Образование структуры почвы

Образование почвенной структуры происходит за счет двух обычно одновременно протекающих процессов. Один из них заключается в механическом разделении почвенной массы на агрегаты различного размера и формы. Второй процесс представляет собой формирование внутреннего строения и свойств агрегатов — пористости, водопрочности, связности. Процессы структурообразования осуществляются под влиянием физико-механических, физико-химических химических и биологических факторов.

Физико-механические факторы.

С ними связано разделение почвенной массы на структурные отдельности в результате изменения объема, давления и механического воздействия. формирование агрегатов происходит вследствие чередующихся процессов увлажнения и иссушения, замерзания и оттаивания почвы, деятельности роющих животных, под воздействием давления, оказываемого растущими корнями растений, а также почвообрабатывающих орудий.

Важным структурообразующим фактором служит чередование процессов увлажнения и иссушения почвы. При увлажнении почва набухает и увеличивается в объеме. Чем выше степень дисперсности почвенных частиц, тем сильнее изменяется объем. При иссушении почвы происходит обратный процесс, т. е. ее усадка.

Поскольку процесс усадки не равномерен во всех направлениях, то образуются трещины, расчленяющие почвенную массу на отдельности различного размера. На характер усадки и образования трещин сильно влияет гумусированность почв. увеличение содержания гумуса сопровождается нарастанием трещиноватости, но лишь до определенного предела. При содержании гумуса в почве выше 10% во многих случаях количество трещин уменьшается.

Процессы увлажнения и иссушения в почвах происходят достаточно часто. Особенно сильно влажность изменяется в самой верхней части почвы, где и выражено в наибольшей мере образование трещин и структурных отдельностей. В почвах, богатых минералами группы монтмориллонита, эффект попеременного увлажнения и иссушения проявляется в глубоком растрескивании почв с обособлением крупных полигональных отдельностей. Образующиеся трещины достигают нескольких сантиметров в ширину и уходят в глубь почвы на м и более. По этим трещинам активно поглощаются ливневые воды, ко в то же время из них легко выдуваются пары воды, что приводит к иссушению почвы.

Широко распространено вертикальное и горизонтальное растрескивание почв при их периодическом замерзании и оттаивании. При замерзании объем воды увеличивается, связи в почвенной массе разрываются и образуется сеть трещин. При этом вода замерзает неравномерно. В крупных порах лед начинает образовываться при температуре 0-2⁰С, в мелких порах - при температуре - 4-5⁰С. В результате образуются трещины разных размеров и по различным направлениям, что приводит к образованию структурных отдельностей в процессе оттаивания почвы. При этом важное значение имеет степень увлажнения почвы.

Если при наступлении отрицательных температур почва была близка к полному иссушению, то образование льда будет незначительным. Его влияние на объемные изменения в почве проявляется слабо или не выражено вообще.

В переувлажненной почве, когда все поры заполнены водой, образование льда происходит практически одновременно во всем объеме. Это ведет к фиксации почвенной массы, благодаря чему трещины не образуются. В этом случае при оттаивании почва приобретает киселеобразную консистенцию и обесструктуривается. Наиболее существенное структурообразование наблюдается при некоторой средней степени увлажнения почвы, когда вода заполняет только капиллярные поры, поскольку поры, заполненные воздухом, не препятствуют объемным расширениям при образовании льда. Больше всего агрегатов от промораживания суглинистого чернозема наблюдается при влажности 25-30% от массы почвы. При увеличении влажности до 50 % к массе почвы влияние промораживания на структурообразоваю-щие приближается к нулю.

В оптимально увлажненных почвах в качестве оструктуривающих факторов выступают капиллярные (менисковые) силы и связанная вода. Их агрегирующая роль проявляется при высыхании почвы, так как при этом мениски и адсорбированная вода способствует сужению капилляров и сближению механических элементов. После этого атомные и молекулярные силы притяжения между частицами почвы проявляются сильнее (рис. 33).

На структуру сильно влияет механическая обработка почвы с помощью сельскохозяйственных орудий. В зависимости от содержания органического вещества, гранулометрического состава, применяемого орудия и других условий, при которых производится обработка, в почве преобладают процессы создания или разрушения структуры даже на одной н той же почве, применяя одно орудие обработки) можно получить структурную или бесструктурную пашню. Это зависит от того, при какой влажности почвы произведена обработка. С давних времен известно, что при определенной степени увлажнения любая почва приобретает особые свойства, вследствие чего она лучше поддастся обработке. Состояние почвы, при котором механическая обработка наиболее эффективна, называют физической спелостью.

