие органические вещества участвуют в создании органо-минеральных структурных отдельностей (комочков). Возникающая теоретическая структура почвы во многом определяет ее физические свойства, а также водный, воздушный и тепловой режимы. Органо - минеральные соединения представлены солями, глинисто - гумусовыми комплексами, комплексными и внутрикомплексными (хелаты) соединениями гумусовых кислот с рядом элементов (в их числе Al и Fe). Именно в этих формах последние перемещаются в почву.
Жидкая часть, т.е. почвенный раствор, - активный компонент почвы, осуществляющий перенос веществ внутри нее, вынос из почвы и снабжение растений водой и растворенными элементами питания. Обычно содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию.
Газовая часть или почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и пр., постоянны и определяются характером множества протекающих в почве химических, биохимических процессов. Например количество СО2 в почвенном воздухе существенно меняется в годовом и суточном циклах вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями растений. Газообмен между почвенным воздухом и атмосферой происходит преимущественно в результате диффузии СО2 из почвы в атмосферу и О2 в противоположном направлении.
Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и др.) и представлений многих групп беспозвоночных животных - простейших, червей, моллюсков, насекомых и их роющих позвоночных и др. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет принадлежность ее к биокосным природным телам - важнейшим компонентам биосферы.
Химический состав почвы оказывает влияние на состояние здоровья человека через воду, растения и животных. Недостаток или избыток определенных химических элементов в почве бывает столь велик, что приводит к нарушению обмена веществ, вызывает или способствует развитию серьезных заболеваний. Так, широко распространенное заболевание эндемический (местный) зоб связано с недостатком йода в почве. Малое количество кальция при избытке стронция служит причиной уровской болезни. Недостаток фтора приводит к кариесу зубов. При высоком содержании фтора (свыше 1,2 мг/л) нередко возникают заболевания костной системы (флюароз).
Почва представляет собой сложную природную систему, где под влиянием живых организмов и других факторов происходят образование и разрушение сложных органических соединений. Минеральные вещества извлекаются растениями из почвы, входят в состав их собственных органических соединений, затем включаются в органические вещества тела сначала растительноядных, затем насекомоядных, хищных животных. После гибели растений и животных их органические соединения поступают в почву. Под воздействием микроорганизмов в результате сложных многоступенчатых процессов разложения эти соединения переходят в формы, доступные для усвоения растениями. Они частично входят в состав органических веществ, задерживаются в почве или удаляются с фильтрующимися и сточными водами. В результате происходит закономерных круговорот химических элементов в системе "почва - растения - (животные - микроорганизмы) - почва". Этот круговорот В.Р. Вильямс назвал малым, или биологическим. Благодаря малому круговороту веществ в почве постоянно поддерживается плодородие. В искусственных агроценозах такой круговорот нарушен, так как человек изымает значительную часть сельскохозяйственной продукции, используя ее для своих нужд. Из - за неучастия этой части продукции в круговороте почва становится малоплодородной. Чтобы избежать этого и повысить плодородие почвы в искусственных агроценозах, человек вносит органические и минеральные удобрения. Применяя необходимые севообороты, тщательно обрабатывая и удобряя почву, человек повышает ее плодородие столь значительно, что большинство современных обрабатываемых почв следует считать искусственными, созданными при участии человека. Таким образом, в одних случаях воздействие человека на почвы приводит к повышению их плодородия, в других - к ухудшению, деградации и гибели.
Общие физические свойства почвы.
Среди физических свойств почвы различают ее общие физические, физико-механические, водные, воздушные и тепловые свойства. Физические свойства влияют на характер почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений.
К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость.
Плотностью почвы называют массу единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженную в граммах на кубический сантиметр. Плотность почвы, г/см 3 , вычисляют по формуле
d v = m/V.
где m - масса абсолютно сухой почвы, г; V - объем, занимаемый образцом почвы, см 3 .
Плотность почвы зависит от гранулометрического и минералогического составов, структуры, содержания гумуса и обработки. После обработки почва вначале бывает рыхлой, а затем постепенно уплотняется, и через некоторое время ее плотность мало изменяется до следующей обработки. Самую низкую плотность имеют верхние гумусированные и оструктуренные горизонты. Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная плотность почвы составляет 1,0... 1,2 г/см 3 .
Плотность твердой фазы почвы - это масса сухой почвы в единице объема твердой фазы почвы без пор. Ее вычисляют, г/см 3 , по формуле
d = m/V s .
где m - масса сухой почвы, г; V s - объем, см 3 .
В малогумусных почвах и в нижних минеральных горизонтах плотность твердой фазы составляет 2,6...2,8 г/см 3 . С увеличением содержания гумуса плотность твердой фазы уменьшается до 2,4...2,5 г/см 3 , а в торфяных почвах - до 1,4...1,8 г/см 3 . Плотность твердой фазы используют для расчета пористости почвы.
От плотности почвы зависят поглощение влаги, воздухообмен в почве, жизнедеятельность микроорганизмов и развитие корневых систем растений.
Пористость (скважность) почвы - это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Пористость (общую) вычисляют по показателям плотности почвы и плотности твердой фазы и выражают в процентах к общему объему почвы:
P общ. =(1-d v /d)100
где d v - плотность почвы, г/см 3 ; d - плотность твердой фазы почвы, г/см 3 .
Пористость зависит от гранулометрического состава, структурности, содержания органического вещества. В пахотных почвах пористость обусловлена обработкой и приемами окультуривания. При любом рыхлении почвы пористость увеличивается, а при уплотнении уменьшается. Чем структурнее почва, тем больше общая пористость.
Размеры пор, в совокупности образующих общую пористость почвы, варьируют от тончайших капилляров до более крупных промежутков, которые не обладают капиллярными свойствами. Поэтому наряду с общей пористостью различают еще капиллярную и некапиллярную пористость почвы. Капиллярная пористость характерна для ненарушенных суглинистых почв, а некапиллярная - для структурных и рыхлых почв.
Поры могут быть заполнены водой или воздухом. Капиллярные поры обеспечивают водоудерживающую способность почвы, от них зависит запас доступной для растений влаги. Некапиллярные поры увеличивают водопроницаемость и воздухообмен. Устойчивый запас влаги в почве при одновременном хорошем воздухообмене создается в том случае, когда некапиллярная пористость составляет 55...65 % общей пористости. В зависимости от общей пористости в вегетационный период для суглинистых и глинистых почв дают качественную оценку пористости почв. Далее приведена качественная оценка пористости почв по Н. А. Качинскому.
Пористость почвы обеспечивает передвижение воды в почве, водопроницаемость и водоподъемную способность, влагоемкость и воздухоемкость. По общей пористости можно судить о степени уплотнения пахотного слоя почвы. От пористости в значительной степени зависит плодородие почв.
4.1 Водные свойства почв. К важнейшим водным свойствам почв относятся водопроницаемость, водоподъемная способность, влагоемкость почв.
Водопроницаемость - это способность почвы впитывать и пропускать через себя воду. Процесс водопроницаемости включает впитывание влаги и ее фильтрацию. Впитывание происходит при поступлении воды в почву, ненасыщенную водой, а фильтрация начинается тогда, когда большая часть пор почвы заполняется водой. В первый период поступления воды в почву водопроницаемость высокая, затем постепенно уменьшается и к моменту полного насыщения (к началу фильтрации) становится почти постоянной. Впитывание воды обусловлено сорбционными и капиллярными силами, фильтрация - силами тяжести.
От водопроницаемости зависит степень использования водных ресурсов. При слабой водопроницаемости часть атмосферных осадков или оросительной воды стекает по поверхности, что приводит не только к непродуктивному расходованию влаги, но может вызывать эрозию почвы. Хорошо водопроницаемыми считаются почвы, в которых вода в течение первого часа проникает на глубину до 15 см. В средневодопроницаемых почвах вода за первый час проходит от 5 до 15 см, а в слабоводопроницаемых - до 5 см. Наибольшая водопроницаемость характерна для песчаных, также хорошо оструктуренных почв, низкая - для глинистых и бесструктурных плотных почв. Водопроницаемость зависит и от состава поглощенных катионов: натрий уменьшает водопроницаемость, а кальций, наоборот, увеличивает.
