Агрофизические факторы плодородия

Лекция 5.

Тема - Агрофизические факторы плодородия

1. Структурное состояние пахотного плоя почвы и его значение.

2. Строение и сложение почвы.

 Структурное состояние пахотного слоя почвы и его значение

Минеральные, органические и органоминеральные частицы, взаимодействуя между собой, при определенных условиях могут взаимно притягиваться: коагулировать, слипаться, склеиваться, образуя различной величины и формы агрегаты или структурные отдельности. Способность почвы образовывать из механических элементов агрегаты называется структурностью. Совокупность агрегатов различной величины, формы, прочности, водопрочности и пористости называется структурой почвы.

Следует отличать понятия о структуре почвы как морфологическом ее признаке от понятия структуры почвы в агрономическом смысле.

Как морфологический признак, для черноземов хорошо выраженной является структура комковатая, для серых лесных почв – ореховатая, для элювиального горизонта подзолистых почв – листоватая, для солонцов – столбчатая.

Рекомендуемые материалы

В агрономическом понимании положительной структурой является мелкокомковатая и зернистая с агрегатами диаметром от 0,25 до 10 мм, пористая, механически упругопрочная и водопрочная.

Наряду с макроструктурой (более 0,25 мм), большое значение имеет и ее микроструктура (менее 0,25 мм). Она также должна быть водопрочной и пористой. Такая структура сообщает положительные свойства макроагрегатам. Она повышает влагоемкость почв, улучшает водо- и воздухопроницаемость.

Автор классических работ о черноземах В. В. Докучаев первенствующую роль в плодородии отводил структуре и зависимости от нее всех свойств почвы.

Бесструктурная почва характеризуется раздельно-частичным строением. Это приводит к плотной упаковке частиц, к тонкокапиллярной порозности. Почва обладает наивысшей капиллярной проводимостью. По капиллярам вода легко поднимается к поверхности и испаряется в атмосферу. Во влажном состоянии все поры заняты водой, в почве нет воздуха. По мере подсыхания поры заполняются воздухом. Растения страдают от недостатка воды.

Совсем иначе протекают процессы в структурной почве. Агрегаты обладают капиллярной порозностью, а промежутки между ними представлены некапиллярами. Капиллярные поры заняты водой, а некапиллярные – воздухом. В такой почве легче обеспечивается благоприятный тепловой режим. В ней при совмещении анаэробного и аэробного процессов происходит выветривание минеральной части почвы и бактериальное разложение гумуса с высвобождением питательных веществ для растений.

Важным свойством агрегатов является их прочность или сопротивление размывающему действию воды. Водопрочностью структуры обуславливается устойчивость и долговременность режимов почвы. Непрочные комки под действие атмосферных осадков или поливных вод разрушаются и почва принимает раздельно-частичное состояние со всеми отрицательными свойствами.

Агрономически ценная структура должна быть пористой. В почвах с хорошей пористостью внутри и между микроагрегатами и макроагрегатами хорошо проникает и сохраняется вода. В то же время наиболее крупные межагрегатные поры остаются свободными от воды и заполняются воздухом.

Макроагрегаты служат надежной защитой почвы от водной эрозии и дефляции. Возникновение дефляции вызывается перемещением почвенных частиц и микроагрегатов размером от 0,1 до 0,5 мм. Передвигаясь под влиянием ветра скачкообразно, они передают кинетическую энергию более мелким частицам, которые поднимаются и передвигаются воздушным потоком. Исследования наносов показали, что они состоят из фракции почвы менее 1 мм по диаметру. На этом основании эрозионно устойчивыми считаются частицы и агрегаты больше этого размера. Почва становится устойчивой к ветру, если ее верхний слой содержит таких агрегатов свыше 50 % по массе.

Водная эрозия развивается в результате отделения почвенных частиц и их перемещения. Отделение частиц зависит от водопрочности комков.

 Строение и сложение почвы

Еще в 1740 году английский исследователь Туль изображал корневое питание растений как процесс, аналогичный пастьбе животных. Однако «п

астбище» растений располагается внутри почвы, между комочками. Некапиллярная скважность является той скважностью, где они «пасутся» в поисках пищи.

