Факторы плодородия почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Факторы плодородия почвы

Для жизни растений требуются пять факторов: тепло, свет, вода, пища и воздух. Поэтому главным качеством почвы является ее способность удовлетворять потребности растений в воде, пище, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла и благоприятной средой для нормального роста и развития. Плодородие почвы формируется как в результате развития естественного почвообразовательного процесса, так и в результате сельскохозяйственного использования.

Различают факторы и условия почвенного плодородия. К первым относятся биологические, водные, воздушные, тепловые и пищевые режимы - необходимые земные факторы жизни и роста растений. Ко вторым - совокупность физических, физико-химических свойств и режимов почв, взаимодействие которых определяет возможность обеспечения растений земными факторами.

Уровень плодородия зависит от конкретных показателей физико-химических, биохимических, температурных, водно-воздушных, солевых и окислительно-восстановительных почвенных режимов. В свою очередь, режимы определяются климатическими условиями, агрофизическими свойствами почв, их механическим, минералогическим и химическим составом, потенциальным запасом элементов питания, содержанием, составом и запасом гумуса, интенсивностью микробиологических процессов, реакцией и другими физико-химическими свойствами.

Показатели свойств и режимов изменяются во времени и зависят от сезонных циклов почвооборазования, приемов воздействия на почву и длительности ее сельскохозяйственного использования.

Плодородие почв учитывают при проектировании севооборотов, планировании системы обработки почвы, системы удобрений и разработке систем земледелия.



2. Биологические факторы плодородия

Почва и растение - единое целое. Несмотря на первичность по отношению к урожаю, почва в значительной мере обязана растению. Функция почвы - обеспечение растения водой, азотом и зольными элементами, кислородом и углекислым газом. В результате жизнедеятельности растений и животных происходит накопление органических остатков и гумуса, элементов минерального питания и органоминеральных соединений. Вместе с эволюцией растительного мира развивается и усложняется почвообразовательный процесс, а почва постепенно, но неуклонно повышает свое плодородие. Экологические системы выработали способность к саморегуляции и самовоспроизводству.

В противоположность естественным устойчивым многовидовым растительным сообществам на пашне выращивают одновидовые или многовидовые сообщества культурных растений. Время взаимодействий растений с почвой резко сокращается. В результате снижается устойчивость и продуктивность биологического круговорота. На пахотных почвах 50-60 % органического вещества отчуждается с урожаем безвозвратно. Источником органического вещества являются наземные послеуборочные остатки растений, а также вносимые в почву органические удобрения.

В интенсивном земледелии особенно велико агрономическое значение растительных остатков. Они ежегодно удобряют почву после уборки урожая, в то время как органические удобрения вносят в почву периодически. На их внесение требуются дополнительные затраты. Растительные остатки распределяются в почве равномерно, в них содержится макро- и микроэлементы, необходимые растениям и животным.

Растительные остатки делят на две группы: пожнивные и корневые. Пожнивные остатки включают стерню злаков, листья, части стеблей, корневые шейки растений люцерны и все другие надземные части, которые остаются в поле после уборки урожая. Корневые остатки растений представлены корнями, корневищами, сохранившимися живыми или отмершими к моменту уборки. Корни растений, разветвляясь, контактируют с почвенными частицами и равномерно распределяются, образуют структурные агрегаты и распределяют органическое вещество.

Полевые растения развивают различную корневую систему по массе, по глубине проникновения, по-разному влияют на плодородие почвы.

По количеству корней и пожнивных остатков основные полевые культуры существенно различаются (табл. 1).

Таблица 1 Количество послеуборочных растительных остатков, ц/га

Культура	Пожнивных или поукосных	Корневых	Сумма
Люцерна 2-летнего пользования	30,3	133,0	163,3
Эспарцет 1 года пользования	13,4	48,9	62,3
Кукуруза на силос	11,2	41,1	52,3
Озимая пшеница	11,5	28,7	40,2
Овсяно-гороховая смесь	13,1	27,6	40,7
Горох на зерно	6,5	19,8	26,3

В полях севооборота количество органических остатков колеблется от 26,3 до 163 ц/га. Максимум отмечается после многолетних трав, особенно после люцерны. Наименьшее количество органического вещества остается в почве после гороха. Такое действие обуславливается биологическими особенностями растений.

Люцерна взаимодействует с почвой два и более лет. Формируется мощная корневая система. В почве остается 133 ц/га корней. После эспарцета корневых остатков 48,9 ц/га.

На развитие корней оказывают влияние условия выращивания. Чем менее благоприятные условия увлажнения, тем больше проникающая вглубь корневая система.

Кукуруза на силос, несмотря на короткий период вегетации, формирует также большую корневую систему. Она растет и развивается в самые жаркие летние месяцы. После нее в почве остается 41,1 ц/га корней.

Озимая пшеница, овсяно-гороховая смесь имеют поверхностную корневую систему, после уборки ее масса меньше и соответственно составляет 28,7 и 27,6 ц/га. Однако наименьшая корневая система и ее масса у гороха. Эта культура отличается коротким периодом вегетации и относительно устойчивой влаголюбивостью.

Аналогичная картина складывается по пожнивным остаткам. Их количество после многолетних - 30,3 ц/га, что по сравнению с однолетними культурами в 3-5 раз больше.

По количеству оставляемых после уборки растительных остатков полевые культуры можно разделить на три группы.

Первую группу составляют многолетние бобовые травы, оставляющие в почве наибольшее количество органического вещества. Более сильное действие их на плодородие почвы объясняется способностью фиксировать азот воздуха.

Вторую группу представляют зерновые культуры. После уборки озимых и яровых культур в среднем остается 40,7-52,3 ц/га растительных остатков.

В третью группу входят зернобобовые, картофель, сахарная свекла, которые оставляют в почве после уборки наименьшее количество растительных остатков.

В питании растений важное значение имеет не только количество растительных остатков, но и химический состав и скорость разложения в почве. Растительные остатки многолетних трав содержат больше элементов питания. В корневых остатках содержится азота 2,25-2,6 %, фосфора - 0,34-0,8 %. В корнях бобово-злаковых смесей количество азота снижается до 0,91%. Злаковые травы содержат значительно меньше азота в корневых и поукосных остатках.

