Ганжара - Почвоведение

ло, не заняты водой. Оптимальные условия для газообмена мсжд

почвенным и атмосферным воздухом создаются при порозност~

аэрации в минеральных почвах 20-25%, а в торфяных- 30-40%.

Воздушный режим почв и ero реrулнрованне. Воздушный Ре­

жим - это совокупность всех явлений поступления, передвиже­

ния, изменения состава и физического состояния воздуха нр~

и многолетней динамике. Наиболее благоприятный воздушный Ре­ жим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлы:..t сло­ жением и хорошим газообменом. Суточная динамика С02 и О, Рас­

пространяется до глубины 30-50 см в соответствии с колебан.ющи

температуры. Обновление состава почвенного воздуха в пахотноч

слое может происходить в течение суток полностью несколько РЮ.

Максимальное содержание С02 и минимальное 0 2 прихо­

дится, как правило, на летний период, а осенью и зимой почва

освобождается от накопленного углекислого газа. В почвах нор­

мального увлажнения в нижней части почвенного профиля бо:н,­

ше содержится СО2 и меньше 0 2, а в почвах в затрудненным газо­

обменом СО2 скапливается в верхней и средней части профилн. Регулирование воздушного режима проводят с помощью ме­

лиоративных мероприятий (осушение, орошение), агротехничес­

ких (глубокие обработки, рыхление и др.), а также комплекса ме­

роприятий, направленных на окультуривание почв.

Глава 20. Тепловые свойства и тепловой

режим почв

20.1.Тепловые свойства почв

Ктепловым свойствам относятся: теплопоrлотительная (тсiJ­

лоотражательная) способность, теплоемкость и теплопроводность

почв.

Теплопоглотительнан (отражательная) способность 110'16 -

это способность почв поглощать (отражать) долю падающей на се

поверхность солнечной радиации. Характеризуется значением а.Iь~

бедо-долей коротковолновой солнечной радиации, отражас~tо

180

ностью почв, выраженной в % к общей солнечной радиа­

оовеР~ем меньше альбедо, тем больше почва поглощает солнеч­

ulfl'l·энерrии. Альбедо зависит от цвета почвы, влажности, вырав­

войвостl'l поверхности, характера растительного покрова. Чepнo­

ttel:i ухой имеет показатель альбедо 14%, влажный - 8, песок бе­

зе~ ссухай- 25-30, серый сухой- 15-18, влажный- 10-12%.

лЪIИ: Теплоемкостьсвойство почвы поглощать тепло. Характерн­

ея количеством тепла в Джоулях (калориях), необходимого

зу~тнагревания на 1ос единицы массы (удельная) или единицы ~бъема (объемная). Теплоемкость зависит в основном от влажнос­

ти,

содержания органического вещества, пористости аэрации

(табл. 20.1). Наиболее высокая теплоемкость у воды.

20.1. Теплоемкость составных частей почв

Дж/(г·град) Калорий/(г·град) Дж/(см3·град Калорий/(см3·град)

Для повышения температуры влажной почвы требуется

больше тепла, чем для сухой. Влажные почвы медленнее нагрева­

ются и медленнее охлаждаются. А поскольку глинистые, тяжело­ суглинистые и торфяные почвы весной содержат много влаги,

они медленнее прогреваются по сравнению с более сухими песча­

ными и супесчаными, их называют холодными. Осенью наблюда­ ется обратная картиналегкие почвы быстрее охлаждаются, а тяжелые и торфяные - медленнее.

Теплопроводностьспособность почвы проводить тепло. Она

измеряется количеством тепла в Джоулях (калориях), которое nроходит за 1 с. через 1 см2 слоя почвы толщиной в 1 см. Мини­

мальной теплопроводностью обладает воздух (табл. 20.2), более

20.2.Теплопроводность составных частей почвы

г--

181

высокой - органическое вещество (гумус, торф), вода. Самая n

СОКая теплопроводность у минеральнай части почв. она в 100 Ь!-

P'l

выше, чем у воздуха и примерно в 20 раз выше, чем у воды. 'з

Теплопроводность плотных и влажных почв выше, чем РЬI)(.

лых, хорошо оструктуренных и сухих.

