1 курс / Практика / Почвенная / Почвоведение. Курс лекций

характерна при воздушно-сухом состоянии почв, минимальная – при избыточном увлажнении почв вследствие близкого залегания грунтовых вод, поверхностном заболачивании или затоплении, а также в условиях водоносных горизонтов.

Основными факторами газообмена в почве являются:

1)атмосферные условия, к которым относятся амплитуды колебания температур воздуха (суточные и годовые), амплитуды колебаний атмосферного давления (су- точные и годовые), температурные градиенты на поверхности раздела почва - ат- мосфера, движение атмосферного воздуха, осадки и характер их распределения, характер испарения и транспирации.

2)физические свойства почвы, к которым относится гранулометрический состав, структура, состояние поверхности, плотность, пористость, температурный режим, влажность почвы,

3)физические свойства газов, к которым относятся скорость диффузии, градиен- ты концентраций газов в почвенном профиле и на границе раздела сред, их грави- тационный перенос под действием силы тяжести, способность к сорбции – де- сорбции на твердой фазе почвы, растворение в почвенных растворах и дегазация.

4)физико-химические реакции в почвах, к которым относятся обменные реакции между ППК – почвенным раствором – газовой фазой, а также окислительно- восстановительные реакции.

Основным механизмом переноса газов является диффузия. Диффузия – это процесс перемещения газов, связанный с их различной концентрацией в почве и атмосфере (градиентом концентрации). В почвенном воздухе концентрация ки- слорода всегда меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере. Поэтому под влиянием диффузии создаются условия для поступления в почву кислорода и вы- деления в атмосферу углекислого газа.

Поток газообразного вещества (QS), протекающего через единицу площади почвенной среды за единицу времени, рассчитывается уравнением молекулярной диффузии (первый закон Фике):

Qs = Ds dc dz

где DS – коэффициент диффузии газа в почве, см2 · с; с - концентрация газа в почвенном воздухе, мг/см3; z – глубина слоя, см.

Остальные факторы в большей или меньшей степени связаны с диффузией: они изменяют градиенты концентрации газов или изменяют свойства среды, через которую идет диффузия.

11.3. Формы почвенного воздуха.

Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях: собственно поч- венный воздух (свободный и защемленный), адсорбированный и растворенный.

Свободный почвенный воздух – это смесь газов и летучих органических со- единений, размещается в капиллярных и некапиллярных почвенных порах. Он

обладает большой подвижностью и способен свободно перемещаться в почве и активно обмениваться с атмосферой.

Защемленный почвенный воздух – воздух, который находится в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Максимальное количество за- щемленного воздуха имеют тонкодисперсные уплотненные почвы. Этот воздух неподвижен и практически не участвует в газообмене между почвой и атмосфе- рой. Он препятствует фильтрации воды, может вызывать разрушение почвенной структуры.

Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенной воде. Взаимоотношение жидкой и газообразной фаз почвы определяется режимом температуры и давления, а также концентрацией газов в свободном почвенном воздухе.

Количество растворенных газов подчиняется закону фазового равновесия Генри:

C = λp /10,2,

где С – массовая концентрация газа, растворенного в воде, мг/л, λ – коэффициент растворимости газа в воде, мг/л, р – парциальное давление газа в почвенном воздухе, МПа, 10,2 – нормальное атмосферное давление, МПа.

Повышение давления повышает растворимость газов, понижение давления способствует переходу газов из почвенного раствора в почвенный воздух. Увели-

чение концентрации того или иного газа в составе почвенного воздуха вызывает увеличение этого газа в почвенном растворе. Понижение температуры почвы приводит к повышению растворимости всех почвенных газов. Хорошо растворя- ются в воде аммиак, сероводород, углекислый газ, растворимость кислорода не- большая. Растворенные газы проявляют высокую активность. С насыщением поч- венного раствора СО2 повышается растворимость карбонатов, гипса, других со- единений. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства поч- венного раствора. С повышением температуры окислительные процессы ослабе- вают и происходит выпадение из растворов карбонатов. Растворенные газы игра- ют большую роль в обеспечении физиологических потребностей почвенной фло- ры и фауны.

