ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ 2Л. Почва, ее образование и свойства

Выращивание растений и получение продуктов питания, кормов в земледелии связано с почвой как особым природным образованием.

Почва - это верхний слой земной коры, измененный длительным совместным воздействием растительных и животных организмов, климата, рельефа, производственной деятельностью человека, обладающий свойством плодородия и способностью создавать урожай произрастающих на нем растений. Почва - составная часть биосферы, она служит средой для выращивания растений, обеспечивает их водой, элементами питания и другими земными факторами. В почве накапливается и сохраняется в форме органического вещества преобразованная лучистая энергия солнца, которую используют растения и микроорганизмы. Растения дают пищу людям и животным, таким образом, почва обеспечивает поддержание, воспроизводство и дальнейшее развитие жизни на Земле.

Почва - основное средство производства в земледелии. В процессе хозяйственной деятельности с помощью удобрений, обработки, орошения человек изменяет свойства почвы, создает благоприятные условия для роста растений. Таким образом, почва является объектом приложения труда.

Образование почвы. Почва образуется из горных пород в результате длительного процесса их разрушения (выветривания) и превращения в новую субстанцию. Выветривание представляет собой совокупность процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под действием воды, воздуха, солнечного тепла, растений, животных и микроорганизмов. .

В результате выветривания горных пород происходит их разрушение, образование простых солей, вторичных глинистых минералов (каолинит, вермикулит, монтмориллонит и др.). Хорошие физические свойства рыхлой породы создают благоприятные условия для жизни бактерий, лишайников, водорослей, а затем и высших растений. В процессе выветривания образуется более или менее однородная масса с определенными физическими свойствами, которая называется материнской породой, на ее основе образуется почва.

Великий русский почвовед В.В. Докучаев определил, что почва как естественное тело является результатом совокупного влияния пяти природных факторов почвообразования', растительного и жи-

вотного мира, климата, почвообразующей материнской породы, рельефа и времени (возраста). Кроме того, мощным фактором почвообразования служит производственная деятельность человека, в ходе которой изменяются свойства почвы и ее плодородие.

Роль растительного и животного мира в почвообразовании исключительно велика. В основе почвообразования лежит биологический круговорот веществ, протекающий при участии зеленых растений и микроорганизмов почвы. Сущность его заключается в потреблении элементов питания, создании органического вещества, его разложении, образовании гумусовых веществ, в аккумуляции и освобождении в верхних слоях элементов зольного и азотного питания.

Высшие растения, обладая избирательной поглотительной способностью, извлекают из горной породы элементы зольного питания: фосфор, калий, кальций, серу, а также азот как продукт биохимической деятельности микроорганизмов. Используя воду, углекислый газ и солнечную энергию, растения синтезируют органическое вещество. С завершением жизненного цикла растения и микроорганизмы отмирают и обогащают верхние слои породы органическим веществом. При его минерализации под действием микроорганизмов происходит высвобождение энергии и элементов питания, которые используются другими поколениями растений.

Некоторая часть органического вещества превращается в гумус и аккумулируется в верхних горизонтах, таким образом, между растениями и почвообразующими породами происходит постоянный обмен зольными элементами и азотом. Этот обмен В.Р. Вильямс назвал малым биологическим круговоротом веществ, в ходе которого почвообразующая порода превращается в почву и приобретает новое свойство - плодородие.

Положительная роль растений в почвообразовании заключается в перераспределении по профилю питательных веществ, улучшении физических свойств и питательного режима почвы, защите от эрозии и т.д.

В почвообразовании исключительно велика роль бактерий, акти-номицетов, грибов, водорослей, лишайников. Они первыми поселяются на горной породе, связывают азот воздуха и оказывают большое влияние на биологический круговорот веществ.

Бактерии - в основном одноклеточные организмы. По способу питания их подразделяют на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии) усваивают углерод из углекислого газа и создают органическое вещество, используя световую или химическую энергию. Гетеротрофные бакте-

рии добывают углерод из органического вещества, разлагая и минерализуя его. К ним относят целлюлозоразлагающие, аммонифицирующие бактерии. Отдельные группы бактерий синтезируют ферменты, витамины, ускоряют биохимические реакции и повышают доступность растениям питательных веществ. Так, автотрофные бактерии окисляют в почве аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты. Этот процесс называют нитрификацией.

Большое значение в обогащении почвы биологическим азотом имеют азотфиксирующие бактерии. Они усваивают молекулярный азот воздуха и накапливают его в виде белковых соединений своего тела. К ним относятся аэробные бактерии (Azotobacter chroococum), которые живут в среде, обеспеченной кислородом, и анаэробные (Clostridium Pasterianum), живущие без доступа кислорода. В почве присутствуют и факультативные группы бактерий, развивающиеся как в присутствии кислорода, так и без него.

В почвообразовании значительная роль принадлежит животным организмам: червям, муравьям; позвоночным (сусликам, кротам, полевкам).

Перемещаясь в почве, они разрыхляют ее, перемешивают с растительными остатками, тем самым улучшая физические свойства. Черви и насекомые перерабатывают растительные остатки и обогащают почву гумусом.

Климат тоже влияет на почвообразование. Элементы климата: осадки, температура воздуха, ветер, приток солнечной радиации, испарение и другие метеорологические условия, - определяют водный и тепловой режимы почвы, а также направленность почвообразовательного процесса. Например, обилие осадков и умеренная температура в северных широтах приводят к глубокому промачива-нию почвенного профиля и выносу растворимых органических и минеральных соединений в глубокие горизонты или грунтовые воды. Это обусловливает большие потери из почвы ценных соединений и формирование почв с низким естественным плодородием.

В условиях сухого климата при высокой температуре воздуха и малом количестве осадков наблюдается интенсивное испарение воды с поверхности, что ведет к накоплению водорастворимых солей в верхних слоях и образованию засоленных почв.

