книги из ГПНТБ / Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве

вия для накопления питательных веществ и позволяют получать высокие урожаи сель­ скохозяйственных куль­ тур.

В нашей стране впервые в мире с по­ мощью физики разра­ ботан метод искусст­ венного структурообразования почв. В по­ следние годы оно полу­ чает значительное рас­ пространение во мно­ гих странах мира. Про­ изводство полимеров с самыми разнообразны­ ми свойствами значи­ тельно облегчает прак­ тическое использова­ ние физических удоб­

рений. Полимерные молекулы, имея нитевидную фор­ му, становятся своеобразными связками между мел­ кими почвенными частицами и комочками. Внесение их резко снижает образование почвенной корки, а это очень важно при обработке некоторых почв и возде­ лывании пропашных культур. Полимеры могут стать эффективным способом борьбы с эрозией почв. В этом случае достаточно создать структуру только в самом верхнем слое толщиной в несколько сантиметров.

В последние годы значительно расширен выпуск

50

новых структурообразующих препаратов. Среди них хорошо известны, например, полиакриламид, полиак­ рилонитрил, сополимер (VIII), успешно выдержавшие проверку на пшенице, кукурузе, картофеле, огородно­ бахчевых культурах в разных районах страны. Гид­ ролизированный полиакрилонитрил способен при вне­ сении только 100—150 кг/га за 1—2 дня превращать распыленные эрозией почвы в плодородные, структур­ ные. В колхозах Туркмении внесение в почву 150 кг/га полимера дало прибавку урожая хлопка-сырца 5 ц, и в последующие годы его действие на урожай сохра­ нялось. Расходы на применение таких удобрений в несколько раз окупаются прибавками урожая.

Искусственное структурообразование сможет по­ лучить применение и в сельскохозяйственной мелио­ рации. При закладке гончарных трубок на глубине во­ достока важно, чтобы слой почвы над ними был структурным. Поэтому целесообразно трубки водосто­ ка покрывать слоем почвы, оструктуренной полиме­ ром.

Почва — источник влаги

Влага, наряду с питательными веществами, опре­ деляет плодородие почвы. В виде водных растворов корни растений получают питательные вещества. Над­ земная часть растений содержит около 80% влаги, еще больше ее в сочных плодах. Из воды и углекисло­ ты при фотосинтезе растения образуют органические вещества — пищу человеку и животным. Испаряя во­ ду при транспирации, растения защищают себя от действия потоков солнечной радиации. Установлено,

51

что растения ежечасно расходуют на транспирацию почти всю воду, содержащуюся в их тканях.

Кроме прямого участия в жизнедеятельности ра­ стений, вода влияет на них также косвенно, через почвенную среду. Под действием влаги изменяется ме­ ханическое сопротивление почвы, определяются усло­ вия жизни очень важных для растений микроорганиз­ мов.

Почвенная вода находится в различных состоя­ ниях: свободная или подвижная, жидкие пленки или водяной пар. В почвенном воздухе вода находится в виде пара. При охлаждении она превращается в росу, поглощаемую корнями растений. Парообразная вода находится в движении, совершая суточные и сезонные циклы. Ночью пар идет из нижних, более теплых, сло­ ев к верхним. В летнее время он перемещается от по­ верхности почвы вниз, зимой — из нижних незамер­ зающих слоев к поверхности, повышая весенний запас влаги верхнего слоя почвы.

Не вся содержащаяся в почве влага доступна ра­ стениям. Часть ее образует «мертвый» запас. К ней относится гигроскопическая и парообразная вода, ко­ торая не усваивается растениями. Ее количество оп­ ределяется типом почвы. Особенно велик запас «мерт­ вой» влаги в торфяных почвах.

Свободная вода заполняет в почве все капилляр­ ные поры и более крупные промежутки. Ее называют капиллярно-гравитационной, различая капиллярную и гравитационную воду. Капиллярная—заполняет поры почвы и удерживается в них менисковыми силами. Различают три состояния: капиллярно-неподвижное, подвижное и легкоподвижное. Культурным растениям

52

доступны две последние формы, они являются основ­ ным источником влаги. Капиллярная вода находится в движении, перемещаясь по всем направлениям от более увлажненных мест к менее увлажненным. Гра­ витационной водой называют свободно просачиваю­ щуюся в почву воду, которая передвигается по круп­ ным промежуткам и порам под действием.силы тяже­ сти, скопляясь в глубоких водонепроницаемых гори­ зонтах почвы. Она может быть застойной, лишней и даже вызывать кислородное голодание растений и за­ болачивание почвы.

Наиболее благоприятные водные условия создают­ ся в структурных почвах с капиллярными и более крупными промежутками между твердыми части­ цами.