По содержанию азота в растительных остатках возделываемые культуры делят на две группы: с малым содержанием азота в послеуброчных остатках и повышенным его содержанием в корневых и пожнивных остатках. Первая группа представлена такими культурами как озимая пшеница, ячмень, овес, другие культуры, а вторая состоит из люцерны, эспарцета, гороха, сои, чины, свеклы, кукурузы.

В зависимости от соотношения углерода и азота в растительных остатках изменяется скорость разложения. При соотношении больше, чем 20:1, разложение замедляется.

В почве после озимой пшеницы ингибируются аммонификация и нитрификация. На полуразложенных остатках соломы поселяются представители грибной микрофлоры, выделяющие отравляющие токсичные вещества. Растительные остатки люцерны, гороха, эспарцета быстро разлагаются и высвобождают питательные вещества. Чем меньше послеуборочных остатков перед севом озимой пшеницы, тем больше в почве накапливается азота (табл. 2).

Таблица 2 Количество растительных остатков и нитратов в почве перед севом озимой пшеницы по предшественникам

Культура и пар	Растительных остатков, ц/га	Нитратов, мг/кг
Чистый пар	28,7	62,6
Горох	43,7	51,7
Ячмень	60,3	24,0

После пара, гороха растительных остатков в почве значительно меньше, чем после ячменя. Однако содержание нитратов в 2-3 раза больше. После ячменя растительных остатков больше на 17,0-31,6 ц/га, чем в почве по пару и после гороха. После ячменя в почве происходит накопление растительных остатков вследствие замедления их разложения. Возделываемые после него культуры будут испытывать азотное голодание. В то же время как по гороху и на парах обеспеченность азотом высокая.

Скорость разложения растительных остатков в почве изменяется в зависимости от вида пара (табл. 3).

Таблица 3 Количество растительных остатков и скорость разложения в почве в зависимости от вида пара

Вид пара	Растительных остатков, ц/га
	всего	перед посевом озимой пшеницы	разница
Черный (контроль)	27,8	25,7	2,1
Сидеральный (пелюшка)	107,9	37,5	70,4
Сидеральный (чина)	92,7	31,9	60,8
Занятый (пелюшка)	47,2	33,0	14,2
Занятый (чина)	47,6	28,3	19,3

На сидеральных парах запаханные свежие зеленые растения разлагаются значительно быстрее, чем на парах черных. На последних растительных остатков в это время меньше в 2 - 4 раза. Количество растительных остатков на сидеральных парах 92,7-107,9, занятых - 47,2 и черных - 27,8 ц/га. В течение трех месяцев с момента запашки сидератов на черных парах разложилось 2,1 ц/га. Перед севом озимой пшеницы на всех парах количество растительных остатков выравнивается и колеблется от 25,7 до 37,5 ц/га. В то же время на сидеральных парах запаханные в почву растительные остатки разлагаются быстро. Количество разложившейся массы составляет соответственно 70,4 и 60,8 ц/га. На занятых парах, где растительные остатки представлены в основном корнями, количество разложившейся массы меньше в 3-5 раз и составляет 14,2 и 19,3 ц/га. При этом в растительных остатках сидератов и занятых паров содержание азота, фосфора и калия существенно отличается, что влияет на плодородие почвы. На сидеральных парах накапливается азота больше, чем на чистых парах. На занятых парах содержание азота также меньше по сравнение с сидеральными на 18-19 мг/кг почвы.

Корни и стерневые остатки растений после отмирания разлагаются в результате деятельности микроорганизмов почвы. Ход и скорость разложения изменяется не только от химического состава растительных остатков, но и внешней среды: влажности, температуры, рН почвы, аэрации и питательных веществ.

Превращение первичного органического вещества в почве происходит в несколько этапов. Первый этап - химическое взаимодействие отдельных химических веществ отмершего растения. Второй этап - механическая подготовка и перемешивание почвы с растительными остатками с помощью почвенной фауны. На третьем этапе происходит в первую очередь минерализация органического вещества с помощью микроорганизмов, конечным продуктом которой является СО2, Н2О, нитраты, фосфаты, в анаэробных условиях Н2S и СН4, а также низкомолекулярные органические кислоты.

Часть продуктов первичного органического вещества превращается в гумусовые вещества в результате гумификации. Гумусовые вещества - это особая группа высокомолекулярных соединений. Их принято подразделять на три основные группы: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины. Исключительно важная роль гумусовых веществ в формировании почвы основана на их способности взаимодействовать с минеральной частью почвы. При взаимодействии с глинными минералами образуются органо-минеральные соединения в почве. В результате повышается устойчивость связанного в них органического вещества к микробиологическому расщеплению и тем самым обеспечивается оптимальное состояние свойств почв. Особенности образования и режима гумусовых веществ определяют формирование гумусового профиля. В гумусовом горизонте накапливаются элементы питания растений, почва приобретает водопрочную структуру, оптимальную порозность.

В процессе интенсификации земледелия роль органического вещества почвы, ее гумусового состояния усиливаются. Если в условиях экстенсивного типа земледелия органическое вещество почвы служило основным источником питания растения, то на современном уровне развития земледелия оно определяет экологические пределы интенсификации. Обеспеченность почв органическим веществом определяет возможность минимализации обработки почвы, сокращение энергетических затрат, повышает устойчивость земледелия. По мере интенсификации земледелия утрачивается связь содержания гумуса с урожайностью. Представление о прямой связи содержания гумуса с урожайностью культур является устаревшим. Нельзя превращать воспроизводство гумуса в самоцель безотносительно к продуктивности культур и экономике производства. В этой связи следует прежде всего изучить особенности содержания гумуса в почвах различных зон края и ландшафтов при их сельскохозяйственном использовании. В должной мере оценить характер поступления в почву растительных остатков, их количественный состав и условия превращения. Свежие органические остатки и промежуточные продукты распада - это наиболее доступная разложению микроорганизмами часть органического вещества.