Климат влияет и на характер растительности, накопление гумуса и процессы минерализации органического вещества.

Почвообразующие породы определяют минералогический, гранулометрический состав почв и их физические свойства. Рыхлые поверхностные слои горных пород, образующиеся в результате выветривания, из которых формируется почва, называют почвообразующими, или материнскими породами.

На территории России распространены следующие почвообразующие породы:

Ледниковые, или моренные, отложения представляют собой слабосортированный материал, состоящий из смеси глины, песка, щебня. Они могут быть песчаными, супесчаными, суглинистыми и глинистыми, реже встречаются карбонатные. Моренные отложения широко распространены в северной части европейской территории России и в Западной Сибири.

Водно-ледниковые наносы - отложения талых вод ледника, представлены чаще всего покровными суглинками и глинами. Озерноледниковые отложения образовались на дне приледниковых озер и приурочены к понижениям рельефа. Они представляют собой суглинистую породу, в которой чередуются слои песка и глины, поэтому их называют ленточными глинами и песками.

Лесс - карбонатные осадочные породы, в которых преобладают пылеватые частицы (0,05-0,01 мм). Лессовидные породы однородны по гранулометрическому составу, пористы и тонкозернисты, на таких породах формируются плодородные почвы.

Аллювиальные отложения представляют собой наносы речных вод в поймах.

Рельеф как фактор почвообразования влияет на перераспределение воды, мельчайших частиц почвы и солнечной энергии. Склоны южной экспозиции получают больше тепла, чем северные. Сток воды на склонах приводит к смыву почвы и питательных веществ. Неодинаковые условия увлажнения по элементам рельефа, разные тепловой и питательный режимы обусловливают формирование разнообразной растительности, а следовательно, разных по плодородию почв.

Возраст почв - важнейшая их характеристика. Образование почв определяется периодом, в течение которого происходит почвообразовательный процесс. Самые старые почвы образовались на территориях, которые раньше освободились ото льда и воды. Черноземы по возрасту считаются старше дерновоподзолистых почв. Наиболее молодые - тундровые почвы: их возраст составляет 5-10 тыс. лет.

Производственная деятельность человека целенаправленно изменяет свойства почвы и ее плодородие. Внесением удобрений, обработкой почвы, осушением болот, орошением человек регулирует водный, воздушный и питательный режимы, улучшает плодородие почвы.

Однако деятельность человека при бессистемном использовании земель может привести к потере плодородия. Вырубка лесов и распашка девственных степей вызывают усиление эрозии почвы, неправильное орошение способствует заболачиванию или засолению земель. Кроме того, наблюдается загрязнение почвы промышленными отходами. В связи с этим большое значение приобретает охрана почв и улучшение их свойств.

Строение почвенного профиля и состав почвы

Почва как физическое тело состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Твердая фаза представлена органическими и минеральными частицами и продуктами их взаимодействия; жидкая фаза

- водой и растворенными в ней веществами; газообразная - почвенным воздухом. Все три фазы находятся во взаимодействии и определяют свойства почвы.

В процессе почвообразования толща почвы расчленяется на генетические горизонты (слои) и приобретает присущие ей внешние морфологические признаки: строение почвенного профиля, мощность (толщина) почвы и отдельных ее горизонтов, окраска, гранулометрический состав, структура, сложение, новообразования и включения.

Строение почвенного профиля - это распределение по профилю сверху вниз генетических горизонтов, различающихся цветом, сложением, структурой и другими показателями и свойствами. Почвенные горизонты принято обозначать латинскими буквами:

А₀ - лесная подстилка, дернина, состоящая из органических остатков, как правило расположена на поверхности почвы;

Aj - перегнойно-аккумулятивный или гумусовый, горизонт с темной окраской. В нем накапливается наибольшее количество гумуса и питательных веществ;

А₂ - элювиальный или горизонт вымывания. Образуется в процессе разрушения минеральной части почвы и выноса продуктов разрушения в нижние горизонты. Он имеет более светлую окраску, чем горизонт А, и присущ подзолистым и дерново-подзолистым почвам;

В - иллювиальный горизонт вымывания, в нем аккумулируются вещества, вымытые из верхних горизонтов;

G - глеевый горизонт, который выделяют на заболоченных и переувлажненных почвах и в котором накапливаются закисные соединения железа, марганца, придающие ему сизоватую окраску;

С - материнская порода, слабо измененная почвообразовательным процессом.

Мощность почвы - толщина ее от поверхности до слабо затронутой почвообразованием материнской породы. Чем мощнее почва, тем лучше ее агрономические свойства. Мощность почвы находится в широком интервале: у подзолистых - 5-30 см, у черноземов

- 150-200 см. Мощность отдельного горизонта характеризуют средней его толщиной и указывают верхнюю и нижнюю границы: например, Aj (0-20 см).

Окраска почвы и ее горизонтов зависит от входящих в их состав соединений. Гумусовые вещества придают черный, темносерый цвет; оксиды кремния, соли углекислого кальция - светлый или серый цвет; оксид железа - красный.

Под гранулометрическим составом почвы понимают соотношение частиц минерального и органического происхождения различной величины, которые называют механическими элементами, В зависимости от гранулометрического состава, т.е. соотношения глинистой и песчаной фракции, почвы делятся на легкие (песчаные и супесчаные), средние (легко- и среднесуглинистые) и тяжелые (тяжелосуглинистые и глинистые). Близкие по размерам частицы объединяют во фракции, которые подразделяются на камни, песок, пыль и ил. Частицы крупнее 1 мм образуют каменистую часть почвы, или почвенный скелет; все частицы мельче 1 мм - мелкозем. Мелкозем состоит из физического песка и физической глины. Все механические элементы размером 1,0-0,01 мм называют физическим песком, а частицы меньше 0,01 мм - физической глиной. Частицы, размер которых меньше 0,1 мкм (0,0001 мм), относят к коллоидам.

