Агрофизические факторы плодородия

Лекция 4

Тема - Агрофизические факторы плодородия

План

1. Общие физические и физико-механические свойства почвы.

2. Факторы создания и улучшения водопрочности структуры почвы.

Общие физические и физико-механические свойства

Общие физические свойства почвы подразделяют на плотность твердой фазы, плотность и пористость.

Почва состоит из твердой фазы, жидкой и газообразной.

Твердая фаза состоит из минеральных, органических и органоминеральных частиц. Жидкая и газообразная фазы заполняют поры, которые бывают капиллярными и некапиллярными. Капиллярные поры отличаются свойством удерживать воду менисковыми силами и характеризуют капиллярную влагоемкость почвы. Некапиллярные поры заполняются воздухом и хорошо пропускают воду, которая перемещается в них под действием гравитационных сил.

Рекомендуемые материалы

Следовательно, объем почвы с ненарушенным строением (V) включает: объем твердой фазы (V₁), объем общей скважности (V₂), который состоит из капиллярных пор (V₄) и некапиллярных (V₃).

                                              В силу этого плотность твердой фазы почвы (d) -

                  V₃               V₂     это отношение массы (В) – ее твердой фазы к массе

  V             V₄                                   воды в том же объеме:

                  V_{1                                     d =}     ____B____    .

                                                                              V₁

Эта величина зависит от минерального состава и содержания органических компонентов. Плотность твердой фазы почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см³. Бедные органическим веществом дерново-подзолистые почвы имеют плотность твердой фазы 2,65-2,7. Плотность твердой фазы черноземов в верхних горизонтах 2,4-2,5, что обусловлено богатством гумуса. В подгумусовых горизонтах ее величина возрастает до 2,55 г/см³.

Плотность почвы или объемная масса (d₀) – масса абсолютно сухой почвы, находящейся в естественном состоянии, в единице объема (d₀=В/V). В отличие от плотности твердой фазы при определении плотности почвы, измеряемой в г/см³, массу почвы узнают по величине единицы объема со всеми порами. Поэтому показатели плотности почвы всегда меньше аналогичных показателей ее твердой фазы. Плотность пахотных почв колеблется от 0,9 до 1,4 г/см³. Пахотный слой почвы рыхлый имеет плотность до 1,15; плотный – 1,15-1,35; очень плотный – свыше 1,35 г/см³.

На плотность почвы большое влияние оказывает механическая обработка (табл. 4).

Таблица 4

Плотность почвы выщелоченных черноземов, г/см³, 0-30 см слой

Наименьшая плотность почвы сразу после ее обработки. Перед посевом озимой пшеницы она колеблется по вариантам обработки от 1,08 до 1,17 г/см³. Отвальная вспашка и фрезерование придают почве более рыхлое сложение, чем плоскорезное рыхление и дискование. В течение вегетации растений плотность почвы увеличивается под действием сельскохозяйственных машин и орудий, осадков, и перед основной обработкой она имеет плотное сложение: 1,20-1,29 г/см³. После какого-то срока почва приобретает постоянную плотность, которая практически не изменяется в естественном состоянии. Такая плотность называется равновесной. Величина равновесной плотности почвы – важнейшая характеристика условий роста и развития растений. Она, прежде всего, указывает на необходимость воздействия на почву с целью регулирования ее агрофизических свойств. Для большинства культурных растений оптимальная плотность 1,0-1,25 г/см³. Отклонение от оптимальной величины плотности в любую сторону приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Пористость или скважность – это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Она выражается в процентах от общего объема почвы, (%). Согласно шкале Н. А. Качинского, отличное строение пахотного слоя почвы – 55-65 % общей пористости и 45-35 % твердой фазы.

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы, некапиллярная – объему крупных пор. Соотношение объемов капиллярных и некапиллярных пор определяет водно-воздушные свойства почвы, ее водопроницаемость, влагоемкость, испаряемость и аэрацию. Если объем капиллярных пор близок к общей пористости, то такая почва будет плохо проницаемой для воды и воздуха, что вызывает сток или застой воды. Такая вода препятствует проникновению в почву воздуха, затрудняет дыхание корней и аэробных микроорганизмов. Весной и в послеуборочный летне-осенний период, когда почва имеет высокую влажность, действует капиллярный механизм передвижения влаги. С момента разрыва капиллярной связи наступает диффузно-конвекционный механизм передвижения воды.

К физико-механическим свойствам почвы относятся: пластичность, липкость, усадка, связность, физическая спелость.

