Строение почвенного покрова

Строение почвы

Понятие о строении почвы и его показателях

Строение почвы – это соотношения между объёмами твёрдой фазы почвы и порами разных размеров (пористостью). Оно в значительной мере зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, структуры и сложения (взаимного расположения почвенных частичек) почвы. Характеризуется строение почвы объёмной массой и пористостью.

Объёмная масса – это масса 1 смАбсолютно сухой почвы при ненарушенном строении (в таком состоянии, в каком почва находится в поле). Она характеризует плотность сложения почвы, поэтому её понимают как синоним этого показателя.

Пористость – суммарный объём всех пор, выраженный в процентах от общего объёма почвы. Поры бывают различными по размерам и формам, свойства которых неодинаковы. Различают поры внутриагрегатные и межагрегатные, по отношению к воде капиллярные (диаметр меньше 0,1 мм) и некапиллярные (больше 0,1мм). Капиллярные поры способны удерживать и поднимать воду. В некапиллярных порах силы гравитации преобладают над менисковыми силами, поэтому такие поры не могут удерживать воду и при отсутствии водоупора она проваливается вниз.

Так как увлажнение почвы до капиллярной влагоёмкости бывает редко, то выделяют ещё пористость наименьшей влагоёмкости (поры заполненные водой при наименьшей влагоёмкости) и устойчивой аэрации (поры, заполненные воздухом при увлажнении до наименьшей влагоёмкости). Выделяют ещё пористость аэрации (степень аэрации) – поры, заполненные воздухом при сложившейся влажности.

Почва характеризуется также равновесной плотностью, то есть плотностью, которая устанавливается под влиянием внешних и внутренних факторов.

Строение почвы играет очень большую роль в создании её плодородия. Это та среда, где находится вода, воздух и питательные вещества, а так же корни растений и микроорганизмы.

Плотность сложения почв – достаточно известный, но не очень популярный показатель. Даже после появления в 60 – 70-ые годы минувшего столетия работ И. Б. Ревута об оптимальной и равновесной плотности (1971 и др.) и их признания в почвоведении и земледелии популярность этого показателя стала не намного выше. Он как и ранее, находит применение в основном для вспомогательных целей – пересчёта массовых значений содержание в почве влаги, гумуса, элементов питания в объёмные значения (запасы). В связи с появлением проблемы переуплотнения почв сельскохозяйственной техникой, а также с широким применением минимализации обработки почвы обработки почвы интерес к плотности сложения вырос. В 2004 году вышла в свет монография «Плотность сложения почв (генетический, экологический и агрономический аспекты)» под редакцией известного агрофизика и почвоведа академика УААН В. В. Медведева, где на большом экспериментальном материале убедительно показано большое влияние строения почвы на многие процессы, протекающие в почве и на рост и развитие растений.

Требования растений к плотности почвы

Многочисленные исследования показывают, что растения негативно реагируют как на очень плотное, так и на очень рыхлое сложение почвы. Наилучше они развиваются при какой то оптимальной плотности.

На основании обобщённых данных многих исследователей И. Б. Ревут и др. (1971) показали, что оптимальная плотность различается в зависимости от типа почв, гранулометрического состава и биологических групп сельскохозяйственных растений. В табл. 1 представлены обобщённые данные В. В. Медведевым (1988) по изучению оптимальной плотности чернозёмных почв многих авторов (главным образом по данным И. Б. Ревута и др., 1971; а также А. М. Васильева, 1972; А. Крупчатникова, 1974; И. Н. Головченко, 1975; С. Е. Дроговоз, 1976; И. К. Коваленко, 1976; Я. Н. Мухортова, 1977).

