Текст книги "Почвенные ресурсы"

Рассмотрим влияние реакции среды (pH) на основные свойства почв, растения и микроорганизмы.

1. pH 4,0–5,0. Резкокислая реакция среды. Часто встречается во влажном климате и характерна для подзолистых, болотных, желтоземно-, красноземно-подзолистых и других почв. Все они сильно промыты от извести, соединений калия, бора, серы, цинка, кобальта, йода. Доступность растениям фосфатов понижена. Железо, алюминий и марганец подвижны и оказывают на многие растения (кроме чая) токсическое воздействие. Деятельность бактерий подавлена, наблюдается повышенная активность грибов. Многие сельскохозяйственные растения нуждаются в изменении реакции среды, но известкование нужно применять очень осторожно. На таких почвах оно может вызвать разрушение органических веществ, которыми эти почвы, как правило, бедны, и даже ухудшить их физические свойства. Физические свойства почв нередко весьма благоприятны: их коллоиды скоагулированы подвижными Al³⁺ и Fe³⁺. В подобных почвах нет периода весенней спелости, их можно обрабатывать в любое время года. Почвы с таким pH наиболее рационально использовать под кислотолюбивые и кислотовыносливые растения.

2. pH 5,0–6,0. Сильнокислая реакция среды. Характерна для почв влажного климата (подзолистые, дерново-подзолистые, бурые лесные ненасыщенные, желтозёмы и краснозёмы). Состояние фосфатов, соединений железа, алюминия, марганца, кальция, калия, бора, кобальта, йода аналогично резкокислым условиям. Понижена бактериальная деятельность, активизирована грибная. Для почв с таким pH при суглинистом и особенно глинистом гранулометрическом составе характерны плохие физические свойства – склонность к уплотнению. Весной эти почвы не созревают, а постепенно высыхают. Благоприятные условия обработки бывают только в очень узком диапазоне влажности: то почва сырая и дает пласты, далее легко ссыхающиеся в глыбы, то сухая и пашня глыбистая. Объясняется это тем, что весной образующаяся углекислота при этом pH не вытесняет Са²⁺, а соединения алюминия и железа также еще не образуют достаточного количества ионов. На севере эти почвы исправляются известкованием.

3. pH 6,0–6,5. Слабокислая реакция среды. Встречается в почвах влажного климата (выщелоченные черноземы, серые и бурые лесные, насыщенные желтозёмы и краснозёмы). Фосфаты находятся в доступном состоянии, токсичность алюминия и марганца понижена или отсутствует, дефицит серы, кальция, калия, бора, кобальта, йода невысокий. Условия минерального и азотного питания близки к оптимальным. Характерны достаточно благоприятные физические условия при некоторой склонности к уплотнению, повышенный уровень жизнедеятельности микроорганизмов и нитрификационной активности. У этих почв хорошо выражен период спелости, связанный с обесструктуриванием пересыщенной влагой почвы за зиму и новым образованием структуры весной при прогревании почвы. Процесс созревания таких почв связан с возобновлением микробиологической активности, выделением CO₂, вытеснением кальция водородом угольной кислоты. Появление Са²⁺ в свободном состоянии вызывает коагуляцию коллоидов и восстановление утраченной за зиму структуры. Так как созревание почвы происходит без большой потери влаги, то срок оптимальной обработки после созревания почвы достаточно велик.

4. pH 6,5–7,5. Нейтральная реакция среды. Типична для черноземных почв. Благоприятные физические условия, прекрасная оструктуренность, интенсивная микробиологическая деятельность, оптимальные условия фосфорного, азотного и минерального питания, высокий уровень плодородия. Обрабатывать весной необходимо при спелости почвы, которая наступает быстрее, чем у слабокислых почв.

5. pH 7,5–8,5 (8,7). Слабощелочная реакция среды. Наблюдаются в южных черноземах, карбонатных почвах, автоморфных почвах сухих и полупустынных степей. Фосфаты, железо, цинк и марганец могут быть в дефиците. Легко возникает антагонизм между обеспеченностью фосфором, цинком и медью. При систематическом применении фосфора появляется цинковая и медная недостаточность. Возможен хлороз растений, чаще в относительно более влажных условиях. Физические свойства – от отличных (карбонатные черноземы) до неудовлетворительных (солонцеватые почвы). Весеннее созревание почвы идет быстро. Микробиологическая деятельность, нитрификационная способность, условия азотного питания, доступность многих зольных элементов хорошие.