Пластичность – свойство почвы изменять свою форму под влиянием внешней силы без нарушения сложения и сохранить приданную форму после устранения этой силы. Она зависит от механического, химического составов, состава обменных катионов и проявляется при определенном диапазоне влажности, характеризующем верхний и нижний пределы или границы пластичности. В сухом и переувлажненном состоянии почвы не обладают пластичностью.

Липкость – способность почвы прилипать к различным поверхностям. Она увеличивает тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий, ухудшает качество обработки почвы. С повышением дисперсности почвы, ухудшением структуры, утяжелением механического состава липкость почв увеличивается.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Наиболее набухаемы глинистые почвы, содержащие поглощенный натрий.

Усадка – уменьшение объема почвы при высыхании. Чем больше набухание, тем больше усадка почвы.

Связность почвы – способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Она вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления зависит от механического, минерального составов почвы, ее структуры, влажности.

Физическая спелость – состояние почвы, при котором в процессе механической обработки она хорошо крошится и не прилипает к орудиям обработки. За пределами физической спелости почва обрабатывается плохо, процесс обработки требует большого тягового усилия, больших затрат труда, времени и средств. Поэтому почву надо обрабатывать только в момент физической спелости. Агротехнически допустимый интервал влажности спелой среднесуглинистой почвы черноземов 15-24 % (табл. 5).

Таблица 5

Границы влажности среднесуглинистых почв, обеспечивающие качество

обработки, % от массы абсолютно сухой почвы

При вспашке черноземной почвы с влажностью выше 25% хорошего крошения добиться нельзя, пласт замазывается, быстро высыхает. При подготовке такой почвы  к посеву требуется дополнительная обработка, чтобы создать мелкокомковатый агрегатный состав. Почву влажностью ниже 13 % также обрабатывать нельзя, так как создаются крупные глыбы, которые требуется раскрошить последующими многократными поверхностными обработками. В этих случаях почва также распыляется и при выпадении осадков образуется корка.

В отличие от черноземов каштановые солонцеватые почвы имеют более

узкий интервал оптимальной влажности вследствие невысокого содержания гумуса и неудовлетворительного структурного состояния. Поэтому весеннюю  обработку этих почв можно проводить при влажности от 13 до 20 %, то есть в сжатые сроки, а запаздывание с ней резко ухудшает технологические свойства почв.

Структурные почвы имеют больший процент гумуса и катионов кальция в почвенном поглощающем комплексе, что обеспечивает более широкий интервал оптимальной влажности почвы для ее обработки. У глинистой почвы физическая спелость находится в интервале влажности более узком, чем у суглинистой и супесчаной.

Благоприятные физические и физико-механические свойства в большинстве случаев отмечаются в почвах среднего гранулометрического состава. Гранулометрический состав почв учитывается при их бонитировке. Значение гранулометрического состава зависит от соотношения отдельных фракций.

Твердая фаза почвы состоит из различных механических элементов. Они представлены обломками горных пород, минералами, гумусовыми и органо-минеральными соединениями. Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией механических элементов. Выделяют следующие фракции: более 3 мм – камни; от 3 до 1 мм – гравий; от 0,05 до 1 мм – песок крупный, средний и мелкий; от 0,05 до 0,001 мм – пыль крупная; от 0,001 до 0,0001 – ил; менее 0,0001 – коллоиды. Каждая фракция по-разному влияет на свойства почвы. С уменьшением размеров фракций изменяются их свойства и действие на плодородие почвы. Особенно сильно это проявляется на границе больше 0,01 мм и меньше 0,01 мм. В этой связи все механические элементы делят на две большие группы: больше 0,01 мм – физический песок и меньше 0,01 мм – физическая глина. При таком рассмотрении твердой фазы почвы гранулометрическим составом называется относительное содержание песка и глины, выраженное в процентах. Песок обладает высокой водопроницаемостью и низкой капиллярной влагоемкостью. Пыль, особенно мелкая, способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. Однако почвы при обилии тонкой пыли имеют низкую водопроницаемость, большое количество недоступной влаги, высокую способность к набуханию, усадке, липкости, трещиноватости и плотному сложению. Илистая фракция отличается высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса и элементов зольного и азотного питания растений. Коллоидной части принадлежит особая роль в образовании структуры.

Песчаные почвы легко обрабатываются, водопроницаемы и быстро прогреваются. Однако у них влагоемкость низкая. Поэтому даже во влажные годы растения страдают от недостатка влаги, низкого содержания элементов питания.

