Морфологическая классификация структур почв (по С.А. Захарову)

С агрономической точки зрения, согласно Н.А. Качинскому, почвенная структура представляет собой совокупность агрегатов различной величины, формы, порозности, механической прочности, водопрочности и качественного состава. Механические элементы, взаимоудерживающиеся в силу коагуляции коллоидов, склеивания, слипания их в результате сил Ван-дер-Ваальса, остаточных валентностей и водородных связей, адсорбционных и капиллярных явлений в жидкой фазе, а также с помощью корневых тяжей и гифов грибов рассматриваются как агрегаты или структурные отдельности. По И.С. Кауричеву, почва считается структурной, если в ее составе доля комковато-зернистых агрегатов размером от 10 до 0,25 мм составляет более 55 %.

Агрономическое значение структуры.Агрономически наиболее ценными считаются микроагрегаты размером 0,25-10 мм, обладающие высокой пористостью (более 45 %), механической прочностью и водопрочностью. Структура почвы может быть хорошо или слабо выраженной в зависимости от механического состава, возраста и интенсивности почвообразования. В песчаных и супесчаных почвах механические элементы обычно находятся в раздельно-частичном состоянии; суглинистые и глинистые почвы могут быть структурными и бесструктурными.

В структурных почвах благоприятно сочетаются капиллярная (внутри комка) и некапиллярная (между и внутри агрегатов) пористость (рис.13). Воздух содержится между агрегатами и в порах аэрации внутри комка. Наличие некапиллярных пор предохраняет почву от испарения влаги с по­верхности. Хороший воздухооб­мен способствует развитию окис­лительных и микробиологических процессов, благоприятному пита­тельному режиму. Рыхлое сложе­ние почвы облегчает прорастание семян и распространение корней растений. Кроме того, энергети­ческие затраты на механическую обработку такой почвы сущест­венно ниже.

В бесструктурных почвах механические элементы лежат плотно, поэтому в них основную роль играют капиллярные поры. Вода поглощается медленно, значительная часть ее может теряться вследствие поверхностного стока и испарения. При избыточном увлажнении все промежутки заполнены водой, воздух отсутствует, развиваются анаэробные процессы и неблагоприятный питательный режим, ухудшается развитие корней растений. Повышается удельное сопротивление при обработке.

Структура почв оказывает существенное влияние на физико-механические свойства (пористость, плотность, связность, удельное сопротивление при обработке) и режимы (водный, воздушный, тепловой, окислительно-восстановительный, микробиологический и питательный) и противоэрозионную устойчивость почв.

Образование структуры почвы.При формировании макроструктуры почвы под совокупным воздействием физико-механических, физико-химических, химических и биологических факторов происходит механическое разделение ее на агрегаты (комки) и образование прочных, не размываемых водой отдельностей.

Физико-механические (и физические) факторы обусловливают процесс крошения почвенной массы под влиянием давления или механического воздействия (переменное высушивание и увлажнение, замерзание и оттаивание воды в почве, нагревание и охлаждение, набухание и усыхание, давление корней растений, деятельность роющих животных и человека).

Промораживание способствует разрыхлению почвы, образованию агрегатов, но не создает водопрочности. Разрыхляющее воздействие промораживания на почву проявляется только при оптимально влажном состоянии (не более 90 % полной влагоемкости). При замерзании воды в переувлажненной почве структурные отдельности разрываются, и такая почва при оттаивании приобретает текучую консистенцию и обесструктуривается.

Благоприятно сказывается на структурообразовании обработка почвы в состоянии ее физической спелости. При обработке почвы в пересохшем состоянии она сильно распыляется, а при обработке в переувлажненном состоянии образуется глыбистая поверхность.

Физико-химические факторы (коагуляция и цементирующее воздействие почвенных коллоидов) способствуют скреплению механических элементов и микроагрегатов почвы коллоидными веществами, повышая водопрочность агрегатов. Необратимо коагулирующими элементами в почве являются двух- и трехвалентные катионы Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, которые могут образовывать прочные не размываемые водой структурные отдельности. При наличии одновалентных катионов (например, Na⁺) необратимой коагуляции не происходит и прочной структуры не образуется. Наиболее прочно скрепляющими веществами являются органические коллоиды, в частности гуматы кальция, которые в присутствии минералов глин (групп монтмориллонита и гидрослюды) и минералов гидрооксидов железа и алюминия образуют водопрочную структуру. Чем больше почва содержит глинистых частиц, тем прочнее ее структурные отдельности. Однако почвенные агрегаты, образующиеся при участии только минеральных коллоидов (без гумусовых веществ) не обладают водопрочностью. Образование водопрочных микроагрегатов может быть связано с различными причинами: в почвах степного и аридного почвообразования – с наличием гуматов кальция, карбонатностью почв; в более гумидных почвах – с присутствием полуторных оксидов.

