Физические и физико-механические свойства почвы
ВВЕДЕНИЕ
Технология производства продукции растениеводства – важнейшая дисциплина, дающая будущим специалистам знания о научных основах земледелия; почвах; сорных растениях и мерах борьбы с ними; севооборотах; обработке почвы; удобрениях; агротехнических мероприятиях по защите почв от эрозии; системам земледелия; семенах и посеве сельскохозяйственных культур; технологиях выращивания полевых культур.
Предметом изучения дисциплины являются практические вопросы земледелия и растениеводства. Изучение их проводится с целью формирования у студентов знаний по рациональному использованию земли, методам повышения ее плодородия, технологии возделывания важнейших сельскохозяйственных культур.
Главная задача курса – ознакомить студентов с достижениями с/х науки и практики в сельском хозяйстве, привести достоверные данные о роли и месте сельского хозяйства в России и за рубежом. Изучить факторы влияющие на урожайность сельскохозяйственных культур и способы их регулирования.
В ЭУМК рассмотрены учения о почве как о главном средстве сельскохозяйственного производства; приемы и системы обработки почвы, удобрения, их свойства и применение; сорные растения сельскохозяйственных культур и методы борьбы с ними; особенности биологии и агротехники основных сельскохозяйственных культур. Комплекс предназначен для студентов инженерных специальностей сельскохозяйственных вузов.
МОДУЛЬ 1. ОСНОВЫ ПОЧВОВЕДЕНИЯ
Агрофизические свойства почвы: водный, воздушный, тепловой и питательные режимы
Почва и почвенное плодородие
Почва – основное незаменимое средство сельскохозяйственного производства. Почва снабжает растения водой и питательными элементами, регулирует рост и развитие растений, объем и качество урожая. Почва при правильном использовании не изнашивается, не ухудшает свои свойства, а прогрессивно улучшается. В этом ее отличие от других средств производства. Почва – основное и вечное богатство любого народа и является неиссякаемым источником его жизнедеятельности, обеспечивая человека продуктами питания и материалом для производственной деятельности. Почва образуется из выходящих на дневную поверхность горных пород под совместным и взаимосвязанным воздействием воздуха, воды и различного рода организмов, живых и мертвых. Живые организмы разрушают горные породы, извлекают из них питательные вещества и после отмирания обогащают верхние горизонты перегноем и элементами питания, которыми пользуются последующие поколения организмов. Так происходит накопление элементов питания и развивается одно из основных свойств почвы – плодородие. Почвообразовательный процесс захватывает собой лишь самые верхние слои земной коры, куда проникают воздух, тепло, влага, корни растений, микроорганизмы. В одних случаях этим процессом захвачена большая толща горных пород, в других – меньшая. Отсюда и мощность почв в различных зонах разная. Таким образом, воздействуя на условия развития почв можно изменять и улучшать их свойства.
Почва (по В.В. Докучаеву)– это дневные или наружные горизонты горных пород, естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых. Почвой называется рыхлый поверхностный слой земной коры, который видоизменяется и продолжает непрерывно видоизменяться под воздействием биологических и атмосферных факторов и который обладает существенным качеством – плодородием. Основной показатель плодородия – способность почв удовлетворять растения достаточным количеством пищи и воды. Необходимо различать естественное и искусственное плодородие. Искусственное плодородие создается человеком в результате воздействия на почву (обработка, удобрения, мелиорация и т.д.). Она возникает с момента введения целинного участка в сельскохозяйственное использование. Здесь велика роль технического и технологического вооружения. Эффективное плодородие – реальное выражение искусственного и естественного плодородия.
Таким образом, почва – это не только особое природное тело, и не только основное средство сельскохозяйственного производства, но это и продукт труда. А плодородие не есть что-то статическое, но динамическое, и при рациональном использовании плодородие будет возрастать.
Почвы несут на себе и незаменимые экологические функции: растения формируют состав атмосферы, очищают воздух, это фильтр для очистки воды и воздуха, фиксируют вместе с микробами «N» воздуха и др.
