почвоведение ганжара. Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
воздухопроницаемость. Пористость агрегатов обусловливает возможности накопления и удерживания самой ценной для растений капиллярной влаги. Межагрегатные крупные поры заняты, как правило, воздухом; вода в них не удерживается и под действием силы тяжести просачивается вниз по профилю или с боковым внутрипочвенным стоком. Наличие воздуха в межагрегатном пространстве обеспечивает хороший доступ кислорода для почвенных микроорганизмов и корней растений. Для характеристики структуры введено понятие коэффициента структурности: Кс = а/б, где а — количество мезо- агрегатов, б — сумма микро- и макроагрегатов. Кроме того для характеристики структуры используют коэффициент дисперсности (иногда называют фактор дисперсности) по Качинскому: Кд = а/б ■ 100, где а — содержание ила при гранулометрическом анализе, б — содержание ила при микроагре- гатном анализе. В хорошо оструктуренных почвах коэффициент дисперсности составляет 3-5, в среднеоструктуренных — 6-10, а в слабооструктуренных 11-15, в бесструктурных почвах может увеличиваться до 50 и даже 80.
Образование структуры происходит под влиянием ряда факторов, которые можно объединить в следующие группы. Физические факторы. Образование структуры происходит в Результате изменения давления под действием замораживания — оттаивания, увлажнения — высушивания, давления корневых систем растений. Физико-химические факторы. Главная роль в образовании во- 161допрочных агрегатов принадлежит почвенным коллоидам, облц дающим клеящей способностью. К ним относятся минеральные органоминеральные и органические. Наиболее прочная структур^ формируется под воздействием гуматов кальция. Большая p0JIj принадлежит алюмо- и железогумусовым и глинисто-гумусовым комплексам. Ряд ученых отмечает, что в образовании структуры ведущая роль принадлежит новообразованным гумусовым ве"щс, ствам и органоминеральным коллоидам, это подтверждается тем что после механического разрушения структурных агрегатов структура не восстанавливается без поступления новых порций клеящих веществ. Химические факторы. В образовании структуры принимают участие химические реакции, в результате которых происходит образование труднорастворимых соединений (углекислый кальций, гидроокись железа и др.) Биологические факторы (корни растений, микроорганизмы, дождевые черви, насекомые). Им принадлежит одна из ведущих ролей в образовании и возобновлении структуры. Чем разветвлеп- нее корневая система растений, тем сильнее проявляется их ост- руктуривающая роль. Непосредственно вблизи корней сосредоточена обильная микрофлора, продукты жизнедеятельности которой являются цементирующими веществами. Клеящей способностью обладают корневые выделения. Дождевые черви за тёплый период могут пропускать через кишечный тракт до 600 т/га почвенной массы, обогащая почву капролитами. Активное участие в структурообразовании принимает почвенная микрофауна: ногохвостки, мокрицы, термиты, муравьи и др. Их экскременты обладают клеящей способностью.
Разрушение почвенной структуры происходит под действием агрогенных факторов. Обработки почвы приводят к механическому разрушению структурных агрегатов и усиливают биологические потери гумуса. Наиболее ощутимые потери структуры происходят при интенсивных обработках и при низком поступлении свежих органических веществ (процесс выпахивания почв). Тяжелая техника вызывает переуплотнение пахотного и подпахотного слоев. Минеральные удобрения при грамотном применении улучшают почвенную структуру за счёт увеличения массы корней растений. Использование в повышенных дозах физиологически 162 обрений на почвах с кислой реакцией и физиологичес- кцслых ___ на почвах со щелочной реакцией приводят к ШеЛ структурного состояния вследствие кислотного и уХудШ ГИдролиза и пептизирующего воздействия одновален- катионов. тН Ппошение и ирригационная эрозия могут вызывать ухудшение уры при избыточных поливах и при интенсивном дождевании. СТРУКВодная эрозия и дефляция приводят к разрушению и ухуд- ю структурного состояния почв под действием ливневых Задков, поверхностного стока и разрушения агрегатов ветровым потоком. Способы восстановления и сохранения структуры можно объединить в следующие группы.
