Вальков - Почвоведение

Растения страдают от излишней плотности. Их реакция на уплот­ нение почвы проявляется в снижении всхожести и ее запаздывании, в резких различиях в высоте, слабой окраске листьев, нарушении фор­ мы корневой системы, деформации клубней и т. п. Все это приводит к снижению урожаев и общей биологической продуктивности. Небла­ гоприятно также и очень рыхлое сложение. Наиболее оптимальные условия в пахотном горизонте для большинства растений создаются при плотности 1,0—1,2 (1,3) г/см3. Этой плотности соответствует по­ розность 55—60%. При таких показателях плотности почва хорошо водопроницаема и влагоемка. Некоторые культуры, например, хлоп­ чатник, люцерна, люпин, лучше развиваются при более высоких зна­ чениях плотности пахотного слоя. Особо выделяется рис, требующий для нормального роста и развития высокой плотности верхнего кор­ необитаемого слоя.

Создание оптимальной плотности пахотного слоя — важнейший прием повышения урожайности. Оптимальная плотность пашни дает следующую прибавку урожая в сравнении с излишне уплотненными почвами: яровая пшеница 1,5 ц/га, просо 2,5, кукуруза на силос 25— 40, сахарная свекла 8—10, картофель 15.

Плотность пахотного слоя поддается регулированию с помощью обработки почвы: вспашки, прикатывания, культивации. Плотность пахотных горизонтов также в некоторых случаях можно регулировать глубокой безотвальной обработкой и рыхлением, плантажем. Однако в создании урожая участвуют не только верхние слои, но и вся кор­ необитаемая толща, горизонты почвы глубже 40—50 см. Их физиче­ ское состояние определяет качество почвы в целом. Проникновение корней в уплотненные горизонты с плотностью 1,40—1,55 (1,60) за­ труднено, их развитие угнетается, а при плотности более 1,55 (1,60) рост корневой системы растений невозможен. На черноземах опти­ мальной плотностью для большинства растений горизонта АВ счи­ таются величины порядка 1,30—1,35. Обычно увеличение плотно­ сти почвы в ее корнеобитаемом слое снижает урожайность зерновых культур на 10—15%.

Для плодовых деревьев учитывают плотность корнеобитаемого слоя: 20—200 (300) см у почв с коэффициентом увлажнения менее 1,0 (черноземы, коричневые, каштановые и другие почвы) и 20—100 см у почв с коэффициентом более 1,0 (дерново-подзолистые, серые, бурые лесные, желтоземы и пр.). По отрицательной реакции на уплотнение

152 П о ч в о в е д е н и е

плодовые деревья располагаются в следующем порядке: оптималь­ ная плотность почвы для черешни — менее 1,35; для яблони, гру­ ши, абрикоса — 1,30—1,40; для сливы и вишни — 1,35—1,45 г/см3. Выше этих величин наблюдается угнетение деревьев, снижение уро­ жайности, а при 1,55 (1,60) корневые системы не развиваются, дере­ вья преждевременно гибнут.

Для почв влажных условий важен учет плотности почвообразу­ ющей породы ниже корнеобитаемой толщи. При высокой плотности подпочвы (более 1,55—1,60) нормальное развитие деревьев возможно только на склонах более 3°, а на равнинных участках деревья гиб­ нут от избыточного увлажнения из-за отсутствия естественного дре­ нажа.

Изучение зависимости продуктивности винограда от физических свойств показало тесную прямую корреляционную зависимость уро­ жайности и общей порозности и обратную с плотностью почвы. При уплотнении активной корнеобитаемой толщи до 1,35 г/см3 и пороз­ ности свыше 50% уровень плодородия почв для культуры виногра­ да остается высоким. Но уже при средней плотности 1,5 г/см3 и по­ розности 45—50% урожайность снижается в два раза, а при плотно­ сти более 1,7 г/см3 виноград гибнет. Уплотнение почвы отрицатель­ но сказывается на накоплении сахара в ягодах и способствует росту кислотности.