20.2. Тепловой режим почв и его реrулирование

Тепловой режим почвы - это совокупность и последоватеЛJ,_

ность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи

тепла. Он характеризуется температурой на разных глубинах по­ чвенного профиля, которая имеет суточный и годовой ход.

Суточный ход температуры почвы определяется зональньщ

положением почвы, климатическими и погодными условия~111

сезонностью, особенностями рельефа и растительного покров;):

составом и свойствами почв. Наиболее резко суточный ход вьiра­

жен в пределах 50-см слоя. Максимальные температуры наблюда­ ются на поверхности днем, минимальные - ночью. С глубиной в профиле почв характерно запаздывание изменения температуры.

Годовой ход температуры определяется, в первую очередь,

климатическими условиями, имеет большую амплитуду и выр;.J­

жен на бmьшую глубину, чем суточный. Наиболее резко годовой

ход температур проявляется в пределах 3-4-х метровой толщи по­

чвы и почваобразующих пород. На глубине 6 м колебания темпе­

ратур не превышают 1°С. Максимальные температуры почв с r.'lУ­

биной отстают от максимальных температур воздуха. Различия во

времени могут достигать 2-3 месяцев.

На годовой ход температур большое влияние оказывают рас­

тительный покров, высота снежного покрова, рельеф, хозяii­

ственная деятельность. Замерзание почвы происходит после уста­ новления отрицательных температур воздуха и продолжается до января-февраля. Затем она постепенно оттаивает снизу за счет пе­

редачи тепла из нижних непромерзших слоев. Иногда оттаивание снизу продолжается до схода снега, при этом талая вода проника­

ет в почву. В другие годы, при раннем сходе снега, почва может

оттаивать сверху и снизу, при этом в оттаявшем сверху слое обра­

зуется слой, насыщенный водой, и создаются условия для повер­

хностного стока и развития эрозионных процессов за счет та:JЬIХ

вод. Для оценки теплообеспеченности почв и характеристики теii­

лового режима используются следующие показатели: cyмJ\Ia ак­

тивных температур (более l0°C) в почве на глубине 20 см; суФ'а

182

иuательных температур на глубине 20 см; средний из абсолют­

отР минимумов температур на поверхности почвы; глубина пpo­

J:IbiX ания почвы; глубина проникновения температур более 10°С

мерз

лета) и др. показатели.

(ДЛЯ Сумма активных температур почвы (больше 10°С) на глуби-

20 см в тундре примерно на 100оС ниже или соответствует сум-

1:1~ активных температур воздуха; в таежно-лесной зоне активные

м мпературы почвы превышают температуры воздуха на 100-

~~оос; в степной зонена ЗОО-500°С и в субтропикахпримерно

на 1000оС.

для характеристики процессов трансформации солнечной энергии рассчитываются радиационный, тепловой балансы почвы и энергетический баланс почвообразования, которые, соответ­

ственно, учитывают приход-расход солнечной радиации, тепла и

количество энергии, расходуемой на работу почвообразователь­

ного процесса.

Типы теплового (температурного) режима почв. В зависимости

от динамики температуры почвы, длительности и глубины про­

мерзания В.Н.Димо (1968) выделила 4 типа температурного ре­

жима почв.

Мерзлотный - характерен для территорий с многолетней

мерзлотой. Среднегодовая температура почв отрицательная. Сезон­

ное замерзание и оттаивание прослеживается до верхней границы

многолетнемерзлого слоя.

Длительно-сезоннопромерзающий тип характерен для террито­ рий с положительной среднегодовой температурой профиля по­ чвы. Длительность промерзания - не менее 5 мес. Глубина промер­ зания - более 1 м. Сезонное промерзание не смыкается с много­

летнемерзлыми породами, если они присутствуют.

Сезоннопромерзающий тип характерен для территорий с по­

ложительной среднегодовой температурой профиля почвы. Глуби­

на промерзания не более 2 м, длительность - от нескольких дней

до 5 мес.

Непромерзающий тип характерен для территорий, где темпе­

ратура на глубине 20 см в самом холодном месяце положительная.

Промерзание почвы отсутствует, а отрицательные температуры nочвы отсутствуют или держатся не более нескольких дней.

