Глава 13 структурное состояние и физические свойства почв как трехфазного тела

Твердая фаза почвы, как было показано ранее, состоит из меха­нических элементов разного размера и состава. При определенных условиях механические элементы склеиваются друг с другом в струк­турные агрегаты. Совокупность агрегатов различной формы и вели­чины называется почвенной структурой.

От характера структуры зависят физические и многие агрономи­ческие свойства почвы. Изучению факторов структурообразующей способности почв и условий сохранения агрономически ценной структуры посвящены работы многих почвоведов.

Факторы структурообразования

В образовании структуры почв участвует ряд факторов. Главны­ми из них являются: действие корневых систем травянистых расте­ний, клеящие свойства почвенных коллоидов, деятельность дождевых червей и населяющих почву насекомых. Определенное значение имеет изменение объемов почвенной массы при периодическом увлажне­нии и высыхании почв, их замораживание и оттаивание.

Роль корней в образовании структуры особенно велика в верх­нем гумусовом горизонте почв. В пределах верхних 20—30 см ими переплетена вся почвенная масса. При росте и утолщении корешки сдавливают прилегающие к ним почвенные частицы и плотно при­жимают их друг к другу. По истлевании корешков между отдельны­ми группами почвенных частиц остаются ходы, полости, что спо­собствует раскалыванию почвенной массы на отдельные комки и зерна именно по этим, наиболее слабым местам. В горизонтах по­чвы, обильно пронизанных корнями трав, образуется зернистая или комковато-зернистая структура.

Значение корней в образовании структуры не ограничивается их механическим действием. Непосредственно вблизи корней сосре­доточена обильная ризосферная микрофлора; после отмирания ко­решков и их гумификации стенки корневых ходов покрываются коллоидными пленками гумуса, обладающего клеящей способнос­тью. Некоторые исследователи считают, что главная роль в склеи­вании почвенных агрегатов принадлежит продуктам метаболизма микроорганизмов, особенно грибов и актиномицетов. Клеящие свой­ства почвенных коллоидов, в частности гуминовой кислоты, обус­ловлены их способностью давать необратимые или труднообрати­мые гели при насыщении двух- и трехзарядными катионами.

Не все коллоиды обладают одинаковыми структурообразующи­ми свойствами. Наиболее хорошим структурообразователем являет­ся, как уже было показано, свежеосажденная гуминовая кислота. По мере старения и, по-видимому, частичной минерализации ее клеящие свойства уменьшаются. Поэтому для поддержания водо­прочной структуры в почвах необходимо, чтобы они все время по­полнялись новыми запасами гуминовых кислот.

Зернистую водопрочную структуру имеют гумусовые горизонты целинных черноземов и некоторых луговых почв.

Весьма существенно влияет на прочность структуры состав по­глощенных оснований. В случае присутствия в поглощающем комп­лексе однозарядных катионов, в частности натрия, коллоиды легко переходят в золь и структура почвы утрачивается. При насыщенно­сти почвенного поглощающего комплекса двух- и трехзарядными катионами гели необратимы; в результате образуется хорошая, во­допрочная зернистая или мелкокомковатая структура. Хорошими структурообразователями являются также гели гидроксидов железа и железоорганических комплексов. Их обилие и хорошие клеящие свойства обусловливают хорошую оструктуренность красноземов — почв на ферсиаллитной и ферраллитной коре выветривания.

Значительную роль в структурообразовании играют также насе­ляющие почву животные. Среди них прежде всего следует назвать дождевых червей. Пропуская через желудочно-кишечный тракт по­чву, черви уплотняют ее, склеивают слизью, выделяемой стенками кишечника, обогащают углекислым кальцием и выбрасывают в виде мелких комочков — капролитов. Так, по данным А.А. Соколова, обитающие в серых лесных почвах и черноземах Северо-Западного Алтая гигантские и пестрые дождевые черви за теплый период года пропускают через пищеварительный тракт и оструктуривают от 170 до 225 т/га почвенной массы. Структурообразователями являются также обитающие в почве насекомые. И.В. Стебаев, изучавший животное население первичных почв, образовавшихся на плотных породах в различных типах леса Западного Кавказа, показал, что структурные отдельности, представленные экскрементами кивсяков, ногохвосток, мокриц и долгоножек, составляют 30—44 %, а во фрак­циях 3—1 и 1—0,5 мм — даже до 60—70% мелкоземистой массы. Столь же значительна структурообразующая деятельность муравьев и термитов, особенно в почвах полупустынь и пустынь, где ими создается мелкокомковатая и пороховидная структура.

Важным структурообразующим фактором является поперемен­ное увлажнение и высушивание почв, в результате набухания при увлажнении и уменьшении объема (усадки) при высыхании почвен­ная масса растрескивается на крупные агрегаты — блоки и призмы. Эти процессы проявляются в горизонтах почв, где колебания влаж­ности наибольшие. Особенно ярко они выражены в почвах, содер­жащих в поглощающем комплексе натрий, — солонцеватых почвах и солонцах. В этих почвах попеременное высушивание-увлажнение и вертикальное растрескивание приводят к формированию призма­тических, столбчатых или глыбистых структурных отдельностей. Эти типы структуры вошли в название солонцов (солонцы призмати­ческие, солонцы столбчатые, солонцы глыбистые).