Водоподъемная способность - свойство почвы поднимать воду по капиллярам. Вода в почвенных капиллярах образует вогнутый мениск, на поверхности которого создается поверхностное натяжение. Чем тоньше капилляр, тем более вогнут мениск и соответственно выше водоподъемная способность. Самым высоким капиллярным подъемом обладают суглинистые почвы (3...6 м). В песчаных почвах поры крупные, поэтому высота капиллярного подъема в 3...5 раз меньше, чем в суглинистых, и обычно не превышает 0,5...0,7 м. В плотных глинистых почвах этот показатель уменьшается из-за того, что очень тонкие поры заполнены связанной водой.
Скорость капиллярного подъема зависит от размера капилляров и вязкости воды, обусловливаемой ее температурой. В крупных порах вода поднимается быстрее, но достигает небольшой высоты. С уменьшением радиуса капилляров скорость уменьшается, а высота подъема возрастает. С повышением температуры уменьшается вязкость воды, поэтому скорость ее капиллярного поднятия повышается. Растворенные в воде соли оказывают значительное влияние на скорость капиллярного подъема. Минерализованные грунтовые воды в отличие от пресных поднимаются к поверхности по капиллярам с большей скоростью. Засоленные грунтовые воды при их капиллярном подъеме часто приводят к засолению почв.
Влагоемкость - способность почвы удерживать воду. В зависимости от водоудерживающих сил различают максимальную адсорбционную, капиллярную, предельно-полевую и полную влагоемкости.
Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) - это наибольшее недоступное растениям количество влаги, которое прочно удерживается молекулярными силами почвы (адсорбцией). Она зависит от суммарной поверхности частиц, а также от содержания гумуса: чем больше в почве илистых частиц и гумуса, тем выше максимальная адсорбционная влагоемкость.
Капиллярная влагоемкость (KB) - количество воды, которое удерживается в почве при заполнении капиллярных пор над уровнем грунтовых вод. Капиллярная влагоемкость зависит от высоты над зеркалом грунтовых вод. Вблизи грунтовых вод она наибольшая, а с поднятием к поверхности уменьшается.
Предельно-полевая влагоемкость (ППВ) - количество воды, которое удерживается в полевых условиях после полного увлажнения почвы с поверхности и свободного стекания избыточной воды. Грунтовые воды в этом случае не оказывают влияния на влажность почвы . Предельно-полевая влагоемкость зависит от гранулометрического состава, плотности и пористости почвы. Она соответствует количеству капиллярно-подвешенной воды. Синоним предельно-полевой влагоемкости - наименьшая влагоемкость (НВ).
Полной влагоемкостью (ПВ) называют такое состояние влажности почвы, когда все поры заполнены водой. Полная влагоемкость наблюдается над водоупорными горизонтами, на которых находятся грунтовые воды. В условиях полного насыщения почвы водой отсутствует аэрация, что затрудняет дыхание корней растений.
Влажность почвы подразделяют на абсолютную и относительную.
Абсолютная влажность - это общее количество воды в почве, выраженное в процентах по отношению к массе почвы.
Относительная влажность - отношение абсолютной влажности данной почвы к ее предельно-полевой влагоемкости.
По относительной и абсолютной влажности почвы определяют доступность почвенной влаги культурным растениям.
Влажность завядания растений - влажность почвы, при которой у растений появляются признаки завядания, не исчезающие при помещении растений в атмосферу, насыщенную водяными парами, то есть это нижний предел доступности растениям влаги. Зная абсолютную влажность и влажность завядания растений, можно рассчитать запас продуктивной влаги.
Продуктивная (активная) влага - количество воды сверх влажности завядания, используемое растениями для создания урожая. Так, если абсолютная влажность данной почвы в пахотном слое составляет 43 %, а влажность завядания - 13 %, то запас продуктивной влаги равняется 30 %.
Для удобства определения количество продуктивной влаги выражают в миллиметрах водяного столба. В таком виде продуктивную влагу легче сопоставлять с количеством осадков. Каждый миллиметр воды на площади 1 га соответствует 10 т воды.
4.2 Тепловые свойства почв. К основным тепловым свойствам почвы относят теплопоглотительную способность, теплоемкость и теплопроводность.
Теплопоглотительная способность - свойство почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Показатель теплопоглотительной способности связан с величиной альбедо.
Альбедо - это отношение отраженной радиации к суммарной, поступающей на Землю, выраженное в процентах. Чем меньше альбедо, тем больше почва поглощает солнечной радиации. Этот показатель зависит от цвета почвы, влажности, структуры, содержания гумуса и гранулометрического состава. Высокогумусированные почвы имеют темную окраску, поэтому они поглощают лучистой энергии на 10... 15 % больше, чем малогумусированные. По сравнению с песчаными почвами глинистые характеризуются высокой теплопоглотительной способностью . Сухие почвы отражают лучистую энергию на 5... 11 % больше, чем влажные.
Теплоемкость - способность почвы удерживать тепло. Различают удельную и объемную теплоемкость почвы.
Удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагревания 1 г сухой почвы на 1 °С (Дж/г на 1 °С).
Объемная теплоемкость - количество тепла, затрачиваемое для нагревания 1 см 3 сухой почвы на 1 °С (Дж/см 3 на 1 °С).
Теплоемкость почвы зависит от минералогического и гранулометрического составов, а также от содержания в ней воды и органического вещества.
Для сухих почв небольшой интервал колебания теплоемкости - 0,170...0,200. При увлажнении теплоемкость песчаных почв возрастает до 0,700, глинистых - 0,824, торфянистых - до 0,900. Песчаные и супесчаные почвы менее влагоемки, поэтому быстрее прогреваются и их называют «теплыми». Глинистые почвы содержат больше воды, на нагревание которой требуется много тепла, вследствие чего их называют «холодными».
Теплопроводность - способность почвы проводить тепло. Она измеряется количеством тепла в джоулях, которое проходит в 1 с через 1 см 3 почвы. Теплопроводность основных частей почвы сильно варьирует. Так, теплопроводность кварца составляет 0,00984; гранита - 0,03362; воды - 0,00557; воздуха - 0,00025 Дж см 3 /с.
Поскольку тепло в почве передается в основном через твердые частицы, воду и воздух, а также при контакте частиц между собой, то теплопроводность в значительной степени зависит от минералогического и гранулометрического составов, влажности, содержания воздуха и плотности почвы. Чем крупнее механические элементы, тем больше теплопроводность. Так, теплопроводность крупнозернистого песка при одинаковой пористости и влажности в два раза больше, чем крупнопылеватой фракции. По теплопроводности твердая фаза почвы примерно в 100 раз превышает воздух, поэтому рыхлая почва имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем плотная.
4.3 Физико-механические свойства. К наиболее важным физико-механическим свойствам почвы относят пластичность, липкость, набухание, усадку, связность, твердость и удельное сопротивление (сопротивление при обработке). От этих свойств зависят условия обработки почвы, работа посевных и уборочных агрегатов.
Пластичность и липкость почвы обусловлены наличием в ней глинистых частиц и воды.
Пластичность - это способность почвы изменять свою форму под влиянием силы без нарушения сложения и сохранять ее после устранения этой силы. Чем больше в почве илистых частиц, тем сильнее выражена ее пластичность. Наибольшая пластичность характерна для глинистых почв. У песчаных почв пластичность отсутствует. Пластичность зависит также от состава поглощенных катионов и содержания гумуса. Так, при значительном содержании в почве поглощенных катионов натрия ее пластичность увеличивается, а при насыщении кальцием - уменьшается. С увеличением содержания гумуса пластичность почвы уменьшается.
Липкость находится в непосредственной связи с пластичностью и также обусловлена наличием в почве глинистых частиц и воды. Сухие почвы не обладают липкостью. По мере увлажнения примерно до 80 % наименьшей влагоемкости липкость повышается, а затем начинает уменьшаться.
Липкость определяется силой, которая требуется для отрыва металлической пластинки от почвы, и выражается в граммах на квадратный сантиметр. По липкости почвы подразделяют на предельно вязкие (>15 г/см 2), сильновязкие (5... 15), средневязкие (2...5) и слабовязкие (<2г/см 2). Наибольшую липкость имеют глинистые почвы, наименьшую - песчаные. Почвы высокогуму-сированные и структурные не имеют липкости даже при увлажнении до 30...35 %. С липкостью связана физическая спелость почвы, то есть состояние влажности, при котором почва хорошо крошится на комки, не прилипая к орудиям обработки. Весной в первую очередь поспевают к обработке песчаные и супесчаные почвы, а при одинаковом гранулометрическом составе - более гумусированные.