Содержание в почве элементарных почвенных частиц различного размера (выраженное в % общей массы абсолютно сухой почвы) принято называть гранулометрическим составом.

Таблица 1

В основу классификации почв по гранулометрическому составу (табл. 1) положено содержание и соотношение физического песка и физической глины.

Если подзолистая почва содержит 18% физической глины и 82% песка, то она должна быть названа дерново-подзолистой супесчаной. При более подробной характеристике учитывают и другие фракции.

Агрономическая оценка механического состава зависит от генезиса почв и многих обусловленных им особенностей гумусового и структурного состояния, физико-химических и химических свойств. Н.А. Качинским разработана система оценки основных типов и подтипов почв на основе сопоставления данных по гранулометрическому составу и урожайности культур (табл.2).

Таблица 2

Примерная оценка гранулометрического состава почв для зерновых культур (по Н.А. Качинскому)

Химический состав почв определяется минералогическим составом почвообразующей породы. В почвах обнаружены почти все известные химические элементы, которые находятся в виде различных соединений. Наиболее распространены (в %): кислород -49; кремний - 33; алюминий - 7,13; железо - 3,8; кальций - 1,37; калий - 1,36; натрий - 0,63; магний - 0,63; сера - 0,085; фосфор -0,08; хлор - 0,01; марганец - 0,085. Основная масса азота в почве (0,1%) и углерода (2%) сосредоточена в органическом веществе и органоминеральных соединениях. В почве содержатся микроэлементы: бор, марганец, молибден, цинк, йод, кобальт, медь и др. Химический состав почв неоднороден и в процессе почвообразования изменяется.

Структурой почвы называются различные по величине и форме почвенные агрегаты, склеенные из почвенных частиц при помощи коагулированных коллоидов гумусовых веществ.

В зависимости от размера агрегатов различают глыбистую структуру (комочки размером более 10 мм), макроструктуру (0,2510 мм) и микроструктуру (менее 0,25 мм). Агрономически ценными считаются агрегаты размером 0,25-10 мм, а почва из агрегатов размером более 1 мм (50%) устойчива к эрозии. Структурные агрегаты, которые устойчивы к размывающему действию воды, принято называть водопрочными. Содержание их в пахотном слое дерново-подзолистых почв составляет 20-45%, черноземных - 6070, сероземов - 5-10 %.

Наиболее распространенными формами структурных агрегатов являются комковатая, зернистая, пылеватая и др. Так, для гумусовых горизонтов дерновых и черноземных почв характерна комковатая и зернистая структура, для иллювиальных горизонтов серых лесных и подзолистых почв - ореховатая, для солонцов - столбчатая. Структурные почвы характеризуются рыхлым сложением, они легко обрабатываются, хорошо поглощают и накапливают воду, вследствие чего на таких почвах меньше поверхностный сток. В структурных почвах складываются благоприятный водный, воздушный и питательный режимы, хорошие условия для роста растений, поэтому структурные почвы более плодородны, чем бесструктурные.

Пользуются обычно следующими качественными оценками структуры на основании количества агрегатов именно этого, агрономически ценного диапазона 10-0,25 мм:

- >60% - отличное агрегатное состояние;

- 60-40 - хорошее;

- <40% - неудовлетворительное;

Используют и так называемый коэффициент структурности

(К ):

' стр

к,

Е(Ю-0.25лш)

2 (> 10мм, < 0.25мм)

Как видим из приведенного выражения К , этот коэффициент также основан на количестве агрономически ценных агрегатов. Соответственно и диапазоны К , используемые для качественной оценки структуры, составляют:

- >1,5 - отличное агрегатное состояние;

- 1,5-0,67 - хорошее;

- <0,67 - неудовлетворительное.

Другим показателем структуры является ее устойчивость к внешним воздействиям, среди которых наиболее существенным является воздействие воды. Это чрезвычайно важно, так как почва должна сохранять свою уникальную комковатую зернистую структуру после обильных осадков и последующего легкого подсушивания. Это качество структуры называют водоустойчивостью. Характеризуют это качество структуры также с помощью просеивания на ситах в стоячей воде. Для этого предварительно (капиллярно) увлажненный почвенный образец переносят на верхнее сито (в данном случае это сито с диаметром отверстий 5 мм, сита 10 и 7 мм не используются, так как такого размера водоустойчивых агрегатов в естественных почвах практически не наблюдается). После легкого покачивания набора сит в воде с каждого из них смывают водоустойчивые агрегаты и после высушивания определяют их содержание. Как и в случае с ситовым анализом воздушно-сухих агрегатов, при «сухом» просеивании получают распределение содержания водоустойчивых агрегатов по их размерам (диаметрам).

Наилучшие агрономические свойства почв степной зоны складываются при размере агрегатов 0,25-3 мм, дерново-подзолистых -0,5-5 мм. При оценке противодефляционной устойчивости почв учитывают содержание агрегатов более 1 мм в слое 0-5 см. Важнейшими условиями агрономической ценности структуры являются ее водопрочность и пористость. Верхним пределом оптимального содержания водопрочных агрегатов ориентировочно можно считать 75(80)%, поскольку при более высоком содержании водопрочных агрегатов значительно возрастает пористость аэрации и непроизводительный расход влаги на физическое испарение (табл. 3).

Водопрочные агрегаты образуются при участии глинистых минералов и гумусовых веществ. Интенсивно процесс структурообразования происходит под луговой травянистой растительностью, а на пахотных землях- под многолетними травами, обогащающими почву органическим веществом.