Длителъно-сезоннопромерзающий и сезоннопромерзающий

ТИnы температурного режима характерны для преобладающей части территории России, непромерзающий занимает неболъшую пло­

Щадь на Северном Кавказе и Черноморском побережье Кавказа.

Реrулирование теплового режима. Тепловой режим почв в пре-

183

делах одного типа существенно различается в зависимости от nоло­

жения в рельефе, экспозиции склона, вида сельскохозяйствен11ь1

угодий, наличия мелиоративных систем (орошения, осуше11ия)х

частоты и периодичности рыхления и др. В этой связи персnектив11~ внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия, в которых осуществляется подбор культур, наиболее приспособленных к Усло­ виям теплообеспеченности ландшафтов. В таежно-лесной и лесо­

степной зонах мероприятия направлены на повышение теплообес­ печенности сельскохозяйственных культур: снегозадержание, nоли­ вы теплой водой, мульчирование, дымовые завесы, гребневые и грядовые посевы, закрытый грунт (теплицы, парники). В юж11ых районах орошение, кулисные посевы, лесополосы, мульчированис

светлыми материалами предохраняют почву от перегрева.

Глава 21. Биологический и питательный

режим почв

21.1. Биологический режим почв

Почвенная биота является составной частью почв. С одной сто­

роны, функционирование живых почвенных организмов в значи­

тельной степени зависит от свойств твердой, жидкой и газовой фазы

почв, с другой, они сами формируют свойства этих фаз. Им принад­ лежит ведущая роль в формировании почвенного плодородия.

Местообитанием мезо- и микрофауны в основном является

система пор, занятых водой и воздухом. Для микроорганизмов по­

чва представляет сложную гетерогенную систему микросред с

резко различающимися свойствами. От 80 до 90% бактериальных

клеток в почве удерживается на поверхности или внутри почвен­

ных агрегатов (рис. 21.1). Это явление получило такое же название,

Рис. 21.1. Схема строения структурной

почвы как среды обитания микроорrа-

ниэмов (по Д.Г.Звяmицеву, 1987):

1 - почвенный агрегат;

2 - органическое вещество;

3 - пленка воды;

4 - внутриагрегатная пора;

5 - межагрегатная пора;

6 - микроорrанизмы.

184

коллоИдной химииадсорбция, или адгезия (прилипание).

IОl~:ные споры большей частью обнаруживаются на поверхности fp пных частиц, иногда внутри агрегатов, а гифы развиваются на J(р~аническом субстрате. Адгезия клеток на твердых поверхностях

~чвенных частиц предотвращает их вымывание и повышает ус-

жизнедеятельности микроорганизмов. При очень низкой влажнос-

и многие виды микроорганизмов могут поддерживать жизнедея­

тельность за счет свободной внутриклеточной воды и, так называ­

~мой, метаболической, образующейся при внутриклеточном рас­

паде углеводов.

На жизнедеятельность микроорганизмов большое влияние

оказывают состав и концентрация почвенного раствора, осмоти­

ческое давление, реакция среды. В кислых почвах увеличивается роль грибов, устойчивых к низким значениям рН, но тормозится развитие азотобактера, нитрификаторов. Оптимум рН для боль­ шинства бактерий и актиномицетов- 6-8, для грибов- 3-5.

Почвенный воздух и его состав оказывают сильное влияние на численность и состав микроорганизмов. В то же время микроорга­ низмы являются ведущим фактором изменения состава почвен­ ного воздуха. Благодаря их деятельности почва поглощает кисло­

род и выделяет углекислый газ. Многие микроорганизмы перено­

сят повышенные концентрации углекислого газа (до 10-12%). По

отношению к кислороду микроорганизмы делятся на аэробы, об­

лигатные и факультативные анаэробы и микроаэрофилы. После­ дняя группировка объединяет большинство почвенных микроор­ ганизмов. Для них оптимальными являются условия с понижен­

ным содержанием кислорода в среде.

