Почвенная структура

Рубрики: Земледелие

Структура почвы

1.  Общие понятия. Агрономическое значение.

Под структурой почвы понимают совокупность отдельностей, или агрегатов, различных по величине, форме, прочности и связности. Структурная отдельность – агрегат — состоит из первичных частиц (механических элементов), или микроагрегатов, соединенных друг с другом в результате коагуляции коллоидов, склеивания, слипания.

Агрегаты, образованные из первичных механических элементов, относят к первому порядку. Силами остаточных валентностей, а также путём склеивания и слипания могут образовываться агрегаты второго, третьего и т. д. порядка.

По мере увеличения размера агрегата связь между отдельными составляющими его ослабевает, а следовательно уменьшается связность и прочность.

Способность почвы распадаться на структурные отдельности, или агрегаты, называется её структурностью.

Различают два вида понятия структурности почвы: морфологические и агрономические. В морфологическом понимании хорошей будет всякая чётко выраженная структура: ореховатая, столбчатая, призмовидная, пластинчатая и т. п. Каждой генетически различной почве, а внутри её отдельным горизонтам присуща своя, характерная структура. Её формирование тесно связано с условиями образования данного почвенного типа (рис)

Агрономически ценной является только такая структура, которая обеспечивает плодородие почвы. Оптимальные условия водного и воздушного режимов с мелкокомковатой и зернистой структурой.

В настоящее время почвенную структуру по размерам агрегатов подразделяют следующим образом: глыбистая (агрегаты > 10 мм); комковато-зернистая, или макроструктура (агрегаты 10-0,25 мм); микроструктура (агрегаты < 0,25 мм).

П. А. Костычевым было предложено классифицировать структуру почвы на водопрочную (агрономически ценную) и не воопрочную.

Позднее, развивая это положение, В. Р. Вильямс предложил различать два свойства почвенных агрегатов: связность и прочность. Под связностью понимается способность агрегата противостоять механической силе воздействия, а под прочностью – способность агрегата длительно противостоять размывающему действию воды.

Связность почвы зависит от количества иловатых и особенно коллоидных частиц. Прочность агрегата зависит от качества перегноя, она обусловлена цементацией механических элементов свежеосаждённым перегноем.

Агрономически ценной считается водопрочная с высокой порозностью структура, создание которой и является задачей агротехнических приёмов и мероприятий, направленных на оструктуривание почвы. Но не всякая водопрочная структура является агрономически ценной. Водопрочность структуры имеет двоякую природу: она может быть обусловлена стойким химическим и физико-химическим закреплением коллоидов (необратимая коагуляция коллоидов). Агрегаты также могут быть водопрочны вследствие их неводопроницаемости, связанной с наличием в основном тонких неактивных пор. Хорошая структура должна быть также механически прочной, неразрушающейся при обработке почвы сельскохозяйственными орудиями.

Структура почвы является одним из важнейших факторов её плодородия. В структурной почве создаются оптимальные условия водного, воздушного и теплового режимов, что в свою очередь, обуславливает развитие микробиологической деятельности, мобилизацию и доступность питательных веществ для растений.

Структурная почва имеет высокую порозность. Благодаря хорошей водопроницаемости она хорошо промачивается водой, выпадающие осадки полностью впитываются. Поэтому отсутствует поверхностный сток, а следовательно, исключены эрозионные процессы. Во влажной структурной почве благодаря наличию капиллярных пор аэрации между ними одновременно совмещаются анаэробные процессы. Внутри агрегатов, когда капиллярные поры заняты водой, протекают анаэробные процессы, сопровождающиеся образованием ульминовых кислот. В это же время в порах аэрации, на поверхности комков, идут процессы в аэробных условиях с образованием гуминовых кислот и минеральных соединений, нужных для питания растений.