Сложение почвы характеризуется взаимным расположением в пространстве почвенных частиц и агрегатов с образованием определенной пористости. Почва по сложению может быть рыхлой, рассыпчатой, плотной и очень плотной. Песчаные и супесчаные почвы имеют рассыпчатое сложение, суглинистые и глинистые хорошо оструктуренные -рыхлое сложение, а плотное присуще иллювиальным горизонтам тяжелых почв. Очень плотное сложение характерно для иллювиальных горизонтов глинистых бесструктурных почв и солонцов.

Новообразования представляют собой отложение и накопление в почве веществ, возникающие в процессе почвообразования. Новообразования химического происхождения включают соли гипса, углекислой извести (белоглазка, журавчики), гидроксиды железа, оксиды марганца (красно-бурые охристые пятна), SiCT (белесые пятна, прожилки), гумусовые потеки. Новообразования биологического происхождения встречаются в форме ходов червей, кротовин землероющих животных, сохранившихся следов сгнивших корней. К

включениям относят валуны, куски угля, обломки горных пород, кости животных, ракушки и др.

Органическое вещество почвы представлено неразложившимися остатками растений, микроорганизмов, животных и гумусом (перегноем). Гумусовые вещества — высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения кислотной природы, образующиеся при разложении и гумификации органических остатков. Они находятся во взаимодействии с минеральной частью почвы.

При увлажнении и достаточной аэрации органические остатки в почве разлагаются под действием микроорганизмов на промежуточные соединения. Так, белки расщепляются на аминокислоты, жиры - на глицерин и жирные кислоты, полисахариды - на моносахариды. Около 80% соединений минерализуется до конечных продуктов: Н,0, С0₂, N0₃, минеральных солей, которые могут использоваться растениями. Часть продуктов потребляется для питания гетеротрофных микроорганизмов и синтеза плазмы их клеток. Оставшиеся части продуктов разрушения и микробного синтеза взаимодействуют между собой и в результате сложных реакций превращаются в гумусовые вещества. Этот процесс называют гумификацией, он происходит одновременно с разложением и минерализацией органического вещества.

В состав гумуса входят гуминовые кислоты и фульвокислоты, а также негумусовые органические вещества (белки, углеводы, лигнин и т.п.), продукты их разложения (аминокислоты, сахара, фенолы, спирты).

Гуминовые кислоты - это темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие гумусовые кислоты, растворимые в щелочах и нерастворимые в кислотах. В их состав входят: углерод (52-62%); кислород (31-39%); водород (2,8-5,8%); азот (1,7-5%); а также фосфор, сера, железо, алюминий. Эти кислоты нерастворимы в воде и находятся в почве в виде органо-минеральных соединений или осадка (коллоидов). При взаимодействии с катионами образуются соли: гуматы Са²⁺, Mg²⁺, А1³⁺ хорошо закрепляются в почве; гуматы К⁺, NH₄⁺, Na⁺ растворимы в воде и легко вымываются.

Фульвокислоты - светлоокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие гумусовые кислоты. В их состав входят: углерод - 4052%, кислород - 42-52, водород - 4-6, азот - 2-6%. Фульвокислоты растворимы в воде, в растворах кислот и щелочей. При взаимодействии с катионами образуют соли - фульваты, большая часть которых растворима в воде. Обладая кислой реакцией (pH 2,6-2,8), они разрушают минеральную часть почвы, усиливая процесс подзолообразования.

Соотношение гуминовых и фульвокислот определяет потенциальное плодородие почв. В черноземных почвах преобладают гуми-новые кислоты, в подзолистых - фульвокислоты.

Органическое вещество оказывает влияние на все свойства и режимы почв и определяет уровень их плодородия. Оно является основным источником азотного, фосфорного и углеродного питания растений. В нем заключены 98% запасов всего почвенного азота, 80% серы, 60% фосфора и ряд других зольных элементов. Гумусовые вещества, благодаря клеящим свойствам, способствуют образованию водопрочной структуры почвы, улучшают ее влагоемкость, водные и воздушные свойства. В них есть физиологически активные вещества, стимулирующие рост растений.

Содержание гумуса в почвах колеблется в широких пределах: 1,5-3% в дерново-подзолистых, 3-4% в серых лесных, 4-10% в черноземах, 1,5-3,5% в каштановых, 2-3% в сероземах.

Содержание гумуса в почве увеличивается благодаря внесению органических удобрений, посеву многолетних, особенно, бобовых трав, известкованию кислых почв, осушению переувлажненных земель, орошению в степных районах, уменьшению количества обработок на легких и средних почвах.

Поглотительные свойства почвы

Свойство почвы поглощать из раствора и удерживать жидкости, газы, соли и твердые вещества, приходящие в соприкосновение с ней, называют поглотительной способностью. Она обусловлена содержанием в почве мельчайших частиц - коллоидов размером менее 0,0001 мм. Коллоиды состоят из органических, минеральных и органоминеральных соединений. В виде коллоидов представлена основная масса органического вещества. Коллоидные фракции входят в состав глины, ила и обладают большой поглотительной способностью. Совокупность коллоидов и частиц, обладающих способностью поглощения, называют почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Выдающийся русский ученый К.К. Гедройц выделил следующие виды поглотительной способности: биологическую, механическую, химическую, физическую и физико-химическую.

Биологическое поглощение - это потребление растениями и микроорганизмами из почвы и воздуха различных веществ (углерода, азота, калия, серы, кальция, фосфора и др.) и закрепление их в телах организмов. После отмирания растений и микроорганизмов происходит минерализация органического вещества, высвобождение поглощенных элементов и последующее их использование другими поколениями организмов. Часть веществ превращается в гумус. Бла-

годаря этому элементы питания вместе с гумусом аккумулируются в верхних горизонтах почв в форме органического вещества и предохраняются от вымывания. Биологическое поглощение - основное средство закрепления нитратного азота в почве.