Характеризуя процесс почвообразования и факторы, его обусловливающие, П. А. Костычев (1949) на первое место выдвигал физические свойства почвы, особенно плотность ее сложения. И. Б. Ревут (1975) считал, что с плотностью сложения связан весь комплекс физических и биофизических процессов в почве.
Физические и физико-механические свойства почвы
Плотность сложения почвы. При оставлении на поверхности почвы стерни и пожнивных остатков не образуется почвенной корки, благодаря чему улучшатся водопроницаемость и воздухообмен; накапливается больше влаги, и почва разуплотняется; увеличивается содержание органического вещества в верхнем слое почвы, что повышает ее структурность; при рыхлении без оборота пласта постепенно исчезает плужная подошва.
По величине и форме воздушных пор и полостей различают следующие типы сложения почв:
А. Полости, расположенные внутри структурных отдельностей:
а) тонкопористые — диаметр пор, пронизывающих почву, до 1 мм; характерны для лёссов и образовавшихся из них почв;
б) пористые — диаметр пор 1-3 мм, характерны для лёссовидных пород и соответствующих почв, сероземов, дерново-подзолистых почв;
в) губчатые — почва пронизана порами диаметром 3-5 мм, характерны для некоторых подзолистых горизонтов;
г) ноздреватые или дырчатые — диаметр пор 5-10 мм, характерны для сероземов и обусловлены работой землероющих животных;
д) ячеистые — иаметр пустот 10 мм, характерны для субтропических и тропических почв;
е) трубчатые — пронизаны каналами, прорытыми крупными землероями.
Б. Полости расположены между структурными отдельностями:
а) тонкотрещиноватые — воздушные полости, обычно вертикального направления, менее 3 мм;
б) трещиноватые — размер трещин 3-10 мм, характерны для горизонтов с призматической и столбчатой структурой;
в) щелеватые - вертикальные полости размером более 10 мм, свойственны столбчатым горизонтам некоторых солонцеватых почв.
Воздушные полости почвенных горизонтов хорошо видны в сухое время года. Во влажном состоянии вследствие разбухания почвенной массы размер пор уменьшается.
Удельный вес почвы – отношение веса твердой фазы (почвенных частиц) к весу того же объема воды при 4°С. Наибольший удельный вес имеет минеральная почва, например песчаная с высоким содержанием кварца (удельный вес 2,65); удельный вес перегноя и торфа 1,6. Поэтому почвы с большим количеством гумуса отличаются меньшим удельным весом (так, у мощного чернозема он 2,37).
Объемный вес почвы – вес единицы объема (1 см3) сухой почвы в ее естественном состоянии. Объемный вес пахотного слоя грубозернистой песчаной почвы 1,8; подзолистой суглинистой 1,2; типичного чернозема 1,0 (удельный и объемный вес почвы в перегнойном горизонте меньше, чем в нижележащих горизонтах).
Исходя из объемного веса, вычисляют вес пахотного слоя на 1 га. Для подзолистых суглинков он будет 2,5 – 3 тыс т (при глубине 20 см).
Величина плотности определяется удельным весом почвенных частиц и зависит от зональных особенностей почв. Плотность пахотного слоя дерново-подзолистых почв 1,2 – 1,4 г на 1 см3, черноземов около 1 г, подпахотных горизонтов до 2 г на 1 см3.
Почва состоит из твердой фазы (почвенных комочков) и промежутков между ними, или пор. Общий объем пор в процентах по отношению ко всему объему почвы называется пористостью, или скважностью почвы. Поры могут быть заняты водой или воздухом. Агрономически наиболее благоприятно, когда поры почвы, занятые водой и воздухом, имеют отношение 1:1. Такое соотношение отражает благоприятный водный и воздушный режим в почве, способствует биологической активности.
Пористость различают капиллярную (объем промежутков капиллярного сечения), некапиллярную (промежутки более широкие, чем капилляры) и общую.