Адсорбированный почвенный воздух – это газы и летучие органические со- единения, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Чем выше степень дисперсности почвы, тем больше сорбированных газов при данной температуре она содержит. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического состава почв, их влажности и количества органических веществ. Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжелого гранулометрического состава, богатых

органическим веществом. Наибольшее количество адсорбированного воздуха ха- рактерно для сухих почв, активнее поглощающих воду, чем газы.

Количество адсорбированных газовых компонентов (Г) можно рассчитать при промощи уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра:

Г = Г∞ k C+ C ,

где:

Г∞ - предельное значение адсорбции насыщения на единицу поверхности адсорбента, мг,

С – равновесная концентрация газа в системе, мг/л, K – эмпирический коэффициент.

Газы сорбируются в зависимости от строения их молекул и дипольного мо- мента. Хуже всех сорбируется N2, лучшими сорбционными способностями обла- дает кислород и углекислый газ, самая высокая сорбция – у NH3.

12. Тепловой режим почв. Радиоактивность почв.

Тепловой режим в значительной степени объясняет интенсивность механиче- ских, геохимических и биологических процессов в почве. С повышением темпе- ратуры на 10° С скорость химической реакции возрастает в 2-3 раза. В разных районах Земли в этой связи скорости химических реакций могут отличаться в де- сятки раз. От температуры зависит сорбция и десорбция, растворимость газов, со- отношение твердой и жидкой фаз в почве, пептизация и коагуляция коллоидов.

Многие минералы отличаются значительными коэффициентами объемного расширения, например, у полевых шпатов вдвое меньше, чем у кварца. При пе- риодическом нагревании и охлаждении в породах образуются трещины, а капил- лярное давление в тонких трещинах и замерзающая вода в более крупных способ- ствуют механическому разрушению минералов и пород. Нагревание увеличивает биохимическую деятельность бактерий, по крайней мере до температуры 40° С.

Тепловым режимом почвы называется совокупность явлений теплообмена в системе приземный слой воздуха – почва – почвообразующая порода. Тепловой режим определяет в первую очередь солнечная радиация, точнее соотношение по- глощенной радиации и теплового излучения Земли. Сравнительно небольшую роль играют экзо- и эндотермические реакции в почве, а также внутренняя энер- гия нашей планеты. Интенсивность альбедо зависит от окраски почвы, характера ее поверхности, теплоемкости. Темные почвы, богатые органическим веществом и глинистыми минералами, энергично поглощают солнечное излучение. Светлые, особенно песчаные малогумусные почвы имеют альбедо 40-45 %, или почти вдвое меньше.

Под теплоемкостью понимают количество теплоты, необходимое для нагре- вания на 1° С 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см3 почвы (объемная теп-

лоемкость). Теплоемкость жидкой фазы – около 1, твердой – 0,1-0,5, газовой фа- зы – 0,0003. Из этих величин следует, что теплоемкость почвы увеличивается с увеличением влажности почвы, то есть для нагревания влажной почвы требуется больше тепла, чем для нагревания сухой.

Излучение теплоты также зависит от состава и влажности почвы, строения поверхности. Поступающее количество энергии (радиационный баланс) тратится на испарение, нагревание почвы, отдачу тепла в атмосферу. В среднем за год теп- ловой баланс почвы равен нулю.

Тепловодность – способность почвы проводить теплоту, она определяет глу- бину прогревания и охлаждения почв. Этот показатель у воды в 20 с лишним раз выше, чем у воздуха, поэтому влажные почвы прогреваются на большую глубину, хотя и медленнее, чем сухие. Биологически активное прогревание соответствует температуре выше 10° С. Колебания суточных температур распространяются обычно до глубины 1 м. Сезонные колебания захватывают значительно большую толщину почвы.