1. Оптимальная плотность сложения чернозёмных почв при выращивании различных сельскохозяйственных культур

Почва Гранулометрический состав Культура Количество опытов Диапазон оптимальных значений, г/см Среднее значение, г/см
Чернозём типичный Тяжело и среднесуглинистый Зерновые колосовые 11 1,05-1,30 1,21
Кукуруза 2 1,00-1,25 1,15
Кормовые бобы 1 1,00 1,00
Сахарная свекла 4 1,00-1,26 1,14
Горох 1 1,00-1,20 1,10
Картофель 1 1,00-1,20 1,10
Гречиха 1 1,20-1,30 1,25
Легкосуглинистые Зерновые колосовые 4 1,10-1,40 1,23
Кукуруза 1 1,20-1,30 1,25
Кормовые бобы 1 1,10-1,15 1,12
Сахарная свекла 1 1,20-1,30 1,25
Вико-овёс на сено 1 1,30-1,40 1,35
Чернозем обыкновенный и южный Тяжелосуглинистый и легкосуглинистый Зерновые колосовые 8 1,05-1,30 1,19
Кукуруза 6 1,05-1,30 1,19
Сахарная свекла 2 1,00-1,30 1,16
Подсолнечник 1 1,25-1,30 1,28
Бобово-злаковые смеси 1 1,00-1,20 1,10

В преобладающем большинстве показатели оптимальной плотности почв почти для всех исследуемых почв варьируют в широких пределах. В. В. Медведев (1988) предполагает, что причина этого – различная влажность почв во время проведения исследований. С. А. Наумов (1969), С. С. Рубин и др. (1973) обнаружили, что требования картофеля и зерновых культур к плотности почвы изменялись в зависимости от уровня влагообеспеченности: при хорошем снабжении растений водой отрицательное действие высокой плотности значительно уменьшилось. Точно также требования растения к плотности могут корректироваться различным уровнем обеспеченности элементами питания. В экспериментах Ш. Шипоша (1970) кукуруза без применения удобрений дала максимальный урожай при общей пористости 48 %, а при внесении высоких доз минеральных удобрений – при 56 %. Это означает, что величину оптимальной плотности почв можно признать динамичной.

Отклонение плотности почвы от оптимума в строку увеличения или уменьшения ухудшает условия жизни растений и их урожайность. Понижение плотности уменьшает содержание влаги и элементов питания в единице объёма почвы, ухудшает всхожесть семян; повышение плотности ограничивает рост корней, резко уменьшает доступность влаги и обеспеченность воздухом.

А. Я. Рассадин (1985) приводит обобщённые данные оптимальной плотности почвы большого набора почв для зерновых и пропашных культур и сравнивает их с равновесной плотностью этих почв (табл. 2). Эти данные также показывают довольно широкий диапазон оптимальной плотности для полевых культур и значительное совпадение с данными, приведёнными В. В. Медведевым для соответствующих почв. Интересные данные, приведённые А. Я. Рассадиным и о равновесной плотности, о чём пойдёт речь далее.

3.  Равновесная и оптимальная для полевых растений плотность почвы, г/см(А. Я. Рассадин, 1985)

Почва Гранулометрический состав Объёмная масса почвы, г/см
Равновесная Оптимальная для культур
Зерновых Пропашных
Дерново-подзолистая Песок связный 1,5-1,6 1,4-1,5
Супесок 1,3-1,4 1,2-1,35 1,1-1,45
Суглинистый 1,35-1,5 1,1-1,3 1,0-1,2
Дерново-карбонатная Суглинистый 1,4-1,5 1,1-1,25 1,0-1,2
Дерново-глееватая Суглинистый 1,4 1,2-1,4
Лугово-заплавная Суглинистый 1,15-1,20 1,0-1,2
Болотная Степень разложения торфа – 35-40 % 0,17-0,18 0,23-0,25
Серая лесная Тяжёлосуглинистый 1,4 1,15-1,25 1,0-1,2
Чернозёмная Суглинистый 1,0-1,3 1,2-1,3 1,0-1,3
Каштановая Суглинистый 1,2-1,45 1,2-1,3 1,0-1,3
Серозёмная Суглинистый 1,5-1,6 1,2-1,4

О допустимых уплотнениях почвы

Так как в результате главным образом механического воздействия плотность сложения почв может достигать очень высоких значений, при которых ограничивается рост корней, микробиологическая деятельность и отмечается целый ряд других негативных следствий, уже довольно давно введено представление о допустимом уплотнении почв (критической плотности).

