UniversityAgro.ru » Земледелие » Агрофизические показатели плодородия почв

Агрофизические показатели плодородия почв

Агрофизические показатели плодородия почв — комплекс свойств почвы, характеризующих гранулометрический, минералогический состав, структуру, плотность, порозность, воздухо- и влагоемкость, а также агротехнологические параметры почв.

Агрофизические показатели плодородия являются основой создания оптимальных условий водного, воздушного, теплового и питательного режимов для жизни растений.

Агрофизические показатели, за исключением гранулометрического и минералогического составов, отличаются своей динамичностью в течение вегетационного периода, затрудняя их воспроизводство.

Гранулометрический состав почв

Твердая фаза почвы — смесь механических фракций: минеральных, органический и органо-минеральных. Минеральные почвы содержат преимущественно минеральные механические частицы с разными размерами, формами, химическим и минералогическим составом.

Гранулометрический состав — относительное содержание в почве механических фракций. Является фактором плодородия пахотных почв, влияющий на продуктивную способность.

Частицы механической фракции принято подразделять на:

  • больше 1 мм в диаметре — скелет почвы;
  • меньше 1 мм — мелкозем, подразделяемый также на:
    • частицы более 0,01 мм — физический песок;
    • частицы менее 0,01 мм — физическая глина.

В зависимости от соотношения физических песка и глины почвы делятся на:

  • песчаные;
  • супесчаные;
  • суглинистые (легкие, средние, тяжелые);
  • глинистые (легкие, средние, тяжелые).

В зависимости от сопротивления при обработке, почвы подразделяются на:

  • легкие (песчаные и супесчаные);
  • средние (легко- и среднесуглинистые);
  • тяжелые (тяжелосуглинистые и глинистые).

Химический состав меняется в зависимости от гранулометрического состава. С уменьшением дисперсности частиц резко увеличивается содержание кислорода и уменьшается содержание железа, кальция, магния, алюминия, калия и натрия. 

Гранулометрический состав влияет на:

  1. Поглотительные (сорбционные) свойства: чем больше в почве тонкодисперсных частиц, и соответственно, чем выше удельная их поверхность, тем выше емкость поглощения, влагоемкость, гигроскопичность, пластичность, липкость.
  2. Плотность почв: с увеличение доли физического песка плотность уменьшается. Оптимальной для большинства культур считается плотность 1,0-1,3 г/см3.
  3. Структурообразование: фракция частиц размером менее 0,001 мм характеризуется высокой коагуляционной и поглотительной способностью, вследствие чего накапливает наибольшее количество гумуса и зольных элементов питания, являясь ценнейшей составляющей рыхлых почв.
  4. Наступление физической спелости, то есть способности почвы к крошению на мелкие комки при определенной влажности. Почвы тяжелого гранулометрического состава поспевают позже легкого.
  5. Пластичность определяется содержанием физической глины. С увеличением доли физической глины предел пластичности расширяется.
  6. Твердость. Высокая твердость повышает сопротивление почвы рабочим органам почвообрабатывающих машин и затрудняет рост проростков и корней растений.
  7. Липкость — технологическое свойство почвы. Увеличивается при большом содержании физической глины, ухудшая качество обработки.

Наиболее благоприятное сочетание агрофизических, агрохимических и биологических показателей плодородия отмечается в почвах среднего гранулометрического состава. Влияние гранулометрического состава на плодородие может сильно варьировать в зависимости от других показателей. Например, для дерново-подзолистых почв, сформировавшихся в зоне достаточного или избыточного увлажнения, оптимальным является легкий гранулометрический состав, тогда как наиболее высокое плодородие черноземов, наблюдается на почвах тяжелого гранулометрического состава.

Гранулометрический и минералогический составы не претерпевают существенных изменений при длительном сельскохозяйственном использовании земель, что позволяет выстраивать эффективную модель плодородия, опирающуюся на определенный диапазон изменений свойств почвы. Гранулометрический состав не требует воспроизводства, за исключением защищенного грунта и небольших участков, где его возможно изменить внесением песка или глины.

Генетические свойства почв и их гранулометрический состав определяют потенциальную урожайность сельскохозяйственных культур.

