Факторы плодородия почвы

В следующих агроклиматических районах ГТК увеличивается до 1 и более. В 4-ом районе с неустойчивым климатом ГТК колеблется от 0,9 до 1,1. Более благоприятным 5-ым агроклиматическим районом является умеренно-влажный, ГТК от 1,1 до 1,3. В последних двух районах: влажном и избыточно влажном, ГТК соответственно более 1,3 и 1,5,

Однако и этот показатель еще не полностью выражает степень обеспеченности растений влагой. В характере увлажнения очень большую роль играет запас влаги по периодам вегетации растений. Потребность в воде у растений возрастает от посева до формирования урожая. Запасы продуктивной влаги в почве уменьшаются от весны к осени, несмотря на то, что летом осадков выпадает больше. Поэтому влагообеспеченность тем лучше, чем больше соответствие между запасами влаги в почве и потребностью растений (рис. 5 ).

В Ставропольском крае дефицит влаги (заштрихованная область) меньше у озимых культур, так как они формируют урожай за счет зимне-весенней влаги и заканчивают вегетацию в 1 и 2 декадах июля. Яровые зерновые сплошного сева по сравнению с озимой пшеницей имеют дефицит больше вследствие более позднего срока созревания. Однако самый большой он у поздних пропашных: кукурузы на зерно, сахарной свеклы и подсолнечника. Эти культуры, имеющие мощную корневую систему, формируют урожаи не только за счет зимне-весенней влаги, но и летней.

Осенние запасы влаги в почве, как правило, меньше весенних. В Ставропольском крае накопление почвенной влаги происходит постепенно с октября по март, преимущественно за счет дождей и в период зимних оттепелей. В крайне засушливой и засушливой зонах осенние запасы влаги значительно меньше весенних. Разница тем больше, чем позднее высвобождается поле от предшественника. Поэтому в этих агроклиматических районах одним из лучших предшественников озимой пшеницы является чистый пар. Даже на парах на светло-каштановых и каштановых почвах своевременно появляются всходы озимых только в 70-80 % лет, а на непаровых предшественниках только в 24-40%.

Потребность растений в известной степени может удовлетворяться грунтовой водой, поднимающейся по почвенным порам в верхний, корнеобитаемый слой почвы. Поступление такой воды зависит от уровня грунтовых вод, механического состава почвы, ее строения и структуры.

Меньшее значение в приходной части баланса имеет конденсация водяных паров воздуха вследствие разницы температуры почвы и атмосферного воздуха. Этот процесс сильно выражен во время резкой смены температуры дня и ночи. Однако агрономическое значение имеет только та вода, которая конденсируется не на поверхности почвы, а на некоторой глубине, например на границе рыхлого и плотного слоев почвы.

Поступление воды в почву зависит от ее водопроницаемости, то есть от свойства почвы впитывать и пропускать через себя воду. При малой водопроницаемости дождевая вода и особенно талая вода не успевает впитываться в почву и при неровном рельефе поля стекает по ее поверхности, унося с собой мелкие частицы, вызывая эрозию почвы. При отсутствии стока вода застаивается на поверхности, закрывая доступ воздуха в почву, чем приводит растения озимые к гибели. Водопроницаемость зависит от пористости и особенно от размера почвенных пор. Следовательно, чем больше пористость и крупнее поры, тем лучше водопроницаемость. В начале впитывания водопроницаемость больше, чем в последующие отрезки времени. По мере просачивания и насыщения почвы влагой происходит набухание почвенных коллоидов и уменьшение размера пор, а также разрушение неводопрочных агрегатов и уменьшение крупных межагрегатных пор.

Расход воды из почвы

Производительным видом расхода воды является потребление ее культурными растениями. К непроизводительным расходам относятся испарение воды почвой, сток воды и снос снега с поверхности почвы, инфильтрация в грунтовые воды, потребление воды сорняками.

Одним из показателей расхода воды растениями является транспирационный коэффициент (ТК). Он выражается количеством воды, затрачиваемым растением в процессе образования единицы сухого вещества. Для определения ТК пользуются вегетационными и полевыми методами. Данный показатель дает лишь представление о количестве израсходованной воды в определенных условиях внешней среды. Он позволяет более точно учесть количество израсходованной воды и синтезированного вещества во всех частях растения.

Но результаты могут быть использованы для расчетов только в условиях, в каких проводился опыт. При полевом методе учитывается весь расход воды из почвы за период вегетации, включая испарение с поверхности и другие потери влаги. Сухое же вещество учитывается только в надземных частях растений. Поэтому эту величину называют коэффициентом расхода воды.

Величина ТК у разных видов сельскохозяйственных растений неодинакова (табл. 8). Он выше у многолетних трав и ниже у однолетних злаковых, особенно просовидных культур. ТК зависит не только от вида растения, но и метеорологических и почвенных условий. ТК не может служить показателем засухоустойчивости растения, так как он определяется совокупностью физиологических свойств.

Для расчета уровней возможных урожаев большое значение имеет суммарный расход воды посевами с единицы площади. Это общий расход воды на транспирацию, испарение почвой, инфильтрацию в грунтовые воды, сток воды и снос снега от посева растений до уборки урожая, выраженный в кубических метрах воды на 1 га, называемый суммарным водопотреблением (СВ).

Таблица 8 Средний расход воды на образование 1 г сухого вещества, г

Растения	Расход	Растения	Расход	Растения	Расход
Пшеница Ячмень Рожь Овес Горох Картофель	540 520 630 580 680 640	Подсолнечник Лен Фасоль Сахарная свекла Гречиха Арбуз	600 905 700 397 578 580	Кукуруза Просо Сорго Костер безостый Амарант Люцерна	370 300 322 1016 300 840

Расход воды на одну тонну урожая (СВ:У=КВ) называется коэффициентом водопотребления. Потребление воды у различных культур неодинаковое. Оно зависит от почвенно-климатических условий, технологии возделывания и урожайности (табл. 9).