Промерзание почвы зависит от ряда причин: географического положения, климатических особенностей, температуры замерзания почвенного раствора, мощности снежного покрова и времени его выпадения, наличия древесной расти- тельности. Растительность задерживает солнечную радиацию, поэтому летом температура почвы может быть ниже, чем воздуха. Пониженную теплопровод- ность имеет лесная подстилка. Но зимой температуры почвы под лесом выше, чем на соседнем поле.

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радиоактивных элементов. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность вызывается естественными радиоактив- ными элементами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и породах.Их подразделяют на три группы.

1.Группа элементов, все изотопы которых радиоактивны. В таблице Мен- делеева это ряды урана – радия – тория и актиния . Промежуточными продуктами их распада могут быть как твердые, так и газообразные изотопы. Наибольшее распространение получили изотопы урана, тория, радия и радона.

2.Группа радиоактивных изотопов «обычных» элементов. К ним относятся

изотопы калия, рубидия, кальция, циркония и др. Наибольшее значение в этой группе имеет радиоактивный изотоп калия (40К), обусловливающий наибольшую естественную радиоактивность почв.

3.Группа радиоактивных изотопов, образующихся в атмосфере под дейст- вием костмических лучей: тритий (3Н), бериллий (7Ве, 10Ве) и углерод (14С).

Все естественные радиоактивные элементы – долгоживущие. Их период по-

лураспада ( промежуток времени, за который число радиоактивных атомов данно- го вещества уменьшается вдвое) составляет 108-1016 лет. В почвах и породах они находятся в чрезвычайно рассеяном состоянии и их содержание зависит от почво- образующих пород. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания кис- лых магматических пород, содержат радиоактивных изотопов больше, чем обра- зовавшиеся на основных и ультраосновных породах. Тяжелые почвы содержат их

Одним из основных эродирующих факторов является действие воды. Водную эрозию подразделяют на плоскостную (поверхностную) и линейную (овраж- ную). В зависимости от вида стоковых вод водную эрозию также подразделяют на эрозию, вызываемую талыми, дождевыми или ирригационными водами.

Плоскостная (поверхностная) эрозия проявляется в виде смыва верхних го-

ризонтов почвы при стекании талых и дождевых вод на склонах.

Движение воды может осуществляется как сплошным потоком, так и не большими струйками и ручейками. При этом образуются небольшие струйчатые промоины, которые при механической обработке почвы легко ликвидируются за счет припахивания нижних слоев почвы. Таким образом, мощность гумусового слоя постепенно уменьшается, а пахотный слой формируется из нижележащих малоплодородных горизонтов и даже материнской породы.

Механизм плоскостной эрозии связан и с разрушающей ударной силой до- ждевых капель, которые, падая на поверхность почвы, разрушают почвенные аг- регаты на мелкие частицы и разбрызгивают их в стороны. При этом почва дезаг- регируется и делается более податливой смыву. Часть поверхности пор заилива- ется, что снижает водопроницаемость почвы и усиливает боковой сток.

В результате развития плоскостной эрозии формируются эродированные почвы, обладающие по сравнению с исходными более низким плодородием. Снижение плодородия зависит от степени смытости почв и связано с постепен-

ным удалением наиболее плодородного верхнего слоя и вовлечением в пахотный горизонт менее плодородных нижних горизонтов. При этом изменяется химиче- ский состав, ухудшаются свойства и режимы почв: снижаются содержание и запа- сы гумуса (часто ухудшается его качество), запасы элементов минерального пи- тания, особенно азота; ухудшаются физические и биологические свойства почвы. Смытые почвы имеют худшую оструктуренность, низкую пористость и повышен- ную плотность. Это обусловливает снижение водопроницаемости, увеличение по- верхностного стока, снижение влагоемкости и запасов доступной для растений влаги. Часто на смытых почвах ухудшается состав обменных катионов, изменя- ется реакция. Потеря гумуса ведет к снижению биологической активности почв.