Одним из первых сделали попытку разработать методику и определить критическую плотность почвы был С. И. Долгов с сотрудниками (С. А. Модина, С. И. Долгов, 1966; С. И. Долгов, С. А. Модина, 1969). Они исходили из того, что содержание воздуха в почве, даже при наименьшей влагоёмкости, не должно быть меньше 15% от объёма почвы, и предложили общее уравнение, которое определяет величину максимально допустимого уплотнения и имеет такой вид:

допустимое уплотнение

Где Pmax – максимально допустимая плотность (объёмная масса), г/см; d – удельная масса почвы, г/см; W – наименьшая влагоёмкость, % от массы почвы.

В принципе, такой подход до определения критической плотности верный, однако за наведенной формулой определить невозможно, так как наименьшая влагоёмкость, как установлено рядом исследований, сама из сменой объёмной массы не остается постоянной.

Исходя из тех же соображений, что содержание воздуха в почве должно составлять не менее 15% от объёма почвы, а так же пользуясь установленной нами математической зависимостью наименьшей влагоёмкости от плотности почвы мы предложили формулы для определения максимально допустимого уплотнения ряда почв при наименьшей влагоёмкости (В. П. Гордієнко, 1976; В. П. Гордієнко, П. В. Костогриз, 1989). Так, например, для чернозёма южного карбонатного эта формула имеет такой вид:

чернозем южный

Максимально допустимую плотность почвы можно определить и графически, показав взаимозависимость общей пористости и её частей, занятых водой и воздухом при наименьшей влагоёмкости, с её объёмной массой. Точка пересечения линий наименьшей влагоёмкости и физиологично минимального запаса воздуха (15%) покажет критическую плотность почвы.

Найденная такими методами критическая плотность показывает допустимое уплотнение, при котором воздушный режим не ухудшается даже при увлажнении почвы до наименьшей влагоёмкости. Однако во многих степных и лесостепных районах неполивного земледелия почвы редко и непродолжительно бывают увлажнены до наименьшей влагоёмкости. Поэтому благоприятные условия для развития растений будут сохраняться и при несколько высшей плотности. Именно этот показатель вызывает практический интерес, так как позволяет критически оценить плотность почвы в полевых условиях.

Максимально допустимую, или критическую плотность при любой влажности, когда ещё остаётся 15% пар, занятых воздухом, мы находим из такой зависимости:

критическая плотность

Где V – общая пористость, %; W – влажность, % от массы почвы; P – объёмная масса почвы, г/см.

Подставляя в эту формулу значение общей пористости и превратив её, получили формулу:

формула

Где Pk – критическая плотность почвы, г/см; d – удельная масса почвы.

Эта формула, по существу, такая же, как и формула С. И.Долгова для определения критической плотности при наименьшей влагоёмкости, однако ей можно пользоваться для расчётов критической плотности при любой влажности и любых почв. Естественно, что Рк будет выше, чем Pmax. Так, для чернозёма южного карбонатного, при влажности 25% Рк Будет 1,35, а при 20% — 1,47 г/см, в то время как Pmax – 1,28 г/см.

Такие примерные предпосылки предварительного расчёта критической плотности при условии сохранения благоприятного воздушного режима. Они не претендуют на на исчерпывающее решение вопроса. Остаётся не известным, на какую толщину почвенного слоя должна распространяться такая плотность. Не совсем она одинакова для разных видов растений, фаз ихнего развития, отдельных частей пахотного слоя и т. п. Да и сама величина пористости занятой воздухом в 15% весьма приблизительная. Величина пор, обеспечивающая нормальный воздухо и газообмен между почвой и атмосферой (15%) весьма условная. Она зависит от интенсивности биологических процессов в почве. Например, в холодную пору года интенсивность биологических процессов низкая, накопление в почвенном воздухе кислоты и расходование кислорода идёт медленно. И тогда даже при относительно более высокой плотности почвы и меньшей пористости аэрации будет поддерживаться нормальный воздушный режим почвы.