6. pH 8,5(8,7)-10,0. Сильнощелочная реакция среды. При pH выше 8,9 в горизонте A_t почвы следует отнести в группу резкощелочных. Основу этой группы составляют почвы с повышенной щелочной реакцией материнской породы многих черноземов и каштановых почв. В этом случае щелочность, не отражаясь существенно на полевых культурах, неблагоприятна для деревьев, особенно яблони и черешни.

7. pH 10–12. Резкощелочная реакция среды. Встречаются местами в аридном климате. Такими могут быть многие солонцы, содовые солончаки. Доступность фосфатов понижена, железо и марганец в дефиците, возможен избыток бора. Характеризуются крайне неблагоприятными физическими условиями, обесструктуренностью и подавленной деятельностью микроорганизмов. Требуют высоких доз гипсования, без которого к сельскохозяйственному использованию непригодны.

Наиболее благоприятной для большинства растений в физиологическом отношении является реакция почвенного раствора, близкая к нейтральной, слабокислой или слабощелочной. Повышенная кислотность и щелочность отрицательно влияет на рост и развитие растений, действуя негативно физиологически и через снабжение растений питательными веществами. При pH менее 3 и выше 9 повреждается протоплазма клеток в корнях большинства растений. В щелочных условиях при pH выше 8,5 (8,7) возможен дефицит нитратов и фосфатов, избыток легкорастворимых солей, недостаток двухвалентных форм железа и марганца, дефицит меди и цинка.

Глава 7
Общие физические и физико-механические свойства почв

К общим физическим свойствам почв относят плотность твердой фазы почвы, плотность почвы в целом и пористость.

Плотность твердой фазы (удельный вес почвы) (d) – средняя плотность почвенных частиц – масса сухого вещества почвы (М) в единице ее истинного объема (V), т. е. в единице объема твердой фазы почвы, выраженная в г/см³ или т/м³:

d=M/V_s.

Различные типы почв имеют неодинаковую плотность твердой фазы. Ее величина для минеральных почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см³ и зависит от минералогического состава почвы и содержания органических компонентов. Типична следующая закономерность: чем больше в почвах органических веществ, тем ниже их плотность, и чем больше в почвах минералов окислов железа, тем выше плотность твердой фазы.

Плотность почвы (объемный вес почвы, объемная масса почвы (уст.)) (d_v) – масса сухого вещества почвы (М) в единице ее объема ненарушенного естественного сложения (V), выраженная в г/см³ или т/м³:

d_v = M/V.

Водно-воздушный режим почв тесно связан с их плотностью. Плотность почвы определяет соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами. Величины ее связаны со структурным состоянием почвы. В то же время плотность является показателем, который можно учесть сравнительно просто, поэтому ее используют как основной количественный показатель оценки качества почвы в отношении ее физических свойств.

Величину плотности почв определяют многие причины. Большое значение имеет минералогический состав твердой фазы почвы, присутствие органического вещества. Тяжелые минералы в почве способствуют увеличению плотности, а легкие понижают ее. Большое количество органических веществ уменьшает плотность.

Но в большей степени величины плотности почв зависят от их сложения и структурного состояния. Рыхлые почвы с зернистой и комковатой структурой, с большой пористостью обусловливают малые величины плотности. Почвы же бесструктурные, слитые характеризуются повышенными значениями плотности. Почвы могут уплотняться под влиянием прохода тяжелых сельскохозяйственных машин, выпаса скота, поливов. Особо острой проблемой в последние годы стала машинная деградация почв, связанная с применением тяжелых почвообрабатывающих машин и комбайнов. Плотность увеличивается в глубоких горизонтах почвы, что приводит к необратимому снижению уровня плодородия. Это наблюдается как под пропашными и зерновыми культурами, так и под многолетними насаждениями (сады, виноградники).

Плотность почвы в среднем определяется величинами 1,2–1,4 г/см³. К ним оказались экологически приспособленными большинство растений. Однако отклонения от средних величин могут быть значительными. При этом, как правило, складываются экстремальные условия для живых организмов в почвенной среде.

Пористость (порозность) – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Пористость выражается в процентах от общего объема почвы. В разных горизонтах минеральных почв пористость изменяется в широких пределах (25–80 %), в гумусовых горизонтах обычно составляет 50–60 %, для болотных торфяных почв – 80–90 %.

