Изменение структуры почв это

Структура почв

Структура почвы— это отдельности или агрегаты, на которые способна распадаться почва. Эти агрегаты состоят из связанных между собой механических элементов или мелких агрегатов.

По Н.А. Качинскому структурой почвы называется совокупность агрегатов различной величины, формы, пористости, механической прочности и водопрочности, характерных для каждой почвы и ее отдельных горизонтов.

В зависимости от размеров выделяют три группы структурных отдельностей:

В классификации структурных отдельностей С.А. Захарова выделены типы структуры по форме агрегатов, роды по характеру ребер и граней и виды структуры по размеру агрегатов. В агрономическом отношении наиболее ценной является водоустойчивая зернистая, ореховатая и зернисто-комковатая структура, обеспечивающая благоприятное сочетание водно-воздушного и питательного режима почвы. Такая структура характерна для гумусово-аккумулятивных горизонтов высокоплодородных почв: черноземов, каштановых почв, аллювиальных почв и т.д.

Типичная ореховатая структура наблюдается в серых и бурых лесных почвах. Для иллювиальных горизонтов солонцов и солонцеватых почв характерна призмовидная и столбчатая структура. В элювиальных горизонтах дерново-подзолистых, серых лесных, осолоделых почв формируется плитовидный тип структуры. Под сильным влиянием живых организмов, особенно дождевых червей и насекомых, почвенные горизонты приобретают биогенную структуру с четко различающимися копролитами, камерами, заполненными мелкоземом, обладающую специфической пористостью и рассыпчатостью. В природе наблюдаются смешанные формы структуры. При описании применяются такие характеристики, как ореховато-зернистая, пылевато-комковатая, призмовидно-комковатая, ореховато-зернисто-порошистая, листовато-столбчатая и т.д. Преобладающий тип структуры ставится на последнее место.

Источник

Структура почвы, общие физические и механические свойства почв

1. Структура почвы

Совокупность агрегатов различной величины, формы, порозности, механической прочности и водопрочности называют почвенной структурой.

Способность почвы распадаться при обработке на комочки, или агрегаты, различной величины и формы называется структурностью.

Форма, размер и качественный состав структурных агрегатов в разных почвах, а также в одной почве, но в разных ее генетических горизонтах неодинаковы. По форме различают три основных типа структуры:

кубовидная – структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям;
призмовидная – отдельности развиты по вертикальной оси;
плитовидная – отдельности развиты по двум горизонтальным осям.

В свою очередь кубовидная структура делится на:

глыбистую – отдельности неправильной формы и имеют неровную поверхность;
комковатую – агрегаты неправильной округлой формы, грани не выражены;
ореховатую – агрегаты более или менее правильной формы, грани хорошо выражены, поверхность ровная, ребра острые;
зернистую – агрегаты более или менее правильной формы, иногда округлой, с выраженными гранями.

Призмовидная структура делится на:

столбовидную – отдельности слабо оформлены, с неровными гранями и округлыми ребрами;
столбчатую – агрегаты правильной формы с довольно хорошо выраженными гладкими боковыми и вертикальными гранями, с округлым верхним основанием и плоским нижним;
призматическую – грани хорошо выражены, с ровной глянцевой поверхностью и острыми ребрами.

Плитовидная структура делится на:

плитчатую – агрегаты с более или менее развитыми горизонтальными плоскостями спайности;
чешуйчатую – отдельности по форме напоминают чешую рыбы;
листоватую;
пластинчатую.

В зависимости от размера структурные агрегаты подразделяют на следующие группы:

макроагрегаты – >10 мм;
мезоагрегаты – 10–0,25 мм;
микроагрегаты – 45 %).

Устойчивость структуры к механическому воздействию и способность не разрушаться при увлажнении (водопрочность) определяют сохранение почвой благоприятного сложения при многократных обработках и увлажнении. При отсутствии этих качеств структурные агрегаты быстро разрушаются, и почва становится бесструктурной. Во влажном состоянии такие почвы заплывают, при подсыхании образуют корку.