Весь комплекс изменений, происходящих при формировании эродирован- ных почв, приводит к падению плодородия и, как следствие, к снижению урожая.

Линейная (овражная) эрозия – размыв почвы в глубину струей воды, сте- кающей по склону. Первые стадии линейной эрозии – образование глубоких струйчатых размывов ( до 20-35 см) и промоин ( глубиной от 0,3-0,5 до 1,0-1,5 м). Дальнейшее их развитие приводит к образованию оврагов.

Овраги полностью уничтожают почву. Рост и развитие оврага продолжают- ся до глубины базиса эрозии – уровня воды в ближайшем водоеме. Когда глубина оврага достигает этого уровня, усиливается боковой сток и прекращается размыв почвы в глубину. Бока оврага постепенно округляются, зарастают растительно- стью и овраг переходит в балку.

О степени развития овражной эрозии чаще всего судят по проценту площа- ди оврагов или по суммарной их протяженности на квадратный километр площа- ди.

Разновидностью водной эрозии является ирригационная, которая возникает при смыве и размыве почвы оросительными водами.

На развитие и интенсивность эрозионных процессов влияет ряд факторов. Важнейшими являются климатические условия, рельеф, геологическое строение, свойства почв, характер растительности.

Из климатических условий наибольшее значение имеют количество и ре- жим выпадающих осадков, их интенсивность и продолжительность, распределе- ние по сезонам. Особенно опасны ливневые дожди в период, когда почва обнаже- на. Сильное развитие эрозионных процессов могут вызвать талые воды, особенно когда маломощный оттаявший слой перенасыщен водой.

Важнейшим условием развития водной эрозии является рельеф. Чем больше глубина базиса эрозии, тем глубже расчленен рельеф. При крутизне склона в 1-20 возникает смыв почвы. Особенно опасны выпуклые склоны, вогнутые склоны ме- нее подвержены смыву, а на ступенчатых склонах с каждой ступенькой скорость смыва гасится. На южных склонах, где снеготаяние более бурное, эрозионная опасность выше.

Различные породы имеют разную подверженность размыву и смыву. В наи- большей степени эродируют лессы и лессовидные суглинки, так как содержат много пылеватых частиц. Моренные отложения более устойчивы к размывающе- му действию воды. Флювиогляциальные и другие песчаные отложения быстро впитывают влагу, поэтому они сравнительно устойчивы к эрозии.

Такие свойства почв, как структура, гранулометрический состав, мощность гумусового горизонта, плотность, влияют на развитие эрозионных процессов, так как они определяют соотношение поверхностного и внутрипочвенного стока во- ды. Почвы легкие, оструктуренные и рыхлые хорошо впитывают воду, следова- тельно, лучше противостоят эрозии. Почвы с разрушенной структурой, малогу- мусные имеют слабую противоэрозионную устойчивость.

Растительный покров препятствует развитию эрозионных процессов тем, что предохраняет почву от разрушения. В результате выпадения атмосферных осадков корни растений скрепляют почвенные частицы, уменьшая смыв и размыв почвы.

Из полевых культур по противоэрозионным свойствам приоритетными яв- ляются многолетние травы. Однолетние культуры сплошного сева эрозионно бо- лее опасны, но существенно снижают водную эрозию по сравнению с вспаханной почвой. Еще меньшими противоэрозионными свойствами характеризуются про- пашные. Наибольшее значение в борьбе с линейной и ветровой эрозией имеют древесно-кустарниковые растения.

Защита почв от водной эрозии слагается из профилактических мероприя- тий по предупреждению ее развития и конкретных мер по устранению эрозии там, где она уже развита.

Система защиты почв от эрозии включает организационно-технические, аг- ротехнические, лесомелиоративные и гидротехнические противоэрозионные ме- роприятия.

