Тепловые свойства почвы
Температура почвы – существенный фактор роста и развития растений, а также жизнедеятельности почвенных организмов. Температура почвы – существенный фактор роста и развития растений, а также жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Так, для прорастания семян пшеницы, ржи, ячменя и овса температура почвы (в зоне залегания семян) должна быть не ниже 1-50С. Однако лучше прорастают эти культуры, когда почва устойчиво прогреется до 25-300С. Холодостойкие растения (редис, лук) прорастают при температуре ниже 50С, теплолюбивые (дыня, огурец) – только при 15-180С.
Температура почвы имеет большое значение и для жизнедеятельности почвенных бактерий, грибов, актиномицетов и других организмов. Для большинства микроорганизмов, играющих существенную роль в питании растений, оптимум температур колеблется в пределах 20-300С, для теплолюбивых организмов 50-600С. Некоторые организмы проявляют жизнедеятельность даже при температуре ниже нуля (железобактерии и др.).
Температура почвы, как уже говорилось, является существенным фактором почвообразования.
Каковы источники тепла в почве? Основным источником тепла в почве являются лучистая энергия Солнца и лишь в незначительной степени теплота, выделяемая в почве в процессе разложения органических веществ, и внутреннее тепло земного шара. Тепловой режим почвы зависит не только от количества лучистой энергии, поступающей в почву, но и от тепловых свойств самой почвы. Важнейшими из них являются теплопоглощение, теплоизлучение, теплоемкость и теплопроводность.
Теплопоглощение – способность почвы поглощать тепловые лучи Солнца. Теплопоглощение зависит главным образом от окраски (цвета) почвы, положения местности по рельефу, наличия или отсутствия растительного покрова. Почвы темноокрашенные, имеющие наклон к югу, поглощают солнечного тепла больше, чем почвы светлые и обращенные на север. Растительный покров, наоборот, несколько уменьшает теплопоглощение.
Значительная часть солнечной энергии отражается от поверхности Земли и рассеивается в мировом пространстве. Отношение отраженной лучистой энергии к общему ее количеству, поступающему на Землю, выраженное в процентах, называется альбедо.
Величина альбедо у разных поверхностей разная:
снежной - 70-80%
песчаной - 40%
сероземов - 30%
покрытой растительностью – 12-20%
сухого сернозема - 14%
влажного чернозема - 8-9%
водной - 10%
Почва теряет часть поглощенной ею тепловой энергии. Эта потеря или отдача тепла в окружающую атмосферу называется теплоизлучением. Остывание почвы зависит в основном от ее влажности и наличия органического вещества: чем больше воды содержит почва и чем меньше в ней органического вещества, тем сильнее она теряет тепло.
Растительный покров, органические остатки на поверхности почвы, снеговой покров из-за низкой теплопроводности уменьшает не только теплоизлучение, но и глубокое ее промерзание, предотвращает гибель сельскохозяйственных культур от низких температур.
Теплоемкость – способность почвы удерживать тепло. Она измеряется количеством тепла (в Дж), которое необходимо для нагревания на 10 почвы 1 г (весовая теплоемкость) или 1 см3 (объемная теплоемкость). Составные части почвы имеют неодинаковую теплоемкость: вода – 4,2; торф – 2,5; глина – 2,4; песок – 2,1; почвенный воздух – 0,001. Средняя теплоемкость почвы 2,1-2,5 Дж. Теплоемкость почвы зависит от ее механического состава, содержания в ней влаги и перегноя. Чем больше в почве воды, тем больше тепла требуется для ее нагревания. Песчаные почвы быстрее нагреваются, чем глинистые. Поэтому песчаные почвы считаются теплыми, а глинистые холодными. Весной легкие песчаные и супесчаные почвы можно обрабатывать значительно раньше, чем тяжелые глинистые; всходы сельскохозяйственных культур на таких почвах появляются раньше (и дружнее), чем на холодных, глинистых почвах. Чем больше в почве перегноя, тем выше ее теплоемкость. Почвы структурные, рыхлые имеют теплоемкость выше, чем почвы бесструктурные, плотные.
Теплопроводность – это способность почвы проводить тепло от более нагретых слоев к более холодным. Она измеряется количеством тепла (в Дж), которое проходит в 1 с через 1см2 почвы толщиной 1см при разности температур в 10. Теплопроводность почвы зависит от теплопроводности составных ее частей: наименьшая – у воздуха, несколько выше – у воды, наибольшая – у минеральной части почвы. Очень низкая теплопроводность у торфяных почв.