Необходимо знать, что не всякая водопрочная структура является агрономически ценной. Важно, чтобы водопрочные агрегаты имели рыхлую упаковку, были пористые и обладали способностью легко воспринимать воду, чтобы в их поры легко проникали корневые волоски и микроорганизмы. При плотной упаковке агрегатов пористость их низкая (30–40 %), поры тонкие, в них с трудом проникают микроорганизмы и корневые волоски. Такая структура в агрономическом отношении не является ценной.

Оптимальные размеры структурных агрегатов связаны с зональными особенностями почв и условиями земледелия. Во влажных зонах более крупные агрегаты обеспечивают лучшую водо- и воздухопроницаемость, в засушливых районах благоприятен более мелкий размер агрегатов.

Для оценки структурного состояния почвы пользуются градацией, приведенной в таблице 1.

Наилучшие агрономические свойства почв степной зоны складываются при размере агрегатов 0,25–3 мм, дерново-подзолистых – 0,5–5 мм. При оценке противодефляционной устойчивости почв учитывают содержание агрегатов более 1 мм в слое 0–5 см. Важнейшее условие агрономической ценности структуры – ее водопрочность и пористость.

Содержание водопрочных агрегатов в пахотном слое черноземов колеблется преимущественно в пределах 50–70 %, что определяет устойчивость сложения и оптимальные значения плотности почвы для многих культур. Уменьшение содержания водопрочных агрегатов в типичных черноземах ниже 40% отрицательно сказывается на ряде физических свойств и в первую очередь на водопроницаемости. При снижении количества водопрочных агрегатов с 45–55 до 30 % водопроницаемость снижается в 3 раза.

Таблица 1 – Оценка структурного состояния почвы

Содержание агрегатов 0,25–10 мм (% от массы воздушно-сухой почвы)		Оценка структурного состояния
сухое просеивание	мокрое просеивание	Оценка структурного состояния
> 80	> 70	Отличное
80–60	70–55	Хорошее
60–40	55–40	Удовлетворительное
40–20	40–20	Неудовлетворительное
3 . Оптимальное для требовательных культур и устойчивое сложение дерново-подзолистых почв достигается при содержании водопрочных агрегатов (> 0,25 мм) более 40 %. Для оценки верхнего предела оптимального содержания водопрочных агрегатов нет достаточного количества данных. Ориентировочно им можно считать уровень 75 %. При более высоком содержании водопрочных агрегатов значительно возрастает порозность аэрации, в результате увеличивается непроизводительный расход влаги на физическое испарение. Наряду с макроструктурой большое значение для оценки свойств почвы имеет ее микроструктура. Она также должна быть водопрочной и пористой. При этом наилучшими являются микроагрегаты размером от 0,25 до 0,01 мм. Неблагоприятными свойствами обладают микроагрегаты размером от 0,01 до 0,005 мм. Они затрудняют водо- и воздухопроницаемость почвы. Агрономическое значение структуры имеет несколько аспектов. В структурных почвах складывается наиболее благоприятный водно-воздушный режим благодаря рациональному сочетанию капиллярной и некапиллярной пористости. Они отличаются большей водопроницаемостью и влагоемкостью. Наличие некапиллярных пор способствует уменьшению испарения влаги с поверхности. В структурной почве уменьшается интенсивность капиллярного поднятия растворов солей и соответственно опасность вторичного засоления по сравнению с бесструктурной почвой. Достаточная аэрация при наличии доступной влаги создает лучшие условия для активизации микробиологических процессов, предотвращения денитрификации, мобилизации питательных веществ. Благодаря сокращению поверхностного стока на структурных почвах уменьшаются смыв и размыв, а структурные агрегаты размером более 1 мм устойчиво противостоят дефляции. Агрономически ценная структура облегчает прорастание семян и распространение корней растений. На структурных почвах уменьшаются энергетические затраты на механическую обработку, создаются возможности ее минимизации вплоть до отказа от основной обработки. Процессы структурообразования в почвах протекают под влиянием физико-механических, физико-химических, химических и биологических факторов. К числу физико-механических факторов относится разделение почвы на агрегаты в результате изменения объема и давления при переменном высушивании и увлажнении, замерзании и оттаивании воды в ней, давления корней растений, деятельности роющих животных и рыхлящего воздействия почвообрабатывающих орудий. Разрыхляющее воздействие промораживания на почву проявляется только при оптимально влажном ее состоянии. При замерзании переувлажненной почвы, наоборот, происходит разрыв структурных отдельностей, а промерзание сухой почвы не влияет на ее крошение. Физико-химические факторы структурообразования – коагуляция и цементирующее воздействие почвенных коллоидов. При этом водопрочность обеспечивается только склеиванием частиц органическими коллоидами при их коагуляции двух- и трехвалентными катионами. Агрегаты, образующиеся при участии только минеральных коллоидов, водопрочностью не обладают. Наиболее водопрочная структура образуется при взаимодействии гуминовых кислот с минералами монтмориллонитовой группы и гидрослюдами. Минералы гидроксидов железа и алюминия играют важную роль в оструктуривании красноцветных глин и красноземов. В числе химических факторов оструктуривания важную роль играет цементация агрегатов оксидными формами железа при смене восстановительных условий окислительными в периодически переувлажняемых почвах. Такие агрегаты, по данным Н.А. Качинского, при высокой водопрочности имеют малую пористость ( 3 )
Глинистые и суглинистые	1,0–1,3
Легкосуглинистые	1,10–1,40
Супесчаные	1,20–1,45
Песчаные	1,25–1,60