Почва, находящаяся в стадии физической спелости, лучше всего крошится, не прилипает к рабочим органам орудий и не распыляется. При обработке такой почвы энергетические затраты наименьшие. Обрабатывая почву соответствующими орудиями при определенной влажности, можно весьма существенно улучшить ее структурное состояние. Поэтому наиболее массовым и широкодоступным способом оструктуривания почв считается механическая обработка в состоянии физической спелости.

Необходимо упитывать, что существует не точка оптимальной влажности структурообразования а интервал такой влажности, причем для каждой почвы он будет индивидуальным. Так, в высокогумусных и тяжелых по гранулометрическому составу почвах интервал оптимальной влажности выше и шире, в легких н малогумусных почвах — ниже и меньше. Например, если в черноземах интервал влажности, оптимальный для структурообразования, в среднем составляет 30-40 % от массы сухой почвы, то в подзолистых почвах - 15-20%. От влажности почвы зависят и размеры образовавшихся агрегатов. В начале интервала влажности, оптимального для сруктурообразования, образуются более мелкие агрегаты) а в конце - более крупные.

Обработка искусственной или переувлажнённой почвы не обеспечивает ее эффективное крошение и формирование агрегатов необходимого размера, в результате чего образуется бесструктурная пашня. Крошение почвы и образование агрегатов обусловлены деформациями, возникающими в почвенной массе в результате ее скалывания лемехом, изгиба и кручения пласта по поверхности отвала, В процессе обработки существенная деформация почвы происходит при падении почвенной массы с отвала плуга в борозду.

Трещины, наметившиеся в результате природных процессов и усиливающиеся при кручении и изгибе пласта служат основой для распада почвы на агрегаты. Но эти явления возможны только в определенных интервале влажности почвы. В чрезмерно сыром состоянии масса почвы при падении в борозду слипается В иссушенном состоянии почва не распадается на агрегаты из-за прочного сцепления частиц и микроагрегатов при вспашке такой почвы образуются крупные глыбы, разрушение которых весьма затруднительно и требует значительных энергетических затрат. Однако с помощью одной механической обработки нельзя создать водопрочную структуру почвы, так как она формируется под влиянием физико-химических, химических и биологических факторов.

Физико-химические факторы.

Образование структурных отдельностей под влиянием этих факторов связано с коагуляцией и цементирующим действием почвенных коллоидов, Агрегаты формируются или при взаимном соосаждении коллоидов, или вследствие коагуляции их электролитами.

Взаимное осаждение коллоидов происходит при взаимодействии разноименно заряженных коллоидных частиц или их участков, несущих противоположные заряды. В результате слипания коллоиды коагулируют, образуя микроагрегаты первого порядка. Поскольку коагуляция коллоидных частиц редко происходит в изоэлектрической точке, первичные микроагрегаты сами несут остаточный заряд — Положительный или отрицательный. Разноименно заряженные микроагрегаты притягиваются образуя микроагрегаты второго, третьего и т. д. порядков, включительно до мелких зерен. Схематично этот процесс показан на рисунке 34.

В почвах коагуляция коллоидов чаще всего происходит под влиянием ионов-коагуляторов, таких как Н⁺, Са²⁺, Mg, Fe, Fl. Адсорбируясь в компенсирующем слое, они уменьшают величину заряда коллоидов, которые коагулируют и слипаются друг с другом с образованием микроагрегатов. Агрегирование коллоидных частиц осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса, катионовых мостиков, остаточных валентностей, водородной связи.

Скоагулированные коллоиды не только формируют микроагрегаты, но и способствуют скреплению более крупных частиц — пылеватых и песчаных, а также уже сформированных микроагрегатов.

Важнейшее условие образования агрономически ценной водопрочной струк-туры — необратимая коагуляция коллоидов. Она происходит под влиянием двух- и трёхвалентных катионов. При насыщении диффузного слоя коллоидов натрием и другими одновалентными катионами необратимой коагуляции коллоидов не происходит. Поэтому при участии таких коллоидов в склеивании частиц песка, пыли и микроагрегатов агрономически ценная структура не образуется. Хотя в сухом состоянии агрегаты имеют высокую прочность, при увлажнении они легко разрушаются из-за перехода коллоидов в золь.