Строение и структура почвы – близкие понятия по своему действию на факторы жизни растений. Агрегатный состав почв определяет в ней скважность, а также различное соотношение капиллярных и некапиллярных пор. В структуре почвы по некапиллярным промежуткам происходит накопление, сохранение и подача воды, циркуляция в ней воздуха. Вода атмосферных осадков по промежуткам между комочками свободно проникает в почву, рассасывается по капиллярам и, насыщая их, проходит в глубокие слои почвы, освобождая промежутки между комочками для воздуха. Вода в комочках сохраняется и передвигается между ними только через точки соприкосновения, достаточно быстро, чтобы питать оплетающие их поры. Распыленная почва не пропускает через себя воду, не накапливает, не сохраняет ее, не создает запасы воды и не обеспечивает ее газом.

За последние годы предложен более детальный подход к характеристике почвенных пор. Выделяются: порозность общая; порозность агрегата и суммарная агрегатная; порозность межагрегатная; объем пор, занимаемых прочносвязанной водой; объем пор, занятых рыхлосвязанной водой.

Общая пористость самая высокая у черноземов. По профилю у них она колеблется от 63 до 58 %. Отличная порозность у агрегатов в горизонте А, она свыше 50 %, в горизонте В – не ниже 46 %. Диапазоны капиллярной порозности колеблются в пределах 20-38 %. Объем пор, занятых рыхлосвязной и прочносвязной водой невелик – около 10 %. Поры аэрации 26-28 %, причем они распределены не только между агрегатами, но и внутри.

Диаметрально противоположными свойствами обладает солонец. Общая пористость в горизонте А превышает 50 %. В иллювиальных горизонтах она снижается до 44 %. Порозность агрегатов неудовлетворительная: она низкая – 29-38 %. В агрегатах отсутствуют поры аэрации. Воздухоносные поры между агрегатами представлены преимущественно трещинами. Значительный объем пор, занятых прочносвязанной и рыхлосвязанной водой, - 16,77 %. С агрономической точки зрения важно, чтобы почвы обладали наименьшей порозностью связанной воды, наибольшей порозностью капиллярного обводнения и одновременно имели порозность аэрации, межагрегатную и агрегатную не менее 20 % от общей.

В создании благоприятных водного и воздушного режимов решающее значение имеет соотношение капиллярной и некапиллярной скважности. Наиболее ярко его роль проявляется при сопоставлении двух крайних положений: только с капиллярной скважностью и только с некапиллярной. Распыленная и нераспыленная, совершенно плотная глыба, не пропускает дождевую и талую воду. Она или застаивается на поверхности или стекает по склону. Заполняя небольшой слой почвы, вода распространяется во все стороны, в том числе и к поверхности, что сопровождается быстрым испарением.

Почва только с некапиллярной скважностью, представленная крупнозернистым песком, обладает противоположными свойствами: быстро пропускает воду, не задерживая ее из-за отсутствия капилляров, вода не передвигается во все стороны, воздушный режим идеален.

Общим типам строения пахотного слоя почвы присущи одновременно и резко отрицательные и весьма положительные свойства. Однако благоприятное сочетание этих свойств возможно лишь в том случае, если в почве будет капиллярная и некапиллярная скважность (рис. 4).

С увеличением размеров агрегатов увеличивается общая и особенно некапиллярная пористость. Почвы с агрегатами менее 0,5 мм имеют 44,8 % капиллярных пор и только 2,5 некапиллярных, а также высокое содержание органического вещества и низкое нитратного азота. С увеличением агрегатов от 0,5 до 1 мм капиллярная и некапиллярная скважность выравниваются, общая

скважность 50,0 %. При увеличении агрегатов до 3,0 – 5,0 мм уменьшается объем твердой фазы, увеличивается общая скважность до 62,6 %. При этом некапиллярная скважность равна 37,5 %, что на 14,5 % больше объема капиллярной скважности. Рост некапиллярной скважности сопровождается увеличением воздухопроницаемости, что благоприятно влияет на скорость разложения органического вещества и накопление в почве нитратов.