В бесструктурной распылённой почве тяжёлого гранулометрического состава складываются неблагоприятные физические условия. Вода и воздух в ней являются антагонистами. Порозность и влагоёмкость представлены малыми величинами. В следствие плохой водопроницаемости бесструктурная почва плохо впитывает воду, сток её по поверхности приводит к эрозии. Плохая водопроницаемость, малая влагоёмкость не обеспечивают достаточных запасов воды. Весной и осенью поры в такой почве бывают заполнены водой, а воздух в них отсутствует. С повышением же температуры благодаря тонкопористому сложению происходит интенсивное испарение воды и просушивание почвы на большую глубину. Растения в этот период страдают от засухи. После дождя или полива поверхность бесструктурной почвы заплывает, резко повышается липкость. При высыхании такая почва сильно уплотняется, на поверхности поля образуется плотная корка, что затрудняет рост и развитие растений. При сильном просушивании образуются глубокие трещины и при этом корни растений могут быть порваны. Требуются повторные рыхления после дождя и полива. Распыленные почвы легко подвергаются ветровой эрозии.

Из краткого изложения вино насколько велико значение структуры в создании плодородия. Отсюда необходимы глубокие значения процессов её образования и разрушения для создания и поддержания благоприятного структурного состояния почвы.

2. История развития научных основ о структуре почвы.

Наличие в почве различных отдельностей было подмечено учёными ещё в VXIII веке. Так, например, М. И. Афонин описывал в 1771 году чернозёмные почвы, отмечал «ореховатый чернозём». Один из видных учёных конца VXIII века И. М. Комов писал в 1788 г., что чернозём «всегда мягким и сочным бывает, от чего, когда его пашут, то глыбы, плугом подрезанные, блестят и, полежав на воздухе, в мелкие комочки рассыпаются».

Значительно позже к этому свойству почвы появился интерес в Германии, где, начиная с 1879 г. ежегодно, на протяжении 20 лет, публикуют результаты своих разнообразных исследований Вольни и его школа. В его лабораторных и лизилитрических опытах было установлено изменение различных физических свойств почвы от размера её комочков и от содержании пыли.

В 1877 г., ещё до появления первых работ Вольни, классик агрономической науки П. А. Костачев обратил внимание исследователей на необходимость уделять больше внимание физическим свойствам почвы. Им было отмечено, что после распашки целины почва быстро распыляется и снижается урожаи. Если такую почву оставляли под перелог, то под многолетней травяной растительностью структура почвы восстанавливалась и урожайность повышалась. Этими исследованиями была доказана большая агротехническая роль структуры почвы.

Позже, в 30-е и 40-е годы в агрономической науке изучению структуры почвы уделялось много внимания. Среди учёных того времени следует называть К. К. Гедройца, А. Н. Соколовского, И. Н. Антипова-Каратаева, П. В. Вершинина, Н. А. Качинского и др. Особенно большое внимание этому вопросу придал В. Р. Вильямс. Структуре почвы отдавалось первостепенное значение в создании плодородия. Структура и плодородие подразумевались как синонимы. Считалось, что только на структурной почве могут быть эффективными другие приёмы, например внесение удобрений. Поэтому вся агротехника была направлена на создание и поддержание структуры почвы. Она стала краеугольным камнем в травопольной системе земледелия. И хотя были данные, что высокие урожаи можно получать не только на структурных почвах, но и на бесструктурных, если в них создать благоприятный водный и воздушный режимы, сторонники структурной теории преобладали. И только в 50-е и 60-е годы прошлого столетия во время критики травопольной системы земледелия интерес к этому вопросу упал. Многие начали поддавать сомнению положительную роль структуры или вообще её отрицать. Ослабили и научные исследования в этом плане. Но это был очередной перегиб. Естественно, не следует и преувеличивать агрономическую роль структуры почвы. Бесструктурные почвы с лёгким гранулометрическим составом (где и не можна создать агрономически ценную структуру) и благоприятными водным и питательным режимами могут быть также плодородными (многие почвы Белоруссии, Прибалтики, Западной Европы).

Отсюда отождествлять структуру и плодородие почвы не следует. Но если учесть то, что структурные почвы не заплывают, дольше сохраняют приданное обработкой строение, не переуплотняются, требуют меньших тяговых усилий во время обработки, стойкие против водной и ветровой эрозии, становится ясно, что между ними существует тесная связь. При всех одинаковых условиях структурные почвы всегда плодороднее бесструктурных. Поэтому структуру почвы необходимо сохранять и улучшать.