Набухание - это увеличение объема почвы при увлажнении. Наиболее набухаемы глинистые почвы с высоким содержанием коллоидов, на поверхности которых происходит сорбция влаги. Песчаные почвы с очень низким содержанием коллоидов совсем не набухают. Обменные катионы натрия сильно повышают набухаемость почв, поэтому солонцы отличаются высокой набухаемостью. При значительной набухаемости разрушается почвенная структура.
Усадка - процесс, обратный набуханию. При высыхании почвы образуются трещины, разрываются корни растений, повышаются потери влаги за счет испарения. Чем больше набухаемость почвы, тем сильнее ее усадка.
Связность - это способность почвы оказывать сопротивление внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Связность выражают в граммах на квадратный сантиметр. Наибольшую связность в сухом состоянии имеют глинистые бесструктурные почвы, наименьшую - песчаные. При оструктуривании глинистых и суглинистых почв резко снижается их связность.
Твердость - способность почвы сопротивляться сжатию и расклиниванию. Твердость и связность зависят от гранулометрического состава, содержания гумуса, состава обменных катионов, структурности и степени увлажнения. Почвы с высоким содержанием гумуса, насыщенные кальцием и имеющие хорошую комковато-зернистую структуру, не обладают высокой твердостью и связностью. На их обработку требуется меньше энергозатрат.
Удельное сопротивление - это усилие, которое затрачивается на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга. Оно характеризуется сопротивлением почвы в килограммах, приходящимся на 1 см 2 поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. Удельное сопротивление зависит от физико-механических свойств почвы и колеблется в пределах 0,2...1,2 кг/см 2 .
Для улучшения физических и физико-механических свойств почвы применяют комплекс мероприятий: внесение органических удобрений, возделывание многолетних трав, посев сидератов, выбор сроков и приемов обработки почвы в зависимости от состояния ее влажности. При известковании кислых почв и гипсовании щелочных изменяется состав поглощенных катионов и улучшаются физико-механические свойства. Этому способствуют также мероприятия, снижающие уплотнение почвы машинами (минимизация обработок, глубокое рыхление и др.).
4.4 Воздушные свойства почв. Почва – пористое тело, в котором практически постоянно в тех или иных количествах присутствует воздух. Он обычно состоит из смеси газов и заполняет свободные от воды поры почв. Источниками почвенного воздуха является атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве.
Большинство растений не может существовать без постоянного притока кислорода к корням и выведения углекислого газа из почвы – должен быть постоянный обмен с атмосферным воздухом. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называют газообменом, или аэрацией .
При недостатке кислорода и избытке углекислого газа в почвенном воздухе развитие растений угнетается, снижается усвоение веществ питания, воды, замедляется рост корней. Отсутствие кислорода ведет к гибели растений. Все это обусловливает необходимость постоянной аэрации почв. Почвенный воздух может находиться в различных состояниях – свободном, адсорбированным поверхностью почвенных частичек и растворенном в жидкой фазе почвы . Большое значение почвы в аэрации имеет свободный почвенный воздух. Он обычно находится в некапиллярных и капиллярных порах, обладает подвижностью и может обмениваться с атмосферным воздухом.
По составу почвенный воздух отличается от атмосферного меньшим содержанием кислорода и большим углекислого газа.
Кроме трех основных газов (N2, О2, СО2) в почвенном воздухе находятся в незначительных количествах СН4, Н2 и др.
На протяжении вегетационного периода состав почвенного воздуха постоянно меняется в результате деятельности микроорганизмов, дыхания растений и газообмена с атмосферой. В пахотных, хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание СО2 в почвенном воздухе на протяжении вегетации не превышает 1–2 % , а содержание О2 не бывает ниже 18 %.
Главные факторы, влияющие на газообмен – диффузия, изменение температуры почвы, барометрического давления, влажность почвы, ветер. Все эти факторы действуют в природных условиях совокупно, но основным необходимо считать диффузию. В результате ее происходит перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением.
Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К ним относят воздухопроницаемость и воздухоемкость .
Растение в своем развитии нуждается в питательных веществах, в воде, воздухе и тепле. Та почва, которая способна удовлетворить эти запросы культурного растения, и будет плодородной почвой.
Плодородие - это главное, основное свойство почвы. Оно в свою очередь зависит от ряда других свойств, которые мы опишем ниже.
Поглотительная способность почвы. Растение берет своими корнями пищу из почвенных растворов. Но чтобы оно могло забирать необходимые ему вещества, концентрация растворов должна быть слабой (не больше 2-3 г питательных солей на 1 л воды). Правда, солей может оказаться слишком мало, и тогда растение голодает, но оно гибнет и в том случае, когда водный раствор излишне крепок. Из концентрированного водного раствора корни растений не в состоянии впитывать соли, и растение гибнет, как погибло бы от голода.
Но ведь мы знаем, что количество воды в почве постоянно меняется. После дождей ее больше, в засуху меньше. Значит, различна и крепость почвенного раствора, что не может не сказаться на состоянии растения. Но на помощь растению приходят свойства питающей его почвы, и главным образом ее глинистых частиц и перегноя, которые в некоторых пределах регулируют крепость раствора. Когда концентрация раствора возрастает, почва поглощает из него часть веществ. Происходит это по разным причинам. Одни вещества более прочно поглощаются твердой частью почвы, образуя вместе с нею новые труднорастворимые соединения и соли. Это можно сказать о железе, фосфорной и угольной кислотах и т. д. Другие, например кальций, калий, натрий, магний, лишь притягиваются из раствора к поверхности почвенных частиц (это «поглощающий комплекс почвы»), концентрируются в слоях воды, наиболее близких к этим частицам (в так называемом диффузном слое), и вытесняют из них другие элементы. Так, из раствора поглощается кальций, а в раствор вытесняется магний и натрий. Может быть и наоборот. Обычно поглощаются те элементы, которых больше в почвенном растворе. Наконец, третьи вещества в случае значительного увеличения концентрации почвенного раствора могут выпадать из него в виде кристаллов: известь в черноземных почвах, известь и гипс в каштановых почвах и пр.
Во многих случаях поглощаются вещества, необходимые растению, - калий, кальций, фосфорная кислота, известь. Однако наряду с ними почва поглощает и натрий, значительные количества которого в поглощающем комплексе резко ухудшают все ее свойства.
Способность почвы, твердой ее части, поглощать из водного раствора и связывать некоторые вещества и соли называется поглотительной способностью почвы.
Поглотительная способность почвы зависит главным образом от содержания в ней коллоидальных частиц (мельче 0,0001 мм ) - минеральных, органических и органо-минеральных. Эта часть почвы называется поглощающим ее комплексом. Чем больше таких частиц, тем лучше поглотительная способность почвы. Следовательно, глинистые и суглинистые, особенно богатые перегноем почвы всегда будут обладать большей поглотительной способностью, нежели почвы супесчаные и песчаные и тем более - бедные гумусом. Так, в глинистом черноземе величина поглощенных кальция и магния достигает 1 % и более к весу почвы, тогда как в песчаных подзолистых почвах этих же веществ в поглощенном состоянии отмечаются лишь десятые и сотые доли процента.
Почва не забирает поглощенные вещества безвозвратно. Они лишь сохраняются в ней до того момента, когда увеличится количество воды и когда растение потребует их через свою, корневую систему. При увеличении влажности почвы часть веществ непременно снова перейдет в почвенный раствор.
В том, что почва действительно поглощает из воды различные вещества, легко убедиться. Растворим в воде какую-нибудь соль, например хлористый барий, и взболтаем ее вместе с почвой (лучше глинистой, богатой перегноем). Отцедим через некоторое время воду при помощи воронки и бумажного фильтра и определим в ней количество бария. Окажется, что бария стало меньше в растворе, так как он поглотился почвой, а взамен его в воде увеличилось содержание кальция.
Почва может поглощать даже некоторые газы, например аммиак - резко пахнущий газ, который при соединении с водой образует нашатырный спирт. Поглощенный почвой аммиак при участии бактерий переводится в селитру.
Но не все вещества поглощаются почвой одинаково хорошо. Очень слабо поглощается ею столь ценная для растений селитра, и поэтому она легче, чем другие вещества, вымывается из почвы водой. Кроме того, как мы отмечали, не все почвы отличаются одинаковой поглотительной способностью. Хорошо поглощают вещества почвы, богатые глинистыми частичками и перегноем. В таких почвах питательные вещества закрепляются лучше и потому труднее вымываются водой. И крепость водного раствора в этих почвах, если они не засолены, поддерживается приблизительно одна и та же, что имеет большое значение для питания растений.
