Основные свойства почвы

Как отмечалось выше, соотношения твердой, жидкой и газообраз­ной фаз могут в сильной мере изменить многие качественные и количе­ственные показатели почвы. Рассмотрим такие показате­ли, от которых зависят как плодородие почвы, так и ее важнейшие агро­номические свойства.

Физические свойства почвы определяют физическое состояние и его изменчивость при воздействии внешних механических сил.

Плотность твердой фазы почвы - это отношение абсолютно сухой массы твердой фазы к массе воды такого же объема при 4°С. Органичес­кая часть почвы имеет плотность от 1,25 до 1, 8 г/см³, плотность мине­ральной части возрастает от 2,3 доЗ,5 г/см³ и более. Поэтому бедные органическим веществом почвы имеют большую плотность твердой фазы (2,6-2,7), чем хорошо гумусированные почвы (2,4-2,6).

Плотность почвы - это масса абсолютно сухой почвы в ненарушен­ном состоянии и с имеющимися порами в единице объеме. Поэтому она всегда меньше и более динамична, чем плотность твердой фазы почвы. Плотность минеральных почв (бедных органическим веществом) состав­ляет 1,8-1,3 г/см³, хорошо гумусированных черноземов - 1,2-1,05 и торфяно-болотных (органических почв) - 0,5-0,15 г/см³.

При механической обработке можно изменять плотность почв в срав­нительно широком интервале: например, 0,9-1,3 г/см³ у черноземов. Это позволяет в любой части пахотного слоя, используя различные орудия для обработки почвы на разную глубину (бороны, культиваторы, плос­корезы) и проводя уплотнение катками с различной по форме рабочей поверхностью и удельным давлением (прутковые, кольчатые, водоналив­ные), создать так называемую оптимальную плотность почвы, которая бла­гоприятна для функционирования корневой системы возделываемых рас­тений. Для зерновых, крупяных и зернобобовых культур, однолетних и мно­голетних трав оптимальная плотность почвы составляет 1,2-1,35 г/см³, а для картофеля, свеклы и других пропашных культур - 1,0-1,2.

В естественных условиях, без воздействия внешних сил производствен­ного происхождения, почва обычно достигает некоторого устойчивого состояния, называемого равновесной плотностью, и сохраняет его в те­чение всего периода вегетации культур. Если равновесная плотность по­чвы совпадает с оптимальной или ниже ее, то механические затраты на возделывание культуры резко сокращаются. Наиболее часто это наблю­дается на черноземных почвах, на хорошо окультуренной пашне или на рыхлых гумусированных огородных участках.

Показатель плотности нередко используют в качестве характеристи­ки сложения почвы, дополняя его сведениями о пористости почвы.

Пористость почвы является важнейшим показателем предрасположен­ности почвы к активному газообмену и хорошей водонепроницаемости. Ранее рассматривались три вида пористости почвы (общая, некапиллярная и капиллярная) и их роль в целенаправленном изменении ряда агрономических свойств почвы. Здесь необходимо еще упомянуть пористость аэрации, под которой понимают объем незанятых почвенной влагой пор.

Незанятыми водой, наряду с некапиллярными, могут быть и капилляр­ные поры, которые также содействуют газообмену. Нормальный газо­обмен на окультуренной минеральной почве осуществляется при порис­тости аэрации не менее 15-20% от объема почвы.

Структура почвы является одним из первостепенных свойств, определяющих условия жизни растений и уровень почвенного плодородия.

В почве механические частицы (гранулы) или разобщены и не связа­ны друг с другом (раздельно-частичное, пылевидное состояние), или же агрегатированы и склеены в комочки (структурное состояние).

Структурой почвы называют совокупность агрегатов (комочков) раз­личной величины, формы и качества, на которые может распадаться почва. А способность почвы распадаться на такие агрегаты называют структурностью.

По величине образующихся комочков различают глыбистую структу­ру (> 10 мм), макроструктуру (10-0,25 мм) и микроструктуру (< 0,25 мм).