Таблица 9 Влагообеспеченность сельскохозяйственных культур

Культура	Станция	Запас продукти-вной влаги (мм) в слое 0-100 см на даты:	Осадков (мм) от посева до созре-вания	Суммар-ное водопотребле-ние, м3/га
		сева	созревания
Кукуруза	Новоалександровская Арзгирская Курсавская	158 142 159	72 47 59	231 138 293	318 233 393
Подсолнечник	Новоалександровская Курсавская	164 155	62 76	245 301	347 380
Сах. свекла	Новоалександровская	151	72	245	324
Озимая пшеница	Новоалександровская Арзгирская	184* 161	83 34	193** 96	294 223

Примечание: *-по озимой пшенице запасы влаги даны на дату возобновления вегетации, количество осадков по озимой пшенице дано за период от возобновления вегетации до созревания.

СВ слагается из суммы полезных осадков за вегетационный период, разницы запаса влаги в корнеобитаемом слое почвы и количества поступившей грунтовой воды: СВ=О+(Wo-Wу)+Г, где СВ - суммарное водопотребление (м3/га) за период вегетации; О - сумма полезных осадков (м3/га) за тот же период; Wo- запас влаги (м3/га) в корнеобитаемом слое почвы во время посева; Wy - то же во время уборки; Г- количество грунтовых вод, используемое растениями. При глубоком залегании грунтовых вод эта величина отпадает.

Определяют СВ методом водного баланса А. Н. Костякова, методом среднесуточных температур И. А. Шарова и биоклиматическим методом Алпатьевых. По первому методу СВ вычисляют по формуле: СВ=У·КВ, где У-расчетный урожай, ц/га; КВ-коэффициент водопотребления, установленный опытным путем. По второму методу СВ=е · Et+ ув, где е - расход воды почвой, приходящейся на 1 ° (примерно 2м3); у - расчетный урожай, ц/га; в - число дней вегетационного периода; Et - сумма температур за период вегетации. По биоклиматическому методу за основу берут сумму среднесуточных температур дефицитов влажности воздуха (Еd) в мм за вегетацию: СВ=0,65 · Еd. Для пересчета на м3 полученное число умножают на 10.

Расход воды одним и тем же растением изменяется по фазам развития. Периоды наибольшей потребности растений в воде называют критическими. Для озимой пшеницы, озимой ржи, яровой пшеницы, ярового ячменя и овса критическим периодом является период «выход в трубку - колошение»; для сорго и проса - «колошение - налив»; для кукурузы - «цветение - молочная спелость початков»; для зернобобовых и гречихи - «цветение»; для картофеля - «цветение - клубнеобразование» Недостаток воды в этот период сильно отражается на растении, особенно в момент образования репродуктивных органов.

Вода теряется из почвы в течение всего года, но больше всего весной и в послеуборочный летне-осенний период, когда почва не покрыта растениями.

Этот период длится 9-10 месяцев, в это время выпадает осадков 70 % годовой нормы. Влага испаряется с поверхности почвы в результате диффузии пара и газообмена.

Величина испарения зависит от метеорологических условий, характера поверхности и физических свойств почвы. Выделяют три стадии испарения воды из почвы. Первая стадия - интервал влажности от полного насыщения до капиллярной влагоемкости, когда скорость испарения более или менее постоянна. В этой стадии скорость испарения не зависит от влажности почвы и определяется преимущественно метеорологическими факторами. По своей величине она близка к испарению с водной поверхности и прямо пропорциональна дефициту влажности воздуха и скорости ветра и обратно атмосферному давлению. Движение приземного слоя воздуха замедляется растительным покровом. Поэтому дефицит влажности уменьшается, так как приземный слой имеет высокую влажность, что снижает испарение. Под сахарной свеклой с поверхности почвы испарение меньше на одну треть.

Вегетирующими растениями при смыкании листьев увеличивается расход воды на транспирацию, но уменьшаются потери ее через испарение из почвы. плодородие почва пахотный водный

Отмершие растения или другие виды покрытия почвы также снижают испарение. Роль такого покрытия может выполнять и верхний слой сухой, рыхлой почвы.

Гребнистая, глыбистая поверхность поля увеличивает площадь, с которой испаряется влага. При неровной поверхности почва больше продувается ветром.

По мере высыхания почвы и разрыва капиллярной связи резко уменьшается подвижность воды и наступает вторая стадия высыхания, скорость испарения зависит от влажности почвы и ее физических свойств. Переход от постоянной скорости испарения к убывающей совпадает с влажностью устойчивого завядания - с влажностью разрыва капилляров. Преобладающий капиллярный механизм передвижения влаги сменяется диффузно-конвекционным и пленочно-менисковым.

Третья стадия высыхания почвы совпадает с максимальной гигроскопичностью и означает переход к движению влаги в виде пара. Скорость испарения на второй и третьей стадиях процесса высыхания почвы уменьшается в связи с уменьшением влагопроводимости почвы и зависит от общей пористости и размера пор. Скорость диффузии и конвекции напрямую зависит от пористости почвы. Чем меньше размер пор, тем меньше потери влаги. Поэтому для сохранения влаги необходимо создавать на небольшой глубине от поверхности уплотненную прослойку почвы.

Одним из видов потерь воды из корнеобитаемой зоны является инфильтрация в глубокие слои, особенно для почв без водоупорного слоя. Величина потерь воды при фильтрации зависит от пористости. Почвы на песках имеют высокий коэффициент фильтрации и плохо удерживают воду. Снизить эти потери можно приданием почве лучшей влагоемкости, изменением ее механического состава (глинованием), внесением органических удобрений, а также приданием почве мелкодисперсного состояния. Однако последнее в практике земледелия не используется из-за больших затрат.

На склонах полей и на бесструктурных тяжелых почвах во время сильных дождей и снеготаяния поверхностный сток воды может достигать больших размеров. Пахотные земли в результате стока теряют в среднем около 10 % годового количества осадков, особенно вспаханные на зябь.

В засушливых степях летние осадки преимущественно ливневого характера. За теплый период их количество составляет 250-350 мм. Снежный покров в равнинной части территории неустойчив. Много воды теряется вследствие сдувания снега в овраги и лесополосы. При этом зимние осадки в этих местах служат основным источником пополнения запасов влаги весной. В результате стока талых вод теряется до 70 % зимних осадков, то есть 20-60 мм. Стекающая вода смывается с почвенными частицами, уносит вместе с ними органическое вещество и минеральные элементы пищи растений, образует промоины и овраги.