Физико-механические свойства почвы – связность, пластичность, липкость, набухание и усадка – имеют значение при механической обработке, так как от них зависит удельное сопротивление почвы орудиям обработки.
Связность - способность почвы противостоять механическому воздействию. Она зависит от силы сцепления частиц. Наибольшей связностью обладают почвы тяжелые, уплотненные, пересохшие.
Пластичность – способность почвы во влажном состоянии изменять форму и сохранять ее. Наиболее высокая пластичность присуща глинистым почвам, менее пластичны супесчаные и песчаные почвы.
Липкость – способность почвы прилипать к различным поверхностям. При этом увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почв. Почвы по липкости делятся на: предельно вязкие (больше 15 г/см), сильно вязкие (5-15 г/см), средние по вязкости (2-5 г/см), слабо вязкие (меньше 2 г/см). С липкостью связано такое свойство, как физическая спелость, когда у почвы при обработке исчезает свойство прилипать к сельскохозяйственным машинам. Биологическая спелость – состояние, при котором активно проявляются биологические процессы (жизнедеятельность микроорганизмов и т.д.).
Набухание – способность почвы изменять объем вследствие увлажнения и замерзания. К набуханию способны почвы с большим содержанием органического вещества, насыщенные натрием, а также тяжелые (глинистые) почвы, богатые коллоидами. При изменении объема в почве могут образовываться трещины, а также происходить разрывы корней, выпирание узла кущения и другие, неблагоприятные для растений явления.
Усадка почвы – процесс, обратный набуханию, проявляющийся при высыхании, свойственен бесструктурным почвам.
Для агрономической характеристики состояния почвы понимают ее пригодность для механической обработки. Она зависит от состояния влажности, связности, пластичности, липкости.
Спелая почва легко обрабатывается орудиями, не прилипает к ним, не мажется, не образует глыб, а крошится при обработке на мелкие комки.
В результате систематического уплотнения почвы пяткой плуга при вспашке на одну и ту же глубину, образуется в верхней части подпахотного слоя плотная прослойка почвы, или плужная подошва. Для предупреждения ее возникновения следует пахать поле на разную глубину и в разных направлениях.
Водный режим почв
Вода — важнейший фактор жизни па Земле. Она входит в состав всех живых организмов, участвуя практически во всех процессах, связанных с развитием растений. Вода играет огромную роль в формировании и развитии почвенного покрова. В почвообразовании, особенно в формировании почвенного плодородия, вода относится к наиболее существенным биофизическим реагентам, значимость которых сопоставима, по определению Г. Н. Высоцкого, лишь с кровью живого организма. Источником воды на поверхности суши чаще всего являются атмосферные жидкие (дожди, ливни) и твердые (снег, изморозь, иней) осадки, а также грунтовые воды, залегающие в корнеобитаемой зоне при близко расположенном уровне грунтовых вод. Часть влаги поступает в форме сконденсированной парообразной влаги. Количество поступающей в почву воды зависит от климата, рельефа, типа и вида растительности, гидрогеологических условий. Количество воды, поступающей на поверхность суши, измеряется в мм водного слоя: 1 мм осадков на 1 га соответствует 10 т воды.
Водоудерживающая способность почвы обусловлена ее пористостью, раздельночастичностью и дисперсностью, величина которой колеблется от 1—2 (в песках) до 200—300 м2 (в глинах) для поверхности почвы массой 1 г. Такая огромная поверхность почвенных частиц обусловливает большую поверхностную энергию сил притяжения, пропорциональных площади поверхности. В результате парообразная и жидкая вода, поступая через поры в почву, удерживается под влиянием этих сил, образуя специфические формы влаги.
Формы влаги в почве
Попав на поверхность почв и рыхлых горных пород, обладающих водопроницаемостью и водоудерживающей способностью, вода соприкасается с минеральными и органическими частицами и, взаимодействуя с ними, образует различные формы влаги, отличающиеся силами взаимодействия и доступностью для растений. В настоящее время выделяют несколько форм влаги в зависимости от ее физического и химического состояния и сил, которыми она удерживается.