1.11.3. Ф и з и к о -м ех а н и ч ес к и е с в о й с т в а п о ч в

К физико-механическим свойствам почвы относятся пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и сопротивление при обработке. Пластичность — способность почвы менять свою форму под действием внешних сил и сохранять полученную форму после прекращения механического воздействия. Пластичность опреде­ ляет консистенцию почвы — степень подвижности слагающих по­ чву частиц под влиянием механического воздействия при различной влажности. Выделяют несколько форм консистенции:

а) твердая — почва имеет свойства твердого тела, не пластична; б) полутвердая — переходное состояние между твердым и пла­

стичным телом; в) вязкопластичная — почва обладает пластичностью, но не при­

липает к другим телам;

г) липкопластичная — почва обладает пластичностью и прилипа­ ет к другим телам;

д) вязкотекучая — почва в состоянии растекаться толстым слоем; е) жидкотекучая — почва может растекаться тонким слоем.

^ В обычных условиях для почв характерны четыре первые формы консистенции. Однако в некоторых почвах с сильным переувлажне­ нием в отдельные периоды наблюдаются и текучие состояния. Они определяют подвижность (ползучесть) почв —способность ее в пере­ увлажненном состоянии течь под влиянием собственной массы. Теку­ честь почв активно проявляется в тундре, а также на склонах в зонах выклинивания грунтовых вод. При этом создаются специфические солифлюкционные формы рельефа. Частный случай текучести — тиксотропность, когда переувлажненные почвы приобретают текучесть при механическом воздействии и снова переходят в твердое состояние в покое. Подобное явление обусловливает высокую уязвимость тун­ дровых ландшафтов, когда даже при небольших механических воз­ действиях происходит сползание тиксотропных масс по водоупорам и на поверхность выходят мерзлые неплодородные грунты. Опреде­ ленное влияние оказывает текучесть (ползучесть) и на развитие эро­ зионных процессов на склонах.

Л ипкост ь — свойство влажной почвы прилипать к другим те­ лам. В результате прилипания почвы к рабочим частям машин и ору­ дий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество об­ работки почвы.

Липкость определяет такое важное производственное свойство почв, как их физическая спелость. Ф изическая спелость почв об­ условливается уровнем увлажнения, при котором исчезает способ­ ность почвенных «частиц» прилипать к сельскохозяйственным ору­ диям, но возникает способность самоагрегироваться. Нижний пре­ дел физической спелости для разных почв различен, следовательно, липкость почв определяет оптимальные сроки и условия проведения полевых работ на конкретных почвенных разностях. Раньше других достигают состояния физической спелости почвы легкого грануломе­ трического состава и гумусированные черноземы.

Состав поглощенных оснований почвы в значительной мере опреде­ ляет ее липкость. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует снижению величины прилипания, тогда как с возраста­ нием насыщенности натрием липкость почвы резко увеличивается.

154 П о ч в о в е д е н и е

На прилипание существенно влияет гранулометрический со­ став почвы. У глинистых почв липкость наиболее значительна, у песка она наименьшая. По липкости почвы на предельно вязкие (>15 г/см2), сильновязкие (5—15), средние по вязкости (2—5), сла­ бовязкие (< 2 г/см2).

Н абухание — увеличение объема почвы при увлажнении. На­ бухание присуще мелкоземистым почвам, содержащим большое ко­ личество коллоидов, и объясняется связыванием тонкими частицами почвы молекул воды (увеличением гидратных оболочек). Величина набухания зависит от количества и качества коллоидов. Наиболее набухаемы глинистые почвы. Набухание тесно связано с составом гли­ нистых минералов почвы. Минералы монтмориллонитовой группы с расширяющейся кристаллической решеткой обладают наибольшей набухаемостью, минералы каолинитовой группы —наименьшей. Ор­ ганические коллоиды при увлажнении также сильно увеличиваются в объеме.