В. В. Медведев с сотрудниками (2004) наводит обобщённые данные допустимого уплотнения пахотного слоя различных почв (табл. 3).

Как видим, допустимая плотность почв закономерно увеличивается с уменьшением содержания гумуса, облегчением грансостава и снижением

Допустимая плотность пахотного слоя различных почв

Критерии НВ,% Почвы Грансостав Содержание гумуса,% Допустимая плотность почвы, г/см
Аэрация 36 Чернозёмы оподзоленные, обыкновенные, лугово-чернозёмные Тяжёло и среднесуглинистые 4,5 – 5,5 1,15
34 1,18
32 1,22
30 1,25
28 Тёмно-серые, серые, тёмно-каштановые, каштановые 3,5 – 5,5 1,29
26 1,33
24 1,38
22 1,42
20 Светло-серые, дерново-подзолистые Легкосуглинистые 2,5 – 3,5 1,47
18 1,52
16 Дерново-подзолистые Супесчаные и глинистопесчаные 1,0 – 2,5 1,58
14 1,64
12 1,71

наименьшей влагоёмкости.

Равновесная плотность почвы

Равновесная плотность – это такое состояние почвы, к которому она стремится под влиянием внешних и внутренних факторов. Для разных почв она неодинакова. Зависит от гранулометрического состава, состава поглощенных оснований, гумусированости и структурного состояния почвы. Об этом убедительно подтверждают обобщённые Н. Я. Руссадиным, привидённые выше в табл. 2. Равновесная плотность чернозёмов южных карбонатных Крыма в слое 0 – 10 см находится в пределах 1,17 – 1,19 г/см, в слое 10 – 20 см – 1,24 – 1,26 и в слое 20 – 30 см – 1,26 – 1,28 г/см(В. П. Гордиенко).

В. В. Медведев, Т. Н. Лактинова (2007) обобщим большой экспериментальный материал по равновесной плотности почв для всей территории Украины и предложить следующую оценку почвенно-технологических свойств по данным равновесной плотности сложения (табл.4, рис.1).

4. Распределение пахотных почв Украины по велечине равновесной плотности сложения почвы в слое 10 – 15 см

Класс почвенно-технологических условий Плотность сложения, г/см Площадь почв
% Млн. га
1 < 0,25 42,3 12,7
2 1,26 – 1,35 29,9
3 1,36 – 1,45 13,4 4,0
4 1,46 – 1,55 2,1
5 > 1,55 7,2 2,2

Расположение по территории Украины с различной равновесной плотностью показано на рис. 1.

— благоприятная – при равновесной плотности сложения в обрабатываемом слое < 1,25 г/см (код для синтезирования 1). Согласно выполненного обобщения, названная оценка является максимально возможным и наиболее часто встречающимся верхним пределом равновесной плотности сложения для наилучшим образом оструктуренного и хорошо гумусированного чернозёма типичного. В зависимости от уровня атмосферного увлажнения, условий зимнего периода (числа циклов замерзания-оттаивания) и агротехнического содержания поверхности почвы плотность сложения перед обработкой может быть несколько ниже названной величины весной и всегда почти равна ей – осенью. При таком состоянии почва легко подвергается крошению и образует высококачественный пахотный (посевной) слой. Конечно, при условии, что обработка почвы осуществляется при важности физической спелости. Тогда, почвенно-технологические её свойства (сопротивление, сцепление, липкость и другие) близки к оптимальным. В этом случае почвенно-технологическая и агрономическая (по соотношению к растениям) оценки почти подобны, за исключением повышенной способности этой почвы к деформации, что, к сожалению, не может быть оценено так же положительно, как другие её особенности;

-средние – при равновесной плотности 1,26 – 1,35 г/см(под 2). При выделении этого класса учтено то обстоятельство, что способность почвы к крошению резко ослабевает при даже небольшом переуплотнении, то есть, превышении характерной для почвы величины равновесной плотности. Это значит, что так же скачкообразно, точнее по гиперболе, ухудшаются почвенно-технологические условия. Опять-таки В. В. Медведев (2007) подчёркивает – то, что характерно для динамики плотности сложения под действием нагрузки в эталонном чернозёме (и, видимо, для все суглинистых и глинистых почв), не будет подтверждено в супесчаных и песчаных почвах, где иные исходные величины плотности сложения. Однако, общая закономерность ухудшения почвенно-технологических особенностей почв при их уплотнении будет соблюдаться во всех почвах независимо от их грансостава;