А. Химически связанная влага. Вода, входящая в форме ионов в состав вторичных глинистых минералов или образующая гидроокиси металлов, называется конституционной. Она может быть удалена при нагревании до 150—300°С. Если влага входит в структуру минерала — кристаллическую решетку, то она носит название кристаллизационной, так как влага захватывается минералами при их кристаллизации. Эта влага может быть удалена при нагревании до 105—108°С. Химически связанная влага удерживается ионными и молекулярными силами и не может быть использована растениями.
Б. Парообразная форма влаги. Парообразная влага находится в почвенном воздухе, заключенном между почвенными частицами. Обычно почвенный воздух полностью насыщен водяными парами. В парообразной форме влага передвигается из теплых слоев почвы в холодные, где происходит ее конденсация — сгущение. Образование конденсата парообразной влаги также происходит при остывании поверхности почвы, например, ночью в песчаных почвах. Днем сконденсировавшаяся влага снова переходит в парообразное состояние. Тот же процесс конденсации и последующего замерзания воды происходит зимой. В летний период парообразная влага может передвигаться в глубокие горизонты почв. После конденсации часть ее становится доступной для растений. Однако большого значения в жизни растений эта форма влаги не имеет.
В. Гигроскопическая влага. Гигроскопичность — способность мелкораздробленных частиц поглощать молекулы влаги из воздуха. Благодаря этому твердая частица покрывается тонкой пленочкой влаги. Гигроскопическая влага обладает особыми свойствами. Ее плотность около 1,7, она не замерзает и не растворяет солей. Количество поглощенной влаги зависит от природы вещества, температуры и количества водяного пара, находящегося в почвенном воздухе. Максимальное количество влаги, которое может поглотить из воздуха мелкораздробленное вещество, определяется в эксикаторе над 10%-ным раствором серной кислоты, который поддерживает 94%-ную влажность воздуха. Определенная таким образом величина влаги называется максимальной гигроскопичностью. Гигроскопическая влага растениям недоступна.
Г. Пленочная влага. Эта форма влаги является одной из самых распространенных в природе форм воды. При поступлении влаги в почву или грунт первые ее порции идут на увеличение толщины пленки воды вокруг частицы и удерживаются большими молекулярными силами, поэтому они недоступны для растений. Общее количество недоступной влаги равно примерно 1,5 максимальной гигроскопичности почв. При этой влажности растения обнаруживают признаки завядания. Новые порции влаги, поступающей в почву, идут на дальнейшее построение водной пленки и удерживаются меньшими молекулярными силами. Эта часть влаги способна передвигаться от более толстых к более тонким пленкам. Передвижение происходит медленно, и хотя влага доступна растениям, ее запас в почве невелик. После насыщения почв или грунта пленочной влагой новые порции воды уже не могут удерживаться молекулярными силами и образуют капиллярную форму влаги, которая поступает в капиллярные промежутки.
Д. Капиллярная влага. Между частицами, слагающими рыхлые горные породы и почвы, имеется очень большое количество промежутков. Поры почвы, величиной от 0,1 до 0,003 мм, образуют густую разветвленную систему капилляров. Чем меньше размер частиц, тем тоньше капилляры в почве. Капилляры способны поднимать и удерживать влагу. Чем тоньше капилляры, тем медленнее и выше поднимается в них влага. Если капилляры заполнить влагой сверху, то избыток ее стечет, а оставшаяся часть будет удерживаться в них. По форме различают капиллярно-подпертую влагу, если вода поднимается вверх от уровня грунтовых вод, и капиллярно-подвешенную, если влага висит в верхнем слое почвы, что наблюдается после выпадения и просачивания осадков. В песчаных отложениях капилляры очень крупные и вода полностью не заполняет промежутки между частицами, образуется лишь так называемая стыковая вода, заполняющая узкие промежутки стыков между песчаными частицами. В структурных суглинистых почвах капиллярная вода находится внутри комочков и на их стыках. В глинистых, иловых почвах капилляры очень тонкие (менее 0,003), вода через них не проходит, так как стенки капилляров заняты гигроскопической влагой. Капиллярная влага подвижна и является основной формой, доступной для растений.