Основные пути регулирования водного режима

На равнинной части территории Ставрополья за период активной вегетации культурных растений выпадает от 200 до 350 мм осадков. Такое количество осадков недостаточно для успешного возделывания культур и особенно таких влаголюбивых, как подсолнечник, сахарная свекла и овощи. В течение вегетации запасы влаги в почве под сельскохозяйственными культурами постепенно убывают. Наиболее низкие запасы влаги под озимыми культурами в конце июня- начале июля, то есть в конце вегетации - 10-30 мм в метровом слое почвы в восточных районах и 60-80 мм в западных и предгорных. Под пропашными культурами минимальные запасы влаги наблюдаются во второй-третьей декадах августа. В этот период они составляют 20-30 мм в восточных районах и 60-70 мм в предгорных. К осени запасы влаги постепенно начинают возрастать и к моменту перехода температуры воздуха через +5° составляют 30-80 мм под зябью и озимым зерновым и 70-100 мм под озимыми по пару.

Потребность озимой пшеницы во влаге на большей части территории удовлетворяются на 60-80 %, а в предгорных районах на 100 %. Хуже удовлетворяются потребности во влаге у пропашных культур - на 40-60 %.

Запасы влаги в метровом слое почвы под кукурузой в июле и первой декаде августа, в период выметывания - цветения, то есть наибольшей требовательности к влаге, снижаются до 20-30 мм в северо-восточной части края и до 50-70 мм на остальной территории. Такие запасы явно не могут обеспечить хорошего урожая зерна.

На период цветения - налива семян и формирования корзинок подсолнечника запасы влаги на большей части территории края бывают недостаточными.

У сахарной свеклы с начала утолщения подсемядольного колена начинается рост корня и сахаронакопление, требование к влаге значительно возрастает. Обычно в районах свеклосеяния запасы влаги в это время 90-160 мм, но иногда они снижаются до 70 мм. В таких случаях урожай снижается даже при хорошей влагообеспеченности в последующие периоды.

Благоприятные условия в период бутонизации и цветения гороха во второй половине мая-начале июня складываются только в предгорных районах, а на равнинной части территории лишь в отдельные, особо благоприятные годы. В мае, когда у гороха проходят бутонизация и цветение, насчитывается от 5 до 12 суховейных дней.

Поэтому задача регулирования водного режима состоит в том, чтобы накопить и сохранить влагу в почве на критические периоды - периоды наибольшей потребности растений в воде.

Первый способ регулирования водного баланса - воздействие на микроклимат созданием полезащитных водоохранных лесонасаждений на водоразделах и по берегам водоемов. Лесные насаждения замедляют таяние снега и способствуют проникновению талых вод в быстрооттаивающую почву. На водоразделах и по берегам водоемов лесонасаждения предотвращают сильные разливы рек и озер.

Полезащитные лесные полосы, устройство водоемов повышают относительную влажность воздуха и уровень грунтовых вод.

Второй способ регулирования водного баланса - создание условий для поступления осадков в почву улучшением водно-физических свойств, в частности, водопроницаемости и влагоемкости почвы. Важное значение в улучшении этих свойств имеют мероприятия по восстановлению прочной структуры почвы, приемы обработки, создающие благоприятное строение пахотного слоя, внесение органических удобрений и посев многолетних трав.

Главным средством задержания стока воды с поверхности почвы служит правильная система обработки почвы, которая рассматривается в разделе «Обработка почвы».

Для уменьшения испарения влаги из почвы улучшают строение пахотного слоя, которое сильно замедляет подъем капиллярной воды и диффузию водяного пара. Для этого в самой верхней части пахотного слоя 0-8 см создают рыхлое сложение, а на глубине 6-8 см - уплотненную прослойку, препятствующую газообмену и диффузии водяных паров почвы. Такое строение пахотного слоя создают культиваторами, катками и боронами. Особенно важно иметь такое строение при весенней и летней обработке почвы под посев яровых и озимых культур.

Непременным условием сохранения влаги в почве является уничтожение сорняков по мере их появления. Это особенно эффективно в системе предпосевной обработки, обработки междурядий пропашных культур, летом - на чистых парах и после уборки сельскохозяйственных культур.

Для рационального использования влаги подбирают сорта, своевременные сроки и способы посева, чередование культур в севообороте, систему удобрений и добиваются более полного обеспечивания растений другими условиями жизни во время ухода за посевами. Данные вопросы изучают в специальных разделах учебника и в растениеводческих дисциплинах.

Для предупреждения сдувания снега, стока талых и дождевых вод применяют различные способы задержания снега на полях.

Лучшим способом снегозадержания являются кулисы из высокостебельных растений (кукурузы, подсолнечника, горчицы). Кулисные растения или их стебли оставляют неубранными на зиму, в течение которой они и задерживают снег.

Широкое применение получило снегозадержание путем оставления всей стерни и обработки почвы плоскорезами.

6. Воздушный режим почвы и его регулирование

Почвенный воздух является важнейшей составной частью почвы, он тесно взаимодействует с ее жидкой и твердой фазами. Почва обладает избирательной способностью к поглощению газов. Количество поглощенного почвой воздуха тесно связано с величиной удельной поверхности, дисперсностью, гигроскопичностью, гумусностью и другими ее свойствами. В сухих почвах при влажности максимальной гигроскопичности содержится большое количество поглощенного воздуха. При быстром смачивании сухих комков почвы во время поливов или дождей воздух со значительной силой выходит наружу и разрушает почвенные комки.

Особенно большое значение в жизни растений и почвы имеют процессы миграции и превращения углекислого газа, которыми определяется направление и характер развития почвы, ее окультуривание.

Экспериментально обосновано многостороннее значение кислорода почвенного воздуха. Он поглощается корнями растений при дыхании, используется микроорганизмами и активно участвует в химических реакциях окисления.

Заполняемые водой слои почвы особенно бедны кислородом. В них господствуют анаэробные и восстановительные процессы, образующие вредные для растения продукты.

В газообразной части почвы, кроме кислорода и углекислого газа, содержатся азот и водяные пары, участвующие в круговороте веществ, мигрируя по всем трем фазам почвы.

Газообразный азот воздуха в почве при участии почвенных и клубеньковых бактерий фиксируется в различные органические вещества, от простых по составу белковых соединений до сложных образований гумусовых веществ. При минимализации органических продуктов образуются растворимые нитриты, нитраты и аммиак, а при денитрификации азот превращается в газообразную форму. Газообразный аммиак поглощается почвами и прочно удерживается от вымывания в подпахотные горизонты и грунтовые воды.