Несмотря на длительное ослабление внимания к структуре почвы, ряд учёных продолжали исследования в этом плане. Особенно плодотворно работал академик В. В. Медведев. Структуру почвы он изучал на микроморфологическом уровне в условиях многофакторных модельных опытов с использованием современного математического аппарата для анализа и обобщения результатов исследований. По результатам многолетних исследований В. В. Медведев в 2008 г. издал монографию «Структура почвы (методы, генезис, классификация, эволюция, география, мониторинг, охрана), которая является наиболее капитальной среди когда либо издаваемых по этому вопросу на территории бывшего СССР. В ней он обобщил огромный экспериментальный материал как собственных исследований, так и данных литератур и убедительно доказал, что структура почвы оказывает большое влияние на растение как непосредственно, так и косвенно через улучшение водно-воздушного и теплового режимов почв.

3. Образование структуры почвы

3.1. Образование микроструктуры

Как уже отмечалось, почва является дисперсным телом и состоит из элементарных частичек самых различных размеров. Чем мельче почвенные частички, тем большая у них удельная поверхность и большая свободная энергия. Наиболее активные илистые (< 0,0001 мм) частички которые имеют электрические заряды. Как правило, высокодисперсные частички приходят во взаимодействие, слипаются, образуя при этом комочки разных размеров. Причём образование последних, переход частиц в состояние микроагрегатов ведёт к существенному изменению свойств почвы.

Рассмотрим какие закономерности наблюдаются при образовании микроагрегата. Для двух частиц шаровидной формы с радиусами r1 и r2 сила взаимного притяжения (F) прямо пропорциональна произведению радиуса частиц на поверхностную энергию δ граница раздела между частицами и дисперсионной средой и обратно пропорциональна сумме радиусов. Эта закономерность выражена в уравнении:

закономерность при возникновении микроагрегата

В случае взаимодействия двух шаровидных частиц равных размеров приведённое уравнение приобретает следующий вид:

F= 2 π r δ

Два главных фактора являются ведущими для процессов коагуляции и образования микроагрегатов из первичных механических агрегатов почвы: во-первых, это изменение степени увлажнения почвы, ведущими к её иссушению и, как следствие этого, к принудительному соприкосновению частиц; во-вторых, изменение количественного и качественного состава катионов в почвенном растворе.

Под влиянием процессов почвообразования, в результате жизнедеятельности микроорганизмов и корневых систем высших растений, при внесении значительных количеств органических и минеральных удобрений в почве наблюдается динамика состава катионов на ряду с иссушением почвы обусловливают коагуляцию коллоидных частиц и образование микроагрегатов.

Поверхности глинистых минералов, а при определённых условиях и гумусовых веществ несут электрические (преимущественно отрицательные) заряды, обуславливающие образование на поверхности раздела с электролитом двойного электрического слоя. Толщина диффузной части этого слоя уменьшается с возрастанием валентности обменных катионов и повышением концентрации электролита (табл. 1).

1. Потенциальная толщина двойного слоя в зависимости от концентрации электролита во внешнем растворе и валентности обменных катионов, нм.

(За А. Д. Ворониным, 1986)

Обменные катионы Концентрация электролита, моль-л
10 10 10
Одновалентные 20 6 2
Двухвалентные 10 3 1
Трёхвалентные 6 2 0,6

В тех случаях, когда диффузный слой ионов становится ниже критического, наступает процесс коагуляции и агрегирования высокодисперсных элементарных почвенных частиц (ЭПЧ).

В почвах, насыщенных натрием, развивается мощный диффузный слой и частицы расходятся друг от друга на большие расстояния, в результате чего связь между ними ослабевает и они могут смещаться друг относительно друга под влиянием каких либо механических сил или с током просачивающейся воды. И наоборот, в почвах, насыщенных Са или Аl, частицы будут расходиться на небольшие расстояния или не будут расходиться на небольшие расстояния или почти не будут расходиться и, следовательно, в связном состоянии.