Следовательно, чем больше в почве воздуха и органического вещества, тем хуже она проводит тепло и дольше его сохраняет. Сухие бесструктурные, плотные почвы нагреваются быстрее, но они быстрее и теряют это тепло. Увлажненные, рыхлые, богатые органическим веществом почвы нагреваются медленнее, но зато излучают его постепенно; в таких почвах дольше удерживается аккумулируемая или солнечная энергия, что благоприятнее для роста и развития сельскохозяйственных культур.
Тепловой режим почвы регулируют с помощью орошения, снегозадержания, мульчирования и рыхления почвы.
ЛЕКЦИЯ 11. Химия почв.
Твердая фаза почвы состоит из разнообразных химических веществ, которые подразделяются на три группы: минеральные, органические и органо-минеральные. Источником минеральных соединений являются разнообразные горные породы, первичные и вторичные минералы; органические – отмершие растительные и животные остатки, продукты жизнедеятельности почвенных организмов. Органо-минеральные соединения возникают в результате взаимодействия органических и минеральных веществ. Соотношение этих групп веществ в различных почвах неодинаково, но в большинстве почв доля минеральной части составляет не менее 80-90% от их массы, однако в органогенных почвах она снижается до 10%.
В состав почвы входят почти все известные химические элементы.
Наиболее распространенные элементы почвы – кислород (49%), кремний (33%), алюминий (7,13), железо (3,80%), углерод (2,0%), кальций (1,36%), натрий (0,63%), магний (0,63%), азот (0,10%).
Большая часть химических элементов в почве находится в незначительных количествах. Однако они играют большую роль в жизни растений. К их числу относятся углерод, фосфор, сера, а также микроэлементы (бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др.).
Органическое вещество почвы состоит из сложного комплекса соединений: неразложившихся и находящихся на различных стадиях разложения органических остатков высших и низших растений, микроорганизмов и животных, обитающих в почве, а также из специфических соединений, которые отсутствовали в первичных органических остатках. Эти специфические органические соединения представляют важнейшую часть почвы – гумус. Он составляет 60-90% органического вещества почвы.
Основным источником образования гумуса в почве являются остатки зеленых растений, которые при активном участии микроорганизмов обусловливают формирование перегнойных веществ почвы. Меньшее значение имеют остатки почвенных животных.
Основную часть органических веществ большинства организмов составляют углеводы: сахароза, глюкоза, фруктоза, крахмал, инулин, клетчатка, гемицеллюлоза. Кроме углеводов с органическими остатками в почву поступают азотистые вещества (белки, хлорофилл, алкалоиды аминокислоты), лигнины, смолы, воски, жиры, дубильные вещества, органические кислоты (щавелевая, лимонная, винная) и другие вещества.
Вместе с органическими остатками в почву поступают зольные элементы: калий, кальций, магний, натрий, кремний, фосфор, сера, железо, алюминий, а также микроэлементы: марганец, бор, медь, цинк, молибден, кобальт, иод, бром.
Растения содержат в среднем около 5% золы. Однако зольность отдельных растений и их органов может значительно отклоняться от приведенной средней цифры и достигать 10% (многолетние травы, мхи, бактерии) и даже 20-30% (водоросли).
Значительно меньше золы содержат древесные, особенно хвойные. Поэтому почвы, сформировавшиеся под травянистыми формациями, содержат больше зольных элементов, чем почвы, почвы, образовавшиеся под древесной растительной формацией.
Попавшие в почву исходные органические остатки под влиянием микроорганизмов, воды, воздуха, температуры претерпевают различные изменения, в результате чего сложные органические соединения распадаются на более простые.
Белки, например, подвергаясь гидролизу, расщепляются на пептоны, пептиды, а затем на свободные аминокислоты, часть которых идет на построение тела микроорганизмов, вызвавших гидролиз, другая часть распадается до углекислого газа и воды. Аминокислоты циклического строения (тирозин) при участии энзимов микроорганизмов, окисляясь, образуют черные гумусоподобные вещества. При гидролизе сложных белков образуются углеводы, белки, фосфорная кислота, азотсодержащие гетероциклические основания.
При гидролизе жиров (липидов) образуются лигнин и жирные кислоты, которые затем также разлагаются.