К общим физическим свойствам почвы относятся плотность почвы, плотность твердой фазы, пористость и удельная поверхность. Плотность почвы (по устаревшей номенклатуре — объёмный в^с, объемная масса) — масса сухого вещества почвы в единице ее объема ненарушенного естественного сложения, выражается в /см , обычно обозначается символом dv. Плотность почвы завит от механического и минералогического состава, структурного т°яния, порозности, содержания органического вещества. Она р РЬиРУет от 0,04-0,4 г/см3 в торфах до 1,8 г/см3 в глеевых мине- ьных горизонтах (табл. 17.1).
Плотность пахотного слоя не постоянная во времени. При измерении сразу после вспашки она ниже, затем постепенно повышается и приходит в равновесное состояние (равновесная плотность). По С.И.Долгову, пахотный слой считается рыхлым при плотности 0,9-0,95; нормальной плотности (оптимальной) — 0,95-1,15; уплотненным — 1,15-1,25 и сильно уплотненным, требующим рыхления — более 1,25 г/см3. Плотность твердой фазы почвы (по устаревшей номенклатуре — удельный вес) — средняя плотность частиц, из которых состоит почва — масса сухого вещества в единице объема твердой фазы почвы. Измеряется в г/см3 или т/м3. Обычно обозначается символом d. Зависит она от плотности веществ, из которых состоит почва. Поскольку плотность преобладающих минералов в составе почв находится в диапазоне 2,5-3,0 г/см3 (кварц — 2,56; полевые шпаты — 2,60-2,76; глинистые минералы — 2,5-2,7 г/см3), то плотность минеральных горизонтов в среднем составляет 2,652,70 г/см3. Плотность органических веществ (гумус, растительные остатки) значительно ниже минеральных, находится в пределах 1,4-1,8 г/см3. Поэтому плотность гумусовых горизонтов несколько ниже плотности минеральных и составляет, примерно, 2,42,6 г/см3 (табл. 17.1). Порозность почв (синонимы: пористость, скважность) — это суммарный объём пор между твердыми частицами, занятый воздухом и водой. Выражается порозность в % от общего объёма почвы; вычисляется по показателям плотности почвы (dv) и плотности твёрдой фазы (d): р личают общую порозность, капиллярную (внутриагрегат- некапиллярную (межагрегатную). Капиллярные поры за- ную) и ^ полностью при влажности, соответствующей наняты в влагоемкости. Такая вода удерживается менисковыми МеНЬ ^ является доступной для растений. Некапиллярные силам ПОрЫ) заняты обычно почвенным воздухом (порозность (КРУ"), поскольку вода в них после дождей находится под дей- аЭра м гравитационных сил, свободно передвигается и не удер- °ТВИ ется. Наибольшая общая порозность (55-70%) наблюдается в ж^совых горизонтах, а в торфах и лесных подстилках может дос- ^ ать 90%. В минеральных горизонтах она снижается до 35-50%, а Т глеевых — до 25-30%. Порозность оказывает большое влияние на в и развитие растений, так как от нее зависит обеспеченность корней растений влагой и воздухом. НА.Качинский предложил следующую шкалу для оценки общей пористости пахотного слоя:
Для накопления оптимальных запасов влаги и хорошей аэрации необходимо, чтобы некапиллярная пористость составляла 5565% от общей пористости. Поры, занятые воздухом — пористость аэрации должна составлять не менее 15-20% объема в минеральных почвах и 30-40% в торфяных. Регулирование порозности проводят обработками почвы, а также внесением рыхлящих почву материалов: торфа, соломы, компостов. Удельная поверхность — это суммарная поверхность (внутренняя и внешняя) всех частиц почвы. Она выражается в м2/г и варьирует от 1,5-2 м2/г в песчаных почвах, до 300-400 м2/г в суглинистых и глинистых. Удельная поверхность, наряду с гранулометрическим составом, позволяет судить о степени дисперсности почвы и ее адсорбционной способности.