Плотность почвы связана с содержанием в ней пор различного размера, или порозностью.

Плотность почвы после обработки в течение вегетационного периода изменяется до равновесной. Чем лучше структурное состояние, тем меньше величина дрейфа. При близких значениях оптимальной и равновесной плотности расширяются возможности минимизации обработки почвы, вплоть до отказа от нее (таблица 3).

Таблица 3 – Оптимальная и равновесная плотность средне- и тяжелосуглинистых почв и ее изменение (дрейф) в течение вегетационного периода, г/см 3 (по А.Ф. Бондареву и В.В. Медведеву)

Почва	Плотность	почвы		Дрейф
	оптимальная для зерновых		равновесная
Дерново-подзолистая	1,33		1,50	0,17
Чернозем оподзоленный	1,22		1,25	0,03
Чернозем типичный	1,20		1,24	0,04
Чернозем обыкновенный	1,20		1,27	0,07
Чернозем южный	1,20		1,28	0,08
Темно-каштановая	1,23		1,32	0,09
Каштановая	1,25		1,35	0,10

Пористость почвы. Это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца. Рассчитывается по данным плотности почвы и твердой фазы почвы.

Н.А. Качинский предложил выделять следующие диапазоны пористости почвы (в долях единицы):

отличная (культурный пахотный слой) 0,65–0,55
удовлетворительная для пахотного слоя 0,55–0,50
неудовлетворительная для пахотного слоя 2. Деградация физических свойств почв

Физическая деградация почв, особенно суглинистого и глинистого гранулометрического состава, является следствием дегумификации, осолонцевания, переувлажнения, уплотняющего и разрушающего воздействия сельскохозяйственной техники (таблица 5).