В агрономическом отношении наиболее ценными являются зернис­тые и мелкокомковатые структурные агрегаты, нераспадающиеся в воде (водопрочность), выдерживающие механическое воздействие, обладаю­щие высокой (> 55-60%) межагрегатной некапиллярной и внутриагре-гатной пористбстью и размером по диаметру от 0,25 до 10 мм. Ярко вы­раженная структура образуется на почвах, формирующихся под луго­вой и лугово-травянистой растительностью на материнских породах тяжелых по механическому составу (дерновые и черноземные почвы).

При обработке структурные почвы легко крошатся, длительное время сохраняют приданное им строение и оптимальную плотность. Даже при обильных осадках их межагрегатные поры, быстро пропустив воду, со­храняют воздух, а внутриагрегатные поры удерживают в себе влагу. Это обеспечивает непрерывное снабжение корней растений кислородом, во­дой и элементами минерального питания, образование которых не замед­ляется ввиду активной жизнедеятельности аэробных микроорганизмов.

Напротив, в бесструктурных почвах, находящихся в распыленном, слитном или глыбистом состоянии, вода и воздух противостоят друг другу, поскольку в ней господствуют капиллярные поры при низкой (< 45-40%) общей пористости. Поэтому выпадающие осадки плохо и медленно впитываются в почву и обычно стекают по уклону. На ров­ных полях дождевые воды застаиваются и вызывают усиление в почве неблагоприятных для растений и ризосферных микроорганизмов ана­эробных процессов, вызывая их кислородное и минеральное голода­ние. В насыщенной влагой бесструктурных почвах (весной, продолжительные моросящие дожди и т.п.) из-за отсутствия воздуха аэробные процессы приостановлены. Последующее испарение сопровождается интенсивными потерями влаги ввиду подтягивания ее по бесчислен­ным капиллярам к самой поверхности почвы и быстрому высыханию. Почва становится плотной и слитной, с трудом поддается обработке и при этом образуются крупные и прочные комки и глыбы. Для их из­мельчения многократно применяют различные орудия, которые еще бо­лее распыляют и уплотняют почву. Такая резкая и быстрая смена по­чвенных условий весьма негативно влияет на жизнедеятельность рас­тений и микроорганизмов.

Таким образом, неблагоприятные агрономические свойства бесструк­турных почв обуславливаются преобладанием в них в разобщенном рас­пыленном состоянии пылевидных и глинистых частиц (< 0,01 мм) и низ­кой общей пористостью (< 40%), которая почти полностью представле­на капиллярами.

Улучшить и сохранить структурное состояние почв тяжелых по ме­ханическому составу можно совокупностью следующих приемов: посев многолетних трав из смеси бобовых и мятликовых компонентов (кле­вер, тимофеевка луговая и др.); систематическое внесение высоких норм органических удобрений (навоз, компосты, сидераты и т.п.); периоди­ческое известкование почв с повышенной кислотностью; обработка по­чвы в состоянии ее физической спелости, когда она легко распадается на комочки; исключить излишнее механическое воздействие на почву (прогон скота, проезд агрегатов, транспорта и т.п.); создание благопри­ятных условий для активизации жизнедеятельности почвообитающих беспозвоночных животных (дождевые черви и т.п.).

Ввиду низкой связности и бедности органическим веществом улуч­шение структуры почв легких по механическому составу (песок, песча­ные, супесчаные) не всегда бывает достижимо или же требует неоправ­данно высоких затрат материальных и денежных средств.

Физико-механические свойства почвы. Физико-механические свойства сильно зависят от механического состава почв и содержания в них органических веществ.

Связность почвы - способность почвы оказывать сопротивление вне­шним силам, стремящимся разъединить почвенные частицы. Почвы пес­чаные, супесчаные или хорошо оструктуренные имеют низкую связность п их легко обрабатывать. Почвы с большим содержанием физической глины и бесструктурные обладают высокой связностью. Это препятствует развитию корней растений и затрудняет обработку почвы. Еще более возрастает связность при иссушении таких почв.