Таблица. Максимально возможная урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от гранулометрического состава почвы*, т/га1

Культура
Почва
суглинистая
супесчаная и песчаная, подстилаемые мореной
супесчаная, подстилаемая песками
песчаная
Озимая рожь
5,0-5,5
4,5-5,0
4,0-4,5
3,0-3,5
Озимая пшеница
5,5-6,0
5,0-5,5
4,5-5,0
3,5-4,0
Ячмень
6,0-7,5
5,5-6,5
5,0-6,0
4,0-5,0
Овес
5,0-6,0
4,5-5,5
4,0-4,5
3,0-4,0
Картофель
40,0-50,0
35,0-45,0
30,0-40,0
25,0-30,0
Сахарная свекла
50,0-60,0
45,0-50,0
40,0-45,0
30,0-35,0
Лен (волокно)
1,8-2,2
1,7-1,9
-
-

*Максимально возможные — термин применительно к определенным сортам и принятой агротехнике. На самом деле потенциальные возможности растений, которые и являются максимальными, в несколько раз выше

Минералогический состав почв

Разные по гранулометрическому составу фракции минеральной части почвы различаются по содержанию различных минералов. В песках и крупной пыли преобладают кварц и полевые шпаты, мелких фракциях — мусковит и другие слюды. В мелкодисперсной (< 0,001 мм) илистой и коллоидной фракциях главным образом содержатся вторичные алюмосиликатные минералы — монтмориллонит, нонтронит, галлуазит, каолинит, иллит.

В песчаных и пылеватых почвах содержание кремния выше. С уменьшением размера частиц его содержание уменьшается, а количество алюминия, железа, калия, магния и фосфора увеличивается. В состав высокодисперсной фракции входит также органическое вещество почвы. Коллоидная и илистая фракции почв являются основным источником питательных веществ для растений и наиболее активной частью почвы в формировании емкости катионо-анионного и молекулярного обмена, определяют структурообразование и буферность.

Минералогический состав определяет набухаемость почвы — увеличение объема почвы за счет связывание коллоидными и глинистыми частицами воды в виде пленочных оболочек. Связанная вода уменьшает силу сцепления частиц. Набухаемость почв зависит от содержания вторичных минералов с подвижной кристаллической решеткой.

Таблица. Таблица. Примерный химический состав разных гранулометрических фракций почвы, масс. %2

Фракции
Кремний
Алюминий
Железо
Кальций
Магний
Калий
Фосфор
1,0-0,2
43,4
0,8
0,8
0,3
0,3
0,7
0,02
0,2-0,04
43,8
1,1
0,8
0,4
0,1
1,2
0,04
0,04-0,01
41,6
2,7
1,0
0,6
0,2
1,9
0,09
0,01-0,002
34,6
7,0
3,6
1,1
0,2
3,5
0,04
< 0,002
24,8
11,6
9,2
1,1
0,6
4,1
0,18

Структура почвы

Агрегаты почвы — склеенные в комочки твердые частицы почвы.

Структурность почвы — способность образовывать агрегаты почвы.

Структура почвы — это физическое строение твердой фазы и порового пространства почвы, которое обусловлено размерами, формой, количественным соотношением, характером взаимосвязи и расположением механических элементов, так и состоящих из них агрегатов. Является важным агрофизическим показателем плодородия, определяющим водные, воздушные, физико-механические и технологический свойства, а также водно-гидрологические константы.

Классификация

Согласно классификации С.А. Захарова, в зависимости от формы агрегатов различают следующие типы структур:

  • глыбистую,
  • комковатую,
  • ореховатую,
  • зернистую,
  • столбчатую,
  • призматическую,
  • плитчатую,
  • пластинчатую,
  • листоватую,
  • чешуйчатую.

Зернистой структурой в ественном состоянии обладают черноземы, ореховатой — серые лесные, комковатой — хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы, плитчатой и листоватой — неокультуренные подзолы.

Структурные агрегаты по величине классифицируются на: глыбистую структуру — комки более 10 мм, макроструктуру — от 0,25 до 10 мм, микроструктуру — менее 0,25 мм.

Структурообразование

Согласно М.А. Качинскому, структурообразование агрегатов почвы — процесс взаимного осаждения (коагуляции) и электролитической коагуляции коллоидных частиц на фоне более общих физико-механический, физико-химических и биологических факторов.

Физико-механические факторы структурообразования

Образование отдельных комков происходит благодаря механическому разделению в природных условиях под воздействием корневой системы растений, жизнедеятельности почвенной микрофлоры, под влиянием увлажнения и высушивания, периодических промораживания и оттаивания. На обрабатываемых землях к перечисленным факторам добавляется воздействие почвообрабатывающих орудий.

Влияние растительности обусловлено воздействием корневой системы. Мощная корневая система, например, многолетних трав, оказывает большее влияние на структурообразования, чем менее развитая однолетних культур. Процесс структурообразования под действием растительности состоит из двух этапов: расчленения почвенной массы корневой системой на структурные отдельности и агрегатирования (склеивание) их продуктами разложения за счет корневых выделений и остатков.

Структурообразование, проявляющееся в периодических промерзаниях и оттаиваниях при  оптимальном увлажнении почв, обусловлен разновременным замерзанием некапиллярной и капиллярной воды в порах.