В некоторых почвах, богатых глинистым минералом монтморил­лонитом, эффект попеременного увлажнения-высушивания прояв­ляется в глубоком растрескивании почв, с обособлением крупных полигональных отдельностей, а внутрипочвенное скольжение по­чвенных блоков относительно друг друга приводит к образованию косоориентированных чешуйчатых и чечевицеобразных отдельнос­тей. Такова структура черных субтропических и тропических монтмориллонитовых почв — слитоземов.

Попеременное увлажнение и высушивание заиленных с повер­хности почв аллювиальных равнин и периодически затопляемых депрессий в аридных областях приводят к растрескиванию повер­хности на мелкие полигональные (такыровидные) отдельности ди­аметром от 3—4 до 5—10 см. Наиболее ярко эта особенность про­является в специфических образованиях пустынь — глинистых такырах.

Эффект вертикального и горизонтального растрескивания почв наблюдается также при их периодическом промерзании и оттаива­нии. Увеличение объема воды при замерзании на 9 % ведет к разрыву связей между частицами и микроагрегатами, возникновению трещин и расчленению почвы на структурные отдельности. По И.Б. Ревуту, максимум агрегатов при замораживании почв образуется при влаж­ности почвы 25—30 % к ее массе. По его наблюдениям, морозная зима заметно улучшает структуру почвы: хорошо промерзая после обработки, она содержала 52,3 % агрегатов оптимальных размеров и лишь 12 % крупных глыб, а после мягкой зимы и последующей об­работки — только 33 % агрегатов и 29 % глыб.

Вследствие образования горизонтальных прослоек льда в верх­нем горизонте переувлажненных почв образуется слоеватая, плит­чатая или чечевитчатая структура. Подобная же структура образует­ся в переувлажненных горизонтах с периодическим проморажива­нием над горизонтом вечной мерзлоты. Наряду с механическим воздействием льда на почвенную массу при замораживании почв происходят физико-химические процессы: увеличивается концент­рация ионов в незамерзшей части воды, что способствует коагуля­ции коллоидов и склеиванию частиц почвенной массы в агрегаты. Процесс этот часто необратим, так как часть ионов раствора остает­ся в поглощенном состоянии и при оттаивании почв в раствор не переходит. Образуется специфическая крупчатая, или гороховатая, структура, характерная для почв Крайнего Севера и высокогорий.

При очень слабой минерализации растворов и сильной гидрофиль­ности коллоидов, как, например, гидроксидов кремния (Si0₂ • лН₂0), периодически промерзающие и просыхающие почвы приобретают свойство тиксотропности — способности коллоидальных растворов (золей) и высокодисперсных суспензий загустевать с течением вре­мени и вновь разжижаться при механическом воздействии. Меха­ническое разрушение тиксотропных структур и их последующее восстановление могут повторяться многократно. Это свойство ха­рактерно для почв тундры и существенно затрудняет любые виды строительства.

При изучении почвенной структуры производится количествен­ное определение водопрочных агрегатов различного размера, для чего применяются макроагрегатный и микроагрегатный анализы. Макроагрегатный анализ по методу Саввинова позволяет опреде­лять содержание различных групп агрегатов, разделение которых производится в колонке сит с диаметром отверстий 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10 мм.

Агрегаты с диаметром меньше 0,5 мм называются микроагрега­тами, а определение содержания их в почвах — микроагрегатным анализом, методика которого разработана Н.А. Качинским и весь­ма схожа с гранулометрическим анализом — методом пипетки (см. гл. 7). Разница заключается в том, что почва не подвергается перед анализом механическим или каким-либо химическим воздействи­ям. Поэтому данные микроагрегатного анализа показывают иное содержание фракций различной крупности, чем данные грануло­метрического анализа; за счет склеивания и образования цемента между крупными частицами содержание тонких фракций и особен­но фракций ила в микроагрегатном анализе меньше, чем в грануло­метрическом. Сравнение содержания ила в микроагрегатном и гра­нулометрическом анализах из одного и того же образца почвы по­зволяет судить о степени ее агрегированности или, наоборот, степени дисперсности; последняя тем больше, чем меньше разница в содер­жании ила в названных параллельных анализах. Показателем степе­ни дисперсности почв служит коэффициент дисперсности Качинского (К_д).

Если содержание ила в микроагрегатном анализе равно а, а в гранулометрическом равно b, то К_д = (а : b) • 100.

В хорошо оструктуренных почвах коэффициент дисперсности составляет 3—5, в среднеоструктуренных — 6—10, а в слабооструктуренных — 11—15 и более.

Связь структурного состояния почв с их плодородием изучалась многими учеными. П.А. Костычев при изучении почв черноземных степей обратил внимание на то, что плодородие почв на старопа­хотных участках, в значительной мере утративших структуру, как правило, ниже, чем при распашке целинных и залежных земель, обладающих хорошо выраженной водопрочной комковато-зернистой структурой. Оставление выпаханных почв в залежах и перелогах под травянистой растительностью возвращает почвам их структурное состояние и плодородие.