Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

на верхнее сито (в данном случае это сито с диаметром отверстий 5 мм, сита 10 и 7 мм не используются: такого размера водоустойчивых агрегатов в естественных почвах практически не наблюдается). После легкого покачивания набора сит в воде с каждого из них смывают водоустойчивые агрегаты и определяют их содержание. Как и в случае с ситовым анализом воздушно-сухих агрегатов «сухого» просеивания, получают распределение содержания водоустойчивых агрегатов по их размерам (диаметрам). Такое представление результатов анализа нам уже знакомо: и в гранулометрическом анализе, и в микроагрегатном мы получали распределение частиц по размерам, содержание фракций. Это традиционное представление данных для анализа дисперсности твердой фазы почвы.

Итак, дисперсность почвы, ее микро- и макроагрегированность характеризуются содержанием различных по размеру фракций: гранулометрический распределением ЭПЧ, микроагрегатный микроагрегатов, макроагрегатный сухих и водоустойчивых агрегатов. Соответствующиеанализыразличалисьтолькостепеньювоздействия на твердую фазу, что и представлено на схеме (рис. III.2). При гранулометрическом анализе необходимо было достичь наиболее полного разделения почвенных частиц до их элементарных составляющих ЭПЧ. Поэтому и воздействие было самым мощным: концентрированныйхимическийдиспергатор(пирофосфатнатрияилидругие)на-

Рис. III.2. Схема расположения почвенно-физических анализов твердой фазы почвы по степени их разрушающего воздействия

ряду с мощным физическим воздействием (механическое растирание,ультразвук).Вмикроагрегатноманализецельюбыловыделение первичных, самых устойчивых почвенных структур. Разделение частиц в этом анализе значительно «слабее», чем при гранулометрическом: слабый раствор и легкое механическое воздействие, необходимое для того, чтобы отделить микроагрегаты друг от друга. При оценкеводоустойчивостипочвенныхагрегатов(макроагрегатов)воздействие значительно слабее, чем в микроагрегатном или гранулометрическом анализах лишь разрушающее действие воды («мокрое» просеивание). Для того чтобы узнать, как почва распадается на агрегаты в естественном состоянии, используется рассев на ситах в сухомсостоянии это«сухое»просеивание,вкоторомразрушающее воздействие проявляется в виде легкого механического покачивания сит. Таким образом, все указанные фундаментальные свойства твердой фазы почвы, характеризующие ее дисперсность и агрегированность, можно по степени воздействия выстроить в представленной на рис. III.2 схеме.

Вполне понятно, что если мы имеем результаты двух соответствующих анализов макроили микроструктуры, то мы можем охарактеризоватьсвязи,которыеприводятквозникновениютойилииной степениагрегированности.Действительно,еслицели«сухого»и«мокрого»просеивания этооценки распределенияагрегатов всухом состоянииипривоздействииводы,тоихсравнение этооценкасвязей между почвенными частицами, которые не дают им распадаться в воде, т.е. оценка водоустойчивости. Сравнение данных гранулометрического и микроагрегатного составов – оценка первичных, лежащих в основе формирования микроагрегатов из ЭПЧ связей, оценка микроагрегированности.Параметрыэтойоценкимыужезнаем это коэффициентдисперсности,коэффициентагрегированностиидр.Остановимся на параметрах оценки макроструктуры.

4. Оценка структуры почвы

Сначала о некоторых критериях оптимальности структурногосостоянияпочвыподанным«сухого»просеивания.Обычносчитается, что агрономически ценными фракциями являются все фракции, входящие в диапазон от 10 до 0.25 мм. Агрегаты крупнее 10 мм

это глыбы, а глыбистая структура, как известно, далеко не лучшее состояние почвы, точно так же, как доминирование частиц <0.25 мм

пылеватойчастипочвенныхагрегатов.Поэтомуипользуютсяобычно следующими качественными оценками структуры на основании

В указанных выражениях везде Mi весовой % фракции агрегатов со средним диаметром xi , n количество фракций. Нетрудно заметить, что выражение, стоящее в знаменателе под знаком экспонен-

ты в СГД, n Mi это общий вес образца. Чем выше СВД и СГД, тем

i1

вбольшеймеревструктуревыраженыкрупныефракции,чемниже тем в большей мере пылевата структура. Отметим также, что СГД иСВДоченьхорошоскоррелированы коэффициенткорреляцииблизок к 0.9.