Глинистые, богатые перегноем почвы можно без опасения удобрять необходимыми для растений количествами питательных веществ (например, суперфосфатом), так как излишки их, если они окажутся, поглотятся почвой и не погубят растения, а также не вымоются водой. Не следует этого делать только с селитрой. Поэтому в практике ее обычно вносят в верхний слой почвы двумя порциями: одну при посеве, и другую - в период наибольшего развития растений.
Совсем иными свойствами обладают песчаные почвы. Глины и перегноя в них мало, поглотительная способность их ничтожна. Вода легко вымывает из них питательные соли, и они бесследно пропадают для растений.
В засуху же, когда концентрация почвенного раствора сильно повышается, песчаная почва не способна поглотить излишка солей, и растения, если почва удобрена растворимыми в воде веществами, могут погибнуть: они выгорают. Поэтому, чтобы не создать ненужной крепости почвенного раствора и не потерять питательных веществ, удобрения в песчаные почвы вносят понемногу, несколькими порциями. Нельзя также оставлять эти почвы в чистом пару, так как вода вымоет из них питательные вещества. В период парования в подзолистой зоне эти почвы следует засевать сераделлой или люпином. Сераделла - прекрасный корм для скота, а люпин, если его запахать в период цветения, обогащает почву перегноем, азотом и улучшает ее физические свойства.
Отечественные специалисты и передовики сельского хозяйства предложили и на тяжелых почвах вносить под растения легко растворимые в воде удобрения дробными порциями, по нескольку раз в сезон, с учетом стадии развития растений. Этот прием, который в практике стали называть подкормкой растений, значительно повышает урожай сельскохозяйственных культур.
Наряду с глинистыми частицами и перегноем значительную роль в поглотительной способности почвы играют населяющие ее микроорганизмы. Размножаясь в почве, они для построения своего тела поглощают из почвенного раствора различные питательные вещества. После смерти тела микроорганизмов истлевают и поглощенные ими вещества вновь возвращаются в почву, в почвенный раствор и могут быть использованы растениями. Подобное явление наблюдается при жизни и отмирании самих растений.
Реакция почвы. Если в почве излишне много кислот (угольная кислота, фульвокислоты в глеево-подзолистых почвах) или щелочей (сода в солонцах), то культурное растение развивается плохо или даже гибнет. Для благоприятного развития большинства культурных растений необходимо, чтобы почвенный раствор был ни кислым, ни щелочным, а средним, нейтральным.
Оказывается, что реакция почвы (кислотность, щелочность) в сильнейшей степени зависит от того, какие вещества поглощены ею. Если почва (твердая ее часть) поглотила водород или алюминий, она будет кислой; почва, забравшая из раствора натрий, будет щелочной, а почва, насыщенная кальцием, будет иметь нейтральную, т. е. среднюю, реакцию.
В природе различные почвы имеют и разную реакцию. Например, болотные и подзолистые, а также красноземы отличаются кислотностью, солонцы - щелочностью, а черноземы - средней реакцией. Подробнее с этими почвами мы ознакомимся в последующих главах нашей книги.
Порозность, или скважность, почвы. Если в почве имеется достаточное количество питательных веществ, но не хватает воды или воздуха, растение гибнет. Поэтому приходится заботиться о том, чтобы наряду с пищей в почве всегда были вода и воздух, которые размещаются в почвенных пустотах. Пустоты (поры, или скважины) почвы занимают примерно половину всего объема почвы. Так, если вырезать 1 л почвы из пахотного слоя без уплотнения ее, то пустоты составят в ней около 500 см 3 (50% по объему), а остальной объем будет занят твердой частью почвы. В рыхлых суглинках и глинистых почвах количество скважин на 1 д почвы может достигать 600 и даже 700 см 3 ; в торфяных почвах - 800 см 3 ; в песчаных почвах скважность меньше - примерно 400- 450 см 3 .
Размер пустот и форма их весьма различны как в одной и той же почве, так и в разных почвах. Мелкие скважины имеют просвет в сотую, тысячную долю миллиметра и еще меньше, крупные пустоты, например трещины, в почве могут иметь просвет в несколько сантиметров. Слишком мелкие скважины в столбчатом горизонте солонцов (внутри столбиков), а также очень крупные (трещины) создают неблагоприятные условия для растений. Так, корневые волоски растений могут проникать лишь в скважины с поперечником не менее 0,01 мм , а бактерии - в скважины не мельче 0,003-0,001 мм. Для культурных растений желательно создавать в почве путем обработки и оструктуривания скважины средних размеров - с просветом от нескольких миллиметров до десятых и сотых долей миллиметра, причем они должны быть равномерно распределены во всей толще почвы. В этом случае даже в сырой почве в крупных порах будет содержаться воздух, необходимый для дыхания почвенного населения и для окислительных процессов, а в тонких - вода - обязательное условие существования всего живого.
Водопроницаемость почвы. Выпадая на поверхность почвы в виде осадков, вода под влиянием силы тяжести просачивается в нее по крупным скважинам и рассасывается по тонким скважинам, или капиллярам, окружая сплошным слоем почвенные частички. Чем крупнее почвенные частицы (например, в песке), тем больше и ходы между ними и тем легче через такую почву будет проникать вода. Наоборот, в почве (например, глинистой), богатой мельчайшими частицами, ходы между ними чрезвычайно малы. Вода в глинистые почвы просачивается в сотни раз медленнее, нежели в почвы песчаные. Проникает она в почву в этом случае главным образом по трещинам, червоточинам и по ходам старых истлевших корней.
Однако сказанное справедливо лишь в отношении глинистых бесструктурных почв. Если же такая почва богата перегноем и известью, то отдельные мелкие частички в ней (особенно коллоидные частицы) свертываются, слипаются, склеиваются в пористые зернышки и комочки, которые при наличии гумуса и извести механически весьма прочны и длительно противостоят размыванию водой. В почве между ними образуются поры средней величины, как в песке, и несколько крупнее. Такая (структурная) глинистая почва обладает хорошей водопроницаемостью, несмотря на то что она состоит из мельчайших частиц.
На рис. 46 изображены различные скважины в структурной и бесструктурной почвах. В частности, комочки структурной почвы показаны здесь как сплошь капиллярные. Однако в лучших почвах, таких, как черноземы, а также в культурном пахотном слое других почв и внутри самих комочков имеются некапиллярные ячейки и канальцы, вполне доступные для воздуха даже в сырой, капиллярно насыщенной водой почве. Образуются эти пустоты в результате деятельности насекомых, истлевания корней, обработки почвы и пр. Такие комочки особенно ценны. В них и между ними одновременно содержатся вода и воздух. Они легкопроницаемы для бактерий и грибков, для корней растений. Они обеспечивают плодородие почвы (рис. 47).
Водопроницаемость почвы легко определить в поле. Для этого в почву до глубины 6-7 см врезают деревянный или металлический квадрат (площадью 50×50 см). Нижняя часть его делается клином и, если он деревянный, обивается жестью. Квадрат нужно устанавливать прочно, чтобы между его стенками и почвой не было щелей. Лучше врезать в почву не один, а два квадрата, как показано на рис. 48, наружный (50×50 см) и внутренний (25×25 см).
В оба квадрата наливают воду слоем в 5 см и затем, поддерживая ее на постоянном уровне и учитывая расход воды, следят за быстротой проникновения ее в почву. Отсчеты следует делать по внутреннему квадрату, из которого вода будет опускаться почти вертикально вниз, тогда как из наружного квадрата она растечется и в стороны.
Затем рассчитывают водопроницаемость почвы в миллиметрах водного столба в единицу времени, например в 1 мин. Так как водопроницаемость почвы во времени меняется (обычно уменьшается), то наблюдения над нею целесообразно продлить несколько часов (6-8 час).
При определении водопроницаемости следует учитывать температуру воды. Чем выше температура, тем вязкость воды меньше и она быстрее проникает в почву. При окончательном вычислении (по особой формуле Хазена) водопроницаемость почвы приводится к температуре 10° С. Это позволяет сравнивать величины водопроницаемости разных почв, полученные при неодинаковых температурах воды.
Влагоемкость почвы. Попадая в почву, вода, как уже говорилось, смачивает почвенные частички, окружая их многими слоями. Вода прилипает к почве, и почва прочно удерживает ее в силу своей поверхностной энергии. Чем ближе слой воды к почвенной частичке, тем сильнее удерживается он почвой, тем прочнее он ею связан. Кроме того, вода задерживается в почвенных капиллярах.
Способность почвы удерживать воду при условиях свободного ее стекания называется водоудерживающей способностью почвы, а количество воды, которое при тех же условиях сохраняет почва, - влагоемкостью почвы.
Влагоемкость у различных почв разная. 100 г глинистой почвы, богатой перегноем, могут удержать в себе 50 г воды (50%) и больше, а 100 г песчаной почвы - только от 5 до 25 г (5-25%). В большинстве случаев пахотный слой суглинистых и глинистых почв удерживает на 100 г почвы от 30 до 40 г воды (30-40%); торфяные почвы отличаются высокой влагоемкостью: 100, 200, 300% и более.
Водовместимость почвы. Если почва подстилается водонепроницаемым слоем, то при сильном дожде или искусственном поливе все поры ее заполняются водой. Почва как бы налита ею. Чем больше скважность почвы, тем больше поместится в ней воды. Это количество воды будет соответствовать водовместимости почвы.
Ясно, что водовместимость почвы по объему равна ее скважности. Водовместимость нужно отличать от влагоемкости почвы, под которой понимают количество воды, удерживаемое почвой после полного промачивания ее и свободного стекания воды по порам вниз или в сторону по уклону.
Различные формы воды в почве. Вода, содержащаяся в почве, неодинакова по своему качеству. Можно выделить шесть ее главных категорий.
Вода прочносвязанная, несвободная, которая сильно притягивается почвенными частичками и растениям почти совсем недоступна. В природе встречаются две формы такой воды: гигроскопическая и максимально гигроскопическая. Первая содержится в воздушно-сухой почве. Она поглощается абсолютно сухой почвой из атмосферы или остается в почве при высушивании ее в атмосфере, не полностью насыщенной водяными парами (относительная влажность воздуха <100%). Вторая форма прочносвязанной адсорбированной воды (максимально гигроскопическая) поглощается почвой из атмосферы, полностью насыщенной парами (относительная влажность воздуха 100% или близко к этому). Обе эти формы воды в почве передвигаются лишь в виде пара, поэтому они переносчиками солей быть не могут.
Поверх оболочки максимально гигроскопической воды, покрывающей почвенные частички, в более сырой почве формируется еще пленка рыхлосвязанной воды: это вода пленочная. Она обладает еще высоким напряжением, и, хотя может передвигаться в почве в жидком виде, интенсивность передвижения ее крайне замедленна. Поэтому пленочная вода - слабый переносчик солей, и она с трудом доступна растениям. .
Вода капиллярная занимает средние по величине поры в почве. Вода свободная, гравитационная, стекает из почвы вниз или в сторону по уклону. Вода парообразная содержится в почвенном воздухе. Вода твердая (лед) образуется в почве при замерзании. Вода внутриклеточная (осмотическая) заключена в клетках отмерших, но недоразложившихся растений.
Когда воды в почве много, почва связывает своей поверхностью лишь часть ее. Остальная вода свободна, и растения легко могут всасывать ее корнями: это гравитационная и капиллярная вода. Особенно ценна в данном случае вода капиллярная; будучи легко усвояема растением, она в то же время удерживается в корнеобитаемом слое почвы, не стекая из него. Эта же вода обладает способностью передвигаться в почве по капиллярам во всех направлениях. Когда корень растения выпивает воду вокруг себя, она может подсасываться к нему из соседних, более сырых мест. Важно, чтобы капиллярная вода занимала не все поры сплошь, а перемежалась с более крупными порами, занятыми воздухом, который необходим для дыхания корней растений и всего живого населения почвы.
При подсыхании почвы воды в ней становится мало. Она тонкими слоями располагается вокруг почвенных частиц, и они с большой силой притягивают ее к себе. Как уже отмечалось, связанная вода также неоднородна по своему составу. Наружные пленки ее более рыхлы. Они менее сильно удерживаются почвой. Эту часть связанной воды (рыхлосвязанную, или пленочную, воду) растение еще может воспринимать своими корнями, но всасывает ее с трудом и медленно. При такой влажности почвы растение больше расходует воды, испаряя ее через листья и стебли, нежели всасывает корнями. Вследствие этого оно теряет упругость (тургор, как говорят) и начинает вянуть. Влажность почвы, при которой растение вянет, называют влажностью завядания растений. Эта форма воды притягивается к поверхности почвы с силою 15-20 атм.
При дальнейшем подсушивании почвы, когда будут израсходованы наружные рыхлые слои связанной воды, в ней останутся лишь тончайшие водные пленки вокруг почвенных частиц. Эта плотная, прочно связанная почвою, уже известная нам вода - гигроскопическая и максимально гигроскопическая. Сила, с которой она удерживается почвой, больше, нежели всасывающая способность корня, а потому растение не может ее воспринять. При наличии в почве только такой воды растение умирает. Чем больше в почве коллоидальных частиц, тем сильнее она удерживает воду и тем большая часть ее будет недоступна растениям. На глинистых почвах, содержащих много этих частиц, растения погибают от засухи уже тогда, когда на 100 г почвы приходится около 10-15 г воды (15% к весу сухой почвы). В песчаных почвах ила (частицы мельче 0,001 мм ) очень мало, и потому почти вся вода из них может забираться растением. Растение на песчаных почвах погибает только в том случае, когда на 100 г почвы остается 1-2 г воды (1-2%) и даже меньше.
Таким образом, нужно помнить, что, хотя глинистые почвы и сильнее удерживают в себе воду, в них больше недоступной растениям воды, нежели в песчаных почвах.
Описанные нами формы воды располагаются в почвенных порах, не входя в состав твердого вещества почв. К ним примыкает внутриклеточная вода, содержащаяся в растительных клетках, оболочки которых еще не разрушены, например в недоразложившихся торфах, в свежезапаханной дернине.
Но есть две формы воды, входящие в состав твердой фазы почвы, - химически связанная вода, или конституционная, и вода кристаллизационная, или кристаллогидратная.
Первая наиболее прочно связана с твердыми частицами, включаясь в них разорванными молекулами воды в форме гидроксильных ионов (ОН-ионов), например при взаимодействии окиси железа с водой. В результате реакции Fe 2 O 3 +2H 2 O -> 2Fe(OH) 3 получаются две молекулы гидрата окиси железа.
Вторая тоже входит в состав молекулы твердого вещества, но уже цельными молекулами воды. Например, в гипсе содержится две молекулы воды: CaSO 4 2Н 2 О.
Химически связанной воды много в глинистых минералах и мало в песках и супесях. Удаляется она из почвы при температуре красного каления (400-800° С); причем исходный минерал распадается. Остается прокаленный остаток.
Кристаллогидратная вода удаляется из почвы при более низких температурах. Например, из гипса одна молекула воды удаляется, если образец нагревать до 107° С, а вторая молекула - при нагревании до 170° С. Обезвоженный гипс (ангидрит) в этом случае не распадается, но меняются его физические свойства. Много кристаллизационной воды содержится в солончаках.
Определение влагоемкости почвы. Для практических целей важно знать, сколько почва может задержать в себе воды и сколько ее недоступно растениям. Ту и другую величину легко определить. Для этого участок поля размером около 1 м 2 хорошо поливают и покрывают клеенкой, брезентом, а поверх кладется солома или трава для предотвращения испарения воды. Выжидают одни-двое суток, чтобы могла стечь или рассосаться свободная вода, которая не удерживается почвой. Затем смоченную площадку открывают и производят поперек ее почвенный разрез, из сырой стенки которого на различных глубинах в стаканчик или в банку берут образцы почвы (граммов по 20). Мокрую почву нужно взвесить, затем высушить в сушильном шкафу и опять взвесить. Разница в весе покажет, сколько воды содержалось в почве. Если в поле определялась водопроницаемость почвы при помощи рам, как было описано выше, то по окончании работы на том же участке можно определить влагоемкость почвы (рис. 49).
Определение воды, недоступной растениям. Воду, недоступную растениям, можно определить следующим образом. Взятый в поле образец почвы (граммов 50- 100) в лабораторных условиях рассыпать тонким слоем на бумаге и оставить на 10 дней, чтобы почва высохла. После просушивания в ней еще будет незаметная на глаз влага, так называемая гигроскопическая вода. Если такую почву предварительно взвесить (в стакане или на блюдце), потом высушить в сушильном шкафу и опять взвесить, то можно заметить, что вес ее уменьшился. Это испарилась гигроскопическая вода. Зная вес почвы до сушки и после сушки, можно вычислить, сколько было воды. Если найденную величину удвоить, то получится примерно количество воды для данной почвы, не усвояемое растением. Это так называемая максимальная гигроскопическая вода. Как влагоемкость, так и неусвояемую воду удобнее вычислять в процентах к весу сухой почвы. Например, если говорить, что влагоемкость почвы 50%, а неусвояемой воды в ней 10%, то это значит, что 100 г сухой почвы при поливе могут удержать 50 г воды, причем из этих 50 г растения могут использовать 40, а остальные 10 г окажутся для него недоступными. Влага завядания растений, т. е. влажность почвы, при которой растение еще живет, но уже начинает вянуть, равна приблизительно полуторному запасу не усвояемой растениями воды. Так, если не усвояемый, или «мертвый», запас воды в почве равен 10%, то растения начнут вянуть, когда влажность этой почвы уменьшится до 15%.
В засуху воды в почве мало и она располагается лишь в мелких скважинах и тонкими пленками вокруг частиц почвы. Когда же воды много, она заполняет и более крупные поры и ходы. Кроме того, вода может насыщать такие вещества, как перегной и глина, причем они сильно разбухают. Особенно много воды задерживают перегной и полуистлевшие остатки растений.
Когда почва быстро подсыхает и в ней становится мало воды, растения гибнут. Но они не могут развиваться и в почве, переполненной водой, здесь им недостает воздуха. Для большинства растений благоприятно среднее состояние почвы, когда часть пор в ней (примерно 3/4) заполнена водой, а в других промежутках находится воздух. Некоторые растения, например рис, хорошо развиваются и в сырой почве.
Грунтовая вода. Если в почве много воды, то, как отмечалось, она просачивается вниз. Проникая через почву или материнскую породу, вода встречает на большей или меньшей глубине водонепроницаемый слой (связную глину или каменистую породу), застаивается на этом слое или течет в ту сторону, куда он наклонен. Это уже будет грунтовая вода, которая питает колодцы, озера, реки, а при высоком залегании поит и растения в засуху. Если грунтовая вода подходит слишком близко к поверхности почвы (на 1 м и ближе), то она заболачивает ее. На рис. 50 показаны различные формы свободной, капиллярной и связанной воды в почве.
Водоподъемная способность почвы. Вода в почве может передвигаться не только сверху вниз, но и в стороны, а также снизу вверх. Убедиться в этом нетрудно. Возьмем кружку с продырявленным дном, насыпем в нее земли и поставим в воду так, чтобы она покрывала только дно кружки. Пройдет день-два (а для некоторых почв всего несколько часов или даже минут), и можно заметить, что почва смочилась до самого верха. Вода поднимается по мельчайшим промежуткам, находящимся между почвенными частичками. Эти промежутки настолько узки, что их называют волосными промежутками или капиллярами. Вода прилипает к стенкам капилляров. Слои ее на противоположных стенках капилляра сливаются и заполняют весь его объем. В верхней части такого водного столбика, где вода притягивается к стенкам капилляра, образуется вогнутый водный мениск. Непосредственно под таким мениском давление в воде менее 1 атм. Чем меньше диаметр капилляра, тем более вогнут образующийся в нем мениск и тем слабее под ним давление. Под плоской же водной поверхностью давление равно 1 атм. Если почвенный капилляр нижним своим концом погружен в «свободную» воду, в нем образуется вогнутый мениск и вода засасывается в капилляр как бы насосом. Она будет подниматься в капилляре до такой высоты, пока вес поднятого столба воды ни уравновесит различие в давлениях под плоской поверхностью «свободной» воды и под вогнутым мениском. Поднятый в капилляре столб воды в этом случае называется водой капиллярной, «подпертой» грунтовой водой или временной верховодкой. Чем мельче капилляры, тем выше по ним поднимается вода, а по самым тонким она поднимается на высоту до 2-7 м.
В глинистых почвах, обладающих мельчайшими промежутками между почвенными частичками, вода с силой притягивается к последним. Казалось бы, такие почвы сильнее всего поднимают воду по капиллярам. На самом деле этого не наблюдается. Когда глинистые частички поглотят воду, то эта «связанная» вода заполняет значительную часть просвета мельчайших скважин, и ее новым порциям негде протолкнуться. В песке, наоборот, скважины слишком широки и притяжение воды частицами почвы слабое, а потому вода поднимается по капиллярам быстро, но на небольшую высоту. Лучше всего транспортируют вверх воду средние по механическому составу почвы, именно среднесуглинистые, например украинский лёсс.
Капиллярная вода может задерживаться и передвигаться в почве и тогда, когда она не сообщается с грунтовой водой или временной верховодкой, например после дождя или искусственного полива почвы. Это будет вода капиллярная «подвешенная» (подвешенная на водных менисках). Она может двигаться в любом направлении из более смоченных капилляров, где мениски менее вогнуты, в зону более узких капилляров с более вогнутыми менисками, под которыми сильней выражено «отрицательное» (меньше 1 атм.) давление.
Способность почвы впитывать и поднимать воду с некоторой глубины, а также проводить ее от одного слоя к другому и в стороны по капиллярам имеет огромное значение для жизни растений. Не обладай почва этой способностью - много воды в ней пропало бы совершенно бесполезно, а мы знаем, как дорога вода для растений, особенно в засушливых областях. Во время засух, когда почва с поверхности совершенно не увлажняется, растения живут исключительно за счет воды, передвигающейся по капиллярам, и воды пленочной.
Подъем и рассасывание воды по капиллярам возможны не только при наличии грунтовой воды или верховодки, как показано на рис. 50, но и при отсутствии таковых. В этом случае крупные капиллярные скважины, заполненные водой, играют роль мелких водоемов, питающих сеть более тонких почвенных пор (рис. 51).
Таким образом, водоподъемная капиллярная способность почвы дает возможность растениям лучше и полнее использовать влагу.
Испаряющая способность почвы. Однако не нужно забывать, что водоподъемная способность почвы может вызвать и излишнее просушивание ее. Происходит это в том случае, когда поле плохо разрыхлено или совсем не разрыхлено с поверхности. На таких участках почвенные капилляры простираются до самого верха. Вода поднимается по ним и испаряется в воздух. Разрыхляя почву, мы нарушаем, ломаем капилляры. Вода, поднимаясь снизу, дойдет только до разрыхленного слоя и не пойдет выше, а будет накапливаться и сохраняться под ним.
Усиленно просушивается почва и в том случае, когда пашня покрывается коркой. Бывает это после дождей. В корке очень хорошо развиты тонкие капилляры, сильно засасывающие воду. Для сохранения влаги в почве такую корку нужно немедленно ломать при помощи культиваторов или борон.
Итак, благодаря многочисленным канальцам, ходам и промежуткам в почве вода передвигается в ней по всем направлениям, вымывая различные соли, в том числе и необходимые для растений. Вода с растворенными в ней солями - это пища для растений и других обитателей почвы.
Воздушный режим почвы. В сухой почве все скважины заняты воздухом. Часть его при этом с силой притягивается поверхностью почвенных частиц. Эта часть воздуха обладает слабой подвижностью и называется поглощенным воздухом. Остальной воздух, размещающийся в крупных порах, считается свободным. Он обладает значительной подвижностью, может выдуваться из почв и легко заменяться новыми порциями атмосферного воздуха.
По мере увлажнения почвы воздух вытесняется водой и выходит наружу, а часть его и других газов растворяется в почвенной воде. Особенно хорошо в воде растворяется аммиак (в 1 л воды несколько сот литров). Растворяются в воде и другие газы, например углекислый газ, кислород и азот, но значительно слабее, чем аммиак. Для успешного произрастания большинства культурных растений необходимо, чтобы в почве одновременно находились вода и воздух. При этом вода занимает мелкие и средние поры, а воздух - более крупные.
Из воздуха в почве потребляется главным образом кислород. Как уже упоминалось выше, он тратится на дыхание корней растений и населяющих почву животных, соединяется с различными веществами в почве, например с железом, а главным образом используется различными бактериями при дыхании, разложении и окислении растительных, животных и некоторых минеральных остатков. Взамен потребляемого живыми существами кислорода воздух в почве обогащается углекислотой, выделяющейся при их дыхании и при тлении органических остатков. Из почвенного воздуха углекислота поступает и в почвенный раствор, и в атмосферу.
Находящийся в почве воздух не остается без движения. Днем, когда почва прогревается солнечными лучами, разогревается и находящийся в ней воздух. Он расширяется, и часть его выходит наружу. Ночью почва и содержащийся в ней воздух остывают. В почве образуется разреженное пространство, и новый воздух снаружи заполняет его. Пройдет несколько суток, и весь состав воздуха в почве обновится.
Смена воздуха в почве происходит и по другим причинам. Он может выдуваться ветром, вытесняться просачивающейся в почву водой, причем в обоих случаях удаленный из почвы воздух заменяется новыми порциями свежего атмосферного воздуха. Почвенный воздух приходит в движение и при изменении атмосферного давления; увеличение этого давления вызывает внедрение в почву некоторой части надпочвенного воздуха. Наоборот, уменьшение его сопровождается выходом части почвенного воздуха наружу. Наконец, смена воздуха в почве может происходить даже при отсутствии ветра, дождя и при неизменном атмосферном давлении. При этом почвенный воздух, богатый углекислотой и водяными парами, постепенно выходит наружу, а более сухой и богатый атмосферным кислородом внедряется в почвенные поры (происходит процесс диффузии газов).
Интенсивность обновления почвенного воздуха в различных климатических и почвенных зонах зависит от разных причин. Например, в пустынях больше влияет резкая смена температур в течение дня и ночи, а также выдувание почвенного воздуха ветром. В зоне, богатой осадками, например таежной, смена воздуха будет заметно происходить при просачивании воды в почву и т. д.
Поскольку почвенный воздух почти всегда сырее атмосферного, замена его последним ведет к просушиванию почвы. Следовательно, почва может испарять и терять воду не только своей поверхностью, но и через внутренние слои и поры. Такое испарение в отличие от поверхностного называется внутрипочвенным. Оно наносит большой вред тем почвам, в которые легко проникает ветер (глыбистые, трещиноватые, свежевспаханные в жаркую ветреную погоду). Поэтому в засушливых местностях во избежание потерь влаги глубоко вспахивать почву в жару не рекомендуется. А если вспашка произведена, то пашню вслед за плугом нужно тщательно заборонить и выровнять (волокушей или тылом бороны).
Не во всех почвах обмен воздуха происходит одинаково свободно. Например, для песчаных почв характерны крупные ходы между почвенными частичками. Воздух проникает в эти почвы легко и на большую глубину. Корни растений дышат свободно, при наличии воды растительные и животные остатки быстро разлагаются. Иная картина наблюдается в бесструктурных глинистых, мокрых почвах. Промежутки между почвенными частичками здесь малы, да и те часто заняты водой. Воздух проникает в такую почву с трудом и в незначительном количестве. Почва просыхает медленно. Растительные и животные остатки разлагаются слабо. Различные вещества в почве, например железо, не только не окисляются, но теряют кислород, который накопили раньше. Потеряв часть кислорода, железо становится ядовитым для растений. В такой почве не могут жить бактерии, созидающие селитру. Зато начинают развиваться бактерии, ее разрушающие.
Одним словом, почва «живет ненормальной жизнью» и как бы «задыхается». Такая почва постепенно заболачивается. Чтобы исправить почву, нужно осушать ее, разрыхлять поверхностный слой, запахивать в нее известь, навоз, вносить под растения минеральные удобрения.
Тепло в почве. Для развития почвы и жизни растений необходимо тепло. Тепло почва получает от солнца, непосредственно нагреваясь его лучами, или из воздуха и атмосферных осадков. Немного тепла приходит к поверхности почвы и от внутренних нагретых слоев Земли, а также выделяется при дыхании живых существ, разложении растительных и животных остатков, взаимодействии некоторых составных частей почвы между собой, при сгущении паров в жидкую воду, замерзании воды. Иногда почву согревают теплые источники, вытекающие на поверхность Земли из глубоких разогретых ее слоев. Такие источники известны, например, в Исландии, СССР - на Камчатке, Северном Кавказе (Горячеводск), в Дагестане, Грузии (Тбилиси), Азербайджане (близ Ленкорани) и в других местах.
Не все почвы одинаково нагреваются солнцем. Темные, богатые черноземом, а главное сухие почвы прогреваются значительно скорее, чем светлые и сырые. Особенно медленно нагреваются сырые почвы. Это происходит потому, что много тепла тратится на согревание и испарение находящейся в них воды. Песчаные почвы суше глинистых и поэтому нагреваются скорее.
Помимо цвета и содержания перегноя и воды большое значение для нагревания почвы имеет расположение местности: лучше других нагреваются почвы, лежащие на южных склонах, несколько слабее - на восточном и западном, и хуже всего - на северном.
Полученное почвой тепло постепенно через почвенные частички, воду и воздух передается нижним слоям. Лучше проводят тепло твердые частицы почвы и вода. Очень слабый проводник тепла - воздух.
Ночью почва остывает с поверхности, а теплая дневная волна передвигается на некоторую глубину. Так волны одна за другой каждый день уходят в почву. Почвенные частички то расширяются от тепла, то сжимаются от холода. Это способствует большему и скорейшему их выветриванию.
Для развития растений и других почвенных обитателей благоприятны теплые почвы.
Зимой, когда почва скрыта под снежным покровом, когда в ней замерзает вода и вместо теплых в глубину идут холодные волны, ее жизнь в значительной мере замирает. Все живое в почве впадает в зимнюю спячку и просыпается лишь следующей весной.
Электропроводность почвы зависит от ее влажности, количества и качества солей, плотности (или пористости) и температуры. Электропроводность сухой почвы близка к нулю. По мере нарастания влажности и растворения в воде солей электросопротивляемость почвы резко падает, а электропроводность возрастает. Особенно повышают электропроводность почвы те соли, которые в водном растворе диссоциируют, переходя в ионное состояние. Например, поваренная соль в растворе дает ион натрия с положительным электрическим зарядом (Na +) и ион хлора с отрицательным электрическим зарядом (С1 —). Цепочки взаимодействующих между собой ионов в растворе и являются проводниками электричества.
Делались многочисленные попытки измерять влажность и содержание солей в почве по ее электропроводности. Однако точных величин не получается, так как электропроводность зависит от нескольких причин. Так, при увеличении влажности электропроводность сначала возрастает, но при влажности свыше влагоемкости почвы она вновь падает, так как почвенный раствор солей становится сильно разбавленным.
Но в ряде случаев, где требуется констатировать резкие смены во влажности или температуре почвы, электросопротивляемость почвы или обратная ей величина - электропроводность - используются в почвенных работах, например при определении водопроницаемости почвы по методу изолированных колонн. В почве окапывается колонна грунта в виде призмы и обертывается клеенкой, чтобы вода из нее не растекалась в стороны. В стенку колонны забиваются латунные или медные электроды, от которых наружу выводятся изолированные провода и подключаются к электрической сети (с вольтметром или амперметром). Почвенный разрез закапывается. Снаружи на колонну устанавливается деревянный или металлический квадрат, в который наливается вода до уровня 5 см от поверхности почвы, затем подсчитывается количество впитывающейся воды. Параллельно с этим начиная от верхней пары электродов определяется сопротивление почвы действию электрического тока. У сухой почвы сопротивление очень высокое (десятки тысяч ом). Но когда промоченный слой распространится до глубины заложения электродов, сопротивление почвы уменьшается в десятки тысяч раз, а электропроводность соответственно во столько же раз возрастает. Это будет моментально отмечено вольтметром или амперметром. Так, не раскапывая почву, можно точно установить - когда и на какую глубину она промокала, что важно знать при изучении водопроницаемости почвы, после дождя, при искусственных поливах и в других научных и практических наблюдениях.
С помощью аналогичной установки можно, не разрывая почву, установить глубину ее промерзания: в замерзшей почве электропроводность резко снижается.