Потребность корней возделываемых культур в кислороде еще не выявлена. Гречиха, горох, кукуруза и некоторые другие культуры удовлетворительно росли в вегетационных опытах и не снижали урожая на почве, лишенной кислорода. Выросшая на такой основе кукуруза имела более развитые воздушные полости и межклеточную проводящую систему в стеблях. Многие болотные растения вполне нормально развиваются в безклеточной среде благодаря хорошо развитой воздухопроводящей ткани (аэренхима), по которой кислород легко проникает в корни. Однако имеются результаты исследований, которые отмечают, что кислород необходим для развития корней возделываемых культур. Количество усвояемого кислорода изменяется по фазам жизни растений адекватно росту корней. Кислород необходим для прорастания семян. Если в среде нет необходимой концентрации кислорода, то семена не прорастают и гибнут. Лучшей концентрацией кислорода оказалась для подзолистых почв 15-20 % состава газовой смеси. При концентрации 2,5 и 5,0 % появление проростков кукурузы задерживалось, а всходов ячменя не было. В бескислородной среде семена не прорастали, а на седьмые сутки погибли.

Полезные почвенные бактерии в большинстве относятся к группе аэробов. Группа нитрифицирующих бактерий, окисляющая аммиак до азотистой и азотной кислот, может развиваться только при непрерывном доступе кислорода. Образование в почве нитратов напрямую зависит от рыхлости почвы, и, следовательно, от снабжения кислородом воздуха. На распыленных, бесструктурных почвах, тяжелых суглинках жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий снижается до минимума. Когда господствует анаэробиозис, нитрифицирующие бактерии прекращают свою полезную деятельность и возделываемые культуры могут испытывать острый недостаток в азотной пище.

Накопление азота и рост клубеньков на корнях бобовых культур также значительно ослабевает, если нет притока кислорода. На тяжелых бесструктурных почвах, склонных к образованию корки и значительному уплотнению, на корнях появляются очень мелкие клубеньки. Вследствие этого фиксация молекулярного азота уменьшается и бобовые культуры слабо выполняют роль азотонакопителей.

Кислород необходим свободноживущим аэробным азотфиксаторам и другим микроорганизмам, участвующим в минерализации корневых и пожнивных остатков растений, накоплении элементов минеральной пищи, образовании гумусовых веществ в почве. При недостатке кислорода в почве образуются токсичные для растений вещества, ухудшаются физические свойства и снижается содержание доступных элементов питания растений. Плодородие почвы и урожай сельскохозяйственных культур в совокупности снижаются.

Почвенный и атмосферный воздух - равновесная динамическая система, подчиняющаяся законам физики, химии и биологии. Такая система сохраняет устойчивое равновесие при данных термодинамических условиях. Однако почвенный воздух изменяет свой состав больше, чем атмосферный. Решающее значение в этом принадлежит растениям и микроорганизмам. Корни возделываемых растений выделяют углекислый газ в течение всей вегетации. При анаэробном разложении отмерших корней, запаханной дернины, растительных остатков, органических удобрений, гумуса и других органических веществ их углерод выделяется в виде углекислого газа. С увеличением в почвенном воздухе углекислого газа в нем уменьшается количество кислорода из-за потребления его растениями, аэробными микроорганизмами и другими живыми существами в почве. В разных типах почв содержание кислорода может снижаться до 2-3 %, а количество углекислого газа достигать 10 % и более.

Атмосферный воздух содержит азота 78,23 %, кислорода 20,81 %, углекислого газа 0,03 %, аргона 0,04 % , остальных газов около 0,03 %. Различия в составе атмосферного и почвенного воздуха служат показателем качества почвы и способов ее возделывания.

Состав почвенного воздуха сильно изменяется от характера угодий. На лугу кислорода меньше, чем на парах, углекислого газа и азота значительно больше. При паровой обработке почвы и внесении в нее навоза содержание кислорода в почве увеличивается.

Более резко изменяется количество углекислоты в почве. Наибольшее содержание этого газа в почве под люпином, клевером, овсянницей и другими многолетними травами. Еще в 1926 году Ляу (Германия) показывает, что вблизи корней и особенно в ризосфере в почвенном воздухе углекислоты намного больше, чем вдали от корней. Позднее это наблюдение подтверждено на многочисленных полевых культурах. Во всех случаях в почве, занятой растениями, углекислого газа значительно больше, чем на паровых полях (П.Ф. Бараков, 1931).

Изменения в составе почвенного воздуха связаны с температурой, влажностью и аэрацией почвы. С повышением температуры содержание углекислого газа в почвенном воздухе увеличивается, а кислорода уменьшается. При наибольшей температуре и при влажности завядания концентрация углекислоты самая низкая, а кислорода самая высокая.

Исследования подтвердили, что в почвенном воздухе углекислого газа больше, чем в атмосфере. В результате жизнедеятельности растений, микроорганизмов и различных процессов в почве воздух в ней непрерывно обогащается СО2. В пахотных слоях почвы при переувлажнении или образовании корки на поверхности содержание СО2 может достигать 5-7 % при уменьшении количества кислорода до 10-15 %.

Высокая концентрация СО2 в почве токсична для корней растений, семена не прорастают и снижается жизнедеятельность большинства аэробных микроорганизмов. Некоторые луговые травы мирятся с повышенными концентрациями СО2 в почве. Для большинства культурных растений однопроцентная концентрация СО2 токсична. Если бы в природе не существовал постоянно действующий газообмен, между атмосферой и почвой, то накопление СО2 достигло бы такой концентрации, при которой жизнь растений стала бы невозможной. Только при урегулированном газообмене возделываемые культуры находят оптимальные условия для своего развития и хорошего урожая.

Постоянство состава почвенного воздуха обусловлено хорошим газообменом между почвой и атмосферой. В воздухе количество СО2 (около 1 %) наиболее благоприятно для многих культур, тогда как для корней такая концентрация наносила бы вред. Особенно важно повышение содержания СО2 для растений защищенного грунта.

В атмосфере рассеяны громадные запасы углерода. При концентрации 0,03 % в полной мере удовлетворить столь большую потребность растений в этом газе можно только при быстром притоке. По расчетам А. Г. Дояренко (1963), за 10 часов дневного прироста растение потребляет весь углекислый газ из слоев воздуха толщиной 30 см. Поэтому даже при быстром передвижении СО2 в атмосфере к месту потребления культурами может ощущаться его недостаток. В данном случае большое значение имеет углекислый газ, выделяющийся из почвы.

