6. Общие физические и водно-физические свойства почв
(практическая работа № 6)
Основные теоретические положения Агрофизика. Структура почвы
Агрофизика – наука о физических основах формирования урожая, изучающая физические, физико-химические и биологические процессы в системе “почва – растение – деятельный слой атмосферы”, основные закономерности продукционного процесса, разрабатывающие научные основы, методы, технические, математические средства и агроприемы рационального использования природных ресурсов, повышения эффективности и устойчивости агроэкосистем, земледелия и растениеводства в полевых и регулируемых условиях.
Почва, ее физические свойства – это одно из центральных понятий продукционного процесса. Почва обеспечивает растения питательными веществами и водой, она преобразует солнечную радиацию в тепло, хранит это тепло, являясь теплым “одеялом” для семян растений, она впитывает осадки, сохраняет воду, избавляясь от ее избытков и предоставляя воздуху свободно циркулировать в поровом пространстве. Почва обладает свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию.
Структура почвы
В почвах механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии или соединяются под действием разнообразных сил в комки разной формы и размера, которые называют почвенными агрегатами.
Почвенный агрегат (структурная отдельность) – представляет собой определенной количество механических элементов, объединенных в единое целое в результате слипания и склеивания под влиянием абиотических и биотических факторов. Совокупность агрегатов различного размера, формы и качественного состава называют почвенной структурой, а способность почвы распадаться на агрегаты при механическом воздействии – структурностью.
Милановский Е.Ю. и Шеин Е.В. подмечают, что если из комочка чернозема сделать тонкий срез и рассмотреть его в микроскоп, то можно увидеть соединенные друг с другом частички с просвечивающей между ними пустотой – поровым пространством. В нем как раз и сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная биота.
Крупные отдельные частицы – это кусочки минералов и горных пород (песчинки, пылинки и др.). Они когда-то составляли геологическую породу, на которой и образовалась почва с характерной структурой. Теперь эти минеральные частицы соединены между собой прочной, но пластичной связью, которая не рвется даже при проникновении воды. В то же время при насыщении агрегата водой возникают очень большие силы, стремящиеся отодвинуть частицы друг от друга. Физико-химический характер этих сил можно пояснить на схеме (рис. 18).
На поверхности минеральных частиц, расположенных рядом и омывающихся водой, образуется некоторый, как правило, отрицательный электрический заряд. К таким частицам обязательно подойдут из раствора положительно заряженные катионы. Они окружат их, формируя поверхностный слой. Но вот что интересно: в межчастичном пространстве количество катионов окажется значительно больше, чем в окружающей воде.
Рисунок 18 - Схема распадающегося в воде под действием расклинивающего давления агрегата (а) и водоустойчивого, за счет формирования сил гидрофобного взаимодействия между частицами (б).
В настоящее время (Т.А.Зубкова, Л.О.Карпачевский), считают: структура почвы определяется как способ упаковки разных по минералогическому составу, размеру и химическим свойствам почвенных частиц (рис. 19).
Рисунок 19 - Схема агрегатного строения почв (по Е.В. Шеину с соавт., 2007)
По мнению этих авторов, склеивание механических элементов происходит под действием следующих условий:
гумусовых веществ
оксидов железа, кальция, алюминия
коллоидных частиц
корней растений (при дроблении более крупных)
вертикальное и горизонтальное растрескивание почвенной массы
водной среды
Кроме размера агрономическая ценность структуры характеризуется связностью (механическая прочность), водопрочность и пористостью агрегатов.
Под связностью понимают способность агрегатов не разрушаться при механическом воздействии. Связность возрастает с увеличением количества илистых и коллоидных частиц, участвующих в формировании агрегатов. Высокую механическую прочность имеют агрегаты глинистых и тяжелосуглинистых по гранулометрическому составу иллювиальных горизонтов. В сухом состоянии они разрушаются с большим трудом, однако в воде легко распадаются на механические элементы.
Агрономически ценная структура должна отличаться не только механической прочностью, но и водопрочностью.
Водопрочность – это способность агрегатов длительное время противостоять размывающему действию воды. Она зависит от качества материала, склеивающего механические элементы.
Свойство почвы образовывать устойчивые агрегаты – это свойство почвенной структуры, пожалуй, самое важное структурное и функциональное свойство почвы. Агрегат характеризуется тем, что связи внутри него, между отдельными частицами (в микроагрегате) или микроагрегатами (в макроагрегате) выражены сильнее, чем между агрегатами. Поэтому в почве и выделяются отдельные агрегаты, что свидетельствует о том, что почвенная структура представлена рассыпчатым, зерноподобным, агрегированным веществом, а не единой монолитной массой. Чем лучше выражена эта структура, чем устойчивее к воздействию воды и механических нагрузок почвенные агрегаты, тем лучше функционирует почва, тем выше и устойчивее ее продуктивность.
Хорошая структура определяет и хорошее проникновение влаги, за счет пониженной плотности повышается ее порозность, и почва способна вместить и удержать большое количество воды, питательных веществ, в ней лучше движутся газы, активнее газообмен. Почва должна сохранять свою уникальную комковато-зернистую структуру после обильных осадков и последующего легко подсушивания, когда образуется не плотная непроницаемая для газов и воды корка, а вновь хорошо различимые почвенные комочки и агрегаты.
Во всех теориях структурообразования отсутствует главный действующий “герой” практически всех почвенных процессов – вода. Без нее все события в формировании почвенной структуры кажутся разобщенными, не связанными друг с другом. В последнее время родилась идея, что основную роль в природном клее должно играть органическое вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникновению высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата (рис. 20).
Рисунок 20 - Схема образования органо-минерального первичного агрегата с участием амфифильных (гидрофобных и гидрофильных) молекул почвенного органического вещества
К общим физическим свойствам почв относят:
Плотность сложения
Плотность твердой фазы
Пористость почвы