Динамика поступления свежих органических веществ зависит от возделывания сельскохозяйственных культур. Если годовая продуктивность засушливых степей и луговых степей колеблется от 15 до 20 т/га сухой массы, то в агроценозах соответственно - 10 и 12 т/га. С урожаем зерна, соломы отчуждается половина сухой массы. Следовательно, поступление растительных остатков в почву в севооборотах сокращается в 3 раза. Это, безусловно, не может не приводить к потерям гумуса, которые по многочисленным данным составляют для пахотного слоя 20-30 %. После распашки целины содержание гумуса интенсивно снижается в первые 10-15 лет, а в дальнейшем этот процесс замедляется вследствие приближения к новому уровню стабилизации. Среднегодовые потери гумуса в пахотном слое южного чернозема в зернопаровом севообороте без удобрений в первое десятилетие составили 1 т/га, во второе 0,5 т/га; в третье - 0,4 т/га. Потери гумуса возрастают от многолетних трав к зерновым - пропашным и пару. На парах потери достигают 1-2 т/га в год и сопровождаются накоплением нитратов в почвогрунтах до 2-5 м и грунтовых водах.

Максимальные потери гумуса наблюдаются на солонцах, используемых без мелиорации. Ежегодно обрабатываемые, они дают низкие урожаи при избыточной минерализации гумуса.

Если биологические потери происходят в результате усиления минерализации и сокращения поступления в почву растительных остатков, то более значительные потери гумуса - в условиях эрозии и дефляции. Даже при уклонах 2-3° потери гумуса в пахотном слое выщелоченных черноземов от эрозии составили 18-41 % за 50-130 лет, что в 3-6 раз больше, чем на равнинах.

Сокращение запасов гумуса в почвах определяет необходимость добиваться максимального возвращения растительных остатков, навоза, соломы, сидератов, минимализации обработки почвы. Оптимизация гумусового состояния должна осуществляться всеми звеньями систем земледелия - соотношением угодий, структурой посевов и пара в севооборотах, посевом многолетних трав, системой обработки почвы, противоэрозионной организацией территории, применением органических и минеральных удобрений. Однако, первоочередная задача - регулирование количества и качества легкоразлагаемого органического вещества.

Системы земледелия должны быть построены таким образом, чтобы воспроизводство гумуса в почвах не требовало специальных затрат и являлось следствием мероприятий, направленных на повышение продуктивности агроценозов и защиту почв от деградации.

3. Агрофизические факторы плодородия

Общие физические и физико-механические свойства

Общие физические свойства почвы подразделяют на плотность твердой фазы, плотность и пористость.

Почва состоит из твердой фазы, жидкой и газообразной.

Твердая фаза состоит из минеральных, органических и органоминеральных частиц. Жидкая и газообразная фазы заполняют поры, которые бывают капиллярными и некапиллярными. Капиллярные поры отличаются свойством удерживать воду менисковыми силами и характеризуют капиллярную влагоемкость почвы. Некапиллярные поры заполняются воздухом и хорошо пропускают воду, которая перемещается в них под действием гравитационных сил.

Следовательно, объем почвы с ненарушенным строением (V) включает: объем твердой фазы (V1), объем общей скважности (V2), который состоит из капиллярных пор (V4) и некапиллярных (V3).

Эта величина зависит от минерального состава и содержания органических компонентов. Плотность твердой фазы почв колеблется от 2,4 до 2,8 г/см3. Бедные органическим веществом дерново-подзолистые почвы имеют плотность твердой фазы 2,65-2,7. Плотность твердой фазы черноземов в верхних горизонтах 2,4-2,5, что обусловлено богатством гумуса. В подгумусовых горизонтах ее величина возрастает до 2,55 г/см3.

Плотность почвы или объемная масса (d0) - масса абсолютно сухой почвы, находящейся в естественном состоянии, в единице объема (d0=В/V). В отличие от плотности твердой фазы при определении плотности почвы, измеряемой в г/см3, массу почвы узнают по величине единицы объема со всеми порами. Поэтому показатели плотности почвы всегда меньше аналогичных показателей ее твердой фазы. Плотность пахотных почв колеблется от 0,9 до 1,4 г/см3. Пахотный слой почвы рыхлый имеет плотность до 1,15; плотный - 1,15-1,35; очень плотный - свыше 1,35 г/см3.

На плотность почвы большое влияние оказывает механическая обработка (табл. 4).

Таблица 4 Плотность почвы выщелоченных черноземов, г/см3, 0-30 см слой

Основная обработка почвы	Озимая пшеница	Подсолнечник
	Перед обработкой	Перед посевом	Фаза кущения	Перед обработкой	28 дней после обработки	Весной при посеве
Отвальная обработка	1,25	1,11	1,19	1,20	1,04	1,05
Плоскорезное рыхление	1,29	1,17	1,25	1,21	1,09	1,06
Фрезерование	1,22	1,08	1,18	1,17	1,12	1,09
Дисковое лущение БДТ-3	1,28	1,15	1,23	1,23	1,15	1,11

Наименьшая плотность почвы сразу после ее обработки. Перед посевом озимой пшеницы она колеблется по вариантам обработки от 1,08 до 1,17 г/см3. Отвальная вспашка и фрезерование придают почве более рыхлое сложение, чем плоскорезное рыхление и дискование. В течение вегетации растений плотность почвы увеличивается под действием сельскохозяйственных машин и орудий, осадков, и перед основной обработкой она имеет плотное сложение: 1,20-1,29 г/см3. После какого-то срока почва приобретает постоянную плотность, которая практически не изменяется в естественном состоянии. Такая плотность называется равновесной. Величина равновесной плотности почвы - важнейшая характеристика условий роста и развития растений. Она, прежде всего, указывает на необходимость воздействия на почву с целью регулирования ее агрофизических свойств. Для большинства культурных растений оптимальная плотность 1,0-1,25 г/см3. Отклонение от оптимальной величины плотности в любую сторону приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Пористость или скважность - это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Она выражается в процентах от общего объема почвы, (%). Согласно шкале Н. А. Качинского, отличное строение пахотного слоя почвы - 55-65 % общей пористости и 45-35 % твердой фазы.