Водные свойства почвы
Влагоемкость — количество воды, характеризующее водоудерживающую способность. Она выражается в процентах массы почвы, а при учете объемной плотности — в мм для определенного слоя почвы. Влагоемкость, как правило, увеличивается при увеличении количества глинистых частиц в почве. Наибольшей влагоемкостью обладают органогенные горизонты — лесные подстилки и торф, удерживающие влагу в 5—20 раз больше своей массы. Различают максимальную молекулярную, наименьшую, капиллярную и полную влагоемкость почвы.
1. Максимальная молекулярная, или максимальная адсорбционная, влагоемкость равна максимальной гигроскопичности почвы. Она зависит от механического состава почв. Чем больше илистых частиц содержит почва, тем выше максимальная гигроскопичность. У песков она колеблется в пределах 0,5—1,5%, у тяжелых суглинков достигает 8—10%.С этой формой влагоемкости связана величина влажности устойчивого завядания растений (ВУЗ). Обычно ниже этой влажности вода в почве становится недоступной и растения гибнут. У песчаных почв ВУЗ колеблется в пределах 1—3%, у тяжелосуглинистых почв она около 20%.
2. Наименьшая, или полевая,влагоемкость соответствует капиллярно-подвешенной влаге, образующейся после стекания избытка влаги в глубь почвы при достаточно глубоком залегании грунтовых вод. Величина наименьшей влагоемкости зависит от механического, минералогического, химического состава почвы и ее объемной плотности. В песчаных почвах наименьшая влагоемкость равна 3—5%, в суглинистых и глинистых 18—23%, а в хорошо оструктуренных суглинистых почвах даже 35—38%. Испарение капиллярно-подвешенной влаги может идти до определенного предела, пока почва не достигнет влажности разрыва капиллярных связей (ВРК). Обычно ВРК в хорошо оструктуренных почвах равна 90%, в плохо оструктуренных или микроагрегативных — 60—70% наименьшей влагоемкости. В песчаных почвах влага в жидком виде не передвигается к поверхности почвы. При влажности почвы между ВРК и наименьшей влагоемкостью растения не испытывают недостатка во влаге.
3. Капиллярная влагоемкость — количество влаги, удерживаемое почвой в пределах капиллярной каймы. Количество удерживаемой влаги зависит от мощности почвенного профиля и высоты над уровнем «свободного зеркала воды». В предельных случаях она равна полной пористости почвы, т. е. колеблется от 26 до 40—45%. Капиллярная влагоемкость меньше в крупнозернистых песках и оструктуренных почвах.
4. Полная влагоемкость наблюдается при заполнении влагой всех пор почвы и равна общей пористости почвы.
Продуктивная влага — количество воды, доступное для растений.
Водоподъемная способность — свойство почвы вызывать капиллярный подъем влаги от грунтовых вод, образуя капиллярную кайму. Если капиллярная кайма выходит на поверхность почв, то наблюдаются либо процессы заболачивания (на севере), либо засоления почв (на юге). Водоподъемная способность зависит от механического состава. В песках капиллярная кайма имеет высоту до 0,7—0,8 м, в супесях до 1,0—1,5 м, в средних и тяжелых суглинках до 3—5 м.