Таблица 4 – Оценка плотности и пористости суглинистых и глинистых почв в вегетационный период по Н.А. Качинскому

Плотность г/см 3	Общая почвы, %	Оценка плотности	Оценка пористости
70	Почва вспушена или богата органическим веществом	Избыточно пористая — почва вспушена
1,0–1,1	65–55	Типичные величины для культурной или свежевспаханной почвы	Отличная – культурный пахотный слой
1,1–1,2	55–50	Пашня слабо уплотнена	Хорошая, характерная для окультуренных почв
1,2–1,3	50–45	Пашня уплотнена	Удовлетворительная, характерная для освоенных почв
1,3–1,4	45–40	Пашня сильно уплотнена	Неудовлетворительная
1,4–1,6	40–35	Типичные величины для подпахотных горизонтов (кроме черноземов)	Чрезмерно низкая – характерна для уплотненных подпахотных и иллювиальных горизонтов
1,6–1,8	40–35	Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

К основным показателям деградации физического состояния почв относятся:

ухудшение структурного состояния почв тяжелого гранулометрического состава, характеризуемое повышением содержания глыбистой фракции (агрегаты крупнее 10 мм при сухом просеивании) и снижением содержания агрономически ценных агрегатов (10– 0,25 мм);
снижение пористости почвенных агрегатов размером 5–7 мм;
увеличение равновесной плотности пахотного слоя;
снижение водопроницаемости.

Эти показатели используют для оценки степени деградации пахотного слоя основных почв. При слабой степени деградации дерново-подзолистых и серых лесных почв урожайность зерновых культур снижается на 5–10 %, при средней – на 10–30 %. при сильной – на 30–40 %. При слабой степени деградации черноземов обыкновенных и южных урожайность зерновых культур снижается на 10–25 %, при средней – на 25–50 %, при сильной – на 50 % и более.

Таблица 5 – Оценка степени деградации пахотного слоя почв по физическим свойствам (Бондарев, Кузнецова, 1988)

Физические свойства

Фактические

значения

Почвы*

Недеградированные

почвы

Степень деградации

слабая

средняя

сильная

Содержание
глыбистой фракции, %

10–65

1,2

3,4

Содержание
агрегатов
1,0-0,25 мм, %

30–85

>60

50–60

40–50

70–80

60–70

50–60

38–40

36–38

40–42

38–10

1,10–1,55

1,50

>1,35

0,4

0,4–0,2

0,2–0,1

0,5

0,5–0,4

0,4–0,3

1–0,7

0,7–0,5

3 . Колеблется же она у минеральных почв от 1,0 до 1,8 г/см 3 , а у почв с невысоким содержанием гумуса от 1,3 до 1,6 г/см 3 . Под воздействием ходовых систем сельскохозяйственной техники плотность суглинистых почв, оптимальное значение которой составляет 1,0–1,2 г/см 3 , повышается на 0,1–0,3 г/см 3 и более, достигая 1,35–1,7 г/см 3 , а плотность нижних горизонтов почв с плотным сложением–1,6–1,8 г/см 3 . Плотность пахотного слоя варьирует в широких пределах – от 0,8 до 1,6 г/см 3 . Плотность торфянистых почв колеблется от 0,04–0,08 г/см 3 (целинные верховые болотные почвы) до 0,2–0,3 г/см 3 (старопахотные низинные болотные почвы).

По данным И.С. Рабочева, допустимые нагрузки на почву при летних и осенних работах не должны превышать 0,4–0,6 кг/см 2 . Фактическое же давление колесных тракторов 0,85–1,65 кг/см 2 , гусеничных – 0,6–0,8, прицепов – 3,0–4,0, зерноуборочных комбайнов – 1,8– 2,4 кг/см 2 .

Серьезным последствием уплотнения почвы является увеличение ее удельного сопротивления. Удельное сопротивление почвы – наиболее важная механическая характеристика, которая в значительной степени зависит от переуплотнения почвы различными движителями и ходовыми системами. Оно соответствует усилию, затрачиваемому на подрезание пласта, его оборот и трение почвы о рабочую поверхность орудия.

Из-за увеличения сопротивления почвы существенно возрастает перерасход топлива. При переуплотнении ухудшается крошение почвы. Пашня становится глыбистой, что приводит к неравномерной заделке семян, снижению их полевой всхожести, а в итоге – к значительному недобору урожая. Высокая плотность почвы обусловливает резкое ухудшение ее физико-химических и агрофизических свойств.