Капиллярная пористость равна объему капиллярных промежутков почвы, некапиллярная - объему крупных пор. Соотношение объемов капиллярных и некапиллярных пор определяет водно-воздушные свойства почвы, ее водопроницаемость, влагоемкость, испаряемость и аэрацию. Если объем капиллярных пор близок к общей пористости, то такая почва будет плохо проницаемой для воды и воздуха, что вызывает сток или застой воды. Такая вода препятствует проникновению в почву воздуха, затрудняет дыхание корней и аэробных микроорганизмов. Весной и в послеуборочный летне-осенний период, когда почва имеет высокую влажность, действует капиллярный механизм передвижения влаги. С момента разрыва капиллярной связи наступает диффузно-конвекционный механизм передвижения воды.

К физико-механическим свойствам почвы относятся: пластичность, липкость, усадка, связность, физическая спелость.

Пластичность - свойство почвы изменять свою форму под влиянием внешней силы без нарушения сложения и сохранить приданную форму после устранения этой силы. Она зависит от механического, химического составов, состава обменных катионов и проявляется при определенном диапазоне влажности, характеризующем верхний и нижний пределы или границы пластичности. В сухом и переувлажненном состоянии почвы не обладают пластичностью.

Липкость - способность почвы прилипать к различным поверхностям. Она увеличивает тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий, ухудшает качество обработки почвы. С повышением дисперсности почвы, ухудшением структуры, утяжелением механического состава липкость почв увеличивается.

Набухание - увеличение объема почвы при увлажнении. Наиболее набухаемы глинистые почвы, содержащие поглощенный натрий.

Усадка - уменьшение объема почвы при высыхании. Чем больше набухание, тем больше усадка почвы.

Связность почвы - способность сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить частицы почвы. Она вызывается силами сцепления между частицами почвы. Степень сцепления зависит от механического, минерального составов почвы, ее структуры, влажности.

Физическая спелость - состояние почвы, при котором в процессе механической обработки она хорошо крошится и не прилипает к орудиям обработки. За пределами физической спелости почва обрабатывается плохо, процесс обработки требует большого тягового усилия, больших затрат труда, времени и средств. Поэтому почву надо обрабатывать только в момент физической спелости. Агротехнически допустимый интервал влажности спелой среднесуглинистой почвы черноземов 15-24 % (табл. 5).

Таблица 5 Границы влажности среднесуглинистых почв, обеспечивающие качество обработки, % от массы абсолютно сухой почвы

Почва	Граница полевой влажности	Интервал влажности агротехнически допустимого качества обработки
	нижняя (глинообразная)	верхняя (залипание)
Черноземы	13	25	15-24
Каштановые	12	24	13-23
Каштановые солонцеватые	12	21	13-20

При вспашке черноземной почвы с влажностью выше 25% хорошего крошения добиться нельзя, пласт замазывается, быстро высыхает. При подготовке такой почвы к посеву требуется дополнительная обработка, чтобы создать мелкокомковатый агрегатный состав. Почву влажностью ниже 13 % также обрабатывать нельзя, так как создаются крупные глыбы, которые требуется раскрошить последующими многократными поверхностными обработками. В этих случаях почва также распыляется и при выпадении осадков образуется корка.

В отличие от черноземов каштановые солонцеватые почвы имеют более узкий интервал оптимальной влажности вследствие невысокого содержания гумуса и неудовлетворительного структурного состояния. Поэтому весеннюю обработку этих почв можно проводить при влажности от 13 до 20 %, то есть в сжатые сроки, а запаздывание с ней резко ухудшает технологические свойства почв.

Структурные почвы имеют больший процент гумуса и катионов кальция в почвенном поглощающем комплексе, что обеспечивает более широкий интервал оптимальной влажности почвы для ее обработки. У глинистой почвы физическая спелость находится в интервале влажности более узком, чем у суглинистой и супесчаной.

Благоприятные физические и физико-механические свойства в большинстве случаев отмечаются в почвах среднего гранулометрического состава. Гранулометрический состав почв учитывается при их бонитировке. Значение гранулометрического состава зависит от соотношения отдельных фракций.

Твердая фаза почвы состоит из различных механических элементов. Они представлены обломками горных пород, минералами, гумусовыми и органо-минеральными соединениями. Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией механических элементов. Выделяют следующие фракции: более 3 мм - камни; от 3 до 1 мм - гравий; от 0,05 до 1 мм - песок крупный, средний и мелкий; от 0,05 до 0,001 мм - пыль крупная; от 0,001 до 0,0001 - ил; менее 0,0001 - коллоиды. Каждая фракция по-разному влияет на свойства почвы. С уменьшением размеров фракций изменяются их свойства и действие на плодородие почвы. Особенно сильно это проявляется на границе больше 0,01 мм и меньше 0,01 мм. В этой связи все механические элементы делят на две большие группы: больше 0,01 мм - физический песок и меньше 0,01 мм - физическая глина. При таком рассмотрении твердой фазы почвы гранулометрическим составом называется относительное содержание песка и глины, выраженное в процентах. Песок обладает высокой водопроницаемостью и низкой капиллярной влагоемкостью. Пыль, особенно мелкая, способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. Однако почвы при обилии тонкой пыли имеют низкую водопроницаемость, большое количество недоступной влаги, высокую способность к набуханию, усадке, липкости, трещиноватости и плотному сложению. Илистая фракция отличается высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса и элементов зольного и азотного питания растений. Коллоидной части принадлежит особая роль в образовании структуры.

Песчаные почвы легко обрабатываются, водопроницаемы и быстро прогреваются. Однако у них влагоемкость низкая. Поэтому даже во влажные годы растения страдают от недостатка влаги, низкого содержания элементов питания.

Тяжелые, бесструктурные, засоленные почвы неводопроницаемы, легко заплывают, образуют корку, плотные, липкие.

Тяжелосуглинистые и глинистые структурные черноземы отличаются наиболее высоким плодородием, так как способны создавать хорошие запасы влаги и элементов питания.