Химические факторы способствуют образованию труднорастворимых химических соединений (углекислого кальция, гидроокиси железа, силикатов магния и др.), которые при пропитывании агрегатов почвы цементируют их, а также могут агрегировать и раздельно частичные механические элементы. Так, при временном избыточном увлажнении, когда в почве протекают восстановительные процессы, образуются водорастворимые формы закисного железа, пропитывающие почвенные агрегаты. Последующее подсыхание почвы вызывает развитие окислительных процессов, при которых подвижные формы закисного железа переходят в нерастворимые соединения окисного железа, цементируя и оструктуривая почвенные агрегаты. Однако при высокой водопрочности такие почвы имеют малую пористость (менее 40 %), так как часть объема пор постепенно заполняется гидратом оксида железа.

Биологические факторы – растительность и почвенные организмы играют основную роль в структурообразовании почв. Наиболее сильное оструктуривающее влияние оказывают многолетняя травянистая растительность, деятельность дождевых червей и микроорганизмов.

Многолетняя травянистая растительность обладает сильно разветвленной корневой системой, которая при разложении образует большое количество связанного с кальцием гумуса и при благоприятных условиях формирует хорошо оструктуренные почвы (луговые, лугово-черноземные, черноземы и др.).

Частички почвы, проходя через кишечный тракт дождевых червей, уплотняются и обогащаются биогенным кальцитом, приобретая высокую водопрочность. Коллоидные продукты жизнедеятельности и автолиза микроорганизмов являются цементирующими веществами в почве и способствуют структурообразованию.

С воздействием биологических факторов связана определенная сезонная возобновляемость структуры в почвах.

Структура почвы динамична, она разрушается и восстанавливается. Управление структурообразующими факторами позволяет поддерживать почву в состоянии, способствующем ее плодородию.

Плодородие почвы

От бесплодной горной породы почву отличает и выделяет в самостоятельное природное тело ее плодородие, т.е. способность обеспечивать нормальный рост и развитие естественных и культурных растений. Плодородие – это природное свойство всякой почвы в той или иной степени обеспечивать растения в течение их роста и развития пищей, водой, воздухом и другими условиями.

Плодородие бывает естественным (природным) и искусственным. Плодородие естественноескладывается в процессе формирования почв под влиянием факторов почвообразования и оценивается продуктивностью естественной растительности. Естественное плодородие встречается лишь у целинных почв и у почв, освобожденных из-под леса.

Плодородие обрабатываемых почв измеряется урожаем сельскохозяйственных растений и в значительной мере определяется уровнем сельскохозяйственного производства:

· умением нейтрализовать вредные химические свойства данной почвы и создать оптимальный водный и воздушный режим;

· возможностью использовать минеральные, органические и бактериальные удобрения;

· степенью механизации сельскохозяйственного производства.

Окультуренная почва обладает естественным плодородием, которое обусловливается природными свойствами почвы, и в большей мере искусственным, поддерживаемым специальными мероприятиями.

Совместное проявление естественного и искусственного плодородия определяет эффективное (экономическое) плодородие. В составе экономического плодородия различают его эффективную (возможности естественного и искусственного плодородия, которые реализуются в урожае данного года) и потенциальную (то, что остается для последующих урожаев) части. Приемы окультуривания почв направлены, с одной стороны, на повышение урожаев, а с другой, – на улучшение агрономических свойств самих почв. Поэтому в условиях интенсивного земледелия важнейшая задача рационального использования почвы – повышение урожайности не только в данном году (эффективное плодородие), но и сохранение плодородия почвы на будущее (потенциальное плодородие).

В обыденной жизни под плодородием обычно понимают почву, благоприятную для определенных культурных растений. В природе неплодородных почв нет, так как плодородие является неотъемлемым свойством почвы. Любая почва плодородна по отношению к тем растениям, которые на ней хорошо развиваются. Например, сероземы весьма плодородны для хлопчатника, но неплодородны для картофеля; дерново-подзолистые почвы плодородны для картофеля и неблагоприятны для пшеницы и т.д.

Нормальное развитие растений возможно в условиях обеспеченности их элементами питания и водой в доступной форме, необходимым для жизнедеятельности количеством кислорода, благоприятной структурой почвенной массы и при отсутствии вредных соединений.

В качестве основных элементов питания растения поглощают из почвы азот, фосфор, калий, магний, железо, серу. При этом для растений имеет значение не все количество химических элементов, содержащихся в почве, но лишь те их формы, которые становятся доступными в результате микробиологической деятельности и растворения их водой.