Предметом специальных исследований являются различные формы пористости, а их соотношения называются дифференциальной порозностью почв. Так, при структурном анализе почвы можно фиксировать порозность отдельных агрегатов и межагрегатную порозность, или структурную и межструктурную порозность. Отдельно учитывается объем пор, занятых прочно связанной влагой, а также капиллярной водой (капиллярная пористость). Чаще всего исследователь и практик имеет дело с порозностью аэрации, которая учитывает поровые пространства в каждый данный момент разновлажной почвы. Соответственно, пористость почв дифференцируется следующим образом.

1. Общая порозность – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы.

2. Капиллярная порозность – объем пор, занятых капиллярами почвы, включая межагрегатные пространства.

3. Агрегатная порозность – объем пор в агрегатах или структурных отдельностях.

4. Межагрегатная порозность – пространства почвы между агрегатами.

5. Порозность аэрации – пространства почвы, не занятые водой, но заполненные воздухом.

Наиболее значимы и востребованы исследователями и практиками общая порозность (Р) и порозность аэрации (Р_а).

Р = (1 – dv /d) ・100,

где d_v – плотность почвы; d – плотность твердой фазы.

Р_а = Р – Р_w,

где P_w – порозность, занятая водой, или, в упрощенной форме, это влажность почвы, выраженная в процентах.

Пористость почвы – величина динамичная, конкретно индивидуальная и генетически присущая тем или иным почвам. Однако общей для всех почв является закономерность: чем выше плотность почвы, тем меньше ее порозность и наоборот.

Безусловно, обработка почвы существенно меняет порозность, делая ее оптимальной для возделываемых растений. Установлено, что порозность аэрации должна быть не менее 15 %. В агротехнической практике вспашка, рыхление корнеобитаемого слоя, т. е. увеличение ее пористости и, соответственно, снижение плотности, – прием, имеющий практически такой же возраст, как и само земледелие. С техническим прогрессом в земледелие пришли глубокая плантажная вспашка или безотвальное рыхление до глубины 50–60 см, применяемые при посадке многолетних насаждений. В зоне корнеобитания плотность уменьшается на 10–15 %, а пористость увеличивается на 15–20 %, скорость впитывания воды возрастает в два раза. Оптимизация физического состояния почв как раз важна в этом случае для молодых укореняющихся растений. Со временем, примерно через 3–4 года, почва приобретает исходное состояние, а молодые растения к тому времени уже набирают силу.

Роль плотности в становлении свойств почвы и жизни растений многогранна. Она оказывает значительное влияние на накопление воды и пищи, соотношение воды и воздуха в почве. Особенно неблагоприятное воздействие проявляется при повышенном уплотнении почвы. Это сказывается на водном режиме, газообмене и биологической активности. При уплотнении почвы, т. е. при уменьшении ее объема, увеличивается доля твердой фазы и доля, занимаемая недоступной влагой. При плотности 1,5–1,6 г/см³ на долю доступной влаги приходится всего 5-10 % от объема почвы, причем эта доля имеется только при высоком влагосодержании. Чем суше почва, тем большее угнетение испытывают растения от повышенной плотности. С увеличением уплотнения на 0,1 г/см³ содержание недоступной растениям воды возрастает на 10 %.

Степень неблагоприятности плотных почв во многом зависит от минералогического состава. В слитых почвах, богатых монтмориллонитом, отрицательное воздействие повышенного уплотнения усиливают явления набухания и усадки. Объемное сжатие при высыхании почв (усадка) составляет почти 30 %. Это приводит к разрыву корневых систем растений, а слитой слой, таким образом, исключается из корнеобитаемой толщи.

Плотность почвы оказывает влияние на численность микроорганизмов, биологическую активность почвы. Нормальный газообмен нарушается при плотности более 1,45 г/см³. Начинает проявляться анаэробиозис, который вызывается сокращением количества макропор и крупных капилляров, при этом снижается диффузия воздуха и газообмен между почвой и атмосферой. В почвах резко уменьшается содержание кислорода. Меняется направление биологического превращения веществ, подавляется разложение органического вещества.

Растения страдают от излишней плотности. Их реакция на уплотнение почвы проявляется в снижении всхожести и ее запаздывании, в резких различиях в высоте, слабой окраске листьев, нарушении формы корневой системы, деформации клубней и т. п. Все это приводит к снижению урожая и общей биологической продуктивности. Неблагоприятно также и очень рыхлое сложение. Наиболее оптимальные условия в пахотном горизонте для большинства растений создаются при плотности 1,0–1,2 (1,3) г/см³, которой соответствует порозность 55–60 %. При таких показателях плотности почва хорошо водопроницаема и влагоемка. Некоторые культуры, например хлопчатник, люцерна, люпин, лучше развиваются при более высоких значениях плотности пахотного слоя. Особо выделяется рис, требующий для нормального роста и развития высокой плотности верхнего корнеобитаемого слоя.