Факторы создания и улучшения водопрочности структуры почвы

П. А. Костычев считал, что структура почвы создается только на целине и на залежи. Он различал в почве пассивную часть (песок и пыль) и активную, клеющую (гумус и глина). В силу этого образование структуры почвы - следствие взаимного осаждения коллоидов и свертывания коллоидной части почвы с помощью электролитов. Не располагая современным учением о катионах в почвенном растворе и строении коллоидов, П. А. Костычев силой научного предвидения оценил роль извести и кальция. Он был сторонником известкования, фосфорирования кислых почв. Он первый в 1886 году предложил классифицировать структуру почвы на водопрочную - агрономически ценную и неводопрочную. Позже на это свойство особое внимание обращали В. Р. Вильямс и К. К. Гедройц. Главная роль в создании водопрочной структуры им отводилась многолетним травам. При бактериальном разложении органических остатков травянистой растительности, по В. Р. Вильямсу, получаются гуминовые и ульминовые кислоты. Оструктуривающее значение их особо возрастает при взаимодействии с ионом кальция. Гумат кальция гуминовой кислоты и особенно ульминовой - цемент почвенной структуры. Однако органические кислоты, а также гумат кальция свертываются в воде необратимо. Поэтому структура, будучи разрушена, будет воссоздана лишь при наличии новых порций свежих растительных остатков.

К. К. Гедройц динамику структурообразования раскрывает с физико-химических позиций. Различные компоненты твердой фазы и раствора несут и положительные и отрицательные заряды. Исходным энергетическим моментом для образования структуры почвы являются разноименно заряженные коллоиды и ионы диссоциировавших электролитов. Противоположно заряженные коллоиды, взаимно притягиваются, коагулируют, образуя первичные микроагрегаты. Первичные микроагрегаты сами могут сохранять остаточный заряд и в случаях разноименных зарядов будут взаимно притягиваться, образуя микроагрегаты второго, третьего и т.д. порядков.

Микроагрегаты и агрегаты, образующиеся в процессе коагуляции, в дальнейшем могут становиться механически прочными и водопрочными вследствие химических процессов, протекающих в почвах при сменных режимах (Н. А. Качинский, 1963).

При переувлажнении в почве развиваются восстановительные процессы с образованием запасных форм железа, которые вместе с почвенным раствором пропитывают агрегаты. В засушливый сезон, при опускании грунтовых вод, просыхающие слои почвы аэрируются, закисное железо переходит в нерастворимые формы окисного железа, которые, размещаясь в порах, цементируют агрегаты.

В качестве цемента агрегатов служит CaCO3 при образовании его из бикарбоната кальция по реакциям: Ca(HCO3)2>CaCO3+CO2+H2O при подсыхании почвы или Ca(HCO3)2+CaO>2CaCO3+H2O при инфильтрации раствора с бикарбонатом кальция в горизонты с избытком CaO.

При удобрении почв суперфосфатом и преципитатом цементом почвенных агрегатов может стать Ca3(PO4)2 при образовании его из водорастворимых форм фосфатов - СaHPO4 или другой формы - Са(Н2РО4)2.

Наиболее выраженная комковато-зернистая структура черноземов обусловлена богатством их органическими и минеральными коллоидами с преобладанием кислот гуминового и ульминового комплекса и катионом кальция. Этому способствует травянистая растительность с хорошо разветвленной корневой системой, периодическое просушивание, промораживание почвы и другие процессы.

Одним из факторов образования макроагрегатов является наличие на поверхности микроагрегатов коллоидных пленок. При набухании этих пленок частицы соприкасаются друг с другом и при высыхании склеиваются и прочно удерживаются. Этот процесс усиливается, если одновременно происходит уплотнение почвы. Чем плотнее почва, тем большая часть поверхности частиц приходит в соприкосновение и тем с большей силой они слипаются.

Степень уплотнения зависит от влажности почвы. Сухая почва обладает сыпучестью, но, если постепенно ее увлажнять и перемешивать, начинается образование комков. Это происходит под влиянием менисковых сил, возникающих между частицами при смачивании почвы. Вогнутые мениски стягивают их и вызывают давление. Частицы, окруженные водными пленками, в результате скольжения располагаются компактно, тесно соприкасаются и почва уменьшается в объеме. Менисковые и склеивающие силы действуют при определенной влажности.

Наряду с давлением склеивания и укрупнения почвенных комков в почве действуют факторы, расчленяющие ее. К ним относятся изменение влажности, температуры почвы, корни растений и почвенная фауна, а также обработка почвы.

При увлажнении почвы происходит набухание коллоидных пленок и увеличивается их объем. Чем меньше почвенные частицы, тем больше увеличится общий объем почвы. По мере высыхания объем почвы уменьшается, в ней появляется много трещин, которые расчленяют почвенную массу. Степень расчленения зависит от механического состава. Сильно набухшие глинистые и тяжелосуглинистые почвы дают большую усадку, то есть уменьшение в объеме, чем песчаные.

Аналогичные изменения вызывают температурные колебания, особенно промерзание и оттаивание почвы. При промораживании и оттаивании оптимально увлажненной почвы (20-25 %) ее структура улучшается. В первую очередь замерзает свободная вода в более крупных капиллярных порах. Участки почвы по периферии крупных пор с замерзанием воды уплотняются и создают условия коагуляции коллоидов. Этому процессу способствует и вымораживание чистой воды, в силу чего повышается концентрация электролитов в не замерзшей части раствора. Давление замерзшей воды сближает почвенные частицы.

При замораживании и оттаивании переувлажненной почвы свободная замерзшая вода пропитывает всю толщу почвы, в том числе и внутренность набухших комков. Твердая фаза плавает в воде. Структурные агрегаты разрываются. Почва при оттаивании обесструктуривается.

Сухая почва при влажности завядания (11-14%) замерзает при температуре -20? С, оттаивая, не меняет своих свойств.

Многообразные влияния на структурообразование оказывают корни растений. В межкорневых пространствах в результате расчленения корневой системы почвенной массы образуются макроагрегаты. Вблизи корней в зоне значительного сгущения, где усиленно развиваются ризосферные микроорганизмы, характерно присутствие повышенных количеств органических кислот, скоагулированных катионами Са+ и Mg+ , в результате самослипания частиц создаются наиболее водопрочные микроагрегаты, богатые азотом, фосфором, калием и другими питательными веществами.

В естественном природном процессе комковатая водопрочная структура создается под покровом многолетних бобовых трав и рыхлокустовых злаков. На пашне аналогично действуют возделываемые сельскохозяйственные культуры. Наибольшую корневую систему имеют многолетние бобовые травы, особенно люцерна, клевер, эспарцет, а также люпин. По Н. А. Качинскому, на выщелоченном глинистом черноземе в среднем на 1 га в почве до глубины 2 м в период цветения растений найдено корней пшеницы 5 т, подсолнечника - 6,1; кукурузы - 7,2; люцерны второго года пользования - 8,5 т.