Прочно скрепляют механические элементы в агрегаты органические коллоиды, особенно гуматы кальция. Хорошими структурообразователями считаются гели железоорганических комплексов. Агрегаты, образующиеся при участии только минеральных коллоидов, водопрочностью не обладают. Наиболее водопрочная структура образуется при взаимодействии гуматов кальция с минералами группы монтмориллонита и гидрослюдами, менее водопрочная - с каолинитом, кварцем, аморфной кремниевой кислотой. В оструктуривании красноцветных почв и красноземов важную роль играют соединения железа и алюминия.

Химические факторы.

Роль химических факторов в оструктуривании почв заключается в образовании труднорастворимых соединений, цементирующих почвенные агрегаты. Эти соединения могут склеивать микроагрегаты и механические элементы, находящиеся в раздельно-частичном состоянии, К ним относят аморфные гидроксиды железа и алюминия, карбонат кальция, силикат магния и др.

В почвах с временным избыточным увлажнением отчетливо проявляется оструктуривающее действие соединений железа. При переувлажнении в почве развиваются восстановительные процессы, сопровождающиеся образованием водорастворимых закисных форм железа, пропитывающих почвенные агретаты. В случае подсыхания почвы и смены восстановительных процессов на окислительные двухвалентное железо переходит в нерастворимые соединения трехвалентного железа, которые цементируют почвенные агрегаты. Такая структура характеризуется высокой механической прочностью и водопрочностью, однако отличается пониженной пористостью (<40%), Поскольку часть объема пор постепенно заполняется Fе(ОН)₃.

В почвах аридных зон аналогичную роль играет СаСО₃, образующийся при иссушении почвы из подвижного гидрокарбоната кальция:

Са(НСО3)₂ → СаСО₃ + Н₂О + СО₂.

Возможна цементация почвенных агрегатов Са₃(РО₄)₂ при образовании его из растворимых фосфатов.

Биологические факторы.

Растения и животные населяющие почву, играют главную роль в структурообразовании, оказывая комплексное влияние на этот процесс деятельность почвенных животных можно рассматривать как своеобразную механическую обработку почвы. Почва, подвергшаяся обработке животными, как правило, отличается тончайшей структурой, большой гомогенностью и однородностью. В некоторых случаях деятельность животных оказывается более результативной, чем применение сельскохозяйственных орудий, так как ими обрабатывают чаще всего только пахотный слой, а животные нередко проникают и за его предёлы, иногда на глубину более 1 м.

Большую роль в структурообразовании играют дождевые черви. Почва, прошедшая через кишечный тракт дождевых червей, уплотняется склеивается слизью, обогащается углекислым кальцием. Почву, переработанную таким образом, черви выбрасывают в виде мелких комочков — копролитов характеризующихся высокой водопрочностью Структура, созданная дождевыми червями, легко отличима по форме. Она, как правило, округлая, поверхность имеет своеобразный «оплавленный» характер.

При наличии 12-15 червей на 1 м² почвы они за год перерабатываютд0 20 т/га земли. Гигантские и пестрые дождевые черви, обитающие в серых лесных почвах и черноземах Северо-Западного Китая, за теплый период года пропускают через кишечный тракт и оструктуривало от 170 до 225 т/га почвенной массы. При такой активной деятельности дождевых червей копролиты играют заметную роль в агрегатном составе почвы. Так, в целинных обыкновенных черноземах Каменной Степи на долю агрегатов, представленных копролитами приходится до половины от суммы всех структурных отдельностей. Воздействие дождевых червей на структурообразование столь существенно, что их специально разводят и в последующем вносят в почву.

Исключительно важная роль в оструктуриваннии почвы принадлежит растениям. Корневая система растений служит эффективно действующим фактором расчленения почвенной массы на структурные отдельности. Пронизывая почвенную массу во всех направлениях, корни расчленяют и уплотняют ее, действуя как своеобразные клинья. Даже сравнительно плотная почва во влажном состоянии не оказывает сопротивления прохождению корней. По густой сети полых пространств разнообразной конфигурации, остающейся после отмирания и разложения корней, почва способна распадаться на агрегаты различного размера и формы.