Механическое поглощение - свойство почвы задерживать из суспензии частицы твердого вещества. При фильтрации раствора через почву в ней задерживаются лишь частицы, диаметр которых больше размера почвенных пор. Величина поглощения зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Сильнее поглощают взвеси глинистые и суглинистые почвы. Благодаря механической поглотительной способности в почве задерживаются илистые и коллоидные частицы, а вместе с ними и питательные вещества удобрений.

Химическое поглощение связано со способностью анионов растворимых солей образовывать с катионами (кальция, алюминия, железа) нерастворимые и труднорастворимые в воде соединения, выпадающие в осадок и закрепляющиеся в почве. Химическое поглощение снижает, например, доступность растениям фосфора. Так, при внесении водорастворимого суперфосфата на кислых почвах, содержащих полутораоксиды, происходит образование труднорастворимых фосфатов железа и алюминия (А1Р0₄ и FeP0₄).

Физическое поглощение (адсорбция^ - свойство твердой фазы почвы поглощать и удерживать на поверхности частиц молекулы газов, воды и органических веществ. Адсорбция обусловлена свободной поверхностной энергией мелкодисперсных частиц. Физически могут поглощаться аммиак, углекислый газ, соли, органические кислоты, а также коллоиды благодаря коагуляции. Физическое поглощение позволяет, например, уменьшить потери аммиака из почвы при осеннем внесении жидких аммиачных удобрений.

Физико-химическое (обменное) поглощение - способность почвы поглощать из раствора ионы различных диссоциированных веществ. Оно основано на реакции обмена катионов диффузного слоя коллоидов на катионы почвенного раствора. Так как большая часть почвенных коллоидов заряжена отрицательно, они поглощают из раствора положительные ионы. В поглощенном состоянии могут быть Са²⁺, Mg²⁺, ТГ, Al³⁺, Na⁺, К⁺ и др. Эти катионы обмениваются на другие катионы, находящиеся в растворе. Обмен катионов происходит строго эквивалентно. Реакция катионного обмена обратима. Схему реакции обмена на кислых дерново-подзолистых почвах можно представить в следующем виде:

[ППК]Н⁺+КС 1^[ППК-]К⁺+НС 1

Интенсивность поглощения зависит от свойств катионов и адсорбента, концентрации растворов. По интенсивности поглощения

катионы располагаются в следующий ряд: Na⁺ < NH₄⁺ < К⁺, Mg²* < Ca^2f<H⁺<Ba^<Al³⁺.

Суммарное количество обменных кагаонов, которое способна поглотить почва из солевого раствора, называют емкостью обменного поглощения катионов. Она выражается в миллиграмм - эквивалентах (мг-экв.) на 100 г сухой почвы. Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почвы и зависит от гранулометрического и минералогического состава почвы, ее реакции, а также от содержания в ней коллоидов и гумуса. Так, у песчаных и супесчаных почв она составляет 5-10, у дерново-подзолистых и суглинистых

- 15-20, у суглинистых черноземов - 50-60 мг-эквЛ 00 г почвы.

Большое влияние на свойства почвы и ее плодородие оказывает состав поглощенных катионов. Двухвалентные катионы Са²⁺, Mg²* коагулируют органические и минеральные коллоиды, способствуют оструктуриванию (склеиванию частиц) почв и поддержанию в них нейтральной реакции, при этом создаются благоприятные для растений условия питательного, воздушного и других режимов.

Насыщение почвы одновалентными катионами приводит к диспергированию (разрушению) коллоидов и уменьшению водопрочной структуры.

Поглощенные ионы водорода и алюминия обусловливают потенциальную кислотность почвы. Она определяется путем обработки почвы раствором нейтральной соли (КС1 или ВаС1₂) и выражается символом pHjg. Присутствие же ионов водорода в почвенном растворе в свободном состоянии характеризует актуальную кислотность. Концентрацию ионов Н⁺ в растворе выражают в г/ионах на 1 л и условно обозначают символом pH. Считается, что если pH равно 7, то почва имеет нейтральную реакцию, менее 7 - кислую, а более 7

- щелочную. Устраняют кислотность внесением извести, а щелочность - гипсованием.

В зависимости от состава обменных катионов различают почвы насыщенные основаниями (черноземы, каштановые, сероземы) и ненасыщенные (дерново-подзолистые, болотные, красноземы). В ППК насыщенных основаниями почв преобладают катионы Са²*, Mg²⁺, Na⁺ и отсутствуют ионы Н⁺ и А1³*. Среди поглощенных катионов у не насыщенных основаниями почв, кроме кальция и магния, находятся ионы водорода и алюминия, а в солонцах - натрия. В таких почвах снижается водопрочность агрегатов, меньше накапливается гумуса и питательных веществ, они сильнее уплотняются и подвергаются эрозии.

Ионы натрия придают почве щелочность и разрушают ее структуру, поэтому солонцы обладают неблагоприятными физическими

свойствами: сильной набухаемостью, вязкостью при увлажнении, а в сухом состоянии - и твердостью.

От состава обменных катионов зависит и буферность - способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора. Почвы, насыщенные основаниями (черноземы, дерновокарбонатные), обладают высокой буферностью, поэтому на таких почвах можно вносить физиологически кислые удобрения без риска подкисления почвы. На малобуферных песчаных почвах при внесении кислых минеральных удобрений возможно подкисление, что требует дополнительной нейтрализации с помощью извести.

Общие физические и физико-механические свойства почвы определяют физическое ее состояние, взаимодействие с факторами жизни растений (водой, теплом и др.) и отношение к внешним механическим воздействиям. К таким свойствам относят: плотность почвы, плотность твердой фазы почвы, пористость, удельную поверхность, строение пахотного слоя и др.