О р г а н и з и ц и о н н о-х о з я й с т в е н н ы е м е р о п р и я т и я включа- ют обоснование и составление плана противоэрозионных мероприятий и органи- зацию территории. Для этого выделяют площади, в разной степени подверженные эрозии, на которых размещают севообороты, защитные лесополосы, гидротехни- ческие сооружения. При землеустройстве проектируют сравнительно небольшие поля, вытянутые поперек склона.

А г р о т е х н и ч е с к и е м е р о п р и я т и я предусматривают возделыва- ние почвозащитных культур (многолетних трав, культур сплошного сева и др.), противоэрозионную обработку почвы, снегозадержание.

Л е с о м е л и о р а т и в н ы е м е р о п р и я т и я включают создание поле- защитных лесополос.

Г и д р о т е х н и ч е с к и е м е р о п р и я т и я предусматривают создание гидротехнических сооружений для регулирования склонового стока.

Наряду с вышеперечисленными при развитии водной эрозии применяют та- кие методы охраны почв, как мульчирование, террасирование склонов, создание водоотводных канав.

Под ветровой эрозией, или дефляцией, понимают разрушение почвы, в ка- честве эродирующего фактора которого выступает ветер. Ветровая эрозия разви- вается на рельефе любого типа, проявляется в виде пыльных бурь и местной (по- вседневной) эрозии.

При ветровой эрозии наиболее мелкие и гумусированные частицы перено- сятся воздушным потоком на десятки, сотни и даже тысячи километров. При сильном ветре возможно повреждение всходов, обнажение корней растений. При пыльных бурях ветер поднимает в воздух верхние горизонты почвы, иногда вме- сте с посевами и переносит почвенные массы на большие расстояния. Наносами засыпаются сооружения, дороги, каналы, водоемы.

Факторы возникновения ветровой эрозии – засушливый климат, наличие сильных ветров и их турбулентность, обезлесенность территории, дефляционная податливость почвы.

Ветровая эрозия возможна только при достаточной иссушенности почвы. Влажная почва ветром не эродируется. Поэтому опасность ветровой эрозии воз-

никает в районах с засушливым климатом или на мелиорированных переосушен- ных почвах.

Наиболее важным фактором выдувания почвы является скорость ветра и рельеф ее поверхности. Для любых полевых условий имеется своя минимальная скорость ветра, при которой начинается эрозия. Турбулентность ветра усиливает его эродирующее действие.

Если в воздухе нет никаких почвенных частиц, то требуется гораздо боль- шая скорость ветра для того, что вызвать начало их движения, чем в том случае, когда на поверхность почвы падают скачкообразно двигающиеся частицы с со- седних участков и добавляют свою кинетическую энергию к энергии ветра. На обезлесенных, открытых территориях вероятность возникновения такого движе-

ния почвенных частиц во много раз превышает вероятность его возникновения на территориях, имеющих даже незначительную облесенность и закустаренность.

На выдуваемость почвы ветром влияет ее гранулометрический состав, ост- руктуренность, связность, плотность твердой фазы и плотность сложения.

Сравнительно легко эродируются пески, потому что они содержат много частиц, способных передвигаться скачкообразно, и мало связывающего их мате- риала. Легко эродируются торфяные почвы, имеющие очень низкую плотность сложения и плотность твердой фазы. Почвы, сложенные из агрегатов небольшого диаметра, эродируются легко, а почвы, сложенные крупными агрегатами или имеющие на поверхности корку, довольно устойчивы против выдувания.

Наибольшая опасность ветровой эрозии возникает на ровных элементах рельефа, а также на буграх, гребнях с подветренной стороны. Наибольшие углуб- ления почвы улавливают частицы, движущиеся скачкообразно, а холмики, обра- зовавшиеся при отложении скачущих частиц, выдуваются легко.