— среднетяжёлые – при равновесной плотности 1,36 – 1,45 г/см(код 3). Здесь, как и ранее, так и в следующих классификационных подразделах учтена известная закономерность: при нарастании плотности сложения обрабатываемого слоя почв в общем случае (независимо от их генезиса и свойств) физико-механические и технологические свойства почв постепенно ухудшаются;

— тяжёлые – при равновесной плотности сложения 1,46-1,55 г/см(код 4);

— очень тяжёлые – при равновесной плотности сложения > 1,55 г/см(код 5).

Средневзвешенная равновесная плотность в пахотном и верхней части подпахотного слоёв почв пашни Украины отражены на рис 1. Прежде всего, следует обратить внимание на то, что плотность сложения пахотных почв перед проведением обработки на значительных пространствах Лесостепи и северной Степи не превышает 1,25 г/см. Это, согласно классификации В. В. Медведева, позволяет оценивать эти почвы как благоприятные в почвенно-технологическом отношении. В пределах этих территорий, особенно, главным образом, в связи с эрозией (Винницкий остров тёмно-и светлосерых смытых почв) либо оглеением (Предкарпатье), плотность сложения увеличивается, а почвенно-технологические свойства соответственно ухудшаются. В сухостепной зоне в связи с проявлением осолонцевания почвенно-технологические свойства пашни также ухудшаются.

Специфическую наихудшую оценку эти свойства получили в Полесье, а также некоторых других территориях, где грансостав становится легче. Как подчёркивалось выше, это противоречит благоприятной оценке лёгких почв, которую они получили в силу минимальных параметров удельного сопротивления при обработке и сцепления. Однако, из-за практически полного отсутствия процессов агрегации, равновесная плотность в них максимальна, как и абразивная способность. Неглубокое (нередко в пределах обрабатываемого слоя) залегание оглеенного ибо иллювиального горизонтов также усложняет проведение почвообрабатывающих операций. Поэтому только комплексная оценка путём учёта нескольких факторов на синтезированной карте может получить наиболее объективную оценку почвенно-технологических условий Полесья.

Но ещё намного важнее другое обстоятельство. Обработка в Полесье оказывает весьма кратковременное воздействие на свойства верхнего слоя. Период его релаксации после механического рыхления очень небольшой, потенциал оптимизации физических свойств минимален (опять таки, в следствии лёгкого грансостава, ненасыщенности на кальций и низкой гумусированности). Поэтому почвы здесь постоянно переуплотнены (равновесная плотность в пределах 1,50 г/см угнетает рост корневых систем большинства полевых культур), а роль механической обработки и технических средств совершенно иная в сравнении с той, что они выполняют в лесостепной и степной зонах.

Способы регулирования плотности почвы

Целесообразно рассмотреть два способа регулирования плотности. Первый из них позволяет лишь кратковременно изменить плотность в нужном направлении (взрыхлить либо уплотнить), а затем она спустя непродолжительное время вновь приобретает характерное для данных условий (почвы и агрофона) квазиравновесное значение. Второй – более долговременный и связан с изменением факторов, которые формируют плотность сложения (прежде всего структурный состав). Несмотря на кажущуюся простоту и неэффективность первого способа и сложность (дороговизну) второго, оба способа находят широкое применение и оправданы в практике земледелия.