Уплотненные почвы оказывают большое сопротивление проникновению в них корневых систем растений, в таких почвах ухудшается водно-воздушный и питательный режимы, развиваются эрозионные процессы.

Корни древесных и кустарниковых растений не проникают в почву, плотность которой превышает 1,6 г/см 3 . Корни озимой пшеницы с трудом проникают в почву при плотности слитого чернозема 1,42 г/см 3 , а при плотности 1,5 г/см 3 вовсе не проникают.

Повышение плотности почвы на 0,1 г/см 3 приводит к недобору 6–8 % урожая. Общие потери урожая, обусловленные уплотнением почвы, например, на черноземных почвах достигают 45 % в год.

Только из-за переуплотнения урожайность зерновых снижается на 20 %, картофеля – на 40–50 %, кроме того, теряется до 40 % NPK.

Превышение оптимальной плотности пахотного слоя почвы только на 0,1 г/см 3 приводит к снижению урожайности зерновых на 0,2–1,0 т/га, а картофеля – на 1,5–2,5 т/га.

Уплотнение почвы представляет несомненную угрозу для биологических систем из-за влияния на подвижность токсикантов. В опытах, проведенных на лесных дерново-подзолистых почвах, установлено изменение содержания подвижных форм токсичных металлов (ТМ) в зависимости от уплотнения почвы. Так, при увеличении плотности почвы с 1,0–1,1 до 1,4–1,6 г/см 3 подвижность свинца возрастала в 2,5 раза.

Основные меры по предотвращению переуплотнения почвы и борьбы с ним следующие:

минимализация обработки почвы, совмещение операций, уменьшение глубины рыхления, увеличение ширины захвата агрегатов;
выполнение всех работ по возделыванию сельскохозяйственных культур в состоянии физической спелости почвы, при влажности ее 20–22 %;
ограничение применения на полевых работах колесных тракторов типа К-700, преимущественное использование гусеничных тракторов, особенно на тяжелых почвах;
исключение проходов сельскохозяйственных агрегатов по полю без надобности;
осуществление заправки агрегатов семенами, удобрениями, пестицидами, топливно-смазочными материалами только у края поля, на дорогах;
применение технологической колеи с целью упорядочения движения агрегатов по полю;
рыхление и заравнивание следов от колес тракторов и сельскохозяйственных машин;
применение уширителей колеи тракторов; соблюдение рекомендуемого удельного давления ходовых систем на почву: 0,8–1,0 кг/см 2 при основной обработке, 0,4–0,6 кг/см 2 при посеве и междурядных обработках;
разрушение плужной подошвы, подпахотное рыхление на глубину 30–40 см;
применение чизелей, не формирующих плужную подошву; повышение общей культуры земледелия; внесение органических удобрений; мульчирование поверхности почвы.

Таковы общие, эффективные во всех регионах страны меры по предотвращению переуплотнения почвы и борьбы с ним. Наряду с этим существуют специальные приемы: соблюдение режимов полива, исключение переувлажнения и пересыхания почвы в условиях орошаемого земледелия, посев промежуточных культур в условиях с продолжительным послеуборочным периодом и др.

Несомненно, что ключевая проблема использования сельскохозяйственной техники – это сохранение не только плодородия, но и самих почвенных ресурсов. По мнению академика ВАСХНИЛ В.А. Кубышева, в обозримой перспективе в развитии почвосберегающей техники выделяются три направления: минимизация обработки почвы; снижение давления на почву и облегчение машин; создание распределительных систем.

В более отдаленной перспективе будут разработаны специальные почвообрабатывающие инструменты, удовлетворяющие требованиям, определяемым жизнью почвы.

3. Физико-механические свойства почв

К физико-механическим свойствам относятся деформационные (сжимаемость), реологические (пластичность, липкость, усадка, набухание) и прочностные (связность, твёрдость, сопротивление при обработке).