Обработка почвы в состоянии физической спелости вносит весомый вклад в структурообразование под действием почвообрабатывающих орудий.

Физико-химические факторы структурообразования

Физико-химические факторы структурообразования обусловлены взаимодействием катионов с почвенных коллоидов, взаимодействиями между коллоидами и их природой.

Например, водопрочная структура увеличивается при необратимой коагуляции коллоидных частиц катионами двух- и трехвалентных металлов (Са2+, Mg2+, Fe3+, Аl3+), в то время как, катионы одновалентных металлов (K+, Na+) вследствие обратимой коагуляции уменьшают водопрочность структуры.

На прочность структурных агрегатов влияет природа коллоидов, образующихся с помощью минеральных и органических коллоидов. Однако водопрочность этих агрегатов сильно различается: почвенные агрегаты, сцементированные органическим коллоидами (гуматами двух- и трехвалентных металлов) характеризуются наибольшей водопрочностью. Минеральные коллоиды, образованные из монтмориллонита и гидрослюды, имеют большей водопрочностью, чем, образованные из кварца, кремнекислот и каолинита.

Гидрооксиды алюминия и железа играют важную роль при образовании структуры латеритных почв.

Смена восстановительных процессов окислительными при временном переувлажнении относится к химическому фактору структурообразования. По данным Н.А. Качинского, структура почвы, образующаяся под действием химических факторов, как правило, неводопрочна.

Биологические факторы структурообразования

Биологические факторы структурообразования проявляются под действием растений и почвенной биоты.

Образующиеся при разложение растительных остатков гумусовые вещества, обладают высокой сорбционной и биологической активностью.

Вокруг корневой системы растений — ризосфере — образуются специфические сообщества почвенной биоты, в результате жизнедеятельности которых образуются вещества, влияющие на оструктуривание.

Биологический фактор оказывает количественное и качественное влияние на структуру почвы.

Взаимосвязь структуры почвы с другими агрофизическими показателями плодородия

Структура почвы взаимосвязана с другими агрофизическими показателями плодородия: строением пахотного слоя, плотностью.

Строение пахотного слоя — соотношение объемов твердой фазы, капиллярной и некапиллярной пористости в почве с ненарушенным сложением. Капиллярная пористость агрегатов в структурированной почве дополнятся некапиллярной за счет межагрегатных промежутков, составляя в сумме общую пористость.

Плотность почвы — отношение массы почвы ненарушенного сложения к её объему. Под действием сил уплотнения и разрыхления в естественных условиях наступает равновесное состояние между пористостью и твердой фазой, называемое равновесной плотностью. В структурной почве разрыв между оптимальной и равновесной плотностью минимален, а в хорошо окультуренных они могут совпадать, например, в черноземах.

Процессы разрушения структуры почвы

Процессы структурообразования и разрушения находятся в обрабатываемых почвах в динамическом состоянии. Факторы разрушения структуры почвы проявляются в ослаблении сил, склеивающие частицы почвы в агрегаты, и приводящие агрегаты в раздельно-частичное состояние. Наравне с факторами структурообразования, существуют аналогичные факторы разрушения агрегатов почвы.

Механические факторы — разрушение структуры под действием сельскохозяйственных орудий, ветра, дождя, выпаса скота и т.п.

Физико-химические факторы — разрушение структуры в результате катионообменных реакций. Например, замещение ионов кальция и магния в почве в условиях промывного водного режима, и замещение их на ионы Н+ и NH4+, содержащиеся в дождевой воде, приводит к вымыванию за пределы пахотного слоя кальция и магния.

Биологические факторы — разрушение структуры в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, использующих органическое вещества в качестве источника питания и энергии, что приводит к его минерализации. Учитывая, что наилучшие склеивающие свойства проявляют органические соединения, их минерализация приводит к разрушению агрегатов.

Минерализации органического вещества способствуют известкование почв, внесение минеральных удобрений, механическая обработка. 

Оптимальные для плодородия структуры почв

С.И. Долгов и П.У. Бахтин предложили следующие параметры оценки структурного состояния почвы:

  • отличная структура — содержание водопрочных макроагрегатов более 70%;
  • хорошая — 70-55%,
  • удовлетворительная — 55-40%,
  • неудовлетворительная — 40-20%,
  • плохая — менее 20%.

Мелкокомковатая и зернистая структура с частицами размером 0,25-10 мм представляет наибольший агрономический интерес. Она также должна обладать оптимальной пористостью, механической упругопрочностью и водопрочностью. Например, иллювиальный горизонт дерново-подзолистых и слитных черноземных почв обладают водопрочной структурой, но с низкой степенью пористости. Что делает их агрономически неблагоприятными и нехарактерными для плодородной почвы.