Для обеспечения нормального развития культурных растений и, следовательно, получения достаточных урожаев следует некоторые элементы питания в усваиваемой форме вносить в почву дополнительно в виде органических, минеральных и бактериальных удобрений. Эта необходимость связана еще и с тем, что ежегодно с урожаем из почвы удаляется часть химических элементов, необходимых для нормального развития растений. Применяя удобрения, человек активно влияет на биологический круговорот веществ, направляя и корректируя его в своих целях. Опыт показал, что в районах с достаточно активным атмосферным увлажнением применение химических удобрений в сочетании с другими приемами позволяет увеличивать продуктивность почв в несколько раз.

С развитием науки и технологии земледелия искусственное плодородие будет прогрессивно повышаться. Таким образом, эффективное плодородие обусловлено развитием человеческого общества, развитием его производительных сил и производственных отношений. По этой причине плодородие почв и продуктивность земледелия возрастали на протяжении исторического времени.

Эрозия почв

Под эрозией (от латинского слова erosio – разъедание) понимают многообразные процессы разрушения и сноса почв и рыхлых пород потоками воды и ветром. Разрушение почв и пород водами, дождевыми, талыми и поливными, называют водной эрозией, а ветром – ветровой эрозией, или дефляцией.

Водная эрозия. Различают нормальную (естественную) и ускоренную водные эрозии. Нормальная эрозия – это медленный и в минимальных размерах смыв механических частичек с поверхности почвы, покрытой естественной растительностью, не исключающий восстановления почвы в результате природного процесса. Ускоренная эрозия – значительный смыв верхних, наиболее плодородных, почвенных слоев и глубокий размыв почв, материнских и коренных пород с образованием промоин и оврагов.

По интенсивности развития ускоренную эрозию подразделяют на плоскостную (поверхностную) и линейную (овражную). При плоскостной водной эрозии под влиянием стекающих по склону талых и дождевых вод на поверхности пашни образуются мелкие струйчатые размывы, которые легко разравниваются обработкой. Однако мощность пахотного слоя при этом уменьшается, и для ее восстановления последующими обработками припахивают нижележащие, менее плодородные слои почв. Линейная водная эрозия развивается под действием мощных концентрированных стоков воды. Сначала образуются глубокие размывы (до 20-35 см), потом промоины глубиной до 1 м и более. При дальнейшем размыве образуется овраг. Склоны (стенки) оврага со временем осыпаются, становятся более пологими, зарастают травой, древесной и кустарниковой растительностью; овраги перестают расти и превращаются в балки. Глубина оврагов и балок регулируется базисом эрозии. Базисом эрозии, по С.С. Соболеву, называется горизонтальная поверхность, на уровне которой стекающие водные потоки, ручейки, реки теряют свою размывающую силу и ниже которой потоки не могут уже размывать породы. Для рек, впадающих в море, главным базисом эрозии служит отметка поверхности воды в море, а для оврагов и балок, впадающих в реки, местным базисом эрозии является отметка поверхности воды в реке. Дно балки может снова подвергнуться размыву при понижении базиса эрозии.

По оценкам научных учреждений, почвы сельскохозяйственных угодий России ежегодно теряют около 1,5 млрд т плодородного слоя вследствие проявления эрозии. Годовой прирост площади эродированных почв составляет 0,4-1,5 млн га, оврагов – 80-100 тыс.га. Более 54 % сельскохозяйственных угодий и 68 % пашни в настоящее время эродировано или эрозионно опасно. Оврагами разрушено 6,6 млн га земель. На таких землях урожайность снижается на 10-30 %, а порой и на 90 %. Причиной снижения биопродуктивности сельскохозяйственных почв является уменьшение запасов гумуса. Ежегодные его потери составляют в среднем 0,62 т/га. Если сейчас на каждого жителя планеты приходится в среднем по 0,28 га плодородной земли, то к 2030 г. площадь сократится до 0,19 га.

Ветровая эрозия (дефляция).Этот процесс называется по-разному: пыльные, земляные, черные, песчаные бури, выдувание и т.д. В отличие от водной эрозии, совершающейся в строго определенном направлении с учетом рельефа, ветровая эрозия охватывает сразу большие пространства, проявляется во всех сезонах года, в различных направлениях. Перенос продуктов разрушения происходит не только сверху вниз, но и снизу вверх. Ветер выдувает слой почвы на 16-25 см, поднимает ее на высоту 1-3 км и переносит на огромные расстояния (300-1500 км и более). Перенесенный материал оседает толстым слоем на землю и поля, иногда наносы достигают высоты 2-3 м. Гибнут посевы и сады. Дефляции легче подвергаются песчаные и супесчаные, бесструктурные суглинистые и глинистые почвы при иссушении их верхнего слоя, разрыхленного вспашкой или находившегося под усиленным выпасом скота.