Плотность твердой фазы - это отношение массы твердой фазы сухой почвы (почвенных частиц) определенного объема к массе того же объема воды при температуре 4°С:

где p_s- плотность твердой фазы почвы (г/см³); гп. - масса твердой фазы почвы (г); V_s - объем твердой фазы (см³).

Плотность твердой фазы большей части минеральных почв составляет 2,4-2,8 г/см³, торфяных - 1,4-1,8 г/см³. Она зависит от количества гумуса и минералогического состава почвы.

Плотность почвы - это отношение массы абсолютно сухой почвы, взятой без нарушения природного сложения, к ее объему. Она характеризует плотность сложения почвы и степень ее рыхлости. Плотность почвы рассчитывают по формуле:

где р_ь- плотность почвы (г/см³, кг/м³); m_s - масса твердой фазы почвы определенного объема (г, кг); V - объем почвы (см³, м³) ненарушенного сложения.

Для гумусовых горизонтов плотность равна 0,9-1,3 г/см³, с глубиной возрастает до 1,60-1,80 г/см³. В торфяных почвах этот показатель равен 0,2-0,5 г/см³.

Под действием естественных факторов почва уплотняется до определенного состояния, которое характеризуется равновесной

плотностью. Она служит диагностическим показателем необходимости механической обработки почвы.

Благоприятные условия для роста зерновых культур и трав складываются в том случае, если почва имеет плотность 1,20-1,35 г/см³, а для пропашных - 1,0-1,2 г/см³ (табл. 4).

Таблица 4

Величина плотности сказывается на всем комплексе почвеннофизических условий: на водном, воздушном и тепловом режимах. Поэтому информативность этого показателя дает возможность широкого применения плотности как при почвенно-генетических исследованиях, так и для агротехнической и почвенно-мелиоративной оценки почв. Оптимальные параметры плотности необходимы для оценки устойчивости сложения пахотного слоя почв, при разработке различных агротехнических приемов и зональных систем земледелия, для оценки работы сельскохозяйственных орудий, при изучении вопросов окультуривания почв, уплотняющего воздействия техники на почву и т.д.

Пористость общая - суммарный объем пор между почвенными частицами и комочками почвы, выраженный в процентах к общему объему почвы. Рассчитывается по данным о плотности почвы

(р_ь) и твердой фазы почвы (р_:):е = 1-.Pl (см³/см³).

Р,

Н.А, Качинский (1985) предложил выделять следующие диапазоны по порозности почвы (порозность почв в %):

- отличная (культурный пахотный слой) - 65-55;

- удовлетворительная для пахотного слоя - 55-50;

- неудовлетворительная для пахотного слоя - <50;

- чрезмерно низкая - 40-25.

Весьма важной агрофизической оценкой является порозность аэрации - (синоним - воздухосодержание) - содержание в почве почвенного воздуха или разница между общей порозностью и объемной влажностью почвы: е .= с - в. Выражается в % от объема почвы. Критические значения порозности аэрации наступают при величинах <10%, в этих условиях начинают доминировать анаэробные процессы, снижается рост корней большинства сельскохозяйственных растений.

Общая пористость подразделяется на капиллярную и некапиллярную. Капиллярная пористость - объем всех мельчайших пор (менее 0,1 мм), заполняемых водой. Более крупные поры, которые заполнены воздухом при этой же влажности, называют некапиллярными. Они обеспечивают растения и микроорганизмы почвы воздухом. Капиллярные поры сосредоточены большей частью внутри почвенных агрегатов и удерживают доступную растениям воду. Самые благоприятные условия увлажнения и воздухообеспеченности складываются в почве при соотношении капиллярной и некапиллярной пористости 1:1, т.е. если пористость аэрации составляет половину общей (табл.5).

Таблица 5

Оценка плотности и пористости суглинистых и глинистых почв в вегетационный период (по Н.Л. Качинскому)

Для характеристики воздушного и водного режимов почв важно не только количество, но и качество пор, а также их соотношение. Под строением почвы пахотного слоя понимают соотношение объемов, занимаемых твердой фазой, капиллярными и некапиллярными порами. Оптимальным для большей части культур считается строение почвы пахотного слоя, при котором общая пористость составляет 55%, капиллярная - 30%, некапиллярная - 25%. В зависимости от зональных условий это соотношение может изменяться.

Водные свойства и водный и режим почвы очень важны для растений. К водным свойствам относят водоудерживающую, водопропускную и водоподъемную способность почвы.

Максимальная гигроскопическая влажность (МГ) - влажность почвы, устанавливающаяся при помещении почвы в атмосферу с относительной влажностью воздуха 98%, выражается в % от массы абсолютно сухой почвы и недоступна растениям.

Влагоемкость почвы - величина, количественно характеризующая способность почвы к удерживанию влаги. Различают наименьшую влагоемкость (НВ, синонимы: предельная полевая, полевая, общая); полную влагоемкость (синоним - водовместимость); капиллярную влагоемкость (КВ), влажность разрыва капиллярной связи (ВРК); влажность завядания (ВЗ) и максимальную гигроскопическую влажность (МГ).

Влажность завядания растений (ВЗ) - влажность почвы, при которой растения не могут брать воду из почвы и, теряя тургор, необратимо (даже при помещении в насыщенную парами воды атмосферу) завядают.

Наименьшая влагоемкость (НВ) - это установившаяся после стекания избытка воды влажность предварительно насыщенной почвы; достигается, как правило, через 2-3 дня после интенсивного дождя или полива.

Капиллярная влагоемкость (КВ) - количество влаги в почве, удерживаемое капиллярными силами в зоне капиллярной каймы грунтовых вод («капиллярно-подпертая влага»).