Микроструктура почв также имеет важное значение, так как обладает оптимальными водно-воздушными свойствами, что обусловливает необходимость учета этой характеристики наравне с макроструктурой. Микроструктура встречается, например, в сероземных почвах, поглощающий почвенный комплекс которых богат коллоидными частицами и насыщен кальцием.

Оптимальные размеры макро- и микроагрегатов для пахотной почв в большей мере относительны. Во влажных условиях они составляют 1-3 мм, в засушливых — 0,5-1 мм, в условиях эрозионной опасности — до 1-2 мм в диаметре. Оптимальная структура почв позволяет сократить потери влаги на испарение.

Оптимальное соотношение объемов твердой фазы и общей пористостью, достигаемое в структурной почве, составляет для дерново-подзолистой почвы примерно 1:1 (50:50%), в черноземах на долю пористости пригодится до 60% и более объема почвы. Устойчивое поддержание агрономически наиболее благоприятного строения пахотного слоя в течение длительного времени возможно на почвах с высоким содержанием водопрочных агрегатов.

Воспроизводство структуры почв

Для воспроизводства структуры почвы необходимо:

  1. Пополнение запасов органического вещества почвы за счет внесения органических удобрений (навоз, торф, компост, солома, сидераты, сапропель, птичий помет), как источника гумуса и энергии для микроорганизмов, посевом многолетних трав (травосеяние), оставляющих большое количество растительных и корневых остатков. Внесение минеральных удобрений, косвенно также оказывает положительное влияние, повышая урожайность культур и увеличивая тем самым поступление большего количества растительных и корневых остатков в почву.
  2. Пополнение почвенных запасов магнием и магния как основных элементов, участвующих в структурообразовании. Для этого проводят известкование кислых или гипсование засоленных почв.
  3. Уменьшение числа проходов сельскохозяйственной техники по полям, для предотвращения уплотнения почвы. Достигается путем использования ресурсосберегающих технологий выращивания растений и легковесной техники.
  4. Предотвращение водной и ветровой эрозии.
  5. Использование агромелиорационных приемов (осушение или орошение) для создания благоприятных условий протекания окислительно-восстановительных процессов в почвах с избыточным или недостаточным увлажнением.
  6. Применение поверхностных искусственных и экологически безопасных структурообразователей.

Мощность пахотного слоя

Мощность пахотного слоя — глубина обрабатываемого слоя почвы, в котором развивается 70-90% корневой системы растений. В нем сосредоточены запасы воды, воздуха и основных питательных веществ, наиболее активно происходят микробиологические, окислительно-восстановительные процессы, разложение и минерализация органического вещества. Пахотный слой является посредником в системе почва-растение, так как через него вносятся органические и минеральные удобрения, мелиоранты, искусственные структурообразователи.

Пахотный слой аккумулирует оросительные или дождевые воды, сохраняя её в течение длительного времени. Увеличение запаса воды и питательных веществ достигается увеличение глубины пахотного слоя.

Мощный (глубокий) пахотный слой позволяет:

  • создать более благоприятные водный, воздушный, питательный и тепловой режимы почвы;
  • активизировать процессы гумификации и минерализации органического вещества;
  • увеличить содержание подвижных форм азота, фосфора, калия;
  • сократить энергетические затраты, связанные с поддержанием благоприятной структуры почвы в пахотном слое за счет сокращения числа и глубины приемов обработки.

В целом, мощный пахотный слой, позволяет создать более благоприятные условия развития корневой системы растений, что приводит к стабильному увеличению урожайности сельскохозяйственных культур.

Культуры неодинаково реагируют на углубление пахотного слоя. Наибольший эффект в прибавки урожая от мощного пахотного слоя отмечается у пропашных культур, особенно у корне- и клубнеплодов, в меньшей степени — у многолетних трав и озимых зерновых, малозначительно — однолетние травы и яровые зерновые.

Оптимальная мощность пахотного слоя составляет 27-30 см для большинства почв. Однако, она может ограничиваться глубиной гумусового горизонта. Например, дерново-подзолистые почвы с низким естественным плодородия имеют гумусовый горизонт до 20 см, поэтому для создание оптимальной глубины пахотного слоя требуются большие затраты энергетических ресурсов, труда и времени.

Агротехнические приемы в создании мощного пахотного слоя включают применение известкования, внесение органических и минеральных удобрений, а также постепенное углубление обработки почвы.

[INSERT_ELEMENTOR id="2978"]

Литература

Земледелие. Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. — М.: Издательство «Колос», 2000. — 551 с.

Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.

Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.

Ссылки

  1. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
  2. Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.