При гидролизе углеводов возникают моносахариды и органические кислоты. В аэробных условиях продукты гидролиза углеводов окисляются до щавелевой, уксусной, янтарной, оксикислот, альдегидов, спиртов, а в конечном итоге до углекислого газа и воды. В анаэробных условиях при разложении органических остатков микробами-анаэробами развиваются процессы восстановления с образованием метана, сероводорода, фосфористого водорода, аммиака, водорода и других восстановительных соединений.
Трудно поддаются разложению лигнин, воски, смолы, дубильные вещества, но и они служат важным материалом для образования гумусовых веществ почвы.
Часть промежуточных продуктов разложения органических остатков полностью минерализуется микроорганизмами, а образовавшиеся зольные вещества используют зеленые растения.
Другая часть промежуточных продуктов разложения служит пищей микроорганизмам. В результате микробного синтеза образуются новые органические соединения (вторичные белки, углеводы, жиры), которые после отмирания гетеротрофов также подвергаются разложению.
И, наконец, третья часть промежуточных продуктов разложения проходит довольно длительный путь превращений, подвергаясь реакциям окисления, поликонденсации и полимеризации, происходящим вне клеток микроорганизмов при участии выделяемых ими ферментов. В результате образуются сложные высокомолекулярные, большей частью темноокрашенные органические соединения, которые отсутствовали как в первичных органических остатках, так и в продуктах микробного синтеза. Эти вещества называют гумусовыми или перегнойными, а процесс их образования – гумификацией.
Многие ученые считают, что гумификация – это процесс окисления и конденсации ряда относительно простых промежуточных продуктов разложения. Согласно другой гипотезе гумификация – это сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов распада органических веществ в особый класс органических соединений – гумусовые кислоты. Ведущее значение в процессе гумификации имеют реакции медленного биохимического окисления, в результате которых образуются высокомолекулярные органические кислоты.
ЛЕКЦИЯ 12. Органические вещества почв.
Сложный комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков, называют гумусом.
Гумус содержит две группы соединений. Первая группа – негумусовые вещества органических остатков и промежуточных продуктов их разложения: белки, ферменты, аминокислоты, углеводы, лигнин, жиры, воски, смолы, дубильные вещества, органические кислоты, спирты, спирты, альдегиды. Они составляют не более 15% гумуса.
Вторую группу соединений составляют собственно гумусовые вещества, Они составляют 85-90% общего количества органического вещества в почве.
Изучению различных групп гумусовых веществ посвящены оригинальные работы И.В.Тюрина, В.Р.Вильямса, М.М.Кононовой, Л.Н.Александровой, В.В.Пономаревой, Д.С. Орлова и других ученых.
Исследования показали, что в состав гумусовых веществ входят две основные группы гумусовых кислот: первая группа – темноокрашенные гуминовые кислоты, в пределах которых различают собственно гуминовые кислоты, ульминовые кислоты и растворимые в спирте гиматомелановые кислоты. Вторую группу составляют желтоокрашенные фульвокислоты.
Некоторые исследователи выделяют еще и третью группу – гумины – комплекс гуминовых кислот и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы.
Гуминовые кислоты представляют собой темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества. Они состоят из углерода (52-62%), кислорода (31-39%), водорода (2,8-5,8%), азота (1,7-5,1%), небольшого количества зольных элементов (фосфора, серы, железа, алюминия и кремния).
Гуминовые кислоты очень плохо растворяются в воде, но хорошо растворяются в едких щелочах, водных растворах аммиака, некоторых органических растворителях. При взаимодействии различных катионов минеральной части почвы и зольных элементов с гуминовыми кислотами образуются соли, называемые гуматами. Гуматы одновалентных катионов хорошо растворяются в воде и легко переходят в состояние коллоидных и истинных растворов. Клеящая способность гуматов одновалентных катионов мала, поэтому почвы, содержащие их, не имеют водопрочной структуры, при увлажнении набухают и расплываются.
Гуматы двух- и трехвалентных катионов нерастворимы в воде. Они образуют устойчивые водопрочные гели, которые обволакивают минеральные частички почвы и склеивают их в агрегаты. Этот клей способствует образованию водопрочной структуры верхних горизонтов почвы, особенно характерной для черноземов, буроземов и красноземов.