К физико-механическим свойствам относятся деформацион- ™е (сжимаемость), реологические (пластичность, липкость, тип Ка’ На®Ухание) и прочностные (связность, твёрдость, сопро- ВДение при обработке).Сжимаемость — уменьшение объёма почв (уплотнение) По действием внешнего давления. Характеризуется коэффициентов уплотнения и измеряется в см2/кг. Сжимаемость почв определяет1 ся их гранулометрическим и минералогическим составом, хара*. тером порозности и трещиноватости, структурой и её прочное, тью, влажностью и гидрофильностью коллоидной фракции. Сжимаемость характеризует возможность переуплотнения почв при обработках тяжелой техникой. Частным случаем проявления сжимаемости почв и грунтов является просадочность. Просадкой называется понижение повер. хности почв в результате уменьшения их порозности. Просадочность может создавать пестроту микрорельефа, особенно на орошаемых землях. Пластичность — способность почвы изменять свою форму (деформироваться) под влиянием внешних воздействий с сохранением при этом сплошности. Пластичность обусловлена содержанием ила и коллоидов, их составом и влажностью почвы. Различают: верхний предел пластичности (нижний предел текучести) — влажность, при которой стандартный конус погружается в почву на глубину 10 см под действием своей массы; нижний предел пластичности (предел раскатывания) — влажность, при которой образец почвы можно раскатать в сплошной шнур диаметром 3 мм. Число пластичности — это разность между показателями верхнего и нижнего пределов пластичности. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые — 7-17; супеси — менее 7; пески пластичностью не обладают. Липкость — свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки площадью в I см2, и выражается в г/см2. Липкость почв обусловлена гранулометрическим составом, содержанием гумуса и составом обменных катионов. Она наибольшая у глинистых и наименьшая у песчаных почв. Различают (по Н.А.Качинскому) предельно вязкие (более 15 г/см2); сильновязкие (5-15); средневязкие (2-5) и слабовязкие (менее
Усадка — уменьшение объёма почвы при её высыхании. Она выражается в процентах к первоначальному объёму почвы. Усадка зависит от минералогического состава илистой фракции, гранулометрического состава, степени гидрофильности коллоидов. Набухание — увеличение объёма почвы при увлажнении, яется в процентах к исходному объёму почвы. Подобно ЙзмеР набухание зависит от минералогического и грануломет- ^СаД кого состава и состава поглощённых катионов. В наиболь- рИЧС степени набухают глинистые почвы монтмориллонитового Устава, насыщенные натрием, в наименьшей — каолиновые r3niHbl£eH3HOCmb __ способность почв противостоять внешнему уси- направленному к разъединению частиц путём раздавливал ’или сдвига, выражается в г/см3. Связность зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, состава поглощённых катионов, влажности, структуры почвы. Твёрдость ночвы — сопротивление, которое она оказывает проникновению в неё какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и др.) под давлением. Измеряется в кг/см2. Зависит от влажности, гранулометрического состава, структуры, содержания гумуса и изменяется в очень широких пределах — от 5 до 45 кг/см2. Удельное сопротивление почвы — усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Выражается в кг/см2 поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. Зависит от гранулометрического состава (лёгкие и тяжёлые почвы), физико-химических свойств, содержания гумуса, структуры почвы и влажности, состояния корневых систем растений Удельное сопротивление в различных почвах колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см2. Оно учитывается при конструировании плугов и других почвообрабатывающих орудий, составлении норм выработки. С физическими свойствами, особенно с липкостью, связано очень важное агрономическое свойство почвы — физическая спелость — состояние влажности, при которой почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Обычно физическая спелость наступает при содержании влаги 3545% от массы почвы. Оптимизация физических и физико-химических свойств поЧВы достигается при проведении целого ряда почвоулучшающих мероприятий: известкования, гипсования, осушения, орошения, внесения мелиоративных доз торфа, рыхлящих почву материалов (соломы, компостов), пескования тяжелых почв, глинования легКИх почв, травосеяния и др. Глава 18. Водные свойства и водный режим почв Большой вклад в разработку учения о почвенной влаге внесли А.А.Измаильский, Г.Н.Высоцкий, П.С.Коссович, А.Ф.Лебс- дев, А.Г.Дояренко, С.И.Долгов, Н.А.Качинский А.А.Р0дс И.И.Судницын, А.Д.Воронин, а также зарубежные ученые В.Гар. днер, Т.Маршалл, С.Тейлор и др.