Однако оструктуривание почвы однолетними культурами по сравнению с многолетними бобовыми травами справедливо для периода вегетации. При запахивании корневых остатков как материала для гумусообразования создается резкая разница между ними. Однолетние растения концентрируют все углеводы, белки в репродуктивных органах. В стеблях и корнях их к этому времени остаются преимущественно древесинные остатки. При запахивании многолетних трав заделываются живые корни и корневища, пожнивные живые остатки стеблей и почки возобновления, содержащие значительное количество белков, углеводов и питательных веществ. Особенно это относится к бобовым растениям - люцерне, эспарцету, люпину, клеверу, на корнях которых поселяются азотфиксирующие клубеньковые бактерии. Люцерна, клевер, эспарцет, люпин - кальциефилы; концентрируя известь в своих корнях и стеблях, при запахивании обогащают ею пахотный слой.

Большое влияние на структуру почвы оказывают органические удобрения. В. Р. Вильямс придавал двоякое значение им: а) биологическое оживление почвы и б) обогащение ее питательными веществами. В выпаханной почве органические удобрения оживляют те биологические процессы, которые угасли вследствие несовершенной обработки. Роль навоза важна не только как средства активации биологических процессов, но и как источника органического вещества, одного из лучших минеральных и азотистых удобрений.

Одним из действенных средств улучшения структуры пахотного слоя почвы является обработка, особенно в условиях севооборота.

Работами многих исследователей установлено, что при оптимальной влажности крошения обработка почвы приводит к образованию агрегатов, обладающих прочностью и пористостью, которая характерна для природных агрегатов.

4. Структурное состояние пахотного слоя почвы и его значение

Минеральные, органические и органоминеральные частицы, взаимодействуя между собой, при определенных условиях могут взаимно притягиваться: коагулировать, слипаться, склеиваться, образуя различной величины и формы агрегаты или структурные отдельности. Способность почвы образовывать из механических элементов агрегаты называется структурностью. Совокупность агрегатов различной величины, формы, прочности, водопрочности и пористости называется структурой почвы.

Следует отличать понятия о структуре почвы как морфологическом ее признаке от понятия структуры почвы в агрономическом смысле.

Как морфологический признак, для черноземов хорошо выраженной является структура комковатая, для серых лесных почв - ореховатая, для элювиального горизонта подзолистых почв - листоватая, для солонцов - столбчатая.

В агрономическом понимании положительной структурой является мелкокомковатая и зернистая с агрегатами диаметром от 0,25 до 10 мм, пористая, механически упругопрочная и водопрочная.

Наряду с макроструктурой (более 0,25 мм), большое значение имеет и ее микроструктура (менее 0,25 мм). Она также должна быть водопрочной и пористой. Такая структура сообщает положительные свойства макроагрегатам. Она повышает влагоемкость почв, улучшает водо- и воздухопроницаемость.

Автор классических работ о черноземах В. В. Докучаев первенствующую роль в плодородии отводил структуре и зависимости от нее всех свойств почвы.

Бесструктурная почва характеризуется раздельно-частичным строением. Это приводит к плотной упаковке частиц, к тонкокапиллярной порозности. Почва обладает наивысшей капиллярной проводимостью. По капиллярам вода легко поднимается к поверхности и испаряется в атмосферу. Во влажном состоянии все поры заняты водой, в почве нет воздуха. По мере подсыхания поры заполняются воздухом. Растения страдают от недостатка воды.

Совсем иначе протекают процессы в структурной почве. Агрегаты обладают капиллярной порозностью, а промежутки между ними представлены некапиллярами. Капиллярные поры заняты водой, а некапиллярные - воздухом. В такой почве легче обеспечивается благоприятный тепловой режим. В ней при совмещении анаэробного и аэробного процессов происходит выветривание минеральной части почвы и бактериальное разложение гумуса с высвобождением питательных веществ для растений.

Важным свойством агрегатов является их прочность или сопротивление размывающему действию воды. Водопрочностью структуры обуславливается устойчивость и долговременность режимов почвы. Непрочные комки под действие атмосферных осадков или поливных вод разрушаются, и почва принимает раздельно-частичное состояние со всеми отрицательными свойствами.

Агрономически ценная структура должна быть пористой. В почвах с хорошей пористостью внутри и между микроагрегатами и макроагрегатами хорошо проникает и сохраняется вода. В то же время наиболее крупные межагрегатные поры остаются свободными от воды и заполняются воздухом.

Макроагрегаты служат надежной защитой почвы от водной эрозии и дефляции. Возникновение дефляции вызывается перемещением почвенных частиц и микроагрегатов размером от 0,1 до 0,5 мм. Передвигаясь под влиянием ветра скачкообразно, они передают кинетическую энергию более мелким частицам, которые поднимаются и передвигаются воздушным потоком. Исследования наносов показали, что они состоят из фракции почвы менее 1 мм по диаметру. На этом основании эрозионно устойчивыми считаются частицы и агрегаты больше этого размера. Почва становится устойчивой к ветру, если ее верхний слой содержит таких агрегатов свыше 50 % по массе.

Водная эрозия развивается в результате отделения почвенных частиц и их перемещения. Отделение частиц зависит от водопрочности комков.

Строение и сложение почвы

Еще в 1740 году английский исследователь Туль изображал корневое питание растений как процесс, аналогичный пастьбе животных. Однако «п

астбище» растений располагается внутри почвы, между комочками. Некапиллярная скважность является той скважностью, где они «пасутся» в поисках пищи.

Строение и структура почвы - близкие понятия по своему действию на факторы жизни растений. Агрегатный состав почв определяет в ней скважность, а также различное соотношение капиллярных и некапиллярных пор. В структуре почвы по некапиллярным промежуткам происходит накопление, сохранение и подача воды, циркуляция в ней воздуха. Вода атмосферных осадков по промежуткам между комочками свободно проникает в почву, рассасывается по капиллярам и, насыщая их, проходит в глубокие слои почвы, освобождая промежутки между комочками для воздуха. Вода в комочках сохраняется и передвигается между ними только через точки соприкосновения, достаточно быстро, чтобы питать оплетающие их поры. Распыленная почва не пропускает через себя воду, не накапливает, не сохраняет ее, не создает запасы воды и не обеспечивает ее газом.