Таковытрадиционныедляроссийскихпочвоведовоценкиикритерииводоустойчивостиструктуры.ВоФранцииинекоторыхдругих странах нередко используют так называемый «тест по структурной стабильности»,предложенныйС.Хениным(Henin S.,цит.поMathieu, Pieltain, 1998).Он основан наизмерении количества макро-и микроагрегатов в виде фракций глины, пыли, крупного песка и макроагрегатов(>2 мм),которыеможноопределить традиционнымиметодами (например, пипет-методом) после трех видов обработки:

1.Навеску почву помещают в воду. За счет разрушающего действия воды и защемленного воздуха агрегаты распадаются на микроагрегаты и ЭПЧ. Определяют их содержание.

2.Навеску почвы предварительно обрабатывают в спирте. В этом случае в агрегатах уменьшается количество адсорбированного

изащемленного внутри агрегатов воздуха. После такой обработки агрегаты обладают как бы «собственной» стабильностью, более высокой, чем после первой обработки. Это обусловлено тем, что не происходит разрыва, «взрыва» агрегатов в воде за счет защемленного в агрегатах воздуха.

3.Навеску предварительно обрабатывают в бензине. Эта обработка предохраняет от разрушения гидрофобные органические вещества, которые и служат основным устойчивым структурообразователем.Послеэтойобработкиопределяютсодержаниеглины,пыли, крупного песка и макроагрегатов.

На основаниивсех трехвидовобработки иопределения указан-

ныхфракцийрассчитывают«индекснестабильности»Is каксреднее между тремя обработками:

% глина 2 мкм пыль(2 20 мкм)

Is % агрегаты 2 мм 0.9 крупный песок (0.2 2 мм) .

Индекснестабильностиколеблетсявширокихпределах.Например,для почввысокогумусных, насыщенныхкальцием, онсоставля-

етоколо0.1,адлясолонцовыхгоризонтов,структурнонестабильныхувеличивается до 100. Этот индекс особенно удобен для изучения динамикиструктурногосостоянияпочвы,влияниятогоилииногофактора(применениеудобрений,различныхспособовмелиорацииипр.). Кроме того, если рассматривать составляющие индекса последовательные обработки, то можно получить информацию и о том, какойструктурообразующийфакторопределяетустойчивостьструктуры.

А для чего вообще необходимы данные по структуре почвы? Повторим «структурная почва культурная почва», внутриагрегатноепространство основноехранилищепочвеннойпродуктивнойвлаги,питательныхвеществ,основное«жилище»микроорганизмов.Крометого,оценкаводоустойчивостинеобходимадляоценкиипрогноза устойчивости почвы к водной эрозии, сопротивления воздействию тяжелой техники.Однако главное предназначениеструктуры обеспечивать высокую продуктивность почвы. Остановимся подробнее на соответствии структуры почвы и урожая растений.

5. Структура почвы и урожай

Задумаемся далее над вопросом, каким же образом почвенная структура может оказывать влияние на урожай растений? Прямымобразом практическиникак,ведьформированиекрупныхимелких почвенных комочков существенно не может влиять на проникновение корней. Но структура один из основных определяющих урожай факторов. Это факт непреложный. По всей видимости, структураоказывает влияниенарастенияненепосредственно, ачерез формированиеводного,воздушного,питательного,тепловогорежимов, т.е. функционально. Вот поэтому, изучая проблемы, связанные с взаимозависимостьюструктурыпочвыиурожая,надопреждевсегоиметь в виду, что хорошая структура это благоприятныефизические режимы, которые и формируют в конечном счете урожай растений.

Это подтверждают результаты исследований известного украинскогоагрофизика В.В.Медведева(1988),в которых наиболееподробно представлено влияние структуры почвы на урожай растений. Опыты проводились в степной зоне с отсеянными агрегатами чернозема размерами 20 5 мм (Х1), 5–2 мм (Х2), 2–0.25 мм (Х3) и <0.25 мм (Х4). Эти агрегаты смешивали в различной пропорции в вегетационныхсосудах. Врезультатахвегетационных микрополевыхопытов учитывался урожай растений. Результаты представлены на рис. III.3, а,бввидеизоплет (линийравныхзначений) урожаямассы

Рис. III.3. Диаграмма зависимости мaссы сухого снопа ячменя (г/сосуд) от соотношения почвенных агрегатов (х1=20–5 мм, х2=5–2 мм, х3=2–0.5 мм и х4=<0.25 мм) при оптимальных по влагообеспеченности (а) и засушливых (б) условиях.

Линии равного выхода (изоплеты) проведены с интервалом 1,1 г (I зона минимального урожая, II зона максимального урожая) (по В.В.Медведеву,

1988).

сухого снопа ячменя. Причем первый опыт (рис. III.3 а) был проведен в оптимальных условиях увлажнения, а второй (рис. III.3 б) в засушливых.