Тепловой режим почвы является одним из главных факторов

жизнедеятельности микроорганизмов. По отношению к темпера­ туре выделяют мезофильные, термофильные, психрофильные и

термотолерантные группировки (рис. 21.2). Большинство почвен­

ных микроорганизмов - мезофилы с оптимумом роста при 26-

зоос. Среди актиномицетов и бактерий есть термофилы, мини­

мальная температура роста которых выше 30°С, а оптимальная -

50-60°С. Выше 65°С способны существовать только бактерии, а nри температуре выше 90° - архебактерии. Наиболее низкотемпе­ Ратурная группа почвенных организмов - дрожжи. Оптимум для

многих видов дрожжей- 12-15°, а выше 18-20° они прекращают Рост. Есть данные о значительном участии дрожжей в разложении

Растительных остатков в холодное время года.

185

рост

TEI'MOФUA.bl

~

TEI'MOTOЛF.I'AHTHЫE

МЕ:IОФИА.61 ~

~

Рис. 21.2. Разделеине микроорrаиизмов на rруппы

по температурным rраиицам роста

(по И.П.Бабьевой и Г.М.Зеновой, 1989)

Распределение микроорrанизмов в почвенном профиле свя­

зано с содержанием орrаническоrо вещества, температурой н

влажностью. Наиболее высокая их численность наблюдается в ор­ rаногенных rоризонтах, особенно в прикорневой зоне - ризосфе­ ре. С составом и численностью микроорганизмов тесно связана

ферментативная активность почв. Ферменты катализируют nаж­

нейшие реакции трансформации органических и органаминераль­ ных веществ в почвах и активно участвуют в процессах почвообра­ зования и в формировании почвенного плодородия (см. Главу 6).

Гетерогенность микросред в почве с резкоразличающимися условиями обусловливает многообразие состава и численности

различных rрупп микроорrанизмов как в пределах одного почвен­

ного профиля, так и в почвах зонального ряда с разными эколо­

гическими условиями.

Биологический режим характеризуется численностью, ак­

тивностью, составом почвенных микроорганизмов в разные пери­

оды года.

Комплексным показателем биологического режима является биологическая активность почв. Она характеризует емкость и ин­

тенсивность трансформации органических и органо-минеральных веществ в почвах. Для характеристики биологической активностн используют показатели численности различных групп микроорга­ низмов и активности различных ферментов. Интегральным пока­

зателем биологической активности многие исследователи считтот

продуцирование почвой углекислого газа или поглощение кисло­

рода за определенный промежуток времени (час, сутки, год).

Биологический режим почв аграландшафтов тесно связан с

186

мероприятиями, направленными на обеспечение почв оптималь­

ным количеством источников питания (послеуборочные остатки

иорганические удобрения), регулирование реакции среды (извес­

ткование, гипсование и др.), регулирование водного, воздушного

итеплового режимов (мелиоративные и агротехнические мероп­

риятия), предотвращение и снижение уровня загрязнения такси­

кантами, патогенными и токсикогенными микроорганизмами.

21.2.Агрохимические свойства и питательный режим

почв

Свойства почв, учитываемые при определении вида, доз и

норм минеральных и органических удобрений и химических ме­ лиорантов, получили название - агрохимические. Главными из

них являются: содержание гумуса, легкоразлагаемого органичес­ кого вещества, емкость катионного обмена, состав логлощенных

катионов, реакция среды, содержание усвояемых форм элементов

питания (азота, фосфора, калия и микроэлементов).

Азот в почвах. Валовое содержание азота в почве тесно связа­ но с содержанием гумуса и изменяется от 0,02-0,05% в песчаных дерново-подзолистых почвах до 0,2-0,5% в пахотном слое черно­

земов. Основные запасы азота (93-99%) находятся в составе орга­ нического вещества (3-5% от его массы). Накопление азота в по­

чве обусловлено биологической аккумуляцией его из свободного

азота атмосферы (рис. 21.3).

187

Nt

!