Ветровая эрозия характеризуется несколькими фазами. Начинается она с разрыхления, разрушения и обнажения почвы, которое происходит под действием мороза, попеременного увлажнения и высыхания, под ударами дождевых капель и при механической обработке.

Затем следует начало движения почвенных частиц с наиболее легко эроди- руемой фракции (0,1-0,5 мм). Перемещение почвенных частиц включает три фор- мы движения: 1) скольжение по поверхности. Такая форма движения присуща крупным частицам диаметром 1-3 мм; 2) скачки. Частицы размером от 0,1 до 1 мм создают поземку в приземном слое; 3)движение во взвешенном состоянии, харак- терное для частиц мельче 0,2 мм.

В процессе движения почвенных частиц осуществляется сортировка их по размерам, массе и форме, а также происходит истирание (абразия) – процесс раз- рушения комков почвы и породы под ударами почвенных частиц.

Следующая фаза – лавинный эффект. Он возникает за счет того, что одни почвенные частицы приводят в движение другие. Заключительной фазой ветро- вой эрозии является отложение перемещенного материала.

При землеустройстве прежде всего должны быть выделены эрозионно- опасные и эродированные участки и решен вопрос об их использовании и органи-

зации защитных мероприятий. Для борьбы с дефляцией проводят организацион- но-хозяйственные, агротехнические и лесомелиоративные мероприятия.

Защищая почву от ветровой эрозии, необходимо добиваться снижения ско- рости ветра у поверхности почвы, что достигается закреплением почвы постоян- ной растительностью, посевом растений узкими полосами.

Целесообразно организовывать перехваты частиц, движущихся скачкооб- разно. Для этого высаживают полосами высокорослые растения, создают террасы шириной около 3 м, через такие полосы большинство частиц не перескакивает.

Очень важно поддерживать почву в агрегированном увлажненном состоя- нии, составлять на полях послеуборочные остатки, мульчировать.

14. ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ.

Поглотительная способность – это явление поглощения и удержания поч- вой веществ, растворенных в почвенном растворе, а также в виде коллоидных частиц, газов и паров. Поглотительная способность почвы зависит от ее грануло- метрического состава, структурных свойств, содержащихся в ней химических со- единений и живых организмов. Наиболее основательно проблемы поглотительной способности почв изучены академиком К.К. Гейдройцем. Под поглотительной способностью он понимал способность почв задерживать соединения или их час- ти, находящиеся в растворенном состоянии, а также коллоидально распыленные частицы минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и гру- бые суспензии.

Поглощение почвой веществ, которые соприкасаются с ней, происходит в ре- зультате целого ряда процессов: физических, химических, физико-химических и биологических. В зависимости от происходящего процесса различают механиче-

скую, физическую, химическую, физико-химическую и биологическую поглоти-

тельные способности. При этом физическое и физико-химическое поглощение связано с коллоидными частями почвы, остальные виды поглотительной способ- ности обусловлены другими причинами.

Механическая поглотительная способность – свойство почвы задержи-

вать взмученные частицы, содержащиеся в фильтрующейся через нее воде, раз- мер которых крупнее почвенных пор. Эти частицы могут поступать в почву извне или образовываться в почве при ее увлажнении водой. Эта способность почвы за- висит от ее механического состава и структурных свойств. Чем тяжелее по грану- лометрическому составу почва и мельче пронизывающие ее поры, тем лучшей за- держивающей способностью обладает эта почва. Суглинистые и глинистые почвы обладают большей сорбционной способностью, чем песчаные или каменистые почвы. По мере увеличения гумуса механическая поглотительная способность почв увеличивается.

- физическая (молекулярная адсорбция) – это увеличение или уменьшение концентраций молекул растворенного вещества в пограничном слое раствора, ко- торый окружает почвенные коллоиды. Она связана со свойством почвы погло- щать из почвенного раствора молекулы электролитов, газов, а также продуктов