Что можно видеть из приведенных результатов опыта В.В.Медведева? Прежде всего то, что в зависимости от агрегатного состава урожай может различаться в 9 раз (!) в первом и во втором опытах

урожай варьировал от 0 до 9 условных единиц. Это значит, что благодаря изменению агрегатного состава можно значительно повысить продуктивность почвы.Крометого, как видно из рис. III.3 а, наибольшая масса снопа ячменя приходится на диапазон структурных отдельностей от 20 до 5 мм. Вероятно, при хорошем водоснабжении именно такого размера агрегаты и способствуют наилучшему произрастанию семян, последующему росту и развитию. А вот в засушливых условиях (рис. III.3 б) растения лучше развивались на агрегатах размерами <5 мм. Это значит, с одной стороны, что практически не существует однозначного, установленного на все условия наилучшего диапазона: в условиях засушливого лета лучшие результаты могут быть получены на более мелких агрегатах. С другой стороны, результаты этого опыта подтверждает и приведенное выше основное положение: структура почвы в виде ее агрегатного состава непосредственным образом не влияет на продуктивность. Она влияет через формирование водного, воздушного и питательного режимов растений. Структура в виде агрегатного состава этоосновнойфактор,формирующийпочвенноепоровоепространство, в котором содержатся все необходимые вещества для растений. Это прежде всего вода, воздух и питательные элементы.

И еще один важный вывод можно сделать из опытов В.В.Медведева. Урожай зерна и биомасса растений повышаются при значительном преобладании агрегатов размерами 5 2 мм, т.е. размеров агрегатов, близких к размерам семян ячменя, с которым проводились опыты. Впрочем, общее правило агротехнической обработки пахотного слоя было давно известно земледельцам: агрегатный состав посевного слоя должен быть представлен агрегатами с размерами близкими к размерам семян. В этом случае осуществляетсянаилучший контактсемениспочвенными частицами,наилучшее снабжение семян водой.

Итак, из рассмотренных экспериментов можно сделать два основных вывода.

1. Фундаментальные физические свойства, такие как гранулометрический состав, плотность почвы, микро- и макроструктура, оказываютвлияние на урожай в виде создания оптимальных диапазонов содержания воды, воздуха, тепла. Или, учитывая динамичность этих характеристик, в поддержании оптимальных водного, воздушногои тепловогорежимовдляпроизрастаниярастений.Факторыагрохимические внесениеудобрений, различныхстимулирующихвеществ проявляют себятолькопри благоприятныхпочвен- но-физическихусловиях.

2. Все физические свойства имеют свой оптимальный диапазон, который следует создавать и поддерживать для нормального развитиярастений. Криваязависимостиурожая от физическихфакторов имеет вид куполообразной функции с диапазоном оптимума.

Итак, один из основных выводов касается того, что именно водный и воздушный режимы определяют урожай, т.е. условия содержанияистатусаводыивоздухаявляютсяосновополагающими почвенно-физическими факторами развития агроценоза. Остановимся наопределении оптимальныхдиапазоновсодержания воды, воздуха в почве.

6. Оптимальные диапазоны содержания воды и воздуха

Многочисленными агрофизическими опытами, всем опытом развития научного земледелия доказано, что для нормального роста и развития растений в почве должны присутствовать воздух, вода и достигнута определенная температура. Если в почве избыток воды (например, в гидроморфных почвах), растения страдают от недостатка воздуха. Лишь некоторые растения (например, рис) имеют специальные приспособления для жизни в условиях недостатка воздуха. Для обычныхже растений нужен почвенныйвоздух. Если в почве избыток воздуха, то растения страдают от недостатка влаги. Наступает почвенная засуха. Что же касается температуры, то растения также начинают развиваться и активно вегетируют лишь в том случае, если почвенная температура находится в определенном диапазоне. Здесь следует отметить, что для сравнения почв по обеспеченности водой недопустимо указывать влажность просто в процентах от абсолютно сухого веса или объема. Ведь почва может быть песчаной,можетбытьглинистой.Величинывлажностивэтихслучаях будут сильно различаться. Поэтому и указывают влажность не в традиционных процентах, а в долях от некоторых почвенных физическихконстант,напримервдолях отпоровогообъема(отпорозности)или,чтоделаютчаще,вдоляхотнаименьшейвлагоемкости.Последняяконстанта очень важнаяфизическая величина,отражающая количество влаги, которое способна удержать почва после полного насыщенияисвободногостеканиягравитационнойвлаги.Онейпредстоит специальный разговор в разделе о почвенных константах и доступности влаги для растений.

Почвенно-физическиеоптимумывотношенииводыивоздухав почве, обусловленные почвенной структурой (более подробно см.