За последние годы предложен более детальный подход к характеристике почвенных пор. Выделяются: порозность общая; порозность агрегата и суммарная агрегатная; порозность межагрегатная; объем пор, занимаемых прочносвязанной водой; объем пор, занятых рыхлосвязанной водой.

Общая пористость самая высокая у черноземов. По профилю у них она колеблется от 63 до 58 %. Отличная порозность у агрегатов в горизонте А, она свыше 50 %, в горизонте В - не ниже 46 %. Диапазоны капиллярной порозности колеблются в пределах 20-38 %. Объем пор, занятых рыхлосвязной и прочносвязной водой невелик - около 10 %. Поры аэрации 26-28 %, причем они распределены не только между агрегатами, но и внутри.

Диаметрально противоположными свойствами обладает солонец. Общая пористость в горизонте А превышает 50 %. В иллювиальных горизонтах она снижается до 44 %. Порозность агрегатов неудовлетворительная: она низкая - 29-38 %. В агрегатах отсутствуют поры аэрации. Воздухоносные поры между агрегатами представлены преимущественно трещинами. Значительный объем пор, занятых прочносвязанной и рыхлосвязанной водой, - 16,77 %. С агрономической точки зрения важно, чтобы почвы обладали наименьшей порозностью связанной воды, наибольшей порозностью капиллярного обводнения и одновременно имели порозность аэрации, межагрегатную и агрегатную не менее 20 % от общей.

В создании благоприятных водного и воздушного режимов решающее значение имеет соотношение капиллярной и некапиллярной скважности. Наиболее ярко его роль проявляется при сопоставлении двух крайних положений: только с капиллярной скважностью и только с некапиллярной. Распыленная и нераспыленная, совершенно плотная глыба, не пропускает дождевую и талую воду. Она или застаивается на поверхности или стекает по склону. Заполняя небольшой слой почвы, вода распространяется во все стороны, в том числе и к поверхности, что сопровождается быстрым испарением.

Почва только с некапиллярной скважностью, представленная крупнозернистым песком, обладает противоположными свойствами: быстро пропускает воду, не задерживая ее из-за отсутствия капилляров, вода не передвигается во все стороны, воздушный режим идеален.

Общим типам строения пахотного слоя почвы присущи одновременно и резко отрицательные и весьма положительные свойства. Однако благоприятное сочетание этих свойств возможно лишь в том случае, если в почве будет капиллярная и некапиллярная скважность (рис. 4).

С увеличением размеров агрегатов увеличивается общая и особенно некапиллярная пористость. Почвы с агрегатами менее 0,5 мм имеют 44,8 % капиллярных пор и только 2,5 некапиллярных, а также высокое содержание органического вещества и низкое нитратного азота. С увеличением агрегатов от 0,5 до 1 мм капиллярная и некапиллярная скважность выравниваются, общая скважность 50,0 %. При увеличении агрегатов до 3,0 - 5,0 мм уменьшается объем твердой фазы, увеличивается общая скважность до 62,6 %. При этом некапиллярная скважность равна 37,5 %, что на 14,5 % больше объема капиллярной скважности. Рост некапиллярной скважности сопровождается увеличением воздухопроницаемости, что благоприятно влияет на скорость разложения органического вещества и накопление в почве нитратов.



Для полевых культур благоприятным строением пахотного слоя почвы является строение, когда общая скважность в пределах 50-60 % всего объема почвы, в том числе некапиллярная 26-37,5 % и капиллярная - 24,0-22,5 %. Отношение некапиллярной и капиллярной колеблется от 1:1 до 1,7:1. Наименьшие потери воды от испарения на черноземах наблюдаются при отношении некапиллярной пористости к капиллярной как 1:1,2, при агрегатах 0,5-1 и 1-2 мм в диаметре. Разные культурные растения предъявляют неодинаковые требования к плотности почвы. Если многолетние травы мирятся со значительной плотностью почвы, то для картофеля и корнеплодов нужны сравнительно рыхлые почвы.

5. Водный режим и его регулирование

Вода - один из элементов плодородия почв. Она служит средой, в которой растворены питательные вещества. Вода поддерживает тургор в клетках и растительных тканях. Деление и рост клеток, фотосинтез и дыхание совершаются при определенном тургоре. С потерей воды в тканях усиливается дыхание, ослабляется фотосинтез, что приводит к уменьшению запасов углеводов и гибели растения.

Из всей расходуемой воды 95 % и более идет на испарение ее листьями. Непрерывное движение воды от корней к листьям имеет важное физиологическое значение. Вместе с водой передвигаются в растения вещества, необходимые для синтеза. При испарении снижается температура растительных тканей, и растение этим защищает себя от возможного перегрева.

При недостаточной влажности почвы и сильной транспирации корни растений не успевают подавать воду в листья, растения теряют тургор и увядают. Временные недостатки влаги в течение вегетации ослабляют фотосинтез и снижают урожай, а длительная засуха приводит к гибели растений.

Вода в почве изменяет ее свойства: воздушный, тепловой и пищевой режимы. Если влажность в почве колеблется, усиливается и ослабляется деятельность микроорганизмов, что отражается на разложении органического вещества. Излишняя влажность, как и недостаточная, также вредны в образовании доступных для растений форм питательных веществ.

Влажность почвы оказывает большое влияние на качество вспашки, культивации, посева и других полевых работ. При обработке переувлажненных и сухих почв образуются глыбы, что требует дополнительно расхода труда и средств.

Водный баланс является количественной характеристикой водного режима. Он определяется количеством поступающей в почву за определенный период влаги и величиной расхода ее за тот же период. Общее уравнение водного баланса для летнего периода имеет следующий вид:

Wo+(O+P+K)-(E1+E2+Q1+Q2)=Wt, где

Wo-запас влаги в почве в начале периода, Wt-запас влаги в почве в конце периода, О-атмосферные осадки, Р-поступление грунтовых вод, К-конденсация водяных паров, Е1-транспирация, Е2-испарение почвой, Q1-инфильтрация в глубокие слои, Q2-сток и снос снега.