Тяжелые, бесструктурные, засоленные почвы неводопроницаемы, легко заплывают, образуют корку, плотные, липкие.

Тяжелосуглинистые и глинистые структурные черноземы отличаются наиболее высоким плодородием, так как способны создавать хорошие запасы влаги и элементов питания.

Факторы создания и улучшения водопрочности структуры почвы

П. А. Костычев считал, что структура почвы создается только на целине и на залежи. Он различал в почве пассивную часть (песок и пыль) и активную, клеющую (гумус и глина). В силу этого образование структуры почвы – следствие взаимного осаждения коллоидов и свертывания коллоидной части почвы с помощью электролитов. Не располагая современным учением о катионах в почвенном растворе и строении коллоидов, П. А. Костычев силой научного предвидения оценил роль извести и кальция. Он был сторонником известкования, фосфорирования кислых почв. Он первый в 1886 году предложил классифицировать структуру почвы на водопрочную – агрономически ценную и неводопрочную. Позже на это свойство особое внимание обращали В. Р. Вильямс и К. К. Гедройц. Главная роль в создании водопрочной структуры им отводилась многолетним травам. При бактериальном разложении органических остатков травянистой растительности, по В. Р. Вильямсу, получаются гуминовые и ульминовые кислоты. Оструктуривающее значение их особо возрастает при взаимодействии с ионом кальция. Гумат кальция гуминовой кислоты и особенно ульминовой - цемент почвенной структуры. Однако органические кислоты, а также гумат кальция свертываются в воде необратимо. Поэтому структура, будучи разрушена, будет воссоздана лишь при наличии новых порций свежих растительных остатков.

К. К. Гедройц динамику структурообразования раскрывает с физико-химических позиций. Различные компоненты твердой фазы и раствора несут и положительные и отрицательные заряды. Исходным энергетическим моментом для образования структуры почвы являются разноименно заряженные коллоиды и ионы диссоциировавших электролитов. Противоположно заряженные коллоиды, взаимно притягиваются, коагулируют, образуя первичные микроагрегаты. Первичные микроагрегаты сами могут сохранять остаточный заряд и в случаях разноименных зарядов будут взаимно притягиваться, образуя микроагрегаты второго, третьего и т.д. порядков.

Микроагрегаты и агрегаты, образующиеся в процессе коагуляции, в дальнейшем могут становиться механически прочными и водопрочными вследствие химических процессов, протекающих в почвах при сменных режимах (Н. А. Качинский, 1963).

При переувлажнении в почве развиваются восстановительные процессы с образованием запасных форм железа, которые вместе с почвенным раствором пропитывают агрегаты. В засушливый сезон, при опускании грунтовых вод, просыхающие слои почвы аэрируются, закисное железо переходит в нерастворимые формы окисного железа, которые, размещаясь в порах, цементируют агрегаты.

В качестве цемента агрегатов служит CaCO₃ при образовании его из бикарбоната кальция по реакциям: Ca(HCO₃)₂→CaCO₃+CO₂+H₂O при подсыхании почвы или Ca(HCO₃)₂+CaO→2CaCO₃+H₂O при инфильтрации раствора с бикарбонатом кальция в горизонты с избытком CaO.

При удобрении почв суперфосфатом и преципитатом цементом почвенных агрегатов может стать Ca₃(PO₄)₂ при образовании его из водорастворимых форм фосфатов – СaHPO₄ или другой формы – Са(Н₂РО₄)₂.

Наиболее выраженная комковато-зернистая структура черноземов обусловлена богатством их органическими и минеральными коллоидами с преобладанием кислот гуминового и ульминового комплекса и катионом кальция. Этому способствует травянистая растительность с хорошо разветвленной корневой системой, периодическое просушивание, промораживание почвы и другие процессы.

Одним из факторов образования макроагрегатов является наличие на поверхности микроагрегатов коллоидных пленок. При набухании этих пленок частицы соприкасаются друг с другом и при высыхании склеиваются и прочно удерживаются. Этот процесс усиливается, если одновременно происходит уплотнение почвы. Чем плотнее почва, тем большая часть поверхности частиц приходит в соприкосновение и тем с большей силой они слипаются.

Степень уплотнения зависит от влажности почвы. Сухая почва обладает сыпучестью, но, если постепенно ее увлажнять и перемешивать, начинается образование комков. Это происходит под влиянием менисковых сил, возникающих между частицами при смачивании почвы. Вогнутые мениски стягивают их и вызывают давление. Частицы, окруженные водными пленками, в результате скольжения располагаются компактно, тесно соприкасаются и почва уменьшается в объеме. Менисковые и склеивающие силы действуют при определенной влажности.