«Справочные материалы»):

содержание воздуха (в объемных процентах) >10%, содержание влаги 55–95% от порозности почвы или 100–70%

от наименьшей влагоемкости.

Следуетещеразподчеркнуть,чтоуказанныедиапазонывомногом зависят от произрастающих растений, от климатической зоны и многих другихфакторов по отдельности иих сочетаний. Приведены этицифрывкачествеагрофизических«реперов»,накоторыенеобходимоориентироватьсядлясозданияоптимальныхусловийпроизрастания растений. В последующих главах к указанным оптимумам содержания воды и воздухабудут добавлены и оптимумы температуры ипроницаемостипочвыдлякорней.

Безусловно важными являются вопросы: «Вследствие каких свойств, процессов образовалась уникальная, свойственная только почве, агрегатная структура? Какие механизмы лежат в основе формирования структуры почвы?».

7.Формирование почвенной структуры

7.1.Строение агрегата

Вновь обратимся к рис. II.1. Уникальное почвенное образование, придающее почве специфическую структуру и лежащее в основе всех почвенных функций почвенный агрегат, имеет пространственную организацию, где главную роль «клеящих веществ» отводят гумусовым веществам, илу и таким структурообразующим катионам, как Са,Al, Fe. Минеральный каркас в большинстве случаев представлен элементарными минеральными почвенными частицами (частицами кварца, полевых шпатов и пр.). Так и сформирован почвенныйагрегат:первичныеминеральныечастицысоединеныдруг с другом «клеящими веществами» различной природы. Этому находится подтверждение в огромном количестве микроморфологических наблюдений, данных по гранулометрическиму анализу, минералогическомуанализугранулометрическихимикроагрегатныхфракций. Приведенное строение агрегатов можно считать неоспоримым фундаментальным фактом почвоведения.

Итак, одним из основных механизмов признан механизм «прикрепления», «склеивания» отдельных частиц, микроагрегатов, агрегатов за счет различного рода почвенных «клеев», прежде всего тонкихилистыхчастиц,соединяющихнаподобиецементаболеекрупные элементарныепочвенныечастицы,напримерзернакварца.Дляпроч-

ности такого рода «клея» необходимо присутствие иона Са, в этом случае соединение будет устойчивым. Другим важным почвенным «клеем» являетсяпочвенноеорганическоевещество,чтохорошовиднонаупрощеннойсхемепочвенногоагрегата,приведеннойнарис.II.1, где представлены микроагрегаты, состоящие из ЭПЧ, и макроагрегаты,состоящиевсвоюочередьизмикроагрегатов,«склеенных»различными природными «клеями» в виде илистых частиц, органического вещества. Положительная роль илистого и органического «цемента» в структурообразовании также доказанные факты.

Другим фактом, имеющим разнообразные доказательства, является неоднородность свойств от поверхности к центру агрегата. Так, химические анализы показывают, что поровый раствор из отдельных агрегатов содержит меньшее количество Н+ и большее – ионов щелочных и щелочноземельных металлов, чем межагрегатныйпоровыйраствор;ионамиНиAlобогащенаповерхностьагрегата, а в центре выше насыщенность основаниями. Имеются и другие доказательства того, что внутри агрегата идут иные процессы, чем на его поверхности. С этими фактами связаны и разнообразные теории,обосновывающиемеханизмыструктурообразования.

7.2.Основные теории структурообразования

Всоответствии со строением почвенного агрегата появля-

лисьигипотезыформированияпочвеннойструктуры.Средиэтихгипотез весьма условно можно выделить три основные, или наиболее распространенные, которые на данный момент можно уже назвать теориями. Первоначально основной теорией была коагуляционная теория структурообразования, основоположником которой был К.К.Гедройц(1926).Вней предполагается,чтоминеральныеглинистыечастицыиорганическиепочвенныеколлоидыпривзаимнойкоагуляции слипаются, формируя первичные микроагрегаты. Причем устойчивость этих микроагрегатов будет зависеть от катиона, который находится в почвенном поглощающем комплексе. Ионы кальция, железа, магния, алюминия будут вызывать наиболее быструю и устойчивую коагуляционную связь. Отметим, что приложение теориикоагуляцииколлоидовдляобъясненияформированияпочвенных агрегатов было дано К.К.Гедройцем лишь предположительно. Впоследствии эта гипотеза не раз критиковалась. Выдвигались следующие справедливые аргументы: 1) коагуляция весьма затруднена в почвенной массе, где подвижность коллоидов по сравнению с суспензией сильно ограничена; 2) агрегаты крупнее 0.05 мм в процессе коагуляции образоваться не могут. Следовательно, теория коагуля-