Водопроницаемость — способность почвы пропускать воду; измеряется количеством мм водного слоя в 1 мин (мм/мин). Зависит от механического состава, объемной плотности, водопрочности структуры и влажности и поэтому меняется во времени. Различают две стадии процесса — впитывание и фильтрацию (просачивание). Впитывание происходит до тех пор, пока поры почвы не заполнятся водой, а фильтрация — после заполнения их и образования сплошного потока жидкости. По Н.А. Качинскому, если при столбе воды 50 мм и t+10°С почва пропускает за 1 час более 1000 мм, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 — излишне высокой, от 500 до 100— наилучшей, от 100 до 70 хорошей, от 70 до 30 удовлетворительной и менее 30 мм — неудовлетворительной. Провальная фильтрация характерна для лесных подстилок и рыхлых песков; лучшая — для средних и легких, хорошо оструктуренных суглинков; удовлетворительная — для иллювиальных горизонтов, дерново-подзолистых почв и неудовлетворительная для плотных почвенных горизонтов. Водопроницаемость играет большую роль, как в жизни почв, так и в сохранении почвенного плодородия. Высокая водопроницаемость лесных подстилок обеспечивает впитывание влаги в почву после ливней, таяния снега. Наоборот, низкая фильтрация уплотненных горизонтов способствует образованию поверхностного стока воды, эрозионных процессов, формированию внутрипочвенной верховодки, заболачиванию и непродуктивному испарению влаги в атмосферу.
Испаряющая способность почвы зависит от ее механического состава, степени оструктуренности, покрытия поверхности почвы мертвым и живым покровом, а также от рельефа, климата и степени увлажнения участка. Максимальное испарение наблюдается на оголенных бесструктурных, насыщенных до капиллярной влагоемкости участках почв, минимальное — с поверхности крупнозернистых песков и участков, покрытых лесной подстилкой или мульчей.
Водный баланс почв
Водный баланс — это совокупность всех видов поступления влаги в почву и ее расходование из определенного слоя за конкретный промежуток времени. Водный баланс почв рассчитывают по результатам измерения приходных и расходных статей, выраженных в мм водного слоя. При самом простом расчете, особенно для длительных многолетних периодов в районах с установившимся климатом, предполагается, что приход воды в почву равен ее расходу из почвы. Однако в природе, особенно для кратковременных периодов, такое положение сохраняется редко, так как из года в год колеблется как количество влаги, поступающей в почву, так и ее расход. Например, в жаркое сухое лето количество влаги, поступающей в почву, уменьшается, а испарение с поверхности почвы, транспирация и десукция (отсасывание воды корнями из почвы) увеличиваются. Недостающая влага берется растениями из почвенных запасов. И, наоборот, во влажные годы расход может быть меньше прихода, и тогда запасы влаги в почве пополняются. Этот же процесс повторяется и по временам года. Весной происходит накопление воды, которая постепенно расходуется в летний период. Наиболее крупными статьями прихода влаги на какой-либо участок можно считать атмосферные осадки, достигшие поверхности почвы ОС, приток влаги из грунтовых вод ВГ, поступление воды с навеваемым снегом С, боковой приток воды по поверхности почвы БВ, приток внутрипочвенной влаги (почвенной верховодки) ВП. Наиболее крупными статьями расхода влаги являются: испарение влаги из почвы ИП, испарение влаги осадков, задержанных кронами деревьев ИК, испарение с травяного покрова ИТ, испарение с лесных подстилок ЛИ, отсасывание воды корнями на транспирацию растений (десукция) Д, сток поверхностный СТ, сток внутрипочвенный СТВ, отток влаги в грунтовые воды ОТ. При наблюдениях учитывается запас влаги в начале наблюдений ЗВН и запас влаги в почве в конце наблюдений (ЗВК). Для плоских участков или средних частей ровных склонов с глубоким залеганием грунтовых вод приток и отток воды одинаков. Учитывая, что физическое испарение с поверхности растений, лесной подстилки и поверхности почвы равно суммарному испарению (ЯФ). Формула водного баланса может меняться в зависимости от климатических условий, местоположения участка, типа растительности и других условий. Она используется для количественного выражения использования влаги под различными типами растительности, изучения их влияния на водный режим почв, выявления водорегулирующей роли тех или иных культур и насаждений, определения их потребности во влаге. Сопоставляя данные прихода и расхода влаги, можно сделать вывод: если в почву поступает влаги больше, чем ее расходуется, значит, избыточная влага пополняет запасы грунтовой воды, и наоборот.