К физико-механическим свойствам почв относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке. Пластичность – способность почвы менять свою форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия. Пластичность определяет консистенцию почвы – степень подвижности слагающих почву частиц под влиянием механического воздействия при различной влажности. Выделяют несколько форм консистенции:

1) твердую – почва имеет свойства твердого тела, не пластична;

2) полутвердую – переходное состояние между твердым и пластичным телом;

3) вязкопластичную – почва обладает пластичностью, но не прилипает к другим телам;

4) липкопластичную – почва обладает пластичностью и прилипает к другим телам;

5) вязкотекучую – почва в состоянии растекаться толстым слоем;

6) жидкотекучую – почва может растекаться тонким слоем.

В обычных условиях для почв характерны четыре первые формы консистенции. Однако в некоторых почвах с сильным переувлажнением в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. Они определяют подвижность (ползучесть) почвы – способность ее в переувлажненном состоянии течь под влиянием собственной массы. Текучесть почв активно проявляется в тундре, а также на склонах в зонах выклинивания грунтовых вод. При этом создаются специфические солифлюкционные формы рельефа. Частный случай текучести – тиксотропность, когда переувлажненные почвы приобретают текучесть при механическом воздействии и снова переходят в твердое состояние в покое. Подобное явление обусловливает высокую уязвимость тундровых ландшафтов, когда даже при небольших механических воздействиях происходит сползание тиксотропных масс по водоупорам и на поверхность выходят мерзлые неплодородные грунты. Определенное влияние оказывает текучесть (ползучесть) и на развитие эрозионных процессов на склонах.

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к другим телам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы.

Липкость определяет такое важное производственное свойство почв, как их физическая спелость, которая обусловливается уровнем увлажнения. При нем исчезает способность почвенных «частиц» прилипать к сельскохозяйственным орудиям, но возникает способность самоагрегироваться. Нижний предел физической спелости для разных почв различен, следовательно липкость почв определяет оптимальные сроки и условия проведения полевых работ на конкретных почвенных разностях. Раньше других достигают состояния физической спелости почвы легкого гранулометрического состава и гумусированные черноземы.

Состав поглощенных оснований почвы в значительной мере определяет ее липкость. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует снижению величины прилипания, тогда как с возрастанием насыщенности натрием липкость почвы резко увеличивается.

На прилипание существенно влияет гранулометрический состав почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка она наименьшая.

Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Набухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое количество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек). Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы. Набухание тесно связано с составом глинистых минералов почвы: минералы монтмориллонитовой группы с расширяющейся кристаллической решеткой обладают наибольшей набухаемостью, минералы каолинитовой группы – наименьшей. Органические коллоиды при увлажнении также сильно увеличиваются в объеме.

Большое влияние на набухание оказывает состав обменных катионов почв. При насыщении почв одновалентными основаниями (особенно натрием) набухание достигает 120–150 %, тогда как при насыщении почв двух– и трехвалентными катионами значительного увеличения в объеме при набухании не наблюдается.

Усадка – сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем больше набухание, тем сильнее усадка почвы.

Практически целесообразно использовать следующие разделения почв по набухаемо сти:

• при увлажнении объем увеличивается менее чем на 10 % – слабо набухающие почвы;

• объем увеличивается от 10 % до 20 % – средне набухающие почвы;

• объем увеличивается от 20 % до 30 % – сильно набухающие почвы;

• и более 30 % – очень сильно набухающие почвы.

Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызывается связность силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена механическим и минералогическим составом, структурным состоянием почвы, влажностью и характером ее сельскохозяйственного использования.

Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наименьшей – песчаные. Мало структурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в килограммах на 1 см² (кг/см²).

Твердость – сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и т. д.). Твердость определяется специальными приборами – твердомерами, выражается в кг/см². Высокая твердость – признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. В этих условиях требуются большие затраты энергии на обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо проникают в почву Она хуже пропускает влагу и воздух. На почвах со значительной твердостью растения развиваются плохо.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения: по мере уменьшения влажности она резко возрастает.

С твердостью связана такая важная технологическая характеристика почвы, как сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы при обработке находится в прямой зависимости от твердости почвы.

Удельное сопротивление – усилие, затрачиваемое на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Удельным сопротивлением обусловливается величина силы тяги при вспашке почвы. Выражается удельное сопротивление в кг/см².