Водный баланс можно составлять отдельно по разным горизонтам и слоям почвы за различные периоды и выражать в разных единицах. Для грубых расчетов можно включать лишь основные источники поступления и виды расхода.

Для вычисления общего содержания влаги пользуются формулой:

В - запас воды, мм; W - влажность, %; d - объемная масса, г/см3; h- мощность слоя, см; 10 - коэффициент пересчета запаса воды в мм.

Общий запас воды в почве (ОЗВ) рассчитывают, суммируя запасы воды по

Для определения продуктивного запаса воды в почве необходимо рассчитать запас недоступной воды (ЗНВ). Его определяют, используя приведенную выше формулу, но вместо влажности почвы берут значение влажности устойчивого завядания: Wмг х 1,34; где Wмг - максимальная гигроскопичность почвы, %; 1,34 - коэффициент. Полученные по генетическим горизонтам на заданную глубину запасы недоступной влаги суммируют:



Запас продуктивной влаги (ЗПВ) находят вычитанием запаса недоступной влаги из общего запаса воды в том же объеме: ЗПВ=ОЗВ-ЗНВ.

Оценка запасов продуктивной влаги важна ранней весной, а также в конце лета, когда необходимо прогнозировать посевы озимых (табл. 6).

Таблица 6 Оценка запасов продуктивной влаги в различных слоях почвы (мм)

Мощность, см	Запас воды, мм	Оценка запасов воды
0-20	40-20 20-10 < ниже 10	хорошие удовлетворительные неудовлетворительные
0-100	> больше 160 160-130 130-90 90-60	очень хорошие хорошие удовлетворительные плохие

Для своевременного появления дружных всходов озимой пшеницы необходимо, чтобы продуктивная влага в пахотном слое почвы составляла 20-40 мм. Запасы влаги порядка 15 мм обеспечивают только удовлетворительные всходы. При запасах менее 10 мм всходы обычно плохие.

На большей части территории Ставропольского края запасы влаги в почве, обеспечивающие хорошие всходы, наблюдаются в 3-4 годах из 10 на озимых по непаровому предшественнику и 5-6 годах на озимых по пару. В предгорных районах хорошие запасы влаги в период сева наблюдаются в 7-8 годах из 10.

В засушливую осень, когда запасы влаги в почве низкие и не обеспечивают хороших всходов, сев озимых целесообразно перенести на более поздние сроки, приурочить его к выпадению хороших дождей. В отдельные, особенно сухие годы, когда не удается посеять озимые раньше 10-15 октября, сев их целесообразно провести в поздние сроки, в сроки, обеспечивающие к прекращению вегетации лишь прорастание семян. Посевы подзимних сроков сева более устойчивы к неблагоприятным условиям зимовки, чем озимые в фазе всходов или начале 3-го листа. Подзимний посев озимых следует проводить за 5-10 дней до прекращения вегетации (до перехода температуры воздуха через 5 ° С), что по средним многолетним соответствует 5-10 ноября.

Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы к началу возобновления вегетации озимых, посеянных по пару, бывают хорошими - 130-140 мм и более. Но в 10-20 % лет они могут быть удовлетворительными. На озимых, посеянных по непаровым предшественникам, запасы продуктивной влаги весной на большей части территории в среднем многолетнем составляют 90-120 мм - удовлетворительные.

Таблица 7 Агроклиматические районы Ставропольского края

Район №	Характеристика по увлажнению	Сумма осадков за год, мм	ГТК
1 2 3 4 5 6 7	Сухой Очень или крайне засушливый Засушливый Неустойчивый Умеренный Влажный Избыточно влажный	300 ± 25 375 ± 25 450 ± 25 550 ± 25 600 ± 25 700 ± 25 800 ± 25	менее 0,5 0,5 - 0,7 0,7 - 0,9 0,9 - 1,1 1,1 - 1,3 1,3 - 1,5 более 1,5

В балансе воды в почве атмосферные осадки являются основным источником поступления. По сумме осадков за год в Ставропольском крае выделяют 7 основных агроклиматических районов (табл. 7).

Агроклиматический район сухой характеризуется выпадением незначительного количества осадков. На его территории сумма осадков за год составляет 300 ± 25 мм.

В крайне засушливой зоне их больше на 100-75 мм. Лучше условия увлажнения складываются в зоне неустойчивого увлажнения, где за год выпадает осадков 450 ± 25 мм. Благоприятный водный баланс в зоне умеренного увлажнения, где сумма осадков за год 550 ± 25 мм. В последних двух агроклиматических районах: влажном и избыточно влажном осадков за год 700 мм и более 800 мм.

Рис. 5. Изменение влажности почвы и потребности в воде в период вегетации разных групп культурных растений (по В. Р. Вильямсу):

I- скороспелые кормовые и зерновые культуры; II-позднеспелые зерновые культуры; III-технические растения; IV-многолетние травы полевой культуры.

Если в водном балансе в его приходной части одним из главных источников являются атмосферные осадки, то в расходной - испарение влаги с поверхности почвы (Е2) и транспирация растениями (Е). Поэтому для полной оценки характера увлажнения совершенно недостаточно только количества осадков, так как интенсивность испарения влаги в значительной мере зависит от температуры воздуха. В двух пунктах с одинаковым количеством осадков, расход влаги, а, следовательно, и дефицит ее там больше, где очень жарко и суше воздух. Для этих целей Г. Т, Селянинов (1971) вводит гидротермический коэффициент (ГТК), который учитывает не только сумму осадков, но и сумму среднесуточных температур. Его рассчитывают для каждой местности по следующей формуле:

где: У Р - сумма осадков за период активных температур, мм; Уt>10? - сумма среднесуточных температур за этот же период, ?С; 10 - поправочный коэффициент.

На территории края выделяют 7 районов. В более жарких агроклиматических районах и с малым количеством атмосферных осадков характер увлажнения засушливый и ГТК меньше единицы. В 1-ом сухом агроклиматическом районе ГТК составляет-0,5, во 2-ом крайне засушливом - 0,5-0,7, в 3-ем засушливом - 0,7-0,9.

...