Наряду с давлением склеивания и укрупнения почвенных комков в почве действуют факторы, расчленяющие ее. К ним относятся изменение влажности, температуры почвы, корни растений и почвенная фауна, а также обработка почвы.

При увлажнении почвы происходит набухание коллоидных пленок и увеличивается их объем. Чем меньше почвенные частицы, тем больше увеличится общий объем почвы. По мере высыхания объем почвы уменьшается, в ней появляется много трещин, которые расчленяют почвенную массу. Степень расчленения зависит от механического состава. Сильно набухшие глинистые и тяжелосуглинистые почвы дают большую усадку, то есть уменьшение в объеме, чем песчаные.

Аналогичные изменения вызывают температурные колебания, особенно промерзание и оттаивание почвы. При промораживании и оттаивании оптимально увлажненной почвы (20-25 %) ее структура улучшается. В первую очередь замерзает свободная вода в более крупных капиллярных порах. Участки почвы по периферии крупных пор с замерзанием воды уплотняются и создают условия коагуляции коллоидов. Этому процессу способствует и вымораживание чистой воды, в силу чего повышается концентрация электролитов в не замерзшей части раствора. Давление замерзшей воды сближает почвенные частицы.

При замораживании и оттаивании переувлажненной почвы свободная замерзшая вода пропитывает всю толщу почвы, в том числе и внутренность набухших комков. Твердая фаза плавает в воде. Структурные агрегаты разрываются. Почва при оттаивании обесструктуривается.

Сухая почва при влажности завядания (11-14%) замерзает при температуре -20˚ С, оттаивая, не меняет своих свойств.

Обратите внимание на лекцию "Легитимность власти".

Многообразные влияния на структурообразование оказывают корни растений. В межкорневых пространствах в результате расчленения корневой системы почвенной массы образуются макроагрегаты. Вблизи корней в зоне значительного сгущения, где усиленно развиваются ризосферные микроорганизмы, характерно присутствие повышенных количеств органических кислот, скоагулированных катионами Са⁺ и Mg⁺ , в результате самослипания частиц создаются наиболее водопрочные микроагрегаты, богатые азотом, фосфором, калием и другими питательными веществами.

В естественном природном процессе комковатая водопрочная структура создается под покровом многолетних бобовых трав и рыхлокустовых злаков. На пашне аналогично действуют возделываемые сельскохозяйственные культуры. Наибольшую корневую систему имеют многолетние бобовые травы, особенно люцерна, клевер, эспарцет, а также люпин. По Н. А. Качинскому, на выщелоченном глинистом черноземе в среднем на 1 га в почве до глубины 2 м в период цветения растений найдено корней пшеницы 5 т, подсолнечника – 6,1; кукурузы – 7,2; люцерны второго года пользования – 8,5 т.

Однако оструктуривание почвы однолетними культурами по сравнению с многолетними бобовыми травами справедливо для периода вегетации. При запахивании корневых остатков как материала для гумусообразования создается резкая разница между ними. Однолетние растения концентрируют все углеводы, белки в репродуктивных органах. В стеблях и корнях их к этому времени остаются преимущественно древесинные остатки. При запахивании многолетних трав заделываются живые корни и корневища, пожнивные живые остатки стеблей и почки возобновления, содержащие значительное количество белков, углеводов и питательных веществ. Особенно это относится к бобовым растениям – люцерне, эспарцету, люпину, клеверу, на корнях которых поселяются азотфиксирующие клубеньковые бактерии. Люцерна, клевер, эспарцет, люпин – кальциефилы; концентрируя известь в своих корнях и стеблях, при запахивании обогащают ею пахотный слой.

Большое влияние на структуру почвы оказывают органические удобрения. В. Р. Вильямс придавал двоякое значение им: а) биологическое оживление почвы и б) обогащение ее питательными веществами. В выпаханной почве органические удобрения оживляют те биологические процессы, которые угасли вследствие несовершенной обработки. Роль навоза важна не только как средства активации биологических процессов, но и как источника органического вещества, одного из лучших минеральных и азотистых удобрений.

Одним из действенных средств улучшения структуры пахотного слоя почвы является обработка, особенно в условиях севооборота.

Работами многих исследователей установлено, что при оптимальной влажности крошения обработка почвы приводит к образованию агрегатов, обладающих прочностью и пористостью, которая характерна для природных агрегатов.