Сжимаемость – уменьшение объёма почв (уплотнение) под действием внешнего давления. Характеризуется коэффициентом уплотнения и измеряется в см 2 /кг. Сжимаемость почв определяется их гранулометрическим и минералогическим составом, характером порозности и трещиноватости, структурой и её прочностью, влажностью и гидрофильностью коллоидной фракции. Сжимаемость характеризует возможность переуплотнения почв при обработках тяжелой техникой.

Частным случаем проявления сжимаемости почв и грунтов является просадочность. Просадкой называется понижение поверхности почв в результате уменьшения их порозности. Просадочность может создавать пестроту микрорельефа, особенно на орошаемых землях.

Пластичность – способность почвы изменять свою форму (деформироваться) под влиянием внешних воздействий с сохранением при этом сплошности. Пластичность обусловлена содержанием ила и коллоидов, их составом и влажностью почвы.

верхний предел пластичности (нижний предел текучести) – влажность, при которой стандартный конус погружается в почву на глубину 10 см под действием своей массы;
нижний предел пластичности (предел раскатывания) – влажность, при которой образец почвы можно раскатать в сплошной шнур диаметром 3 мм.

Число пластичности – это разность между показателями верхнего и нижнего пределов пластичности. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые – 7–17; супеси – менее 7; пески пластичностью не обладают.

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки площадью в 1 см 2 , и выражается в г/см 2 .

Липкость почв обусловлена гранулометрическим составом, содержанием гумуса и составом обменных катионов. Она наибольшая у глинистых и наименьшая у песчаных почв. Различают (по Н.А. Качинскому) предельно вязкие (более 15 г/см 2 ); сильновязкие (5–15); средневязкие (2–5) и слабовязкие (менее 2 г/см 2 ). Проявляется липкость при определённой степени влажности, достигает максимума и вновь уменьшается при переувлажнении почв.

Усадка – уменьшение объёма почвы при её высыхании. Она выражается в процентах к первоначальному объёму почвы. Усадка зависит от минералогического состава илистой фракции, гранулометрического состава, степени гидрофильности коллоидов.

Набухание – увеличение объёма почвы при увлажнении. Измеряется в процентах к исходному объёму почвы. Подобно усадке набухание зависит от минералогического и гранулометрического состава и состава поглощённых катионов. В наибольшей степени набухают глинистые почвы монтмориллонитового состава, насыщенные натрием, в наименьшей – каолиновые глины.

Связность – способность почв противостоять внешнему усилию, направленному к разъединению частиц путём раздавливания или сдвига, выражается в г/см 3 . Связность зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, состава поглощённых катионов, влажности, структуры почвы.

Твёрдость ночвы – сопротивление, которое она оказывает проникновению в неё какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и др.) под давлением. Измеряется в кг/см 2 . Зависит от влажности, гранулометрического состава, структуры, содержания гумуса и изменяется в очень широких пределах – от 5 до 45 кг/см 2 .

Удельное сопротивление почвы – усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Выражается в кг/см 2 поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. Зависит от гранулометрического состава (лёгкие и тяжёлые почвы), физико-химических свойств, содержания гумуса, структуры почвы и влажности, состояния корневых систем растений

Удельное сопротивление в различных почвах колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см 2 . Оно учитывается при конструировании плугов и других почвообрабатывающих орудий, составлении норм выработки.

С физическими свойствами, особенно с липкостью, связано очень важное агрономическое свойство почвы – физическая спелость — состояние влажности, при которой почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Обычно физическая спелость наступает при содержании влаги 35–45 % от массы почвы.

Оптимизация физических и физико-химических свойств почвы достигается при проведении целого ряда почвоулучшающих мероприятий: известкования, гипсования, осушения, орошения, внесения мелиоративных доз торфа, рыхлящих почву материалов (соломы, компостов), пескования тяжелых почв, глинования легких почв, травосеяния и др.

Источник

➤