Липкость - способность почвы прилипать к рабочим органам ору­дий. Сухие и структурные почвы обладают низкой липкостью. С увели­чением влажности и содержанием физической глины липкость возрас­тает, что ухудшает качество проводимой обработки почвы.

Почвенная корка - слитный плитообразный поверхностный слой по­чвы толщиной до 3-5 см. Она образуется на бесструктурных глинистых почвах при обильном увлажнении (ливневые осадки и т.п.) и при после­дующем быстром высыхании. Почвенная корка снижает полевую всхо­жесть высеянных семян, затрудняет появление всходов, ослабляет газо­обмен и повышает физическое непродуктивное испарение влаги почвой.

Плужная подошва образуется непосредственно под пахотным слоем на почвах богатыми илистыми частицами при ежегодной вспашке их на одну глубину. Нижняя часть корпуса плуга растирает и уплотняет слой почвы, который еще обогащается вмываемыми коллоидами. Плужная подошва препятствует проникновению корней растений и воздуха в под­пахотный слой, ослабляет аэробные процессы и при застаивании воды вызывает гибель посевов.

Физическая спелость - такое состояние почвы, при котором она, об­ладая наименьшей связностью и липкостью, оказывает минимальное сопротивление механическому воздействию и хорошо крошится. Мно­гие почвы такого состояния достигают при влажности 40-60% от пол­ной влагоемкости. На почвах глинистых и богатых гумусом физическая спелость наступает при узком интервале влажности - 50-60% от полной влагоемкости. Почвы легкие по механическому составу сохраняют со­стояние физической спелости в более широком интервале влажности -2.0-80% от полной влагоемкости.

Наступление физической спелости почвы определяет самое благо­приятное время для начала весенних полевых работ: почва не мажется, не залипает, хорошо крошится и сохраняет в себе наибольшее количе­ство влаги.

В производственных условиях состояние физической спелости почвы можно определить органолептически двумя способами. При первом спосо­бе - метод свободного падения - берут у ноги горсть почвы и сжимают ее в комок, а затем от уровня пояса его отпускают в свободное падение, наблюдая за последующим изменением его формы. При втором способе - метод первой борозды - гусеничный трактор с навесным плугом делает короткую борозду при скорости 4-5 км/ч, состояние которой и оценива­ют на глаз (визуально). Показатели и результаты сведены в таблицу .

Наиболее предпочтительным из описанных является первый способ, не требующий какого-либо оборудования или сельскохозяйственной техники.

Показатели и характеристика состояния почвы при органолептическом апробировании почвы

Состояние почвы	Метод свободного падения	Метод первой борозды
Переувлажнена	Почва мажется, легко формируется в комок; при падении он де­формируется, но не распадается	Пласты слитные, пла­стичны, изредка с крупными трещина­ми, блестят от высту­пившей влаги
Физическая спелость	При сдавливании по­чвы образуется комок, он при ударе о землю легко распадается на мелкие комочки	Пласт, сходящий с от­валов, легко распада­ется на комки разной величины, они легко крошатся идущей сле­дом зубовой бороной
Пересохшая	Почва почти не сдав­ливается в комок, при падении он начинает пылить и рассыпаться, прежде чем коснется земли	Образуются крупные сухие глыбы и комки, сходящая с отвала по­чва пылит, распадает­ся на крупные проч­ные глыбы и комки, которые не разруша­ются агрегатируемой зубовой бороной

Поглотительная способность почвы. Почва как сложная полидисперсная система обладает способностью поглощать и удерживать из окружающей среды твердые, растворенные, жидкие и газообразные вещества, а также молекулы, ионы и микроорганизмы. Это явления получило название поглотительная способность почвы.

Следуя К.К. Гейдройцу (1872-1932), различают следующие виды поглотительной способности почвы: биологическая, механическая, физи­ческая, химическая и обменная.