Формы, или категории воды в почве — это части воды, которые обладают одинаковыми свойствами. А.А. Роде выделил пять форм воды: химически связанная, твердая, парообразная, сорбированная (физически связанная), свободная. Химически связанная вода включает конституционную, которая представлена гидроксильной группой ОН химических соединений (гидроксиды железа, алюминия, глинистые минералы и др.) и кристаллизационную, представленную целыми водными молекулами кристаллогидратов (например, CaS04*2H20 — гипс). Химически связанная вода входит в состав твёрдой фазы почв и не обладает свойствами воды. Она может выделяться из почв только при повышенных температурах — от 100°С до 500°С и выше. Растениям не доступна. Твердая вода — представлена в виде льда, который является потенциальным источником жидкой влаги, в том числе доступной для растений. Парообразная вода содержится в порах в почвенном воздухе. Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100%. Она перемещается в порах при изменении температуры и вместе с током почвенного воздуха может конденсироваться и сорбироваться твердой фазой почвы. Конденсат может усваиваться растениями. Сорбированная (физически связанная) вода за счёт сорбционных сил подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Прочносвязанная сорбированная вода сорбируется почвой и3 воздуха. При низкой относительной влажности воздуха (20-50%) сорбированная влага образует тонкую плёнку толщиной в 1-2 м°' лекулы. Такая влага получила название — гигроскопическая. Пр11 влажности воздуха близкой к 100% сорбируется 3-4 слоя молску1 168 Эта влага называется максимальная гигроскопическая (TV1IV- водЫ- ольшее количество прочносвязанной, строго ориенти- ой воды, удерживаемой сорбционными силами, характери- рован аксимальная адсорбционная влагоёмкость (МАВ). Она состав- 3УеТ оКОЛО 60-70% МГ. Прочносвязанная вода по физическим ляе1 аМ приближается к твёрдым телам: ее плотность достигает сВ° j g г/см3, замерзает при низких температурах, не растворяет Электролиты,' не доступна растениям. Гигроскопическая влажность, МАВ и МГ, зависят от мине- огического и гранулометрического состава и степени гумуси- Р ванности. Чем выше в почвах содержание илистой и коллоидной фракций, тем выше показатели прочносвязанной влаги. Так, значения МГ колеблются от 0,5-1% — в песчаных и супесчаных, 2_до _ в суглинистых, до 15-20 — в глинистых и 30-50% в торфах. Показатели МАВ ниже на 30-40%, а гигроскопической влажности — на 50-80%, по сравнению с МГ. Рыхлосвязанная сорбированная (пленочная) вода представлена полимолекулярной плёнкой толщиной в несколько десятков или сотен диаметров молекул воды. Она удерживается молекулярными силами, менее прочно связана с твердой фазой почв и может частично передвигаться. Верхний предел рыхлосвязанной воды характеризует максимальная молекулярная влагоёмкость (ММВ). В глинистых почвах она может достигать 25-30%, в песчаных — 5-7%. Она частично доступна для растений. Капиллярная вода является свободной, не зависит от сорбционных сил, а удерживается и передвигается в почве капиллярными (менисковыми) силами. Менисковые силы начинают проявляться в порах с диаметром менее 8 мм, а наиболее сильно — с диаметром от 100 до 3 мкм. Поры диаметром менее 3 мкм заполнены связанной водой. Капиллярная вода растворяет вещества, вместе с ней передвигаются соли и коллоиды. Капиллярная вода является доступной и наиболее ценной для растений. Она подразделяется на капиллярно-подвешен- иую, капиллярно-подпертую и капиллярно-посаженную. Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при Увлажнении почв сверху (атмосферные осадки, оросительные воды), она висит над сухим слоем почвы и не имеет связи с грунтовыми водами- Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и вверх, если влага испаряется с поверхности. Поэтому существует ряд агротехнических мероприятий (боро- вание, прикатывание и др.), направленных на снижение испаре- и сохранение капиллярно-подвешенной влаги. Нормы орошения не должны превышать запасы капилляр но-подвешенной влаги. Стыковая капиллярно-подвешенная влага преобладает в пссча ных и супесчаных почвах с крупными порами. Она находится в мСе тах стыка твёрдых частиц и удерживается капиллярными силами. Капиллярно-подпертая вода заполняет капиллярные поры при увлажнении снизу, от горизонта грунтовых вод. Она передвигается вверх по капиллярам и подпирается снизу грунтовыми водами. Слой почвы над грунтовыми водами, содержащий капиллярно-подпертую влагу, называется