Количество выделяемого газа СО2 в полевых условиях непостоянно. Это зависит от деятельности микроорганизмов, обеспеченности их органическим веществом, фосфором, кальцием и другими веществами, а также температурных, водных и воздушных условий жизнедеятельности. Влияют также вид возделываемых культур и качество обработки почвы. Определяется оно интенсивностью газообмена между почвой и атмосферой.

Выделяющаяся из почвы углекислота образуется не только в ходе биологических процессов, но она поступает в почвенный воздух при превращении: Са (НСО3)2 > Са СО3 + Н2О + СО2, а также при действии почвенных кислот на карбонаты. Некоторое количество СО2 может поступать из грунтовых вод и при миграции из твердой и жидкой фаз почвы.

На интенсивность газообмена оказывает влияние изменение температуры почвы. При нагревании почвы днем объем почвенного воздуха увеличивается и часть его выходит наружу. Ночью при отдаче тепла через лучеиспускание температура понижается и происходит сжатие почвенного воздуха. В силу этого часть освободившихся промежутков почвы заполняется свежим атмосферным воздухом. А. Г. Дояренко и другие считали этот фактор газообмена ведущим и постоянно действующим во всех зонах.

По-разному оценивается роль процесса диффузии газов в почве. Одни ученые этому фактору придают первостепенное значение в процессе газообмена почва-воздух. С другой стороны, П. И. Андрианов, А. Г. Дояренко и другие считают, что процесс диффузии имеет ничтожно малый масштаб.

Однако действие диффузии является постоянным фактором на всех почвах, как и влияние колебаний температур.

В. Р. Вильямс в почвенном газообмене большое значение придавал изменению атмосферного давления. При уменьшении барометрического давления почвенный воздух выходит наружу, и, наоборот, когда давление повышается, он поступает в почву.

При выпадении сильных дождей, при сходе талых вод и во время поливов почва усиленно вентилируется. Дождевая вода содержит больше кислорода и меньше углекислого газа, чем почвенная влага. При поступлении дождевой воды в почву избыток растворенного в ней кислорода будет выделяться в почвенный воздух и улучшать его состав. Однако в годовом газообмене влияние осадков не имеет большого значения. По-видимому, ветер в газообмене играет еще меньшую роль, чем вода. Однако при сильном ветре на неровной поверхности или на полях без дернины или травостоя, может быть, происходит значительный газообмен в почве. Также слабо влияет на газообмен оседание почвы после ее обработки. При оседании почвы непрерывно уменьшается ее скважность, а если образуется корка, то беспрепятственное движение воздуха будет нарушено.

Факторы газообмена зависят от воздухопроницаемости. Она зависит от механического состава почвы, ее структуры, строения пахотного слоя и других свойств. На бесструктурных тяжелых почвах глинистых солонцах газообмен совершается очень медленно. При этом в почвенном воздухе наблюдается высокая концентрация СО2 и преобладают восстановительные процессы. На структурных почвах при хорошем строении пахотного слоя воздухопроницаемость обеспечивает быстрый газообмен. В уплотненных почвах с тонкими капиллярами воздух и вода являются антагонистами. Вода, заполняя поры почвы, вытесняет из нее воздух. Отрицательная роль антагонизма воздуха и воды устраняется только при создании благоприятного строения пахотного слоя. При мелкокомковатом строении пахотного слоя создается наилучший воздушный режим и одновременный достаточный запас влаги.

Правильное регулирование воздушного режима необходимо во всех зонах края и на всех почвах. Особое значение оно имеет в более увлажненных районах, где почвы более уплотняются. На засоленных почвах, сильно уплотняющихся и образующих корку, надо постоянно следить за состоянием воздушного режима и регулировать его.

Возделываемые растения по разному относятся к воздушному режиму. Пропашные культуры, бобовые и овощные требуют постоянного наличия в почвенном воздухе значительных количеств кислорода и малого содержания СО2. Но они резко повышают фотосинтез, если в воздухе над почвой много углекислоты.

Улучшают воздушный режим приемы агротехники, направленные на создание окультуренного, мелкокомковатого пахотного слоя с благоприятным строением. К ним относятся, прежде всего, высококачественная и своевременная обработка почвы. Большое значение имеют внесение органических удобрений и посев многолетних трав, обеспечивающих мелкокомковатую структуру почвы.

При необходимости улучшения воздушного режима в верхнем слое пашни во время появления корки или на некоторой глубине при глубоком заплывании и оседании распыленной почвы применяется поверхностное или глубокое рыхление культиваторами и другими рыхлящими орудиями.

Во влажных районах в понижениях применяются гребневые и рядковые способы обработки почвы и посева, которые создают хорошую аэрацию почвы и лучшие тепловые условия для возделывания растений.

7. Тепловой режим почвы и его регулирование

Каждый вид растений характеризуется отношением к температуре. При оптимальной температуре скорость биохимических реакций максимальная. Начинаются эти реакции при минимальных температурах, а снижаются и прекращается жизнедеятельность при максимальных. Однако эти критические температурные точки смещаются в ту или иную сторону в зависимости от соотношения других факторов жизни.

Прорастание семян, развитие корней, подающих в растение питательные вещества и воду, зависят от температуры почвы.

Минимальные и оптимальные температуры в период прорастания семян и появления всходов у различных групп растений неодинаковы (табл. 10).



Таблица 10 Интервалы температуры почвы для прорастания семян и появления всходов, ° С

Культура	Прорастание семян	Появление всходов
	min	opt	min	opt
Горчица, люцерна, клевер, конопля Рожь, пшеница, ячмень, горох, вика, чина, тимофеевка Свекла, гречиха, бобы, люпин, нут Подсолнечник, картофель Кукуруза, просо, могар, суданская трава, соя, кориандр Фасоль, сорго, клещевина, бахчевые Хлопчатник, арахис, кунжут	0-1 1-2 3-4 5-6 8-10 10-12 12-14	25-31 25-30 25-30 31-37 27-45 - 37-45	2-3 4-5 6-7 8-9 10-12 12-13 14-15	- 6-12 18-25 18-25 18-25 - 18-25

Горчица, люцерна, рожь, ячмень, овес, горох - культуры раннего срока сева, минимальная температура прорастания их семян 1-2 ° С, а появление всходов 2-3 и 4-5 ° С.