Биологическое поглощение обусловлено способнос­тью микроорганизмов и растений в процессе жизнедеятельности погло­щать из почвы и воздуха различные вещества и переводить их в органи­ческие соединения тела. Это обуславливает сохранение и накопление в почве биологически активных элементов и органического вещества.

Механическое поглощение определяется способностью почвы как пористого тела задерживать в своих тонких порах даже части­цы менее 0,001 мм. Поэтому плотные, тяжелые и гумусированные почвы хорошо задерживают илистые частицы и способствуют образованию плужной подошвы. У песчаных и рыхлых почв эта способность мала.

Физическое поглощение, или молекулярная адсорбция, связано с возможностью почвенных частиц удерживать на поверхности целые молекулы веществ. И чем выше дисперсность частиц, как у глинистых и богатых органикой почв, тем выше величина физического поглощения.

Химическое поглощение, или хемосорбция, связано со способностью находящихся в почвенном растворе веществ вступать во взаимодействие и образовывать нерастворимые соединения. С одной стороны, это исключает вымывание из почвы биологически важных веществ, а, с другой стороны, образуются соединения (напри­мер: А1РО₄, FePO₄), содержащие элементы в труднодоступной для рас­тений форме.

Физико-химическое, или обменное, поглоще­ние обусловлено способностью почвенных коллоидов поглощать ионы различных растворимых веществ. Поскольку в почве преобла­дают отрицательно заряженные коллоиды, то в ней удерживаются пре­имущественно катионы (с нарастающей энергией поглощения в ряду Na⁺ < NH⁺ < K⁺ < Mg²⁺ < H⁺ < Са²⁺ < Fe³⁺) и в меньшем количестве анионы (NO^-₃ < SO₄^2- < РО₄^3- < ОН^-). Однако при поглощении почвен­ными (точнее почвенным поглощающим комплексом) коллоидами одних видов ионов из раствора в него в обмен вытесняются виды других ионов, обладающие меньшей энергией поглощения.

Сумма катионов, удерживаемых в почвенном поглощающем комплек­се и способных к обмену, называется емкостью поглощения (Е, м-экв на 100 г почвы). Емкость поглощения почв возрастает с дисперсностью ее частиц и обогащением ее гумусовыми веществами. Поэтому у песчаных почв она составляет 5-10, у дерново-подзолистых суглинистых - 15-20, а у черноземов повышается до 50-70 м-экв. на 100 г почвы.

Почвы, содержащие преимущественно в ППК ионы Са²⁺ и Mg²⁺, на­зывают насыщенными основаниями (черноземы, каштановые). Если же ППК наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ содержатся ионы Н⁺ и Аl³⁺, такие почвы называют ненасыщенными основаниями (подзолистые, дерново-подзолистые). Такие почвы не имеют водопрочной структуры, заплыва­ют, образуют почвенную корку и имеют повышенную кислотность, что весьма неблагоприятно для растений.

Водные свойства почвы играют важную роль в форми­ровании ее водного режима, под которым понимают совокупность про­цессов поступления, передвижения, расхода и изменения качественного состояния почвенной влаги. А это является решающим фактором в ко­личественном и качественном обеспечении потребностей культурных растений в воде.

На поступившую в почву воду оказывают влияние сорбционные (мо­лекулярное притяжение), менисковые (капиллярные) и гравитационные силы. Они в значительной мере влияют на многие водные свойства по­чвы и на ее способность накапливать, удерживать и сохранять влагу и обеспечивать ею возделываемые растения.

Отношение массы содержащейся в почве воды к массе абсолютно су­хой почвы, выраженное в процентах, называют влажностью почвы. Она ничего не говорит о качественном состоянии воды и ее взаимодействии с почвой и доступности растениям, но свидетельствует лишь о количе­ственном наличии воды в почве.

Влагоемкость почвы - это способность почвы удерживать определен­ное количество влаги. Почвы песчаные обладают очень низкой влагоемкостью, тогда как у глинистых и гумусированных она особенно велика.