Для полевых культур благоприятным строением пахотного слоя почвы является строение, когда общая скважность в пределах 50-60 % всего объема почвы, в том числе некапиллярная 26-37,5 % и капиллярная – 24,0-22,5 %. Отношение некапиллярной и капиллярной колеблется от 1:1 до 1,7:1. Наименьшие потери воды от испарения на черноземах наблюдаются при отношении некапиллярной пористости к капиллярной как 1:1,2, при агрегатах 0,5-1 и 1-2 мм в диаметре. Разные культурные растения предъявляют неодинаковые требования к плотности почвы. Если многолетние травы мирятся со значительной плотностью почвы, то для картофеля и корнеплодов нужны сравнительно рыхлые почвы.

Лекция 6

Тема - Агроклиматические районы Ставрополья.

План

1. Агроклиматические района Ставрополья.

Вода – один из элементов плодородия почв. Она служит средой, в которой растворены питательные вещества. Вода поддерживает тургор в клетках и растительных тканях. Деление и рост клеток, фотосинтез и дыхание совершаются при определенном тургоре. С потерей воды в тканях усиливается дыхание, ослабляется фотосинтез, что приводит к уменьшению запасов углеводов и гибели растения.

Из всей расходуемой воды 95 % и более идет на испарение ее листьями. Непрерывное движение воды от корней к листьям имеет важное физиологическое значение. Вместе с водой передвигаются в растения вещества, необходимые для синтеза. При испарении снижается температура растительных тканей, и растение этим защищает себя от возможного перегрева.

При недостаточной влажности почвы и сильной транспирации корни растений не успевают подавать воду в листья, растения теряют тургор и увядают. Временные недостатки влаги в течение вегетации ослабляют фотосинтез и снижают урожай, а длительная засуха приводит к гибели растений.

Вода в почве изменяет ее свойства: воздушный, тепловой и пищевой режимы. Если влажность в почве колеблется, усиливается и ослабляется деятельность микроорганизмов, что отражается на разложении органического вещества. Излишняя влажность, как и недостаточная, также вредны в образовании доступных для растений форм питательных веществ.

Влажность почвы оказывает большое влияние на качество вспашки, культивации, посева и других полевых работ. При обработке переувлажненных и сухих почв образуются глыбы, что требует дополнительно расхода труда и средств.

Водный баланс является количественной характеристикой водного режима. Он определяется количеством поступающей в почву за определенный период влаги и величиной расхода ее за тот же период. Общее уравнение водного баланса для летнего периода имеет следующий вид:

Wo+(O+P+K)-(E₁+E₂+Q₁+Q₂)=Wt,   где

Wo-запас влаги в почве в начале периода, Wt-запас влаги в почве в конце периода, О-атмосферные осадки, Р-поступление грунтовых вод, К-конденсация водяных паров, Е₁-транспирация, Е₂-испарение почвой, Q₁-инфильтрация в глубокие слои, Q₂-сток и снос снега.

Водный баланс можно составлять отдельно по разным горизонтам и слоям почвы за различные периоды и выражать в разных единицах. Для грубых расчетов можно включать лишь основные источники поступления и виды расхода.

Для вычисления общего содержания влаги пользуются формулой:

                                       W х d х h  

_B= --------------- ,                   где

                                                    10

В – запас воды, мм; W – влажность, %; d – объемная масса, г/см³; h- мощность слоя, см; 10 – коэффициент пересчета запаса воды в мм.

Общий запас воды в почве (ОЗВ) рассчитывают, суммируя запасы воды по

                                               W₁mr х d₁ х h₁       W₂mr х d₂ х h₂     W_nmr х d_n х h_n

горизонтали, то есть ОЗВ= ------------------ + --------------------- + -------------------

                                                     10                              10                            10   

Для определения продуктивного запаса воды в почве необходимо рассчитать запас недоступной воды (ЗНВ). Его определяют, используя приведенную выше формулу, но вместо влажности почвы берут значение влажности устойчивого завядания: Wмг х 1,34; где Wмг – максимальная гигроскопичность почвы, %; 1,34 – коэффициент. Полученные по генетическим горизонтам на заданную глубину запасы недоступной влаги суммируют:

                       W₁mr х d₁ х h₁       W₂mr х d₂ х h₂       W_nmr х d_n х h_n

            ОЗВ= ------------------ + --------------------- + -------------------

                             10                              10                            10   

Запас продуктивной влаги (ЗПВ) находят вычитанием запаса недоступной влаги из общего запаса воды в том же объеме: ЗПВ=ОЗВ-ЗНВ.