Следующая группа - культуры среднего срока сева - свекла, гречиха, люпин, а также подсолнечник и картофель. Для них соответственно минимальная температура прорастания 3-4 и 5-6 °С, а появление всходов - 6-7 и 8-9 ° С.

Кукуруза, просо, суданская трава, соя и кориандр начинают прорастать при температуре почвы 8-10 ° С, а всходы появляются при 10-12 ° С.

Самыми требовательными к теплу являются фасоль, сорго, клещевина и бахчевые, семена которых только начинают прорастать при 10-12 ° С.

Срок посева сельскохозяйственных культур определяется их биологическими особенностями и условиями внешней среды.

К культурам раннего срока посева относят горчицу, рожь, пшеницу, овес, горох, вику, сахарную свеклу. Семена начинают прорастать при температуре почвы на глубине их заделки 1-5 °С, а всходы свеклы переносят заморозки -3 °С, гороха до -4 °С. У культур более позднего посева семена начинают прорастать при температуре 8-12 ° С, а всходы часто страдают от заморозков. В эту группу входят просо, кукуруза, суданская трава, соя, фасоль, клещевина и бахчевые.

Наиболее благоприятная температура почвы для развития корней точно не установлена. Существуют данные, что относительно пониженные температуры почвы способствуют увеличению доли корней в общем количестве синтезированного растением органического вещества.

Не меньшее значение имеют тепловые условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, создающих доступные растениям питательные вещества. Большая часть их развивается при температуре от 10 до 40 ° С. Различное отношение к теплу растений и почвенных микроорганизмов вызывает ранней весной у озимых культур азотное голодание, что является результатом слабой жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.

Кроме прямого действия на растения и микроорганизмы температурный режим почвы оказывает разнообразное влияние, воздействуя на водно-воздушные режимы.

Основным источником тепла в почве является солнечная радиация (Qр). Кроме энергии солнечной радиации, тепло может поступать в пахотный горизонт от излучения атмосферы (Qд), из нижележащих слоев в результате теплообмена (Qп), а также при разложении органического вещества (Qорг), в результате выделения скрытой теплоты парообразования во время концентрации водяных паров (Qконд) и при распаде радиоактивных веществ (Qрад):

Приход = Qр + Qд + Qорг + Qконд + Qрад

Однако не вся лучистая энергия достигает поверхности почвы и аккумулируется в ней. Часть солнечной радиации отражается почвой (Qотр), излучается поверхностью почвы (Qизл), передается из верхнего пахотного слоя в глублежащие слои (Qглуб). Значительное количество тепла расходуется на испарение (Qисп), на нагревание прилегающих слоев атмосферного воздуха, на турбулентное перемещение и перенос тепла (Qтурб):

Расход = Qтр + Qизл + Qглуб + Qипс + Qтурб

На парах наибольшее количество тепла из почвы расходуется на теплообмен в системе почва-воздух. На полях, покрытых растениями, наибольший расход тепла приходится на транспирацию и испарение воды из почвы, достигает 80 % и более от солнечной радиации.

Разница между приходом и расходом тепла за тот или иной промежуток времени показывает увеличение или уменьшение количества тепла в данном слое почвы. Величина статей баланса изменяется в течение суток и по сезонам года. В ночное время из приходной части выпадает солнечная радиация (Qр), а из расходной - отраженная радиация (Qотр). Поэтому летним днем тепловой баланс положительный, а ночью отрицательный. На Ставрополье в третьей декаде июля - первой декаде августа происходит смена режима суточного теплового баланса почвы. Если с конца февраля до указанного срока среднесуточные температуры почвы и воздуха постепенно возрастают, то затем начинается процесс остывания почвы.

Наибольшие колебания температуры в течение суток и за год происходят в верхнем слое почвы.

Значительное влияние на произрастание озимых растений и на водный режим почвы оказывает промерзание и оттаивание почвы. Глубина промерзания зависит от продолжительности и температуры зимнего периода, толщины снежного покрова: чем глубже промерзание почвы, как следствие, ниже температура у узла кущения. Средняя из наибольших глубин промерзания почвы на территории края колеблется от 20 до 40 см. Наибольшая глубина промерзании почвы наблюдается на северо-востоке. Соответственно и вероятность зим с критической минимальной температурой почвы на глубине узла кущения больше на востоке. Температура почвы -18 °С и ниже почти не наблюдается, -15 ° С и ниже возможна в 5-10 % лет.

Величина и скорость поступления в почву тепла и его расхода в значительной степени зависят от свойств почв, ее лучепоглотительной и отражательной способностей; теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности.

Отражательная способность почвы (альбедо) измеряется отношением количества отраженной коротковолновой энергии, выраженной в процентах, к общему притоку лучистой энергии на поверхность почвы. Гладкая и сухая поверхность отражает больше лучей, чем неровная и влажная. Альбедо сухого чернозема равно 14 %, влажного - 9 %, зеленой травы - 20-23 %, овса, вики, гороха - 20 %. Наибольшей отражательной способностью обладает снег.

Лучепоглотительная способность определяется по разнице между суммой поглощения и альбедо, где суммарная разница равна 100, а альбедо - А, то есть 100-А. Больше поглощают тепла почвы темноцветные с неровной поверхностью южной экспозиции и без растительности.

Теплоемкость почвы - количество тепла, необходимое для нагревания на 1 ° С 1 см3 (объемная) или 1 г почвы (весовая). Объемная теплоемкость (С) может быть выражена произведением удельной теплоемкости (С) на объемную массу почвы (d), то есть С = с · d. Она зависит от теплоемкости твердой фазы почвы и соотношения объемов, занимаемых твердой, жидкой и газообразной фазами. Наибольшей теплоемкостью обладает вода, наименьшей - воздух. Промежуточное положение занимает твердая фаза почвы. Если теплоемкость воды принять за 100, то весовая теплоемкость песка составит - 19,6; глины - 23,3; торфа - 47,7. Наименьшую теплоемкость имеет воздух - 0,03, что в 3300 раз меньше теплоемкости воды. Тяжелые серые почвы прогреваются медленно и они называются холодными. Лучше прогреваются легкие по механическому составу относительно серые почвы. Изменяя строение пахотного слоя, можно уменьшать или увеличивать объемную теплоемкость.