В производственных условиях важное значение имеет знание предель­ной полевой влагоемкости (ППВ), характеризуемой наибольшим коли­чеством воды в полевых условиях, которое способна удерживать почва в своих капиллярах в подвешенном состоянии после стекания гравита­ционной воды и низком стоянии грунтовых вод. Запас влаги в почве, определяемый предельной полевой влагоемкостью возрастает с увели­чением содержания в почве физической глины, органического вещества, коллоидов и оструктуренности почв. Он является основным источни­ком обеспечения растений водой в период между очередным увлажнени­ем почвы (выпадением осадков, полив и т.п.). На легких песчаных по­чвах предельная полевая влагоемкость составляет около 12-15%, на сред-несуглинистых - 20-25 и на глинистых и гумусированных - 30-35%.

Полная влагоемкость почвы - наибольшее количество воды, которое почва способна вместить во всех своих порах. Такое состояние в почве наблюдается при быстром снеготаянии, ливневых осадках и т.п. После стекания гравитационной влаги освободившиеся поры заполняются воздухом и вновь восстанавливается аэрация почв.

Водопроницаемость почв - способность впитывать и пропускать че­рез себя поступающую сверху воду. Песчаные почвы обладают «провальной» водопроницаемостью и большая часть влаги уходит в грунтовые воды, тогда как суглинистые и глинистые почвы медленно пропускают влагу и долго ее удерживают. Поэтому даже при частых осадках на лег­ких почвах растения испытывают недостаток влаги, а на средне сугли­нистых и глинистых почвах это может наблюдаться через более продол­жительный интервал времени.

Водоподъемная способность характеризуется свойством почвы под­нимать влагу по капиллярным промежуткам. На почвах песчаных, где диаметр капиллярных пор велик, высота капиллярного подъема редко превышает 0,5 - 0,8 м, а на среднем суглинке - 2,5 - 3,0 м, на глинистых она может составлять 4,0 - 6,0 м. Однако в случаях, подобных после­дним, возрастают непроизводительные потери влаги и усиливается опас­ность засоления почв в зоне сухих и пустынных степей.

С капиллярностью связана и испаряющая способность почвы, харак­теризуемая потерей влаги вследствие физического испарения. Ветер и повышение температуры усиливают потери влаги. Почвы распыленные, бесструктурные и плотные больше теряют влаги, чем песчаные. Резко снижается испаряющая способность почв структурных, где капилляры короткие, прерывистые и не образуют сплошной волосяной подъем воды к поверхности почвы. На заплывающих и бесструктурных почвах мож­но в 2-3 раза сократить потери воды из-за физического испарения, если над капиллярами создать рыхлый мульчирующий слой почвы в 3-4 см с помощью боронования. Такой прием очень эффективен ранней весной и получил название ранне весеннего, или покровного, боронования.

Воздушные свойства почвы, как и ее воздушный ре­жим в значительной мере определяются ее пористостью. Хорошая аэра­ция, обусловленная активным газообменом между почвой и атмосфе­рой, благоприятна для жизнедеятельности корней растений и почвен­ных микроорганизмов, образования наиболее доступных растениям окисленных форм минерального питания. Недостаток аэрации снижает содержание в почве кислорода, что нарушает нормальные процессы ме­таболизма в корнях растений, усиливаются неблагоприятные анаэроб­ные и восстановительные процессы.

Состояния воздушного режима в значительной мере определяются такими свойствами почвы как воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость почвы определяется объемом крупных (некапилляр­ных и межагрегатных) пор в почве. В мелких же (капиллярных и внутри-агрегатных) порах обычно в нормальных полевых условиях содержится влага. Поэтому объем пор почвы, не занятых водой, называют пористо­стью аэрации. В бесструктурных почвах она невелика и быстро снижа­ется при естественном уплотнении или увлажнении почвы. В структур­ных почвах пористость аэрации быстрого восстанавливаться даже после обильных осадков. На окультуренных почвах пористость аэрации необходимо поддерживать на уровне 15-30% от объема почвы.