Полная влагоемкость (водовместимость, ПВ) - наибольшее количество воды, содержащееся в почве при полном заполнении всех пор и пустот, за исключением занятых «защемленным» и адсорбированным воздухом.

Влагоемкость почв оценивается с учетом их гранулометрического состава (табл. 6).

Водопропускная способность - это способность почвы как пористого тела впитывать и фильтровать через себя жидкую воду. Она характеризуется водопроницаемостью почвы и выражают в мм/мин или мм/ч. Наибольшей водопроницаемостью обладают хорошо оструктуренные почвы, а также песчаные и супесчаные.

Водоподъемная способность почвы - это свойство почвы как пористого тела осуществлять подъем воды по капиллярам. Высота и скорость подъема зависят от количества и диаметра капилляров. Наиболее высокий капиллярный подъем наблюдается в суглинистых почвах и достигает 3-4 м.

Совокупность поступления влаги в почву, передвижения и расходования ее называют водным режимом. Основные источники поступления воды в почву: атмосферные осадки, грунтовые воды при неглубоком их залегании и конденсация парообразной влаги из атмосферного воздуха.

Поступившая вода расходуется на поверхностный, внутрипочвенный сток, испарение с поверхности почвы и растениями (транспирацию).

Отношение суммы осадков за год к величине испаряемости воды с открытой водной поверхности принято называть коэффициентом увлажнения (КJ. Он характеризует увлажненность и тип водного режима территории.

Промывной тип водного режима преобладает в таежно-лесной зоне, где годовая сумма осадков превышает испаряемость (К>1). Периодически промывной тип характерен для почв лесостепной зоны (К = I). непромывной - для степной зоны (К_; < 1). В районах,

где годовая испаряемость значительно превышает сумму осадков, создается выпотной тип водного режима.

По коэффициенту, предложенному Н.Н. Ивановым, увлажнение различных зон оценивается как: 0,1 - ничтожное (пустыня); 0,1-0,2 - скудное (полупустыня); 0,2- 0,3 - слабое (сухая степь); 0,3-0,5 - недостаточное (южная степь); 0,5-0,7 - неустойчивое (северная степь); 0,7-0,9 - умеренное (лесостепь).

Воздушные и тепловые свойства почвы зависят от сложения и оструктуренности почвы, количества воды в ней. Важнейшими воздушными свойствами почвы являются воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость почвы характеризуется объемом некапиллярных пор при влажности, соответствующей предельной полевой (наименьшей) влагоемкости. В течение вегетации эта величина быстро изменяется. С увеличением некапиллярной пористости и уменьшением в почве влаги воздухоемкость увеличивается. При содержании воздуха менее 15% объема почвы урожайность культур резко снижается.

Воздухопроницаемость - способность почвы пропускать через себя воздух. Она определяется некапиллярной пористостью. В структурных и рыхлых почвах газообмен идет интенсивно, а в почвах с плотным сложением, перенасыщенных влагой или покрытых почвенной коркой, этот процесс затруднен или прекращается.

Интенсивность аккумуляции и передачи тепловой энергии почвой определяется ее тепловыми свойствами: теплоемкостью, теплопроводностью, температуропроводностью и др.

Теплоемкость - способность поглощать тепло, определяется количеством тепла в ккал или Дж, необходимым для нагревания единицы веса (1 г) или объема (1 см³) почвы на 1°С. Соответственно различают весовую и объемную теплоемкость. Глинистые почвы вследствие высокой влаго- и теплоемкости медленно нагреваются, поэтому их называют «холодными», а песчаные - «теплыми». Влажные почвы медленнее прогреваются и охлаждаются, сухие - быстрее.

Теплопроводность - способность проводить тепло, измеряемое количеством тепла в ккал или Дж, которое проходит в 1 секунду через 1 см³ почвы слоем 1 см. Теплопроводность твердой фазы почвы примерно в 100 раз больше, чем воздуха, и в 28 раз больше, чем воды. Сухие высокогумусированные почвы плохо проводят тепло, сырые, глинистые, солонцеватые отличаются повышенной теплопроводностью.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температуры при наличии перепадов температур и измеряется из-

менением температур в 1 см³ почвы вследствие поступления тепла за 1 секунду через 1 см³ поперечного сечения при разности температур, равной 1°С на расстоянии 1 см.

Физико-механические свойства почвы: связность, пластичность, липкость, набухание, усадка - имеют значение при механической обработке, так как от них зависит удельное сопротивление почвы орудиям обработки. Помимо стабильных во времени гранулометрического и минералогического состава, содержания гумуса, состава обменных оснований, эти свойства сильно зависят от очень динамичной характеристики - влажности

Связность - способность почвы противостоять механическому воздействию на разъединение агрегатов. Она зависит от силы сцепления частиц. Наибольшей связностью обладают почвы тяжелые, уплотненные, пересохшие.

Пластичность - способность почвы под воздействием внешних сил изменять и сохранять приданную ей форму. Наиболее высокая пластичность присуща глинистым почвам, менее пластичны супесчаные и песчаные почвы. Пластичность сильно возрастает с повышением содержания набухающих минералов в почвах, особенно солонцовых. Наибольшей пластичностью отличаются глинистые солонцы, содержащие обменного натрия 25-30% и более от емкости поглощения. Пластичность уменьшается при высоком содержании гумуса.

Липкость - способность почвы прилипать к орудиям обработки. Глинистые бесструктурные почвы, а также насыщенные натрием (солонцы) отличаются сильной липкостью. Прилипание увеличивается с повышением влажности почвы. Увеличение степени насыщенности почв кальцием снижает липкость, натрием -резко увеличивает. Наименьшей липкостью обладают песчаные почвы, наибольшей - глинистые. Высокогумусированные почвы даже при высоком увлажнении (30-40%) не проявляют липкости. По липкости почвы подразделяются на предельно вязкие (более 15 г/см²), сильновязкие (5... 15 г/см²), средние по вязкости (2-5 г/см²), слабовязкие (менее 2 г/см²). Состояние влажности, при которой почва не прилипает к орудиям обработки и хорошо крошится, называется физической спелостью почвы.