Теплопроводность почвы (л) измеряется количеством тепла в малых калориях, протекающего в одну секунду через площадь в 1 см2 через слой толщиной в 1 см при разнице температур на обеих сторонах слоя 1 °. Теплопроводность зависит от соотношения физических фаз почвы. Наименьшую теплопроводность имеет воздух (л = 0,00005). Теплопроводность воды в 28 раз, а твердой фазы в 80 раз больше, чем воздуха. Поэтому с увеличением пористости и аэрации теплопроводность уменьшается. Сухие почвы, богатые гумусом и обладающие высокой порозностью, очень плохо проводят тепло. Теплопроводность сухого суглинка в 6,5 раз меньше, чем насыщенного водой.

Температуропроводность почвы (К) - скорость изменения температуры, прямо пропорциональная теплопроводности и обратно пропорциональная теплоемкости: К = л /С, где К - коэффициент температуропроводности, С - объемная теплоемкость почвы, л - теплопроводность.

Для жизнедеятельности растений важно не столько количество тепла, сколько его скорость прогревания и охлаждения. С увеличением влажности почвы ее теплоемкость и теплопроводность возрастают, температуропроводность сначала резко повышается, а затем становится более или менее постоянной.

Несмотря на малую теплопроводность, температуропроводность воздуха во много раз больше, чем воды, так как теплоемкость воздуха ничтожна. Чем меньше теплоемкость, чем больше теплопроводность, тем выше температуропроводность. Почвы с более плотным строением и небольшим содержанием влаги имеют высокую температуропроводность.

Весьма многосторонняя связь теплового режима с водным, воздушным и питательным режимами. С повышением температуры почвы усиливается передвижение парообразной влаги. При резком понижении температуры ночью происходит конденсация паров на поверхности почвы или на границе рыхлого и плотного ее слоев.

Повышение температуры почвенной влаги снижает растворяемость газов, в частности углекислоты, понижение - повышает ее.

Нагревание воздуха в почве усиливает диффузию газов, нагретый воздух выходит наружу, а свободные поры занимает атмосферный воздух. Высушивание почвы сопровождается коагуляцией почвенных коллоидов и понижением дисперсности, увеличением растворимости органических веществ, возрастают в водной вытяжке растворимые соединения азота и фосфора.

При промораживании почвы кристаллы льда разрывают и расширяют поры, вследствие чего почва становится менее связной и легко крошится при обработке. Однако при высокой влажности почвы промораживание понижает водопроницаемость и вызывает выпирание перезимовавших растений.

Повышение активности микроорганизмов в благоприятных тепловых условиях ускоряет разложение органического вещества и образование доступных для растений форм питательных веществ.

Приемы регулирования можно условно разделить на три группы: 1) лучшее использование основных и дополнительных источников тепла; 2) сохранение и уменьшение расхода тепла; 3) устранение перегрева почвы.

Для лучшего использования солнечной радиации имеет значение правильное размещение культур по элементам рельефа. Более теплолюбивые культуры необходимо располагать на склонах южной экспозиции, а холодостойкие - на северных склонах. Гребни и гряды лучше прогреваются, легче освобождаются от излишней воды в таких случаях. Хотя в ночное время гребни и гряды отдают больше тепла, чем плоская поверхность почвы, все же тепловой баланс складывается благоприятнее.

Поступление тепловой энергии солнца может быть увеличено обработкой почвы и регулированием водно-воздушного режима. Вспаханная почва аккумулирует больше тепла, чем необработанная. В конце лета и осенью почва на Ставрополье остывает, приток тепла меньше, а влага движется из слоев теплых к более холодным. Поэтому нулевая зяблевая обработка, по сравнению с традиционной поздней зяблевой и полупаровой, лучше накапливает влагу и стабильна во все годы.

Для уменьшения расхода тепла из почвы проводят снегозадержание. Благодаря низкой теплопроводности снежный покров хорошо сохраняет тепло в почве и защищает ее от переохлаждения. Это особенно важно для перезимовки озимых культур, многолетних трав.

В ясную погоду почва за ночь настолько переохлаждается, что на ее поверхности могут быть заморозки. Мерами по предупреждению заморозков служат дымовые завесы. Дым, водяные пары в приземном слое воздуха предохраняют почву от лучеиспускания и переохлаждения.

Важное комплексное воздействие на тепловой режим оказывают полезащитные лесонасаждения, создавая микроклимат, уменьшая суточную и годовую амплитуду колебания температуры приземного слоя воздуха и почвы. Между лесными полосами температура приземного слоя воздуха несколько ниже, чем в открытой степи.

Структурные почвы хорошего строения мало испаряют воды, хорошо прогреваются и сохраняют тепло в глубоких слоях.

8. Пищевой режим почвы и его регулирование

Потребность растений в элементах пищи удовлетворяется главным образом из природных почвенных фондов. Методы воздействия на урожай и его качество в связи с применением удобрений детально изучаются в курсе агрохимии. Однако в курсе земледелия нельзя не рассматривать вопросы пищевого режима, поскольку обработка почвы и севооборот оказывают большое влияние на физико-механические свойства, микробиологическую деятельность и динамику почвенных элементов пищи растений.

При возделывании растений в поле их потребность в пище зависит от величины урожая, вида и сорта растений, его возраста, уровня агротехники, от свойств почвы и ряда других причин. Содержание в урожае азота, фосфора и калия значительно меняется от культуры и структуры урожая (табл. 11).

Таблица 11 Примерный вынос азота, фосфора и калия с урожаем, кг в 1 т

Культура	Основная продукция	N	P2O5	К2О
Пшеница озимая Пшеница яровая Рожь озимая Кукуруза Горох Гречиха Люпин Подсолнечник Сахарная свекла Картофель Многолетние бобовые травы	зерно --//-- --//-- --//-- --//-- --//-- --//-- семена корнеплоды клубнеплоды сено	37 47 31 34 66 30 68 40 5,9 6,2 20,0	13 12 14 12 16 15 19 26 1,8 2,0 6,0	20 18 26 37 20 40 47 118 7,5 14,5 15,0

Зерновые и зернобобовые культуры больше потребляют азота. На создание тонны зерна затрачивается 37-68 кг азота. Для подсолнечника, сахарной свеклы, картофеля характерно гораздо большее потребление калия по сравнению с зерновыми культурами.