В трудном положении оказываются районы, в которых происходит одновременное проявление водной и ветровой эрозии. В нашей стране к таким относятся лесостепные и частично степные районы Центральной черноземной области, Поволжья, Зауралья, Западной и Восточной Сибири с интенсивным сельскохозяйственным использованием. Водная и ветровая эрозии развиваются в зоне недостаточного увлажнения с чередованием влажных и засухоустойчивых лет (либо сезонов) по таким схемам: смыв – осушение почвы – выдувание; выдувание – переувлажнение почвы – смыв.

Отмечается, что эрозия проявляется на участках со сложным рельефом неодинаково: на склонах северных экспозиций преобладает водная эрозия, на южных с ветроударным эффектом – ветровая. Одновременное развитие водной и ветровой эрозии может вызывать особенно большие нарушения почвенного покрова.

В результате эрозии в почвах уменьшается содержание азота и усваиваемых растениями форм фосфора и калия, ряда микроэлементов (йода, меди, цинка, кобальта, марганца, никеля, молибдена), от которых зависит не только урожай, но и качество сельскохозяйственной продукции. Эрозия способствует проявлению почвенной засухи. Это объясняется не только тем, что значительная часть осадков стекает со склонов, но и тем, что на эродированных почвах с плохими физическими свойствами увеличивается потеря влаги.

Развитие эрозии связано с природными и социально-экономическими условиями (хозяйственная деятельность человека). Главной причиной является неправильное использование земельной территории человеком.

Природные факторы развития эрозии.Назовем, прежде всего, климат, условия рельефа, геологическое строение местности, почвенные условия и растительный покров.

Особенно опасны ливневые (интенсивностью 0,5-1 мм/мин и более) и затяжные дожди, выпадающие в периоды слабого развития растительности или ее отсутствия на пахотных землях. Смыв почвы возможен при уклонах рельефа 1,5-2°, а при уклонах 3° и более эрозия становится заметнее и тем интенсивнее, чем круче склон. Дефляции способствует засушливый и континентальный климат, она наиболее опасна на равнинных территориях, а также в обширных межгорных и межсопочных долинах. Весьма эрозионно опасны территории, сложенные небольшой толщей рыхлых отложений и подстилаемые с глубины 30-50 см плотными породами. Почвы, легко впитывающие влагу (структурные, легкие по механическому составу, рыхлые), лучше противостоят водной эрозии.

Растительный покров играет исключительную почвозащитную роль при ветровой и водной эрозии.

К свойствам почв, снижающим развитие водной эрозии, относятся следующие:

· оструктуренность и водопрочность структуры, повышенная мощность гумусового слоя, высокая катионная емкость поглощения и степень насыщенности почв катионами оснований, в первую очередь кальцием;

· достаточная водопроницаемость, невысокие плотность и пористость, постоянное наличие в верхнем слое влаги, превышающей максимальную молекулярную влагоемкость.

Наиболее устойчивы к водной эрозии черноземы, а наименее – дерново-подзолистые почвы и сероземы.

Социально-экономические факторы развития эрозии. В настоящее время масштабы хозяйственной деятельности человека необычайно велики, поэтому развитие эрозионных процессов часто определяется антропогенными факторами. Эрозия почв развивается активно, когда не проводятся противоэрозионные мероприятия, даже не требующие больших материальных затрат, или при неправильном использовании человеком земельных угодий. Такие случаи пренебрежительного отношения к земле встречаются достаточно часто. Среди них выделим наиболее разрушительные:

· вспашка и посев сельскохозяйственных культур вдоль склонов;

· возделывание пропашных культур на эрозионно-опасных территориях;

· распашка приовражных и прибалочных площадей, днищ и склонов балок;

· рубка леса, играющего почвозащитную роль;

· неумеренная пастьба скота, выбивающего тропы, по которым растут промоины, дающие начало оврагам;

· разбивка полей севооборотов без учета рельефа местности, а именно вдоль склонов, приводящая к образованию промоин по межевым бороздам;

· неправильная разбивка дорог и плохой уход за ними приводящие к тому, что неукрепленные кюветы превращаются в овраги;

· многократная механическая обработка (вспашка, культивация, боронование и т.д.).

Повышение культуры земледелия и организационно-хозяйственного уровня сельскохозяйственного производства обеспечивает практически полное прекращение эрозионных процессов.

* * *

Почва – невозобновимый и незаменимый компонент природы, колоссальное природное богатство, обеспечивающее человека продуктами питания, животных – кормами, а промышленность – сырьем. Особое свойство почвы – плодородие – служит основой сельского хозяйства всех стран. Почва при правильной эксплуатации не теряет своих свойств, но улучшает их, становится более плодородной. Однако ценность почвы определяется не только ее значимостью для сельского и лесного хозяйства, других отраслей экономики, но также незаменимой экологической ролью как важнейшего компонента всех наземных биоценозов и атмосферы Земли в целом. Через почвенный покров Земли идут многочисленные экологические связи всех живущих на земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой.