 |
|
|
Почвоведение и география почв |
Глава 11. СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ
|
М.А. Глазовская
Смотрите также:
Биографии биологов, почвоведов
|
Твердая фаза почвы, как было показано ранее, состоит из механических элементов разного размера и состава. При определенных условиях механические элементы склеиваются друг с другом в структурные агрегаты различной формы, величины и водопрочно- сти. От характера структуры зависят физические и многие агрономические свойства почв. Изучению факторов структурообразующей способности почв и условий сохранения агрономически ценной структуры посвящены работы многих почвоведов: П. А. Костычева, В. Р. Вильямса, К- К. Гедройца, А. Ф. Тюлииа, Н. А. Качинского, И. Б. Ревута и ряда других ученых.
Факторы структурообразования
В образовании структуры почв участвует ряд факторов. Главные из них — действие корневых систем травянистых растений, клеящие свойства почвенных коллоидов, деятельность дождевых червей и населяющих почву насекомых. Определенное значение имеют периодическое увлажнение и высыхание, замораживание и оттаивание почв, сопровождающееся изменением объемов почвенной массы.
Роль корней в образовании структуры особенно велика в верхнем гумусовом горизонте почв, который они пронизывают в различных ^направлениях. В пределах верхних 20—30 см вся почвенная масса переплетена корнями. При росте и утолщении корешки сдавливаю.т прилегающие к ним почвенные частицы и плотно прижимают их друг к другу. По петлевании корешков между отдельными группами почвенных частиц остаются ходы, полости, способствующие раскалыванию почвенной массы на отдельные комки и зерна именно по этим наиболее слабым местам.
Роль корней в образовании структуры не ограничивается их механическим действием. Непосредственно вблизи корней сосредоточена обильная ризосферная микрофлора. После отмирания корешков и гумификации их стенки корневых ходов покрываются коллоидными пленками гумуса, обладающего клеящей способностью. Некоторые исследователи (Е. Н. Мишустин, И. И. Канивец, Б. А. Горшков, М. И. Гусев, А. Б. Рубашев) считают, что главная роль в склеивании почвенных агрегатов принадлежит продуктам метаболизма микроорганизмов, особенно грибов и актиномицетов. В горизонтах почвы, обильно пронизанных корнями трав, образуется зернистая или комковато-зернистая структура.
Клеящие свойства почвенных коллоидов, в частности гумино- вой кислоты, обусловлены их способностью давать необратимые или труднообратимые гели при насыщении двух- и трехвалентными катионами. При выпадении из почвенных растворов коллоидные вещества заполняют промежутки между более крупными почвенными частицами, а по высыхании склеивают их между собой. Высыхание гелей сопровождается уменьшением их объема. Это также приводит к расчленению почвы на отдельные агрегаты.
В почвах с высоким содержанием гумуса и значительным участием в его составе гуминовых кислот наблюдается наиболее водопрочная структура. Наибольшее количество водопрочных микроагрегатов отмечается в верхнем гумусовом, горизонте черноземов, в других почвах к югу и северу агрегированность уменьшается (табл.25).
Таблица 25. Водопрочность почвенных макроагрегатов (в % от массы почвы) * основных почв Советского Союза (по И. Б. Ревуту, 1972) Диаметр агрег атов, мм Глубина Пична сбразца, 1-0,5 0,5— см >3 3-1 0,25 <0,25 Сильнородзолистая, суглинистая на 0—10 0,9 2,8 9,1 87,2 моренном суглинке 10,9 12,9 51,1 Дерново-подзолистая суглинистая 0—14 7,8 17,3 Суглинистый обыкновенный черно 0—15 30,3 40,1 3,0 12,2 9,4 зем, залежь Темно-каштановая почва суглини 0—20 2,5 8,0 5,8 13,0 70,7 стая; целина Серозем, типичный на лёссовидном 0-20 — 10,2 7,1 12,1 69,6 Тяжелом суглинке; пятилетняя лю церна
Весьма существенно влияет на прочность структуры состав поглощенных оснований. Если в поглощающем комплексе присутствуют одновалентные катионы (в частности, натрий), коллоиды легко переходят в золь, и структура почвы утрачивается. При насыщенности почвенного поглощающего комплекса двух- и трехвалентными катионами гели необратимы, поэтому образуется хорошая, водопрочная зернистая структура. Хорошими структурообра- зователями являются также гели гидроокислов железа и железо-органических комплексов. Роль этих веществ в образовании структуры изучали А. Ф. Тюлин, И. Н. Антипов-Каратаев с сотрудниками и многие другие ученые. А. Ф. Тюлин показал, что клеящая способность пленок-гелей, оседающих на поверхности более крупных частиц, увеличивается непосредственно вблизи корней, где развивается обильная ризосферная микрофлора.
Значительную роль в структурообразовании играют также населяющие почву животные. Среди них прежде всего следует назвать дождевых червей. Пропуская почву через желудочно-кишечный тракт, дождевые черви уплотняют ее, склеивают слизью, выделяемой стенками кишечника, обогащают углекислым кальцием и выбрасывают ее в виде мелких комочков — капролитов. По данным А. А. Соколова (1956), обитающие в серых лесных почвах и черноземах Северо-Западного Алтая гигантские и пестрые дождевые черви (Allaborphora magnified Svetlov, Eisenia nordens- kioldi Eisen) за теплый период года пропускают через пищеварительный тракт и оструктуривают от 170 до 225 т/га почвенной массы.
Структурообразователями являются также обитающие в почве насекомые. И. В. Стебаев (1958), изучавший животное население первичных почв, образовавшихся на плотных породах в различных типах леса Западного Кавказа, пока'зал, что структурные отдельности, представленные экскрементами кивсяков, ногохвосток, мокриц, долгоножек, составляют 30—44%, а во фракциях 3—1 и 1 — 0,5 мм — даже до 70% мелкозема (табл. 26). Столь же значительна структурообразующая деятельность муравьев и термитов, особенно в почвах полупустынь и пустынь. Важным структурообразующим фактором является попеременное увлажнение и высушивание почв. В результате набухания при увлажнении и уменьшения объема (усадки) при высыхании почвенная масса растрескивается ка крупные агрегаты. Эти процессы проявляются в верхних горизонтах почв (где колебания влажности наибольшие), но особенно ярко они выражены в почвах, содержащих в поглощающем комплексе натрий, — солонцеватых почвах и солонцах. В этих почвах попеременное высушивание и увлажнение и вертикальное растрескивание приводят к формированию призматических, столбчатых или глыбистых отдельностей. Эти типы структуры вошли в название солонцов (солонцы призматические, солонцы столбчатые, глыбистые) . В некоторых почвах, богатых глинистым минералом монтмориллонитом, эффект попеременного увлажнения и высушивания вляется в глубоком растрескивании почв с обособлением крупных полигональных отдельностей. Таковы черные субтропические и тропические монтмориллонитовые почвы слитоземы.
Попеременное увлажнение и высушивание заиленных с поверхности почв аллювиальных равнин и периодически затопляемых депрессий в аридных областях приводит к растрескиванию поверхности почв на мелкие полигональные отдельности диаметром от 3 до 10 см. Наиболее ярко эта особенность проявляется в специфических образованиях пустынь — глинистых такырах.
Вертикальное и горизонтальное растрескивание почв наблюдается при их периодическом промерзании и оттаивании. Увеличение объема воды при замерзании на 9% ведет к разрыву связей между частицами и микроагрегатами, возникновению трещин и расчленению почвы на структурные отдельности. По И. Б. Ревуту (1972), максимум агрегатов при замораживании почв образуется при влажности почвы 25—30% к ее массе. Морозная зима заметно улучшает структуру почвы. Хорошо промерзшая почва после обработки содержала 52,3% агрегатов оптимальных размеров и лишь 12% крупных глыб, а после мягкой зимы и последующей обработки — только 33% агрегатов и 29% глыб.
Образование горизонтальных прослоек льда в верхнем горизонте переувлажненных почв способствует формированию слоеватой, плитчатой или чечевитчатой структуры. Подобная же структура образуется в переувлажненных горизонтах с периодическим промораживанием над горизонтом вечной мерзлоты.
Наряду с механическим воздействием льда на почвенную массу при замораживании почв происходят физико-химические процессы. При замерзании почвы увеличивается концентрация ионов в неза- мерзшей части воды, способствующая коагуляции коллоидов и склеиванию частиц почвенной массы в агрегаты. Процесс этот часто необратим, так как часть ионов раствора остается в поглощенном состоянии и при оттаивании почв. Возникает специфическая крупчатая или гороховатая структура, характерная для почв Крайнего Севера и высокогорий.
При очень слабой минерализации растворов и сильной гидрофильное коллоидов периодически промерзающие и просыхающие почвы приобретают свойство тиксотропности. Тиксотропность — способность коллоидальных растворов (золей) и высокодисперсных суспензий загустевать с течением времени и вновь разжижаться при механическом воздействии. Механическое разрушение тиксотроп- ных структур и их последующее восстановление может повторяться многократно. Тиксотропность характерна для почв тундры. Она существенно затрудняет любые виды строительства.
При изучении почвенной структуры определяют количество водопрочных агрегатов различного размера с помощью макроагре- гатного и микроагрегатного анализов. Макроагрегатный анализ по методу Саввинова позволяет определять содержание различных трупп агрегатов, разделение их производится в колонке сит с диаметром отверстий 0,25, 0,5, 1, 2, 5, 10 мм.
Агрегаты с диаметром <0,5 мм называются микроагрегатами, а определение содержания их в почвах — микроагрегатным анализом, методика которого разработана Н. А. Качинским и весьма сходна с механическим анализом методом пипетки. Разница лишь в том, что почва не подвергается перед анализом механическим или каким-либо химическим воздействиям, поэтому данные микроагрегатного анализа показывают иное содержание фракций различной крупности, чем данные механического анализа. За счет склеивания и образования цемента между крупными частицами содержание тонких фракций и особенно фракций ила в микроагрегатном анализе меньше, чем в механическом. Сравнение содержаний ила, полученных микроагрегатным и механическим анализом из одного и того же образца почвы, позволяет судить о степени аг- регированности или о степени дисперсности почвы. Дисперсность тем больше, чем меньше разница в содержании ила в параллельных анализах. Показателем степени дисперсности почв служит коэффициент дисперсности Качинского (Кд).
Если содержание ила в микроагрегатном анализе равно а, а в механическом б, то КА = (а : б) • 100. В хорошо оструктуренных почвах коэффициент дисперсности составляет 3—5, в средне оструктуренных— 6—10, а в слабо оструктуренных— 11 —15 и более. Агрономически ценная структура, ее сохранение и восстановление. Связь структурного состояния почв с их плодородием изучалась многими учеными. П. А. Костычев при изучении почв черноземных степей обратил внимание на то, что плодородие почв на старопахотных участках, в значительной мере утративших структуру, как правило, ниже, чем на целинных и залежных землях, обладающих хорошо выраженной водопрочной комковато-зернистой структурой. Оставление выпаханных почв в залежах и перелогах под травянистой растительностью возвращает почвам их структурное состояние и плодородие.
Для бесструктурной почвы характерно раздельно-частичное строение, которое обусловливает плотную упаковку частиц, тонкокапиллярную порозность и, как следствие, плохую воздухо- и водопроницаемость. Следствие низкой порозности — малая влагоемкость и незначительные запасы воды в почвах. В то же время по тонким капиллярам вода, имеющаяся в почве, легко подымается к поверхности и испаряется, еще более иссушая почву! Во влажном состоянии в промоченном слое все поры заняты водой, создается недостаток кислорода, отрицательно влияющий на развитие растений. В сухом состоянии бесструктурная почва очень плотна и корни растений с трудом проникают в глубь нее.
Иначе идут процессы в структурной почве. В. Р. Вильяме, объясняя сущность процессов, происходящих в структурных и бесструктурных почвах, отмечал, что структурные почвы хорошо воз- духо- и водопроницаемы. Вода, впитываясь в почву, заполняет капиллярные промежутки внутри почвенных агрегатов, оставляя свободными крупные поры между агрегатами. Поэтому в структурной почве происходят два важнейших биохимических процесса — аэробный на поверхности структурных комков и анаэробный — внутри комков. Структурная отдельность (агрегат) с ее анаэробными условиями внутри является своего рода магазином пищи растений. В это же время на поверхности в аэробных условиях идет освобождение необходимых растениям минеральных элементов питания. Н. А. Качинский подчеркивал, что наиболее благоприятна для плодородия почв комковато-зернистая структура. Допустимый диапазон крупности агрономически ценных структурных агрегатов от 1 до 10 мм, оптимум лежит в пределах 2— 4 мм. Задача заключается в создании водопрочной агрономически ценной структуры, т. е. структуры, с трудом размывающейся водой.
Не всякая водопрочная структура указанных размеров агрономически положительная. Н. А. Качинский (1947) по водопрочно- сти различал два главных типа структуры.
Первый тип, наиболее ценный, — порозность агрегатов превышает 50%, причем часть пор имеет некапиллярные размеры. В более крупных агрегатах содержится воздух. При соприкосновении агрегата с водой она быстро впитывается и удерживается в агрегатах. Благодаря подвижности и мобильности воды растение может легко ее использовать по всему профилю почв.
Второй тип структуры, хотя и водопрочный, обладает отрицательными агрономическими свойствами. Вследствие неводопроницаемости агрегатов и плотной упаковки частиц почвы имеют низкую общую порозность. Для них иногда характерно полное отсутствие так называемых активных пор (в которых может легко передвигаться вода). В почвах с такой структурой влагоемкость невелика. Из-за малой мобильности влаги растение не может использовать ее запасы во всей толще почвы, даже если они имеются.
Далеко не все почвы имеют хорошую структуру для возделывания культурных растений. При недостаточно высокой агротехнике даже хорошая структура разрушается.
Согласно Н. А. Качинскому, основным методом оструктурива- ния почв является комплекс агротехнических приемов, включающий: а) обработку почв в состоянии физической спелости; б) любые способы обогащения почв гумусом, богатым гуминовыми кислотами, особенно гуматами кальция; в) известкование кислых почв и гипсование солонцов или применение заменителей извести и гипса; г) введение травопольных севооборотов при условии хорошего развития и высоких урожаев трав.
На земном шаре возделывается более 1 млрд. га земель. Если принять, что площадь ежегодно обрабатываемых земель составляет половину общей площади, т. е. 500 млн. га, и глубина вспашки 20 см, окажется, что ежегодно плугами переворачивается более 1000 км3 почвы, а это в 7—10 раз превышает годовой твердый сток в океан всех рек мира. Почвообрабатывающие орудия сильно разрушают структуру почвы, если в момент обработки она находится в переувлажненном состоянии. Физическая спелость почвы — это такое состояние влажности почвы, при котором не происходит прилипания почвенных частиц к рабочим частям почвообрабатывающих инструментов и взаимного слипания.
Как показали эксперименты И. П. Колосова по созданию искусственных водопрочных агрегатов при различной влажности лочв, для большинства почв физическая спелость наступает при содержании влаги около 35—45% от массы почвы.
Большое структурообразующее значение имеет обогащение почв гумусом. Оно достигается внесением навоза, торфяных смесей, посевами и запахиванием зеленых удобрений и введением травопольных севооборотов. Последние наиболее эффективны в зонах достаточного увлажнения.
Сущность травопольных севооборотов заключается в том, что через определенные промежутки времени при смене культур в севообороте поля засеваются многолетними травами (преимущественно бобово-злаковой смесью).
Внесение удобрений, известкование кислых почв — обязательные агрохимические мероприятия, сопутствующие правильным севооборотам.
Все описанные способы сохранения и улучшения структуры почв основаны на активизации тех или иных природных процессов. Однако даже такой прием оструктуривания почв, как посевы многолетних трав, не достигает полного эффекта, так как восстановленная структура сохраняется лишь в течение четырех-пяти лет. Поэтому было предпринято изыскание более быстрых и эффективных методов улучшения структурного состояния почв внесением в почвы различных «структоров» — клеящих веществ.
В 30-х годах в Агрофизическом институте в Ленинграде были проведены эксперименты по искусственному оструктуриванию почв внесением битумов, торфяного клея, смоляного клея, вискозы и др. Однако они не вошли в сельскохозяйственное производство вследствие необходимости внесения больших доз и кратковременности эффекта действия. В 50-х годах наметилось новое направление в искусственном оструктуривании почв. Начали применяться высокомолекулярные соединения — крилиумы, вносимые в очень малых дозах. В СССР и во многих странах мира (США, Англии, Бельгии, Италии, ФРГ, ГДР, Венгрии, Румынии) ведутся эксперименты и полевые испытания по применению различных крилиумов. Однако до настоящего времени нет единства мнений в оценке роли искусственЕшх структоров.
Некоторые исследователи отмечают большой положительный эффект, другие говорят о неустойчивом эффекте или даже отрицательном воздействии их на урожай. Неоднозначность результатов, по-видимому, связана с природными особенностями почв, подвергающихся оструктуриванию, которые в опытах не всегда учитываются.
Опыты Н. А. Качинского с сотрудниками по применению ряда препаратов отечественного производства дали положительный эффект. Н. А. Качинским сформулированы необходимые требования к структорам: 1. Структоры, или почвенные клеи, должны способствовать созданию пористой упругопрочной и водопрочной структуры. 2. Структоры не должны быть инертной примесью в почве и ядами для обитаЕОЩих в почве организмов. 3. Они должны быть гидрофильными и умеренно набухать, но после коагуляции и денатурирования не должны растворяться в воде. 4. Структоры должны содержать запас питательных веществ, которые при постепенном распаде цементирующей массы будут усваиваться растениями. 5. Процесс биологического распада клеев должен быть длительным (не менее одной ротации севооборота). 6. Наиболее правильным было бы изыскивать пути приготовления гумусоподобных веществ. 7. Структор должен быть дешевым и настолько активным, чтобы эффект оструктуривания почвы достигался при внесении малого его количества — 0,5—1 т/га.
|
|
|
|
К содержанию книги: МАРИЯ АЛЬФРЕДОВНА ГЛАЗОВСКАЯ - Общее почвоведение и география почв
|
Последние добавления:
Сукачёв: Фитоценология - геоботаника
Сукачёв. БОЛОТОВЕДЕНИЕ И ПАЛЕОБОТАНИКА
Жизнь в почве Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы
Происхождение и эволюция растений