Еще раз о структуре почвы. Все свойства почвы, важные для развития сельскохозяйственных растений, получают наилучшее выражение в структурных почвах, которые содержат в себе одновременно воду и воздух. Вода помещается внутри комочков и на стыках между ними, а воздух - в крупных пустотах между комочками, по их поверхности и отчасти внутри комочков - в крупных каналах и порах (см. рис. 47). Структурная почва имеет хорошие тепловые свойства. В ней благоприятно развиваются полезные для растений микроорганизмы. Минеральная часть в такой почве легче выветривается и освобождает питательные вещества, нужные для растений. В ней на поверхности комочков лучше разлагаются растительные и животные остатки, а внутренняя, менее проветриваемая часть комочков является «лабораторией», где накапливается высококачественный нейтральный («сладкий») перегной. В конечном счете структурная почва всегда дает более высокий урожай сельскохозяйственных растений. Поэтому справедливо выражение: культурная почва (суглинистая и глинистая) - это структурная почва. Но не во всякой почве от природы бывает хорошая структура. Часто приходится упорно работать, чтобы получить структурную пашню. На всех почвах созданию структуры помогает искусственное увеличение в ней перегноя, а также насыщение почвы кальцием. Для последней цели на кислых почвах применяется известь, на щелочных (например, на солонцах) - гипс или заменители извести и гипса.
Нужно унавоживать почвы, вводить в севооборот однолетние и многолетние злаковые и бобовые травы, а на песках - люпин и сераделлу. Бобовые травы обогащают почву кальцием и азотом, а все травы - бобовые и злаковые - при условии обильного их урожая обогащают ее перегноем, так как имеют корневую систему, в несколько раз большую, чем овес, рожь, пшеница и другие полевые и огородные растения (рис. 52). Кроме того, хорошо развитые травы густой сетью своих корней расчленяют почву на зернышки и комочки значительно сильнее, нежели зерновые или овощные культуры, обладающие слабой корневой системой. При введении трав в севообороты нельзя ограничиваться общеизвестным шаблоном. Необходимо испытывать и смелее вводить в травосмеси севооборотов новые культуры. Например, в нечерноземной зоне большого внимания наряду с клевером и тимофеевкой заслуживают райграсы, овсяницы, ежа сборная; в сухих степях наряду с люцерной и житняком - донник, нут и суданка, во влажных субтропиках - люпин, конский боб, лядвенец рогатый и т. п.
Серьезное внимание нужно уделять и своевременной обработке почвы. При распашке сухой почвы мы разрушаем, распыляем структуру; при распашке переувлажненных почв давим структуру, смазываем ее. По возможности нужно стремиться вспахивать оптимально увлажненную почву, когда она не смазывается и не прилипает к орудиям обработки; при этом условии получается лучшая по качеству структурная почва.
Опыт использования полимеров для оструктуривания почвы. Как видно из сказанного, в настоящее время основные методы оструктуривания почв - обработка, введение севооборотов с травами, внесение органических и минеральных удобрений, известкование кислых почв, гипсование солонцов или применение заменителей извести и гипса. Правильное систематическое использование этих приемов окультуривает и оструктуривает почвы и в конечном счете повышает их плодородие.
Быстро улучшить структуру пахотного слоя можно культурно обработав ее при оптимальной влажности. Однако если в исходной почве уже до обработки нет прочных, водопрочных и пористых агрегатов, то улучшить ее физическое состояние за счет обработки удается ненадолго. Взрыхленная пашня быстро садится, а в случае ливневого дождя или полива обесструктуривается. Комки и зерна ее размываются водой, почва покрывается вредоносной коркой.
Значительно более фундаментальное оструктуривание почвы достигается в результате возделывания в севообороте трав, особенно многолетних. Созданная под травами (при высоком их урожае и хорошо развитой корневой массе) структура сохраняется несколько лет и лишь постепенно (через 4-5 лет) утрачивается под пропашными и особенно злаковыми зерновыми культурами. Казалось бы, этот метод вполне удовлетворяет сельскохозяйственное производство. Однако это не так. Существенное оструктуривание почв, например подзолистых, достигается под травами (смесь клевера красного с тимофеевкой) лишь в результате двухлетнего их использования, а максимум оструктуривающего действия более сложной травосмеси в пастбищных севооборотах (4-5-компонентной) отмечается через 4-5 лет произрастания трав. Таким образом, срок, необходимый для оструктуривания почв в травопольном севообороте, составляет примерно половину того времени, на которое в последующем продлится эффект оструктуривания. Результат весьма скромный. Поэтому естественны поиски более быстрых и более эффективных методов улучшения физических свойств почвы путем внесения в нее каких-либо мелиорирующих веществ.
Первую попытку приготовить искусственный клей для оструктуривания почвы сделали К. Фадеев и В. Р. Вильямс в конце XIX в. Они получили аммиачную гумусовую вытяжку из северного чернозема и использовали ее в опыте для оструктуривания смеси воробьевского третичного песка и илистой фракции из гжельской глины. Аналогичную попытку делали С. Оден (1915) и затем Н. И. Саввинов (1936), получая щелочную вытяжку из торфа.
С 1932 по 1936 г. обширные исследования в области искусственного оструктуривания почв были проведены под руководством академика А. Ф. Иоффе в Ленинграде, в Физико-агрономическом институте. Аналогичные работы позже выполнялись в США и других зарубежных странах. Были предложены различные клеи для оструктуривания почв (торфяный клей, вискоза и др.). Однако первые опыты в этом отношении оказались малоудачными. Предложенные клеи-цементы оструктуривали почву лишь на короткий срок (на год-два), а количество их для оструктуривания требовалось большое (десятки тонн на гектар). Поэтому в практику сельского хозяйства эти препараты не вошли.
Новое направление в решении этого вопроса определилось в два последних десятилетия, когда для оструктуривания почв были использованы полимеры, получившие собирательное название крилиумов.
Крилиумы - это в основном производные трех органических кислот: акриловой, метакриловой и малеиновой. Молекулы (первичные частицы) этих кислот и их производные обладают способностью, взаимодействуя между собой, образовывать цепочки (полимеры), в которые входят тысячи и даже миллионы отдельных простых молекул. Вещества эти растворимы в воде. Если их внести в почву порошком, тщательно перемешать с почвой и потом смочить ее водой, полимеры пропитают промоченный слой 1 . Взаимодействуя с почвенными частицами, они начнут свертываться, затвердевать и, словно цемент, скрепят почвенные частицы. В это время нужно выждать, пока почва подсохнет до оптимальной влажности, и разрыхлить ее так, чтобы создать структуру нужных размеров и оптимальной порозности (комковато-зернистую). При подсыхании почвы ее комки и зерна приобретут механическую прочность и водопрочность. Они будут устойчивы против распыления при обработке и против расплывания при дождях или поливах. Так в несколько дней можно оструктурить почву, которая при правильной ее обработке в последующем сохраняется 5-6 лет.
К настоящему времени в ряде стран предложены различные препараты полимеров, при испытаниях показавшие себя хорошими структурообразователями; например в США - препараты «Гипан», «Сепаран» и другие, в ГДР - «Вердикунк АН», в СССР - несколько препаратов, из которых наибольшей оструктуривающей способностью обладает полимер «К-4», предложенный лабораторией коллоидной химии Академии наук Узбекской ССР (рис. 53).
Использование полимеров для оструктуривания почв пока в сельскохозяйственном производстве весьма ограничено. Причина этого - высокая стоимость полимеров, необходимых сельскому хозяйству. Нужен специальный завод, изготавливающий их для целей сельского хозяйства. Когда препараты крилиумов будут изготавливаться не сотнями килограммов, а миллионами тонн, цена их снизится во много раз. Следует помнить, что крилиумы можно широко использовать для борьбы с водной и ветровой эрозией почв, для закрепления днищ и откосов на каналах, для борьбы с пылимостью на аэродромах и стадионах и в других целях.
Крилиумы нужно готовить гумусоподобными. Ведь гумусовые кислоты, особенно гуминовая и ульминовая, сами являются природными полимерами, чем и объясняется их высокая оструктуривающая роль в почве.
Кроме того, синтезируя крилиумы, нужно заботиться не только об оструктуривающей их роли, но и обеспечить им удобрительные качества. Названные полимерные препараты являются длительно действующими азотными удобрениями. Помимо этого, при синтезе необходимо вводить в них калий и фосфор. Соблюдая эти условия и внося полимеры в почву, мы будем не только оструктуривать ее, но и обеспечим полным удобрением - азотом, калием, фосфором.
Но пока крилиумы в широком масштабе для сельского хозяйства недоступны, нужно оструктуривать почву всеми другими, ранее описанными способами: культурная обработка почвы, использование травопольных севооборотов и др. Нужно всегда помнить, что структурная пашня на суглинистых и глинистых почвах - показатель культурности поля. Структурность почвы повышает урожай и делает его устойчивым.