Роль растений в структурообразовании не ограничивается только механическим воздействием на почву. При разложении растительных остатков образуются различные неспецифические органические соединения, принимающие участие в агрегировании почвенной массы, и гумусовые кислоты, играющие ведущую роль в формировании водопрочных агрегатов. Немаловажную роль в образовании структуры играют прижизненные корневые выделения. В их состав входят разнообразные органические соединения, а общее их количество за период вегетации может достигать 10 % и более от растительной биомассы.

В зоне распространения корневой системы растений широко представлена ризосферная микрофлора. Коллоидные продукты жизнедеятельности и автолиза микроорганизмов обладают цементирующим началом и активно участвуют в структурообразовании. Наиболее сильно на структуру почвы влияет многолетняя травянистая рас-тительность, отличающаяся мошной хорошо разветвленной корневой системой. Поэтому там, где создаются благоприятные условия для ее развития, встречаются хорошо оструктуренные почвы, что наглядно проявляется в зональном аспекте.

Наиболее водопрочной структурой характеризуются целинные черноземы, где оптимально сочетаются природные факторы структурообразования — хорошо развитая травянистая растительность, высокое содержание гумуса, в составе которого заметно преобладают гуматы кальция, обогащенность илистой фракции гидрослюдами и минералами монтмориллонитовой группы, активная микробиологическая деятельность и др. К северу и югу от черноземной зоны условия для формирования агрономически ценной водопрочкой структуры ухудшаются (рис. 35).

При переходе от черноземов к подзолистым почвам складываются все более неблагоприятные условия для произрастания травянистой растительности, которая в конечном итоге сменяется хвойными лесами. Возрастает кислотность почв, снижается содержание гумуса, в составе которого начинают преобладать подвижные компоненты типа фульвокислот и низкомолекулярных органических соединений, ухудшаются условия для микробиологической деятельности и необратимой коагуляции коллоидов.
В южном направлении от Черноземной зоны усиливается дефицит влаги, вследствие чего происходит смена растительных группировок. В почвах ухудшаются условия гумусообразования, РР

Обесструктуривание пахотных почв происходит и в результате многократного и интенсивного воздействия на почву тяжелойсельскохозяйственной техники. При воздействии техники на сухую почву происходит истирание и распыление структуры. После выпадения атмосферных осадков такая почва заплывает, а при последующем иссушении формируются крупные глыбы. Влажная почва под влиянием тяжелой техники спрессовывается а при подсыхании также распадается на крупные глыбистые отдельности. При разрушении структуры под воздействием тяжелой техники снижается пористость почв, вплоть ло полного исчезновения водо- и воздухопроводягцих пор.

Физико-химические процессы. Их участие в обесструктуривании почв проявляется через реакции ионного обмена, в результате которых двухвалентные катионы в ППК замещаются на одновалентные. Вследствие этого при увлажнении почвы происходит пептизация коллоидов, в первую очередь гумусовых веществ, прочно скрепляющих механические элементы и микроагрегаты, что ведет к разрушению почвенной структуры.

Биологические процессы. Обесструктуривание почв под влиянием биологического фактора отчетливо проявляется при экстенсивном использовании пашни. Когда в почве ежегодно отмечается дефицит свежего органического вещества, микроорганизмы начинают утилизировать не только лабильные, но и более устойчивые гумусовые соединения — главный клеющий компонент при образовании почвенных агрегатов. Минерализация органических соединений, участвующих в образовании структуры, особенно активно протекает при оптимальном для микрофлоры водно-тепловом режиме и достаточном количестве элементов минерального питания.

Теоретические основы оструктуривания почв разработали П. А. Костычев, В. Р. Вильямс, К. К. Гедройц, Н. А. Качинский и их ученики.

Важнейшие мероприятия по сохранению, улучшению и восстановлению структуры в пахотных почвах включают:

- пополнение запасов органического вещества;

- воздействие на состав и состояние почвенных коллоидов;

- рациональную механическую обработку;

- применение искусственных структурообразователей.

Применение органических удобрений (навоза, компостов, сидератов) — широко распространенный прием оструктуривания почв. Содержащиеся в удобрениях органические соединения, в том числе и гумусовые, способствуют образованию в почве макро- и микроагрегатов. Вспышка микробиологической деятельности, отмечающаяся после внесения органического удобрения, также благоприятствует структурообразованию.

