Водно-физические свойства почвы

Аэрация почвы в большой степени зависит от поступления воздуха, особенно кислорода, из атмосферы в поры почвы. Приток воздуха определяется в значительной мере порозностью почвы, т. е. объемом пор, заполненных почвенным воздухом (или почвенным раствором).

Поступление влаги в почву складывается из впитывания при частичном заполнении пор водой и фильтрации воды. Совокупность этих явлений объединяется понятием «водопроницаемость почвы». По скорости впитывания воды различают почвы хорошо-, средне- и слабоводопроницаемые. Фильтрация почвы, т. е. нисходящее передвижение влаги в почве или грунте при заполнении всех пор водой, зависит от многих факторов: механического состава, водопрочности агрегатов, плотности, сложения.

Количество воды, характеризующее водоудерживающую способность почвы, называют влагоемкостью. В зависимости от сил, удерживающих влагу в почве, различают максимальную адсорбционную влагоемкость (влага, которая удерживается па поверхности частиц под действием сорбционных сил), капиллярную (запас воды, удерживаемый капиллярными силами), наименьшую (полевую) и полную влагоемкость или водовместимость (содержание воды в почве при заполнении всех пор водой).

С капиллярной влагоемкостью связано важное в агрономической науке понятие капиллярной каймы. Капиллярной каймой называется весь слой влаги между уровнем грунтовых вод и верхней границей фронта смачивания почвы.

Наименьшая (полевая) влагоемкость — это количество влаги, которое сохраняется в почве (или грунте) при отсутствии капиллярного подтока после стенания избыточной гравитационной воды. Это максимальное количество воды, удерживаемое почвой в естественных условиях при отсутствии испарения и притока воды извне. Влагоемкость почвы зависит от механического, химического, минералогического состава почвы, ее плотности, пористости и т. д.

Аэрация, водопроницаемость, влагоемкость и другие водно-физические свойства почвы являются важными почвенными характеристиками, влияющими на плодородие почвы, ее хозяйственную ценность.

В состав почвы входят четыре основных структурных компонента:

1) минеральная основа (обычно 5060% общего состава почвы);

2) органическое вещество (до 10%);

3) воздух (1525%);

4) вода (2530%).

Минеральный скелет почвы - это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания.

Свыше 50% минерального состава почвы занимает кремнезем SiO от 1 до 25% приходится на глинозем А1, 0з, от 1 до 10% - на оксиды железа FeO, от 0, 1 до 5% - на 2- 3- оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Минеральные элементы, образующие вещество почвенного скелета, различны по размерам: от валунов и камней до песчаных крупинок - частиц диаметром 0,022 мм, ила - частиц диаметром 0, 002 - 0, 02 мм и мельчайших частиц глины размером менее 0,002 мм в диаметре. Их соотношение определяет механическую структуру почвы.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал, называется гумусом.

Почвенный воздух, также как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Порозность возрастает от глин к суглинкам и пескам. Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен, в результате чего газовый состав обеих сред имеет сходные параметры. Обычно в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов несколько меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе.

Почвенная влага делится на свободную, капиллярную и пленочную.

Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов.

В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристики: бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, черви и членистоногие. Биомасса их в различных почвах равна (кг/га): бактерий - 1000 - 7000, микроскопических грибов - 1001000, водорослей 100300, членистоногих - 1000, червей - 350 - 1000.

Почва состоит из хорошо выраженных слоев, называемых почвенными горизонтами, различающихся по структуре, составу и цвету (рис.27).

Рисунок 27 - Структура почвы:

I тип: 1) крупнокомковатая, 2) среднекомковатая, 3) мелкокомковатая, 4) пылеватая, 5) крупноореховатая, 6) ореховатая, 7) мелкоореховатая, 8) крупнозернистая, 9) зернистая, 10) порошистая.

II тип: 11) столбчатая, 12) столбовидная, 13) крупнопризматическая, 14) призматическая, 15) мелкопризматическая, 16) тонкопризматическая.

III тип: 17) сланцевая, 18) пластинчатая, 19) листоватая, 20) грубочешуйчатая,

21) мелкочешуйчатая

Верхний горизонт А, гумусовый, населенный многочисленными видами растений, животных, микроорганизмов, содержит отмершие части растений, трупы животных. За счет процессов гумификации Горизонт А подразделяется на подслои: А0 - подстилка, А, - собственно гумусовый, А2 - выщелоченная светлоокрашенная почва.