Из водных характеристик почвы наиболее важны в агрономическом отношении влажность устойчивого завядания и её полевая влагоемкость. Под влаж­ ностью устойчивого завядания понимают влажность почвы, при которой весь запас влаги определяется только количеством «мертвой», недоступной растени­ ям воды. В такой почве семена не прорастают.

Влажность устойчивого завядания выражается в. процентах от веса или объема почвы. Она зависит от природы почвы, возрастает с увеличением плотности пахотного слоя, изменяется в различные фазы разви­ тия растений и в значительной степени зависит от влажности воздуха.

При полевой влагоемкости в почве содержится на­ ибольшее количество воды, которое способна удер­ жать дренированная почва. Полевая влагоемкость оп­ ределяет верхний предел влаги, доступной растениям.

53

Она имеет большое агрономическое значение. Зная полевую влагоемкость и влажность устойчивого завядания, можно рассчитать запасы доступной для растений влаги. В орошаемом земледелии по величи­ не полевой влагоемкости определяют норму полива.

Очень важно знать полевую влагоемкость почвы для определения ее агрономической характеристики — влажности замедленного роста растений. Надо учесть, что не вся влага одинаково усвояема. Еще за­ долго до наступления влажности устойчивого завядания растения проявляют явные признаки угнетения, что сказывается на урожае. Критический предел влажности, ниже которого растения начинают испы­ тывать угнетение, называют влажностью угнетения роста.

В сельскохозяйственной практике необходимо знать содержание влаги в почве и ее изменения. Влажностью определяется очень важный показатель готовности к обработке — ее спелость. Одновременно с уменьшением влаги в крупные промежутки взамен уходящей из них воды поступает воздух. В этот пе­ риод в почве, прогреваемой весенними лучами солнца, начинают интенсивно развиваться биологические про­ цессы. Влажность спелости почвы примерно соответ­ ствует 40% от полной или 60—70% полевой влагоем­ кости.

Влажность почвы измеряется многими способами. Наиболее разработан метод сопротивления гипсовых блоков. Влажность почвы определяется по электро­ проводности, но не самой почвы, а блока — промежу­ точного тела, введенного в нее. Этот метод не приме­ ним на засоленных почвах.

54

Значительный интерес представляет тензометри­ ческий метод. Измеряют влажность величиной отри­ цательного давления внутри самого прибора, которое возникает в нем при соприкосновении с почвой. Его лучше применять на почвах с высокой влажностью.

Большие возможности быстрого и достаточно точ­ ного определения влажности почвы открывает приме­ нение ионизирующего излучения. Разработаны гаммо­ скопический и нейтронный методы. В почве на рас­ стоянии 0,5 м устанавливают две полые трубы. В одну из них помещают источник гамма-лучей, в дру­ гую — счетчик ядерного излучения. Проходя слой поч­ вы между трубами, гамма-лучи частично поглощаются в зависимости от содержания влаги. По показа­ ниям счетчика можно точно установить степень погло­ щения гамма-лучей и, следовательно, определить влажность почвы. Гамма-влагомер позволяет найти величину всего запаса влаги в виде жидкости, льда

и пара.

Если метод взвешивания и высушивания почвы да­ ет результат не ранее чем через 10 час., то гаммоско­ пический позволяет получить ответ сразу. Он приме­ ним для изучения динамики изменения влажности почвы. Измерения можно производить на различных глубинах без нарушений естественной структуры

почвы.

Нейтронный метод основан на замедлении нейтро­ нов при столкновении их с атомами водорода. Так как в почве водород входит в состав воды, то замед­ ление нейтронов пропорционально влажности почвы. Влагомер состоит из датчика в виде небольшой гиль­ зы, внизу которой находится источник нейтронов. Дат­

55

чик вводится в буровую скважину, при этом нейтроны, пройдя слой почвы, замедляют движение и попадают в счетчик. Его показания переводят в данные влажно­ сти почвы по тарировочной кривой. Нейтронный метод менее точен, чем гаммоскопический.

Непрерывный влагообмен между почвой и возду­ хом изменяет водный режим. Для количественного выражения его составляется водный баланс почвы, сравниваются приход и расход влаги. В естественных условиях отношение суммарного испарения к посту­ пающим в почву осадкам близко к единице. Это опре­ деляет высокую обеспеченность растений влагой. Со­ стоянием водного баланса почвы характеризуется ин­ тенсивность фотосинтеза.

Чтобы обеспечить хорошие урожаи, часто прихо­ дится искусственно регулировать водный режим поч­ вы, применяя разнообразные агротехнические и гид­ ротехнические приемы. В засушливых зонах и зонах неустойчивого увлажнения возникает необходимость дополнительного накопления влаги. В зонах избыточ­ ного и временно избыточного увлажнения поля осво­ бождают от излишней влаги.