Весьма эффективный прием улучшения структурного состояния почвы - посев многолетних трав. Они развивают мощную корневую систему и обогащают почву большим количеством свежего органического вещества, что способствует интенсивной деятельности червей, насекомых и микроорганизмов. Благодаря этому в почву поступают продукты трансформации растительных остатков, а также продукты жизнедеятсльности и автолиза почвенной биоты. Все это в совокупности способствует существенному улучшению структурного состояния почв за сравнительно короткий период (2-3 года).

Структурообразованию способствуют и однолетние сельскохозяйственные растения, образующие хорошо развитую корневую систему (пшеница, кукуруза и др.) при достаточном количестве влаги и элементов питания. Если однолетние культуры формируют небольшой урожай, то их роль в структурообразовании невелика.
В общих чертах оструктуривающее действие сельскохозяйственных культур проявляется через пожнивно-корневые остатки, остающиеся в почве после уборки урожая и подвергающиеся гумификации. Когда содержание гумуса в почве увеличивается, то возрастает и количество органических и органо-минеральных коллоидов. Но устойчивый структурообразующий эффект может быть получен только в том случае, если коллоиды необратимо скоагулированы.

В северной части земледельческой зоны в подзолистых и дерново-подзолистых почвах с кислой реакцией среды заметное количество органических веществ находится в миграционноспособной форме. Под влиянием этих веществ соединения полуторных оксидов приобретают подвижность, а тонкодисперсные частицы пептизируются, что сопровождается общим ухудшением структуры почв. Известкование в сочетании с применением органических удобрений и посевами многолетних трав способствует коагуляции подвижных органических и минеральных коллоидов, в результате чего возрастает количество агрономически ценных агрегатов.

В южных районах широко представлены почвы с щелочной реакцией среды и высоким содержанием обменного натрия (солонцы и солонцеватые почвы). Эти почвы характеризуются повышенной дисперсностыо почвенной массы, что негативно отражается па их структурном состоянии. Для улучшения почвенной структуры здесь практикуют гипсование в сочетании с внесением органических удобрений, орошением и посевом многолетних трав.

Рациональная механическая обработка предусматривает не только вспашку почвы в состоянии физической спелости, но и минимализацию воздействия на почву тяжелой сельскохозяйственной техники. Например, при соответствующих условиях традиционную многократную механическую обработку пропашных культур сокращают, а для некоторых культур ее не проводят вообще. В. Р. Вильямс подчеркивал, что механическое воздействие на почву должно быть по возможности редким, чтобы уменьшить неизбежное распыление структуры при частой механической обработке почв.

Быстрым и эффективным приемом улучшения структурного состояния пахотных почв считается применение искусственных структурообразователей. Они представляют собой высокомолекулярные соединения (полимеры и сополимеры), получившие собирательное название «крилиумы». Крилиумы - это производные трех органических кислот: акриловой, метакриловой и малеиновой. Эти соединения применяют в небольших дозах (0001-0,05% от массы почвы).

Наибольшего эффекта достигают при внесении искусственных структурообразователей в виде раствора, поскольку в этом случае происходит более полное и более равномерное взаимодействие их с почвой. Оструктуривающее действие крилиумов на суглинистых и глинистых почвах прослеживается на протяжении трех - пяти лет, тогда как на песчаных и супесчаных почвах чаще всего ограничивается одним вегетационным сезоном.

Структурообразующее влияние крилиумов проявляется тем сильнее, чем богаче почва органическими (гумусом) и минеральными коллоидами, т. е. чем выше ее потенциальная способность к оструктуриванию. При этом искусственные структурообразователи в большей степени обеспечивают водопрочность уже существующих природных агрегатов по сравнению с агрегатами, образовавшимися под их воздействием из распыленной почвы. Это связано с тем, что высокомолекулярные соединения легче проникают в те места, где частицы или микроагрегаты отделились друг от друга в результате набухания или механического воздействия.

Поскольку агрегаты распадаются прежде всего по тем направлениям, где скрепляющие силы наиболее слабые, то заполнение этих мест крилиумами приводит к стабилизации структурных отдельностей и их упрочнению. В итоге суммарный эффект от действия агрегирующих систем почвы и искусственного структурообразователя оказывается выше, нежели от одного крилиума. Поэтому сохранение имеющейся в почве агрономически ценной структуры считается одной из важнейших задач, поскольку создание новой структурной пашни из распыленной массы почвы требует гораздо больше сил и средств, чем улучшение уже существующей структуры.