капиллярной каймой. В суглинистых и глинистых почвах он достигает 2-6 м, а в песчаных и супесчаных — только 0,4-2,0 метра. Мощность капиллярной каймы характеризует водоподъемную способность почв. Капиллярно-подпёртая влага принимает участие в снабжении водой растений в полугидроморфных и гидроморфных почвах и является существенным дополнением к атмосферным осадкам, особенно в почвах лесостепной и степной зоны, где грунтовые воды не засолены. Капиллярно-посаженная вода (подперто-подвешенная) образуется в слоистых почвах, в которых слои различаются по гранулометрическому составу. На контакте слоев скапливается дополнительное количество влаги. Капиллярно-подпертая вода характеризуется капиллярной влагоёмкостью (КВ) — наибольшее количество капиллярно-подпертой воды, которое может удерживаться в слое почвы, находящемся в пределах капиллярной каймы. Она зависит от того, на какой высоте от уровня грунтовых вод её определяют — чем выше, тем ниже показатели КВ. Капиллярная влагоёмкость зависит также от гранулометрического состава. При близком залегании грунтовых вод (1,5-2,0 м) для среднесуглинистых почв, в пределах почвенного профиля, она составляет 30-40%. Наименьшая влагоёмкость (НВ) — характеризует наибольшее количество капиллярно-подвешенной влаги, которое может удерживать почва после стекания избытка влаги при отсутствии подпора грунтовых вод (глубоком залегании). Она зависит от гранулометрического состава, структурного состояния, плотности. В хорошо оструктуренных суглинистых и тяжелосуглинистых почвах НВ составляет 30-45%, в легко- и среднесуглинистых — 20-30. в песчаных и супесчаных — 5-20%. Термину наименьшая влагоемкость соответствует ряд терминов, предложенных разными авторами: предельно-полевая влагоем- кость (ППВ) широко используется в мелиорации, полевая влаго- 170  «ости для растений. Влажность разрыва капилляров (ВРК) — характеризует запа- воды в почве, соответствующие разрыву сплошности капилля- СЫ „,>,,11 л* иотпритдрш IX пптпрК ttoitiioii попжпхжтж Ото  Влажность устойчивого завяОания (ВЗ) — влажность, при которой растения теряют тургор и погибают. Это нижний предел продуктивной влаги. Влага в интервале ВЗ-ВРК является труднодоступной. ВЗ зависит от свойств почв и вида растений, ее можно рассчитать, используя показатели МГ, которые умножают на коэффициент — 1,5. ВЗ = МГ 1,5 В среднем ВЗ составляет: в песчаных почвах — 1-3%, в супесчаных — 3-6, в суглинистых и глинистых — 6-15, в торфяных почвах — 50-60%. Показатели ВЗ используют для расчетов запаса продуктивной влаги. Запасы влаги в интервале ВРК-ВЗ примерно соответствуют максимальной молекулярной влагоемкости (ММВ). Полная влагоемкость (ПВ), или водовместимость — наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Она, примерно, соответствует общей порозности, поскольку 5-6% пор остается с защемленным почвенным воздухом. Полная влагоёмкость чаще составляет 40-50% от объема, с колебаниями от 30% в бесструктурных, уплотненных минеральных горизонтах до 80% — в обогащённых органическим веществом горизонтах почв. При полной влагоемкости, если отсутствует подпор грунтовых вод, влага в крупных межагрегатных порах передвигается под действием гравитационных сил. Такая вода называется гравитационной. Она может быть просачивающейся (после выпадения осадков, таяния снега) и в виде водоносных горизонтов (грунтовые, почвенно-грунтовые воды). Гравитационная вода доступна для растений, но непродуктивна, поскольку является избыточной. Максимальная водоотдача (МВО) — разность между полной с -Ш ш ^ 1Г Л Ж* V/у pUvJl IVVIU vJ^B) и наименьшей (НВ) влагоемкостью. В структурных почвах О составляет не менее 15-20%, что обеспечивает хорошие ус- Ловия аэрации почв.Почвенно-гидрологические константы — граничные значения влажности, при которых количественные изменения в подвижности воды переходят в качественные различия. В агрономической практике наиболее широко используются следующие почвенногидрологические константы: МАВ, МГ, ВЗ, ВРК, НВ, ПВ, которые характеризуют доступность воды для растений в почвах с раз. ными водными свойствами (рис 18.1). Почвенно-гидрологические константы используют для оптимизации влажности почв, в частности, при орошении. Если влажность почвы опускается ниже ВРК, необходим срочный полип Оптимальные запасы влаги находятся в диапазоне ВРК-НВ. Норма полива не должна превышать НВ. В агрономической практике учитывается общий (ОЗВ), полезный (продуктивный) запасы влаги (ПЗВ) и запас труднодоступной влаги (ЗТВ). ПЗВ = ОЗВ - ЗТВ |