АЗОТФИКСАUНR

5AJITCI'НH·

AЗOIФНIК.A.IOI'W

ffffl'OIIOФНWI

A/НIICI'JWf.UfOI'W

I'ИЗОПI\АНА

Рис. 21.3. Схема мобилизации азота в системе "почва - микроорrанизмы - растение" и взаимосвязь фотосинтеза и азотфиксации (по М.М.Умарову, 1986)

Круговорот азота в природе включает несколько звсньсп, u

которых главными агентами выступают микроорганизмы (азот­

фиксаторы, аммонификаторы, нитрификаторы, денитрификато­ ры). Фиксация атмосферного азота осуществляется клубснько13ы­ ми бактериями (до 300 кг/га), свободноживущими азотфиксато­

рами (от 5-15 до 100 кг/га) и ассоциативными (ризосфсрными)

бактериями- 10-100 кгjга в год (Умаров М.М., 1980).

Разложение азотсодержащих органических соединений при­ водит к высвобождению азота в форме аммиака (аммонификация).

Затем аммиак окисляется последовательно до нитритов и нитра­ тов (нитрификация). Окисленный азот вновь восстанавливается до газообразной формы в процессе денитрификации.

Азот органических веществ недоступен для растений. Основная роль в питании растений принадлежит минеральным формам а-зота: нитратному (NO) и аммиачному (NH4). Содержание минеральных

форм азота в пахотном слое в среднем составляет 30-100 кг/га

(5-30 мгjкг почвы). Показатели содержания минеральных форм азота

динамичны во времени, их используют для определения необходи­

мости подкормок и для расчета норм азотных удобрений.

Легкогидролизуемый азот является основным резервом дос­

тупных для растений форм. Он содержится в легкоразлагасr.Ю\1 органическом веществе: послеуборочных остатках, органических

удобрениях, детрите. Существенное количество азота поступаст 11

почвы с атмосферными осадками -до 10-15 кгjга в год, которыii

используется растениями.

Очень остро стоит проблема-регулирования азотного пита­

ния растений. Недостаток азота резко сказывается на величине

188

ая На получение l т зерна вместе с соломой требуется от 30

уроЖ ·

ескИХ (более l 00 т/га) и минеральных удобрений, может приво­

ч ь к загрязнению почв, почвенио-грунтовых вод нитратами и

дит u u

акоплению их в сельскохозяиственнои продукции.

нмногие азотные удобрения (сульфат аммония, мочевина, без­

водный аммиак и др.) являются физиологически кислыми и приво­

дят к существенному подкислению реакции почвенного раствора.

nоэтому при их применении предусматривают внесение в почву до­

полнительного количества извести (от 40 до 170 кг на 100 кг удобре­ ний в зависимости от их вида) для нейтрализации кислотности.

От 15 до 25% азотных удобрений теряется в газообразном виде в результате процесса денитрификации. Снижение потерь до­ стигается применением гранулированных удобрений, слабора­ створимых азотных туков, дробным внесением удобрений. Пред­ ложены и дают положительные результаты химические ингибито­ ры нитрификации (Э.А.Муравин, 1989).

Далеко не решена проблема биологического азота в земледе­ лии. Регулирование процессов азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификацииактуальная задача сегодняш­

него дня.

Фосфор в почвах. Валовое содержание фосфора в почвах со­

ставляет 0,03-0,2%, или 1-6 т/га в пахотном слое. Основным источ­

ником фосфора в почвах служат труднорастворимые минералы группы апатита, главным образом фторапатит. В почве фосфор на­ ходится в форме минеральных и органических соединений. Органи­

ческие соединения представлены нуклеиновыми кислотами, нукле­

опротеидами, сахарофосфатами, гумусовыми веществами и др.

Минеральные соединения фосфора содержатся в почвах в

виде солей кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты, в логлощенном состоянии - в виде фосфат-иона, а так­ же в составе минералов апатита, фосфорита и вивианита. В почвах с кислой реакцией среды преобладают фосфаты железа и алюми­

ния, с нейтральной и слабощелочной - фосфаты кальция.

Основная часть как органических, так и минеральных соеди­ нений фосфора в почвах недоступна растениям. Фосфор в составе органических соединений становится доступным после их мине­

Рализации, с участием ферментов фосфолитаз, фосфотаз, фитаз

и др. Мобилизация фосфора из минеральных соединений проис­ ходит в основном под действием кислот, продуцируемых микро­ организмами, в том числе углекислоты. Наиболее благоприятная

189