Воздухопроницаемость выражает способность почвы пропускать че­рез себя воздух. На структурных, легких по механическому составу и умеренно увлажненных почвах она хорошо выражена и сильно затруд­нена на почвах распыленных, плотных и переувлажненных. Нормаль­ная воздухопроницаемость сохраняется при значении пористости аэра­ции не менее 15-20%.

Тепловые свойства почвы определяют возможности почвы трансформировать и сохранять тепловую энергию, основным ис­точником которой является солнце.

Теплоемкость - это количество тепла в джоулях, которое необходимо для нагревания 1 г (массовая теплоемкость) или 1 см³ (объемная теплоем­кость) почвы на 1° С. Она сильно колеблется не только от соотношения твердой, жидкой и газообразной фазы, но и от состава этих фаз. Так, мас­совая теплоемкость воды составляет 4,187; кварцевого песка - 0, 821; гли­ны - 0,975; органического вещества -1,997 и воздуха- 0,001. У нормально увлажненных почв теплоемкость колеблется в пределах 0,7-0,8. С увели­чением влажности почвы она быстро возрастает. Поэтому песчаные лег­ко пересыхающие почвы быстро прогреваются («теплые» почвы), чем влажные глинистые («холодные» почвы).

Теплопроводность выражает способность почвы проводить тепло от теплых слоев к холодным. Она составляет у песка 0,039, глины - 0,009, воды - 0,005, органического вещества - 0,001, и воздуха - 0,0002. Поэто­му сухие и плотные почвы быстро проводят тепло, но и быстро его теря­ют. Последнего можно избежать, если верхний слой почвы взрыхлить (боронование, шлейфование и т.п.). Напротив, рыхлые, переувлажнен­ные и богатые органическим веществом почвы медленно прогреваются, но дольше его сохраняют.

Притекающая к поверхности солнечная энергия не вся поглощается почвой (теплопоглощение), а часть ее отражается а пространство и теря­ется безвозвратно. Эта часть отраженной энергии, выраженной в про­центах, и называемой альбедо, характеризует теплоизлучение почвы. Почвы влажные, гумусированные, темноокрашенные больше поглоща­ют энергии (альбедо около 8-20%). Почвы легкие по механическому со­ставу и светлоокрашенные значительно меньше поглощают тепла (альбедо 25-40%), тогда как поверхность снежного покрова поглощает наи­меньшее количество солнечной энергии (альбедо 88-91%).

Таким образом, рассмотренные тепловые свойства почвы позволяют сознательно подходить к оценке как возможных тепловых условий на конкретном поле, так и выбору приемов их регулирования.

Рассмотренные водные, воздушные и тепловые свойства почвы меж­ду собой весьма тесно взаимосвязаны. В Нечерноземной зоне на сырых полях, избавляясь от излишнего количества воды из-за переувлажнения почв (например, поделкой гряд, гребней, мелкогребнистой поверхности поля), удается улучшить не только их аэрацию, но способствовать и их быстрому прогреванию. В зоне луговых и пустынных степей частые об­работки, резко повышая аэрацию, приводят к быстрому иссушению и перегреву почвы. Вследствие этого приостанавливаются микробиоло­гические процессы в почве, а возделываемые растения погибают от не­достатка влаги и коагуляции белков в их клетках от перегрева. Вместе с тем, поддержание хорошей аэрации почвы, ее умеренной влажности, как и устойчивого теплового режима весьма благоприятствуют непрерыв­ному течению аэробных процессов, играющих важную роль в минераль­ном питании растений.

Таким образом, регулируя количественные и качественные соотно­шения рассмотренных свойств почв с помощью различных приемом обработки, можно в широких интервалах изменять в благоприятном на­правлении водные, воздушные, тепловые и другие условия жизни культурных растений.