Верхний горизонт А - состоит из отмерших растений и животных, которые под действием микробов-редуцентов превратились в смесь органических веществ. Обычно гумус имеет вид темного, часто желтовато-коричневого вещества с разнообразным химическим составом. Растения не потребляют гумус, однако он является важным фактором плодородия почв: его количество прямо влияет на урожай, поскольку продукты минерализации гумуса служат растениям питательными веществами. С этим связан один из основных агротехнических приемов - оставление поля под паром: распаханная почва впитывает и удерживает влагу, одновременно хорошо прогреваясь, что создает благоприятные условия для деятельности микроорганизмов, разрушающих гумус. В результате поле, оставленное под паром, в течение лета обогащается компонентами минерального питания растений и на следующий год дает больший урожай. Этот горизонт самый темный, цвет его зависит от перегноя, накапливающегося здесь. Чем старше почва и чем благоприятнее условия для ее образования, тем мощнее гумусовый горизонт. Мощность его колеблется от нескольких сантиметров до 1 м и более в зависимости от вида почв.

Следующий горизонт В состоит в основном из минеральной части почвы. Органические вещества переработаны здесь редуцентами и равномерно перемешаны с мелкозернистой материнской породой. Горизонт В также содержит вещества, которые растворила дождевая вода, просачиваясь сквозь горизонт А. Этот раствор как бы фильтруется через горизонт В, в результате чего растворенные вещества задерживаются на минеральных частицах (суглинке, глине). Эти вещества оседают в верхней части горизонта В (слое В1), формируя характерную темную полосу.

Горизонт С представляет собой слабо измененную материнскую породу.

Последовательность почвенных горизонтов называют почвенным профилем. Почвенный профиль и толщина горизонтов варьируются в зависимости от каждой природно-климатичсской зоны и определенного рельефа местности.

Свойства почвы зависят от состава и особенностей твердой, жидкой, газообразной и живой ее частей. Так как почва является продуктом жизнедеятельности многих организмов: растений, животных, микроорганизмов, то их обилие, соотношение групп определяют свойства почвы. Самым важным из них является ее плодородие.

Основу почвенной биоты составляют микроорганизмы.
Важную роль в почвообразовательных процессах играют организмы, разлагающие органические вещества. От обилия органических веществ, их разрушения микроорганизмами с образованием гумусовых соединений зависят структура и плодородие почвы.

К мезофауне почвы относятся нематоды, энхитреиды, микроартроподы (клещи и ногохвостки). Микроартроподы и энхитреиды исчисляются тысячами на 1 м2, нематоды - миллионами.

К макрофауне принадлежат крупные насекомые и их личинки, дождевые черви. Наибольшими по биомассе компонентами почвы являются корни растений. К макрофауне относятся также роющие позвоночные: кроты, суслики, слепушонки, мыши, полевки и др.
В почве есть болезнетворные организмы, становящиеся причиной заболеваний и сельскохозяйственных животных и человека.

Влияние на состояние здоровья человека химический состав почвы оказывает через воду, растения и животных.

Лежащий под ним третий горизонт представляет собой слабо измененную почвообразующую породу. Его обозначают буквой С. В нем совсем нет гумуса, но содержатся соли: углекислый кальций, гипс и др. Мощность его различна.

Почва состоит из минерального и органического компонентов: измельченная горная порода (кварц, известняк, гранит и т.п.) в ней перемешана с продуктами жизнедеятельности организмов и самими организмами. Промежутки между частицами заполнены газом и водой. Почва разделяется на слои (почвенные горизонты), различающиеся по цвету; последовательность слоев называется почвенным профилем.

Третий горизонт (С) - более или менее неизмененная горная порода. Относительная толщина горизонтов характеризует данную местность. Так, степные и луговые почвы (на иллюстрации справа) отличаются о т лесных тем, что гумификация в них идет быстро, а минерализация гумуса замедлена. Причина этого в том, что травы и их корни живут недолго, поэтому ежегодно в почву поступает много органического вещества, которое быстро разлагается и превращается в гумус. В лесу (на иллюстрации слева и в середине) подстилка и корни содержат много древесных частей, которые разлагаются медленно, отчего слой гумуса тоньше. Поэтому основные житницы мира расположены в зоне степей и вырубленных широколиственных лесов. Наиболее низко содержание гумуса в почвах, сформировавшихся под хвойными лесами: опадающая хвоя содержит большое количество смолистых веществ, устойчивых к действию микроорганизмов, поэтому разложение органики и гумусообразование здесь наиболее замедлены.