Оценка запасов продуктивной влаги важна ранней весной, а также в конце лета, когда необходимо прогнозировать посевы озимых (табл. 6).

Таблица 6

Оценка запасов продуктивной влаги в различных слоях почвы (мм)

Для своевременного появления дружных всходов озимой пшеницы необходимо, чтобы продуктивная влага в пахотном слое почвы составляла 20-40 мм. Запасы влаги порядка 15 мм обеспечивают только удовлетворительные всходы. При запасах менее 10 мм всходы обычно плохие.

На большей части территории Ставропольского края запасы влаги в почве, обеспечивающие хорошие всходы, наблюдаются в 3-4 годах из 10 на озимых по непаровому предшественнику и 5-6 годах на озимых по пару. В предгорных районах хорошие запасы влаги в период сева наблюдаются в 7-8 годах из 10.

  В засушливую осень, когда запасы влаги в почве низкие и не обеспечивают хороших всходов, сев озимых целесообразно перенести на более поздние сроки, приурочить его к выпадению хороших дождей. В отдельные, особенно сухие годы, когда не удается посеять озимые раньше 10-15 октября, сев их целесообразно провести в поздние сроки, в сроки, обеспечивающие к прекращению вегетации лишь прорастание семян. Посевы подзимних сроков сева более устойчивы к неблагоприятным условиям зимовки, чем озимые в фазе всходов или начале 3-го листа. Подзимний посев озимых следует проводить за 5-10 дней до прекращения вегетации (до перехода температуры воздуха через 5 ° С), что по средним многолетним соответствует 5-10 ноября.

Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы к началу возобновления вегетации озимых, посеянных по пару, бывают хорошими – 130-140 мм и более. Но в 10-20 % лет они могут быть удовлетворительными. На озимых, посеянных по непаровым предшественникам, запасы продуктивной влаги весной на большей части территории в среднем многолетнем составляют 90-120 мм – удовлетворительные.

Таблица 7

Агроклиматические районы Ставропольского края

В балансе воды в почве атмосферные осадки являются основным источником поступления. По сумме осадков за год в Ставропольском крае выделяют 7 основных агроклиматических районов (табл. 7).

Агроклиматический район сухой характеризуется выпадением незначительного количества осадков. На его территории сумма осадков за год составляет 300 ± 25 мм.

В крайне засушливой зоне их больше на 100-75 мм. Лучше условия увлажнения складываются в зоне неустойчивого увлажнения, где за год выпадает осадков 450 ± 25 мм. Благоприятный водный баланс в зоне умеренного увлажнения, где сумма осадков за год 550 ± 25 мм. В последних двух агроклиматических районах: влажном и избыточно влажном осадков за год 700 мм и более 800 мм.

Рис. 5. Изменение влажности почвы и потребности в воде в период

вегетации разных групп культурных растений (по В. Р. Вильямсу):

I- скороспелые кормовые и зерновые культуры; II-позднеспелые зерновые культуры; III-технические растения; IV-многолетние травы полевой культуры.

Если в водном балансе в его приходной части одним из главных источников являются атмосферные осадки, то в расходной – испарение влаги с поверхности почвы (Е₂) и транспирация растениями (Е). Поэтому для полной оценки характера увлажнения совершенно недостаточно только количества осадков, так как интенсивность испарения влаги в значительной мере зависит от температуры воздуха. В двух пунктах с одинаковым количеством осадков, расход влаги, а, следовательно, и дефицит ее там больше, где очень жарко и суше воздух. Для этих целей Г. Т, Селянинов (1971) вводит гидротермический коэффициент (ГТК), который учитывает не только сумму осадков, но и сумму среднесуточных температур. Его рассчитывают для каждой местности по следующей формуле:

                                                            Σ Р 

ГТК = --------------------^,

Σ t>10˚:10

где: Σ Р – сумма осадков за период активных температур, мм; Σt>10˚ - сумма среднесуточных температур за этот же период, ˚С; 10 – поправочный коэффициент.