Большое влияние на набухание оказывает состав обменных кати­ онов почв. При насыщении почв одновалентными основаниями (осо­ бенно натрием) набухание достигает 120—150%, тогда как при насы­ щении почв двух- и трехвалентными катионами значительного уве­ личения в объеме при набухании не наблюдается.

Усадка — сокращение объема почвы при высыхании. Величина усадки обусловлена теми же факторами, что и набухание. Чем боль­ ше набухание, тем сильнее усадка почвы.

Практически целесообразно использовать следующие разделения почв по набухаемости:

•при увлажнении объем увеличивается менее чем на 10% — сла­ бо набухающие почвы;

•объем увеличивается от 10%до 20% —средне набухающие почвы;

•объем увеличивается от 20% до 30% — сильно набухающие почвы;

•и более 30% — очень сильно набухающие почвы.

Связность — способность почвы сопротивляться внешнему

усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Вызыва­ ется связность силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления обусловлена механическим и минералогическим составом, структурным состоянием почвы, влажностью и характером ее сель­ скохозяйственного использования.

Наибольшей связностью характеризуются глинистые почвы, наи­ меньшей — песчаные. Малоструктурные почвы в сухом состоянии имеют максимальную связность. Выражается она в килограммах на 1 см2 (кг/см2).

Твердость — сопротивление, которое оказывает почва про­ никновению в нее под давлением какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и т. д.). Твердость определяется специальными прибора­ ми — твердомерами. Выражается в килограммах на 1 см2. Высокая твердость — признак плохих физико-химических и агрофизических свойств почв. В этих условиях требуются большие затраты энергии на обработку, затрудняется прорастание семян, корни плохо прони­ кают в почву. Она хуже пропускает влагу и воздух. На почвах со значительной твердостью растения развиваются плохо.

Твердость почвы зависит от ее увлажнения. По мере уменьшения влажности она резко возрастает.

С твердостью связана такая важная технологическая характери­ стика почвы, как сопротивление ее обработке. В обычном интервале влажности сопротивление почвы при обработке находится в прямой зависимости от твердости почвы.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на под­ резание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Удельным сопротивлением обусловливается величина силы тяги при вспашке почвы. Выражается удельное сопротивление в килограммах на 1 см2.

1.12. ПОЧВЕННЫЙ раствор

Почвенный раствор можно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли, ор­ ганоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие кол­ лоидные золи. В.И. Вернадский считал почвенные растворы одной из важнейших категорий природных вод, «основным субстратом жизни», «основным элементом механизма биосферы». Очень примечательно следующее высказывание академика Вернадского:

«Любое проявление природной воды — глетчерный лед, почвен­ ный раствор, гейзер, минеральный источник — составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанные между собой».

К.К. Гедройц, А.Г. Дояренко, А.А. Шмук, С.А. Захаров, А.А. Роде, П.А. Крюков, Н.А. Комарова, Е. И. Шилова внесли существенный вклад в разработку методов выделения, изучения состава и динамики почвенных растворов.

Почвенный раствор — это вода свободная и рыхлосвязанная, на­ полняющая капиллярные промежутки и пространства между агрега­ тами, содержащая в растворенном и коллоидном состоянии некото­ рые газы, минеральные, органоминеральные и органические вещества. Объем почвенного раствора равен объему почвенной влаги за исклю­ чением воды на уровне максимально гигроскопической влажности.

Физически прочносвязанная вода не входит в состав почвенного раствора. Проблематично к почвенному раствору отнести гравитаци­ онно просачивающуюся воду, проходящую почвенные горизонты по крупным трещинами и ходам корней и животных.