В результате эволюционного развития почвообразовательного процесса состав почвы, ее основные свойства относительно стабилизируются. Биогеохимический круговорот способствует воспроизводству свойств природных экосистем и их почв. В условиях сельскохозяйственного использования почв это равновесие нарушается. Из хозяйственного круговорота исключается часть питательных веществ, которая содержится в урожае и продуктах животноводства, вывозимых за пределы своего хозяйства. Некоторые элементы, освобождающиеся при разложении растительных остатков, выпадают из круговорота при перемещении их в недоступную для растений зону. Эти отчуждаемые питательные вещества должны возмещаться из запасов почвы или из атмосферы, или внесением удобрений. Главный путь поступления азота из атмосферы в почву связан с биологической деятельностью микроорганизмов и растений. В этом большое значение имеет деятельность двух групп: свободноживущих в почве и симбиотических, обитающих на корнях некоторых высших растений, преимущественно бобовых.

Из группы свободноживущих азотофиксаторов первым был выделен анаэроб CIostridium Pasteurianum в 1893 году русским микробиологом С. Н. Виноградским. Однако для земледелия больший интерес представляет аэробный азотофиксатор Azotobacter , открытый в 1901 году Бейеринком. При благоприятных условиях азотобактер может полностью возместить вынос азота урожаем сельскохозяйственных культур и поддержать равновесие азотного баланса. Благоприятные условия для его деятельности: хорошее строение пахотного слоя, высокое содержание фосфора и кальция, температура 28 ° С. Установлено также, что молибден может усилить фиксацию азота в 10-30 раз. Активна деятельность азотобактера на каштановых и черноземных почвах, солонцах при унавоживании и гипсовании. В настоящее время освоен препарат азотобактерин заводского изготовления для заражения почвы или семян культурой азотобактера. Этот прием дает прибавку урожая зерновых хлебов на 20-30 % и сахарной свеклы до 20-25 %.

Наряду со свободноживущими бактериями-фиксаторами азота, большое значение для земледелия имеет деятельность симбиотических микроорганизмов, которые в ассоциации с клубеньковыми бактериями и бобовыми культурами во много раз сильнее влияют на баланс азота. Клубеньковые бактерии представлены несколькими расами или видами, каждый из которых образует с бобовыми растениями самостоятельную ассоциацию. Широко используются в производстве под названием нитрагина разные виды бактерий для клевера, люцерны, донника, сои, гороха и вики, люпина и сераделлы, фасоли и др. При возделывании бобовой культуры на том или ином поле впервые необходимо внести в почву клубеньковые бактерии соответствующей расы. Если нужных бактерий в почве нет, клубеньки на корнях бобовых культур не образуются и азот в почве не накапливается.

Основным источником азота в почве являются растительные остатки, органические удобрения и тела микроорганизмов. Многолетние травы, особенно люцерна и эспарцет однолетнего пользования, обогащают почву растительными остатками в 1,2-3 раза больше, чем однолетние культуры: озимая пшеница, горох и др. Но органический азот не может усваиваться растениями, им нужен минеральный азот. В этом превращении важнейшее значение имеют: аммонификация, нитрификация и денитрификация. Еще в 20-х годах ХХ столетия А. Н. Лебедянцевым было установлено, что в течение года на выщелоченном черноземе может накапливаться 250 кг/га доступного растениям азота. Процессы мобилизации почвенного азота можно регулировать приемами обработки почвы, внесением под бобовые культуры фосфорных и органических удобрений, а также предшественником (табл. 12).

Таблица 12 Запас элементов питания в почве до посева озимой пшеницы, кг/га

Предшественник	NO3	Р2О5
Чистый пар Овсяно-гороховый пар Эспарцетовый пар Горох Овес Свекла Бессменный посев	238 172 175 105 96 57 68	58 47 36 45 36 25 20

Перед посевом озимой пшеницы запасы нитратов и фосфора более высокие по чистым и занятым парам, по гороху. После сахарной свеклы и в бессменных посевах пищевой режим озимой пшеницы неудовлетворительный.

Обработка почвы напрямую влияет на ее водно-физические свойства и косвенно на скорость минерализации органического вещества. Поверхностная обработка почвы под озимую пшеницу комбинированными агрегатами 2КПЭ-3,8 + 2Биг-3 + 3ККШ-6 не только увеличивает запас продуктивной влаги, но и накапливает на 1,0-2,6 мг/кг больше NО3 в 0-20 и 20-40 см горизонтах по сравнению с отвальной полупаровой и глубоким безотвальным рыхлением. В то же время отвальная вспашка под яровые культуры осенью накапливает нитратов в 10-20 см горизонте в 2-3 раза больше, чем поверхностная. При поверхностной обработке наибольшее количество нитратов и доступных форм фосфора содержится в 0-10 см горизонте, чем в горизонте 10-20 см. Дифференциация пахотного слоя особенно сильно проявляется при бессменной поверхностной обработке почвы вследствие поступления растительных остатков и удобрений с поверхности.

При избыточном увлажнении почвы нитраты перемещаются с водой в нижние горизонты, в случае соединения почвенной влаги с верховодной или грунтовыми водами нитраты уносятся в реки и моря. Вымыванию нитратов благоприятствуют также легкий механический состав почвы, излишнее ее увлажнение.

Большое влияние на превращение нитратов в почве оказывает потребление их микроорганизмами почвы. Быстрое уменьшение в почве накопленных нитратов после запашки больших количеств зеленого удобрения, соломистого навоза объясняется биологическим поглощением.

Важное значение в балансе азота имеет вопрос об использовании соломы. При ежегодном урожае соломы до 30 ц/га, среднем содержании азота в ней 0,5 % и площади посева озимых на Ставрополье 1500 тыс. га в валовом сборе соломы азот составит 22500 т, что равноценно внесению 56250 т минеральных удобрений. Попадая в почву, солома, имеющая очень широкое отношение углерода к азоту (от 90 до 120), вызывает биологическое закрепление азота и возможную денитрификацию. Вследствие этого растения будут испытывать недостаток доступного азота. Для того, чтобы снизить отношение С:N до 20 и меньше и эффективно использовать солому, вместе с ней надо применять 1-2 % азотных удобрений.

...