Почва, загрязненная вредными химическими веществами, оказывает негативное влияние не только на состояние человека, но и всего органического мира.

4.4 Разрушение почвы

Опустынивание пастбищ - не простой процесс. Пастухи могут считать, что численность их стада не настолько велика, что может нанести ущерб пастбищной экосистеме. Однако при интенсивном выпасе скот выедает ценные травы, оставляя несъедобные (погремок, дерезу, лапчатку), которые размножаются и со временем занимают территорию, делая ее непригодной для дальнейшего выпаса. Кроме того, в результате вытаптывания растительности скотом участки земли оголяются, и возникает угроза эрозии (см. следующий рисунок), вследствие которой богатые земли неожиданно и часто катастрофически быстро превращаются в бесплодные области (в особенности это опасно для засушливых местообитаний). Лучшее средство сохранить пастбище - дать ему 2-3 года отдохнуть, если отмечено увеличение популяций несъедобных трав; пастбище, освобожденное от выпаса, быстро восстановит прежний состав растительности.

Эрозия - процесс захвата и выноса частиц почвы водой или ветром (поэтому говорят о ветровой и дождевой эрозии). Вынос может быть медленным, когда почва постепенно выдувается в ходе ветровой эрозии, но бывает и катастрофическим, когда водная эрозия образует глубокие овраги после одного сильного ливня. Обычно растительный покров и подстилка обеспечивают защиту почвы от всех форм эрозии. Водяные капли разбиваются о траву и опавшие листья, в результате чего вода стекает в почву постепенно, не нарушая ее структуры. Однако чрезмерная эксплуатация может привести к уничтожению растительности и оголению почвы. Когда капли дождя ударяются о незащищенную землю, они разбивают почвенные комки, мелкие частицы которых закупоривают промежутки между другими комками, делая почву менее проницаемой для воздуха и воды. Как следствие, вода перестает впитываться в почву, и начинается поверхностный сток. Стекая по поверхности, вода подхватывает и уносит частицы почвы. При этом первыми уносятся легкие частицы - гумус, детрит и мелкозем; камни остаются на месте. Почва делается все менее плодородной. В ходе эрозии земля теряет плодородие до тех пор, пока не превратится в пустыню, то есть происходит ее опустынивание.

Результат эрозии. На этом месте несколько лет назад был тропический лес - джунгли, где на одном гектаре трудно найти два дерева, принадлежащие к одному и тому же виду, а всего на гектар приходится до 235 различных видов деревьев, причем некоторые из них достигают высоты 85 м. Под полог тропического леса не проникает свет, относительная влажность составляет 100 %, а температура круглый год колеблется от +25 до +27 градусов С. В таких условиях все органические остатки очень быстро разлагаются и употребляются живыми организмами, так что накопление гумуса практически не происходит, поэтому почвы под джунглями удивительно бедные и тонкие. Сельское хозяйство в тропиках ведется по типу подсечно-огневого земледелия: лес вырубают и сжигают, чтобы хоть сколько-нибудь обогатить почву минеральными веществами, содержащимися в золе. Однако поля, устроенные таким образом, крайне недолговечны: их используют всего два-три года, после чего бросают, поскольку тропические ливни смывают весь плодородный слой. По этой причине экваториальные страны - области наиболее бедного, часто голодающего населения. На фотографии - то, что осталось на месте такого поля. Пройдут годы, и ветровая эрозия разрушит плотный грунт, превратив его в сыпучие барханы; лес на этом месте больше не вырастет. Предполагают, что именно так образовалась крупнейшая из современных пустынь - Сахара; по всей видимости, она представляет собой результат доисторической сельскохозяйственной деятельности людей. Это же угрожает в будущем и оставшимся тропическим лесам: ежегодно в мире уничтожают 3.4 млн га джунглей; при таких темпах они смогут просуществовать до начала ХХI века; вместе с ними исчезнут населяющие их животные, а также огромное количество видов съедобных и лекарственных растений.