Кратковременное регулирование плотности осуществляется преимущественно путём механической обработки и приурочивается ко времени сева сельскохозяйственных культур. Обычно точный и качественный посев (отклонения в ряду и по глубине не более чем 1 см) достигается при исходной плотности сложения 1,0 – 1,1 г/смИ доминировании в посевном слое агрегатов агрономически ценного размера (не менее 50 – 70%, по С. И. Долгову, 1966). В чернозёме среднего и тяжёлого грансостава, вспаханном осенью, такие параметры создаются после культивации и боронования (при условии, конечно, что обработка осуществляется при влажности оптимального крошения). В реальных условиях проводят большие операции, особенно под культуры средних и поздних сроков сева, ибо возникает необходимость выполнить сопутствующие задачи – уничтожить сорняки. При этом, как правило, посевной слой чрезмерно вспушивается и требует послепосевного прикатывания (особенно после мелкосемянных культур). Нижние слои, наоборот, переуплотняются из-за многократного прохода тяжёлой техники по сырой почве. Так как в производстве контроль плотности не ведётся, перечисленные операции осуществляются «на глазок». Необходимость их проведения обычно определяется в зависимости от опыта (интуиции) агронома, а эффективность – очень пестрая, потому что зависит от многих факторов.

Нельзя не отметить явные недостатки в существующем подходе к регулированию плотности сложения весной: неоправданная шаблонность (существо этой технологии мало изменяется в зависимости от зоны, почвы, культуры), небольшая глубина обработки, отсутствие контроля плотности и, самое важное, невозможность что либо изменить после сева культуры.

Поэтому ценные предложения А. М. Малиенко (В. П. Гордієнко, А. М. Малиенко, Н. Х. Грабак, 1998), позволяющие расширить возможности регулирование плотности весной. Основная обработка, согласно этой рекомендации, проводится не осенью, как обычно, и весной (осенью проводится только поверхностное рыхление), а под высеянными семенами после сева. Технология удачно названа двухфазной. В дерново-подзолистых почвах, где она даёт наилучшие результаты, в подсушенном слое весной плотность сложения достигает 1,40-1,50 г/см. Такие значения плотности неблагоприятны для корней. Подсеменное рыхление уменьшает плотность до 1,30-1,25 г/см, что ускоряет их развитие, улучшает водно-воздушный режим и, конечном счёте, существенно (до 18% на примере картофеля) повышает урожай.

6. Определение плотности почвы

Под плотностью почвы понимают отношение массы абсолютно сухой почвы ненарушенного сложения к единицы объема и рассчитывают по формуле:

плотность почвы ,

Где dv – плотность почвы, г/см; Р – масса сухой почвы ненарушенного сложения в определённом объёме; V – объём почвы.

Это одна из важнейших физических характеристик, связывающихся на водном, воздушном, тепловом режимах. Знать плотность скелета или плотность сухой почвы ненарушенного сложения необходимо для решения целого ряда практических задач: вычисления порозности, запасов воды, питательных веществ, гумуса, микроэлементов, норм полива при орошении и др.

Наиболее распространён для определения плотности почвы метод Н. А. Качинского (А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина, 1986).

Прибор Качинского (рис. ) состоит из цилиндров-буров объёмом около 100 смИ около 500 смДля взятия образца; направителя для вертикального погружения цилиндра (малого) в почву; шомпола для вдавливания цилиндра в почву; молотка для забивания цилиндра в случае взятия образца из уплотнённого горизонта; ножа, лопаточки и совка для выемки цилиндра с почвой и удаления излишней почвы, алюминиевых банок с крышками для хранения взятого почвенного образца.

Большим цилиндром – буром берут образцы из рыхлого пахотного горизонта, а малым – из уплотнённых горизонтов. Можно использовать малый бур по всем горизонтам, в таком случае необходимо увеличить контроль в работе.

Одновременно со взятием образца для определения плотности отсюда же берут в сушильный стаканчик почву для определения влажности. Пробу почвы на влажность можно взять на пробу и после взвешивания образца в лаборатории. Для этого содержание банок высыпают на бумагу и быстро берут средний образец 15 – 20 г в сушильный стаканчик.

Зная массу банки с почвой и массу банки пустой, по разности находят массу почвы при данной влажности. Определив влажность в процентах, рассчитывают массу абсолютно сухой почвы. Делением массы абсолютно сухой почвы на её объём (объём цилиндра) получают плотность сухой почвы ненарушенного сложения.

 

Метки: ,