1.12.1. М ето ды вы деления п о ч в е н н о го раствора

Для выделения почвенного раствора используют методы: выжи­ мание раствора под давлением на специальных прессах, центрифу­ гирования и замещения (вытеснения) другой жидкостью. Количество выделяющегося почвенного раствора зависит от водоудерживающих свойств почвы и степени ее увлажнения. Получение почвенных рас­ творов центрифугированием возможно лишь в почвах с влажностью,

близкой к полной влагоемкости. Выделение почвенного раствора за­ мещением его другой жидкостью заключается в том, что через ко лонку, заполненную исследуемой почвой с естественной влажностью, сверху просачивается вытесняющая жидкость. Наиболее удобен для этой цели этиловый спирт. Почвенный раствор собирается в прием­ ник. Для улучшения фильтрационных свойств тяжелых почв их ре­ комендуется смешивать с хорошо отмытым кварцевым песком. При использовании указанных методов после выделения раствора в почве остается еще некоторое количество влаги.

Преимущество указанных методов — возможность получения рас­ творов при влажности, характерной для почв в вегетационный пери­ од, поэтому практически динамику почвенного раствора можно из­ учить лишь этими методами.

Состав жидкой фазы почвы в почвоведении также изучают лизиме­ трическим методом. Этот метод основан на исследовании просачива­ ющихся через определенную толщу почвы дождевых или талых вод, которые собирают в специальный приемник. Недостаток всех лизи­ метрических установок — возможность получения растворов лишь в периоды сильного увлажнения почв.

Все методы выделения почвенных растворов трудоемки и не полу­ чили широкого распространения в практике научных исследований, кроме лизиметрических стационаров.

Некоторое приближение к познанию состава почвенных растворов дает метод извлечения солей из почвы водной вытяжкой в соотноше­ нии почва:вода = 1:5. Простота и доступность метода водной вытяжки сделала его массовым при определении засоленности почв и содержа­ ния водорастворимых элементов питания растений.

Сравнительное представление о составе почвенного раствора и водной вытяжки из солончака дают следующие данные в м.-экв. на 100г почвы.

158 Почвоведение

1.12.2. С о с та в , с в о й с т в а и э к о л о ги ч ес к а я

ЗНАЧИМОСТЬ ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ

Наиболее существенным источником почвенных растворов явля­ ются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании при близком их залегании от поверхности. При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды.

Атмосферные осадки, поверхностные воды, росы, грунтовые воды, попадая в почву и переходя в категорию жидкой ее фазы, изменя­ ют свой состав при взаимодействии с твердой и газообразной фаза­ ми почвы, с корневыми системами растений и живыми организмами, населяющими почву.

В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органо-минеральные вещества, представленные в виде ионных, мо­ лекулярных и коллоидных форм. Кроме того, в почвенном растворе присутствуют растворенные газы: С 02, 0 2 и др.

Из минеральных соединений в составе почвенного раствора мо­ гут быть анионы НС03“, С 032“, N 03~, N 02~, S 042-, Cl", H2P 0 4~, H P042~ и катионы Са2+, Mg2+, Na+, NH4+, K+, H+ и др. В сильнокис­ лых почвах могут быть также Al3+, Fe3+, а в заболоченных Fe2+. Же­ лезо и алюминий в почвенных растворах содержатся в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами.

Из органических соединений в почвенном растворе могут присут­ ствовать водорастворимые вещества органических остатков и про­ дукты их разложения, продукты жизнедеятельности растений и ми­ кроорганизмов (органические кислоты, сахара, аминокислоты, спир­ ты, ферменты, дубильные вещества и др.), а также гумусовые веще­ ства.

Органоминеральные соединения представлены преимущественно комплексными соединениями различных органических веществ кис­ лотной природы (гумусовые кислоты, полифенолы, низкомолекуляр­ ные органические кислоты) с поливалентными катионами.