На территории края выделяют 7 районов. В более жарких агроклиматических районах и с малым количеством атмосферных осадков характер увлажнения засушливый и ГТК меньше единицы. В 1-ом сухом агроклиматическом районе ГТК составляет-0,5, во 2-ом крайне засушливом – 0,5-0,7, в 3-ем засушливом – 0,7-0,9.

В следующих агроклиматических районах ГТК увеличивается до 1 и более. В 4-ом районе с неустойчивым климатом ГТК колеблется от 0,9 до 1,1. Более благоприятным 5-ым агроклиматическим районом является умеренно-влажный, ГТК от 1,1 до 1,3. В последних двух районах: влажном и избыточно влажном, ГТК соответственно более 1,3 и 1,5,

В лекции "2.4 Теорема о взаимности перемещений" также много полезной информации.

Однако и этот показатель еще не полностью выражает степень обеспеченности растений влагой. В характере увлажнения очень большую роль играет запас влаги по периодам вегетации растений. Потребность в воде у растений возрастает от посева до формирования урожая. Запасы продуктивной влаги в почве уменьшаются от весны к осени, несмотря на то, что летом осадков выпадает больше. Поэтому влагообеспеченность тем лучше, чем больше соответствие между запасами влаги в почве и потребностью растений (рис. 5 ).

В Ставропольском крае дефицит влаги (заштрихованная область) меньше у озимых культур, так как они формируют урожай за счет зимне-весенней влаги и заканчивают вегетацию в 1 и 2 декадах июля. Яровые зерновые сплошного сева по сравнению с озимой пшеницей имеют дефицит больше вследствие более позднего срока созревания. Однако самый большой он у поздних пропашных: кукурузы на зерно, сахарной свеклы и подсолнечника. Эти культуры, имеющие мощную корневую систему, формируют урожаи не только за счет зимне-весенней влаги, но и летней.

Осенние запасы влаги в почве, как правило, меньше весенних. В Ставропольском крае накопление почвенной влаги происходит постепенно с октября по март, преимущественно за счет дождей и в период зимних оттепелей. В крайне засушливой и засушливой зонах  осенние запасы влаги значительно меньше весенних. Разница тем больше, чем позднее высвобождается поле от предшественника. Поэтому в этих агроклиматических районах одним из лучших предшественников озимой пшеницы является чистый пар. Даже на парах на светло-каштановых и каштановых почвах своевременно появляются всходы озимых только в 70-80 % лет, а на непаровых предшественниках только в 24-40%.

Потребность растений в известной степени может удовлетворяться грунтовой водой, поднимающейся по почвенным порам в верхний, корнеобитаемый слой почвы. Поступление такой воды зависит от уровня грунтовых вод, механического состава почвы, ее строения и структуры.

Меньшее значение в приходной части баланса имеет конденсация водяных паров воздуха вследствие разницы температуры почвы и атмосферного воздуха. Этот процесс сильно выражен во время резкой смены температуры дня и ночи. Однако агрономическое значение имеет только та вода, которая конденсируется не на поверхности почвы, а на некоторой глубине, например на границе рыхлого и плотного слоев почвы.

Поступление воды в почву зависит от ее водопроницаемости, то есть от свойства почвы впитывать и пропускать через себя воду. При малой водопроницаемости дождевая вода и особенно талая вода не успевает впитываться в почву и при неровном рельефе поля стекает по ее поверхности, унося с собой мелкие частицы, вызывая эрозию почвы. При отсутствии стока вода застаивается на поверхности, закрывая доступ воздуха в почву, чем приводит растения озимые к гибели. Водопроницаемость зависит от пористости и особенно от размера почвенных пор. Следовательно, чем больше пористость и крупнее поры, тем лучше водопроницаемость. В начале впитывания водопроницаемость больше, чем в последующие отрезки времени. По мере просачивания и насыщения почвы влагой происходит набухание почвенных коллоидов и уменьшение размера пор, а также разрушение неводопрочных агрегатов и уменьшение крупных межагрегатных пор.