Набухание - способность почвы увеличиваться в объеме вследствие увлажнения. Оно свойственно почвам с большим содержанием органического вещества, насыщенных натрием, а также тяжелым (глинистым) почвам с большим количеством коллоидных частиц.

Усадка - процесс, обратный набуханию, проявляющийся при высыхании. При изменении объема почвы могут образовываться

трещины, а также происходить разрывы корней, выпирание узла кущения и другие неблагоприятные для растений явления.

Способность к набуханию и усадке различных почв изменяется пропорционально содержанию глинистых, и особенно коллоидных частиц, минералов монтмориллонитовой группы, органических коллоидов, и сильно возрастает с повышением содержания обменного натрия. Сильное набухание при высокой влажности вызывает разрушение почвенной структуры.

Твердость почвы (или сопротивление пенетрации) - сопротивление почвы внедрению в нее зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра, измеряется в кПа или других единицах давления. Она определяется специальными приборами (твердомерами), которые измеряют силу проникновения в почву штампа известной формы. Измеряя силу и зная величину площади проникновения штампа, рассчитывают твердость или сопротивление пенетрации в единицах давления. Твердость почвы зависит от влажности. В песчаных и хорошо оструктуренных почвах по мере подсыхания наблюдается максимум твердости, а при дальнейшем иссушении она убывает, так как почва распадается на отдельные песчинки или агрегаты. В бесструктурной почве или почве с призматической структурой твердость возрастает при уменьшении влажности практически линейно. Твердость также зависти от таких свойств, как гранулометрический и агрегатный состав почвы. При высоких значениях этого показателя часто заметно снижается всхожесть семян и оказывается значительное механическое сопротивление развивающейся корневой системе растений, изменяется водный, воздушный и тепловой режимы почвы, что отрицательно влияет на развитие самих растений. Кроме того, твердость почвы оказывает большое влияние на тяговое сопротивление при движении машин и орудий.

Плодородие почвы и пути его регулирования

Важнейшим качественным признаком почвы, отличающим ее от горной породы, является плодородие. Под плодородием понимают совокупность свойств почвы, ее качественных и количественных показателей, обеспечивающих оптимальные почвенные условия жизни растений: водный, воздушный, тепловой и пищевой режим, благоприятную физико-химическую и экологическую среду. Плодородие - это сложное свойство почвы, оно зависит от интенсивности превращения, аккумуляции и обмена веществ энергии между растениями, почвой и окружающей средой.

Каждой почве, находящейся в земледельческом пользовании, присуще естественное, искусственное, эффективное и потенциальное плодородие.

Естественным (природным^-) называют плодородие, которое создается под действием только природных факторов почвообразования. Оно зависит от минералогического и гранулометрического состава почв, их биологических, физических и химических свойств, климата, содержания в почве элементов питания.

В процессе сельскохозяйственного производства человек воздействует на почву с помощью удобрений, обработки, севооборота, различных мелиораций и таким образом создает искусственное плодородие. На естественное плодородие накладывается искусственное, которое дополняет его. Эти два вида плодородия в совокупности и во взаимосвязи формируют эффективное плодородие.

Эффективное плодородие определяется наличием в почве доступных для растений питательных веществ, азота, воды, кислорода, необходимых для роста и развития растений. Оно определяет величину формируемого урожая.

Под потенциальным понимают плодородие, которое характеризуется общим (валовым) запасом гумуса и питательных веществ, формами их соединений, взаимодействием всех свойств и режимов почвы, которые могут быть использованы растениями для формирования максимального урожая. Потенциальное плодородие почвы -это уровень ее богатства и надежности, оно предопределяет возможности приложения труда и материальных средств общественного производства.

Плодородие почвы можно прогрессивно повышать, воздействуя на все факторы жизни растений и улучшая водный, воздушный и питательный режимы.

В процессе сельскохозяйственного использования почвы человек изменяет ее свойства и плодородие. Улучшение агрономических свойств почвы под воздействием агротехнических мероприятий (удобрений, мелиораций, обработки и др.) называют ее окультуриванием.

При земледельческом использовании почв различают простое и расширенное воспроизводство плодородия. Если применяемый комплекс агротехнических мероприятий позволяет поддерживать баланс гумуса, питательных веществ и всех свойств и режимов почвы на одном и том же уровне, то мы имеем дело с простым воспроизводством плодородия. Освоение зональных систем земледелия, включающих применение органических и минеральных удобрений, специализированных севооборотов с промежуточными культурами,

энергосберегающих технологий обработки почвы, орошения и других мероприятий, позволяет обеспечивать положительный баланс гумуса и питательных веществ. Все эти воздействия на почву приводят к увеличению эффективного и потенциального плодородия, устойчивому росту урожаев, а следовательно, и к расширенному воспроизводству плодородия почв.

Уровень плодородия и степень окультуренности почвы определяют по биологическим, агрофизическим и агрохимическим показателям. К биологическим показателям относят содержание и состав органического вещества в почве, наличие в ней полезной микрофлоры, отсутствие семян и вегетативных органов размножения сорняков, а также возбудителей болезней и вредителей культурных растений. Агрофизическими показателями плодородия и окультуренности почвы являются гранулометрический состав почвы, мощность пахотного слоя, содержание в почве водопрочной структуры, строение пахотного слоя почвы и др. К агрохимическим показателям относятся содержание в почве питательных веществ, реакция почвенной среды (pH), поглотительная способность почвы, а также отсутствие в ней токсичных для растений солей закисных соединений марганца, железа, алюминия.