Фульвокислоты (креоновая и апокреновая) представляют собой светлоокрашенные (от соломенно-желтой до оранжевой окраски) высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества. Они по сравнению с гуминовыми кислотами содержат больше кислорода и водорода и меньше углерода. Элементарный состав фульвокислот колеблется в следующих пределах: углерод - 40-52%, кислород - 40-48%, водород – 4-6%, азот – 2-6%.
Фульвокислоты хорошо растворяются в воде, в растворах кислот и щелочей, водном растворе аммиака. Их водные растворы имеют кислую реакцию (pH 2,6-2,8), поэтому, просачиваясь в глубь, они оказывают сильное разрушающее действие на минеральную часть почвы и способствует выносу оснований из верхних горизонтов почв.
При взаимодействии фульвокислот с катионами металлов образуются различные соли, называемый фульватами. Фульваты натрия, калия, аммония, а также кальция и магния хорошо растворяются в воде, поэтому в почвах практически не закрепляются, а легко вымываются в нижние горизонты.
В результате разрушения фульвокислотами первичных и вторичных минералов, особенно на почвах, бедных основаниями, в условиях влажного климата развивается подзолообразовательный процесс, снижается плодородие почв. На карбонатных породах, наоборот, фульвокислоты нейтрализуются основаниями закрепляются в почвах, способствуя повышению их плодородия.
При взаимодействии различных групп гумусовых веществ с минеральной частью почвы образуются органо-минеральные комплексы, природа которых еще изучается.
Соотношение между гуминовыми и фульвокислотами в различных типах почв неодинаковое и является характерным их признаком. Так, в черноземных почвах преобладают гуминовые кислоты, которые обуславливают их высокое плодородие. Гуматы кальция и магния придают этим почвам темную окраску и водопрочную структуру. В подзолистых почвах, наоборот, больше фульвокислот, оказывающих неблагоприятное влияние на плодородие почвы. Высокое содержание фульвокислот способствует выщелачиванию калия, кальция, магния и других катионов.
Следовательно, поступающие в почву органические остатки и образующиеся в ней гумусовые вещества активно участвуют в процессе почвообразования.
Однако прямой зависимости содержания гумуса от количества поступающих в почву органических остатков нет. Это связано как с условиями гумификации и минерализации органических веществ, так и с химической природой остатков. Установлено, что органические остатки древесных растений, содержащие много устойчивых соединений (целлюлозы, лигнина, дубильных веществ), разлагаются медленно (преимущественно грибами и актиномицетами). Поэтому в почвах образуется мало темноокрашенных гумусовых веществ, а преобладают фульвокислоты. Наоборот, многолетняя травянистая растительность, особенно бобовых растений, опад которой богат белками, углеводами и зольными элементами, способствует образованию преимущественно гуминовых кислот. Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам в черноземах и каштановых почвах меньше 1, в подзолистых, серых лесных буроземах и красноземах больше 1.
Больше всего накапливается гумуса в черноземах лесостепной зоны, где наиболее благоприятны гидротермические условия для поступления органических остатков и образования гумусовых веществ.
К югу и северу от зоны черноземов содержание гумуса в почвах и мощность гумусового горизонта уменьшается. Особенно мало гумуса в почвах полупустынь и пустынь.
Аналогичная закономерность выявляется и в отношении запасов гумуса и азота (т/га) в верхнем слое почв страны.
Большие различия в содержании и в составе гумуса в различных типах почв обуславливают разнообразную окраску гумусового горизонта, неодинаковую его оструктуренность, состав органо-минеральных комплексов, физические свойства почв, а следовательно, и плодородие.
Гумус почвы – важнейший источник азота и других элементов питания растений.
В гумусе аккумулируются, а при его разложении освобождаются важнейшие макро- и микроэлементы (особенно азот, фосфор, сера, железо, молибден, медь, кобальт), необходимые для роста и развития высших и низших растений.
Этим подчеркивается исключительно большая роль гумусовых веществ в плодородии почвы и жизни растений. Поскольку гумус в почве не только накапливается, но и разлагается почвенными микроорганизмами, проводят мероприятия, способствующие сохранению и накоплению органического вещества: внесение органических удобрений, извести на кислых почвах.
ЛЕКЦИЯ 13. Основы растениеводства. Зерновые культуры.
В нашей стране возделывается большое количество полевых культур, которые отличаются по ботаническим, биологически, хозяйственным признакам и особенностям возделывания. Для удобства изучения полевые культуры разделяют на соответствующие группы.