Н. А. Качинский (1965) рассматривал процессы агрегирования ЭПЧ с позиции теории коагуляции в плоть до образования микроагрегатов. По его мнению коагуляция необходимое, но недостаточное условие для агрегирования почв, и её следует рассматривать лишь как предпосылку агрегирования, в которой основную роль играет цементация. К тому же существующие в почвах условия в большинстве случаев не соответствуют тем, при которых происходит коагуляция в суспензиях.

В отличие от суспензий, где соотношение вода-почва значительно больше единицы, в почве оно значительно меньше единицы. Близкие к тем условиям, которые существуют в суспензиях, вероятно, создаются лишь непосредственно у поверхности почвы при орошении или тогда, когда дождевые осадки превышают инфильтрационную способность почвы и на её поверхности создаются излишки воды. Стро говоря, только в этом случае можно рассматривать агрегирование – дезагрегирование почвы на основе представлений о коагуляции и пептизации. Это надо учитывать и по разному подходить к механизму агрегирования – дезагрегирования в поверхностных и глубинных горизонтах почвы. В последнем случае обычно отсутствуют излишки воды.

Данные по влиянию обменных оснований на процессы агрегирования-дезагрегирования в этих условиях ещё недостаточно, но можно предполагать, что эти процессы здесь будут проявляться главным образом через процессы набухание-сжатие, которые также связаны с толщиной диффузной части двойного электрического слоя.

Большой теоретический и практический интерес представляет вопрос, каких размеров могут достигнуть микроагрегаты почвы, т. е. образования, генезис которых связан по преимуществу с процессами коагуляции и слипания мельчайших частиц силами Ван дер Вальса, т. е. физическими силами сравнительно незначительных величин. Как вытекает из самой постановки задачи (наличие броуновского движения молекул среды и свободное столкновение в результате указанного движения коллоидных частиц), рассматриваются размеры частиц, образующихся в неконцентрированных коллоидных системах.

Рассматривая этот вопрос, Н. А. Качинский предложил схему образования микроагрегатов разных порядков (первого, второго, третьего, четвёртого), объясняя возможность таких явлений действием остаточных зарядов, в микроагрегатах более низких порядков.

Образование агрегатов первого порядка, как это известно из теории и практики гранулометрического анализа, чрезвычайно быстро осаждаются, выпадают в осадок. Скорость осаждения в воде частиц размером 0,05 мм в тысячи раз выше, чем частиц из ила (< 0,001 мм), не говоря уже о скорости оседания частиц коллоидных. В самом общем виде следует сказать, что броуновское движение частиц, вызванное тепловым движением молекул, относится лишь к частицам коллоидных размеров и не относится и более крупным образованиям.

В литературе имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что частицы > 0,001-0,05 мм не могут в суспензии заметно увеличиваться в размерах вследствие быстрого их оседания. По данным Е. И. Кочериной, в слабых солевых растворах ясной способностью к коагуляции обладают частицы < 0,001 мм. И значительно слабее эта способность выражена в частицах 0,005-0,001 мм. Это явление изучали и пришли примерно к такому же выводу Аттерберг, Д. Вигнер и Р. Туорилли ещё в 1926 г. Они доказали, что агрегаты крупнее 0,05 мм в процессе коагуляции не образуются потому, что выпадают из раствора значительно быстро.

П. В. Вершинин, пользуясь уже приведенной формулой ( ), рассчитал силы слипания на 1 смПоверхности почвы и получил зависимость этих сил от дисперсности частиц. Сравнил эти данные с весом частиц он пришёл к выводу, что устойчивое слипание возможно лишь между частицами диаметром меньше 0,1 мм. Более крупные частицы и агрегаты слипаться при коагуляции не могут, так как их собственный вес превышает силы слипания. Следовательно, микроагрегаты, образующиеся в процессе коагуляции, не могут превышать 0,05-0,1 мм в диаметре (И. Б. Ревут, 1972).