В последние годы начинают применять новый спо­ соб регулирования накопленной влаги в весенний пе­ риод путем искусственного ускорения таяния снежно­ го покрова. Он основан на физическом свойстве чер­ ных почв, способных поглощать лучистую энергию. Весной с помощью самолетов снежный покров окра­ шивают угольной пылью, сажей, мелким черноземом или другими темными веществами в виде перемежаю­ щихся полос. На них резко снижается отражательная способность снега и возрастает поглощение лучей, ус­

56

коряющее таяние снега. Под окрашенными полосами снег сходит раньше и затем начинает оттаивать верх­ ний слой почвы, который превращается в приемник влаги при таянии снега на неокрашенных полосах. Искусственное освобождение почвы от снежного по­ крова усиливает накопление влаги и позволяет рань­ ше начать выборочный сев, что особенно важно в районах с коротким летним периодом.

Почвенный воздух

Все промежутки между твердыми частицами поч­ вы занимает вода и воздух. Для культурных расте­ ний почвенный воздух имеет не меньшее значение, чем влага. Корни растений при дыхании потребляют кис­ лород воздуха и выделяют углекислоту. Кислород не­ обходим также и для развития в почве микроорга­ низмов, от которых в значительной мере зависит ее плодородие. Как и растения, микроорганизмы обога­ щают почву углекислотой. В результате таких про­ цессов состав почвенного воздуха непрерывно изменя­ ется и возникает необходимость в обмене его с атмос­ ферой.

Количество воздуха в почве зависит от ее влажно­ сти, температуры, атмосферного давления и других физических факторов. В сухом состоянии поры в почве заполнены воздухом и воздухоемкость ее является наибольшей. Во влажной почве поры частично запол­ няются водой и воздухоемкость их уменьшается.

Почвенный воздух находится в свободном и свя­ занном состояниях. Кислород входит в состав только

57

свободного воздуха, в то время как связанный с поч­ венными коллоидами воздух не содержит кислорода. Почва обогащается им через атмосферные осадки.

Аэрация почвы осуществляется путем воздухооб­ мена и газообмена. Первый представляет собой об­ мен почвенного воздуха в целом, второй — диффузию отдельных газов между почвенным и атмосферным воздухом. Диффузия возникает в результате различия в содержании и давлении газов, входящих в состав как почвенного, так и атмосферного воздуха. Она яв­ ляется основным способом газообмена. В процессе его из почвы удаляется часть углекислоты, а на ее место поступает кислород. Газообмен во многом зави­ сит от воздухопроницаемости почвы. С ее увеличением усиливается аэрация и улучшаются условия роста и развития культурных растений. Газообмену способ­ ствуют: рыхлое строение почвы, хорошая обработка, легкий механический состав, крупная пористость и некапиллярные скважины.

Почвы с избытком влаги, в том числе и. заболо­ ченные, сильно нуждаются в улучшении воздушного режима. Это достигается отводом избытка влаги и понижением уровня грунтовых вод.

Воздухообмен часто называют дыханием почвы. При охлаждении почвенный воздух сжимается и из приземного слоя поступает свежий воздух, а при на­ гревании — частично покидает ее. Дыхание почвы вы­ зывается суточными колебаниями температуры и ат­ мосферного давления, а также движением ветра.

Вода и воздух совместно обеспечивают жизнь ра­ стениям, однако в почве они вытесняют друг друга. По мере расхода почвенной воды взамен ее в

58

поры поступает атмосферный воздух, а проникшая в

почву вода вытесняет его.

В почвах с хорошими физическими свойствами со­ здаются наилучшие соотношения между водой и воз­ духом. Для большинства культурных растений опти­ мальной влажностью принято считать ее приблизи­ тельно равной 50% от полной влагоемкости.

Тепло почвы и растения

Основным источником тепла для растений являет­ ся солнце, некоторую роль играет и теплота, выделя­ емая в почве при разложении органических веществ. В среднем за год каждый гектар земной поверхности получает от солнца поток лучистой энергии, равный теплоте, выделяемой при сжигании до 3 г каменного угля. Значительная часть солнечной энергии отражает­ ся от поверхности земли и рассеивается в космиче­ ском пространстве. Больше всего (до 80%) отражает снежный покров, водная поверхность — 10%, почвы— от 8 до 31 % в зависимости от окраски, обработки, влажности, растительного покрова.

На нагревание почвы идет незначительная часть лучистой энергии. Основная масса притока солнечного тепла расходуется на испарение воды с поверхности почвы и транспирацию растений.

Степень нагревания поверхности почвы солнеч­ ными лучами прежде всего зависит от ее цвета, влаж­ ности и растительного покрова. Темные почвы нагре­ ваются значительно лучше светлых. Влага повышает теплоемкость почвы и замедляет ее нагревание. За­

5»