Соотношение минеральной и органической частей почвенного рас­ твора неодинаково в разных почвах. Так, для болотных, подзолисто­ болотных и целинных дерново-подзолистых почв характерно преоб­ ладание в почвенном растворе органических веществ над минераль­ ными; в черноземах эти компоненты примерно равны, а в засоленных

почвах минеральных соединений больше. Повышенное содержание органических веществ в почвенном растворе имеют также солонцо вые почвы благодаря его щелочной реакции к пептизирующему дей­ ствию поглощенного Na+.

Коллоидно-растворимые формы могут быть представлены органи­ ческими и органоминеральными веществами, золями кремнекислоты и полутораокисей железа и алюминия. По данным К. К. Гедройца, коллоидная часть составляет обычно 1/4—1/10 и меньше общего ко­ личества веществ в растворе. Высокое содержание коллоидно-раство­ римых соединений наблюдается в почвенных растворах солонцов.

Содержание отдельных компонентов почвенного раствора суще­ ственно изменяется также по генетическим горизонтам одного и того же типа почв. Максимум органических веществ находится в почвен­ ном растворе органогенных и гумусовых горизонтов. Вниз по профи­ лю почв количество органических веществ резко падает в результате их закрепления и минерализации в верхних горизонтах. В чернозе­ мах, каштановых почвах, сероземах и солонцах в составе почвенных растворов нижних горизонтов содержание минеральных солей уве­ личивается.

Концентрация почвенного раствора невелика и обычно не превы­ шает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключение составляют засоленные почвы, в которых содержание растворенных веществ может достигать десятков граммов на литр. Так, в подзо­ лах концентрация почвенного раствора составляет 2—3, в чернозе­ мах — 4—6, в солончаках — 10—300 г/л при оптимальной концен­ трации для большинства сельскохозяйственных растений 3—6 г/л. Для сравнения: концентрация солей в воде реки Дон — 0,5, а в мор­ ской воде — 35 г/л.

Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодей­ ствии с твердой и газовой фазами почвы и корнями растений, и по­ этому состав и концентрация его являются результатом биологиче­ ских, физико-химических и физических процессов, лежащих в осно­ ве этого взаимодействия.

Темп и направление указанных процессов подвержены значитель­ ной сезонной изменчивости, поэтому и состав почвенного раствора чрезвычайно динамичен. Постоянно меняется концентрация почвен­ ного раствора в зависимости от изменения влажности почвы и потре­ бления питательных веществ корнями растений. Типичны сезонные

160 П очвоведение

тесты агрохимиков на содержание в почвах доступных растениям азо­ та и фосфора, так как растения потребляют эти элементы главным образом из почвенного раствора.

К.К. Гедройц еще в 1906 г. писал, что дальнейшие успехи агро­ номии зависят от развития исследований почвенных растворов вви­ ду той важной роли, которую они играют и в почвообразовании, и в жизни растений. Изменение концентрации и состава растворов ведет к изменению режима водного и минерального питания растений, что, естественно, непосредственно отражается на их развитии и продук­ тивности. Поэтому человек своими разнообразными воздействиями на почву в процессе сельскохозяйственного производства по существу всегда стремился и стремится регулировать тем или иным способом состав почвенного раствора, сделать его состав оптимальным для по­ лучения наиболее высокой продуктивности агроценозов.

В питании растений большую роль играет осмотическое давление почвенного раствора. Если осмотическое давление почвенного рас­ твора равно осмотическому давлению клеточного сока растений или выше его, то поступление воды в растения прекращается, что харак­ терно для засоленных почв.

Важнейшими характеристиками почвенных растворов является их кислотность и щелочность, которая напрямую зависит от солевого со­ става растворов, поглотительной способности почв и присутствия в почвах свободных кислот.

Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений; в составе его по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразо­ вания. Элювиально-иллювиальная дифференциация почвенных гори­ зонтов, состав грунтовых вод, вод родников и рек во многом обязан почвенным растворам тех территорий, где они формируются. Мягкие воды северных территорий нашей страны резко контрастны жестким водам южных регионов.