Следует, однако учитывать, что путь к возникновению микроагрегатов лежит не только через укрупнение высокодисперсных частиц, но и через разрушение более крупных образований – микроагрегатов.

3.2. Физические условия в микроструктурных почвах

Переход первичных механических элементов высокой дисперсности в микроагрегаты сопровождается весьма существенными изменениями в почве, в направлении улучшения почвенных условий жизни растений и микроорганизмов. Так, в почве, сложенных первичными частицами коллоидных размеров, имеют место лишь одинаковые поры весьма малых размеров (меньше, чем у частиц, слагающих почву). Поскольку речь идёт о частицах коллоидных размеров, поры будут иметь диаметр размером 10Мм. Расчёты показывают, что вода в таких микропорах почти полностью связана поверхностными силами частиц, практически неподвижна и недоступна для корней высших растений.

Частицы почвы, насыщенные натрием, удерживают количество воды, вдесятеро превышающее вес самих частиц. При высоком обводнении они образуют студнеобразную или илообразную массу. При высыхании такой почвы резко уменьшается объём. Вследствие неравномерных объёмных изменений в почве образуются большие трещины. Часто солонцовая почва распадается на комки и глыбки большой плотности и твёрдости.

Мельчайшие поры между частицами при заполнении водой, сопровождающимся набуханием почвы, почти полностью прекращают фильтрацию. На таких почвах дождевые и талые воды плохо задерживаются; проникновение их в глубокие слои почвы возможно только по трещинам. Водный режим таких почв ни в какой степени не соответствует требованиям высших растений. Вкрай неблагоприятный в них воздушный режим. На таких почвах урожаи очень низкие.

Иные условия наблюдаются в почвах, состоящих из микроагрегатов. Здесь легко установить наличие двух типов пор. Если внутри микроагрегата поры между мельчайшими частицами бывают, как мы видели, величиной Мм, то между микроагрегатами они заметно крупнее 5Мм. Вода в таких порах обладает большой подвижностью, а в наиболее крупных из них она доступна для растений. Таким образом, в микроагрегатных почвах создаются более благоприятные условия для жизни растений и для жизнедеятельности микроорганизмов, чем в почве, состоящей из первичных частиц коллоидных размеров.

Важную роль играет микроструктура в устойчивости почвы к ветровой и водной эрозии. По данным Н. А. Соколова, многократно подтверждёнными другими авторами, разрушающее действие ветра на почву тесно связано с размерами частиц, из которых почва состоит. Частицы, приближающиеся к размерам 0,25 мм, приходят в движение лишь при силе ветра у поверхности почвы 6-7 м/сек. Столь же заметную защитную роль укрупнённые микроагрегаты играют и при водной эрозии почв.

Тем не менее, микроагрегатные почвы вовсе не идеальны по своим свойствам. Для получения высоких урожаев необходимы значительные энергетические и трудовые затраты. Микроагрегатные почвы способны к самоуплотнению, сильно они уплотняются под влиянием обильных осадков, поливов и т. д.

Особенно неблагоприятные условия возникают в подобных почвах при образовании уплотнённой корки на их поверхности. Она затрудняет появление всходов вследствие предельно высокой твёрдости поверхностного слоя, что нередко приводит к пересевам культур, запаздыванию в развитии растений и снижению урожайности.

Почвенная корка ухудшает условия жизни растений и после появления всходов: снижается водопроницаемость и повышается скорость испарения влаги из почвы. Резко ухудшает воздухо — и газообмен между почвенным и атмосферным воздухом.

Таким образом, в микроструктурных почвах условия более благоприятные по сравнению с плотностью диспергированными почвами. Но и они всё же нуждаются в мелиорации с целью придания им физических свойств, благоприятной для биологической деятельности культурных растений и микроорганизмов.

4. Макроструктура почвы

С характером макроструктуры связываются физические условия в почве, а следовательно, в какой-то степени и условия жизни высших растений и микрофлоры. Проблеме почвенной макроструктуры посвящены многочисленные исследования. Самыми главными являются вопросы теории и практики создания, разрушения и последующего восстановления почвенной структуры.

Метки: