4. Определение строения пахотного слоя почвы

Задание:

1. Освоить методику определения строения пахотного слоя почвы.

2. Охарактеризовать соотношение объемов твердой фазы, капиллярной и некапиллярной скважностей с учетом требований зерновых и пропашных культур, многолетних трав.

3. Рекомендовать агротехнические приемы создания оптимального строения пахотного слоя почвы.

Соотношение объемов твердой фазы почвы и различных видов пор называется строением пахотного слоя почвы. Однако в практике при характеристике строения пахотного слоя почвы объем твердой фазы не используется, так как он слабо отражает условия жизни растений. Поэтому обычно под строением пахотного слоя почвы понимают величину общей скважности и соотношение капиллярной и некапиллярной скважностей.

Строение пахотного слоя почвы является важнейшим условием плодородия почвы. Еще в 1924 году А.Г.Дояренко писал: "...наличие в почве капиллярной и некапиллярной скважностей и их соотношение определяют все интересующие нас свойства пашни". Оно характеризует водный, воздушный, тепловой и пищевой режимы почвы, микробиологическую деятельность, которые, в конечном счете, определяют эффективное плодородие почвы.

В 1864 году Шумахер предложил делить почвенную скважность на общую, капиллярную и некапиллярную. Относительно крупные промежутки между почвенными агрегатами, не обладающие водоудерживающей способностью, то есть капиллярностью, называют некапиллярными порами, а их объем, выраженный в процентах по отношению к общему объему почвы - некапиллярной скважностью. Некапиллярные поры обычно заняты воздухом. Вода в таких порах передвигается под действием силы тяжести и долго не удерживается.

Другая категория пор представлена тонкими промежутками между почвенными частицами. В этих порах, получивших название капиллярных, чаще размещается вода, удерживаемая менисковыми силами. Вместе с тем деление почвенной скважности на общую, капиллярную и некапиллярную не позволяет характеризовать истинное соотношение воды и воздуха в почве, так как к капиллярным порам относятся и поры мельче 0,01 мм, в которые не могут проникнуть корневые волоски, и поры размером 0,003-0,001 мм и мельче, которые недоступны для микроорганизмов, а также некоторые поры, занимаемые связанной водой (гигроскопической и пленочной), которая удерживается молекулярными силами и недоступна растениям. Это так называемые неактивные поры. А поры, внутри которых возможно передвижение свободной воды под действием менисковых и гравитационных сил, а также поры, в которых содержится воздух, микроорганизмы и корни растений, называются активными порами. Обычно это поры с диаметром крупнее 3 микрон.

А.Г. Дояренко (1963) пришел к необходимости разделения капиллярных почвенных пор по их размерам на внутриагрегатные и межагрегатные. По его мнению, внутрипочвенная или элементарная скважность обусловлена механическим составом почвы, а межагрегатная - ее структурой.

Н.А. Качинский (1965) использует более детальную дифференциацию почвенных пор. Он различает общую, межагрегатную, агрегатную, агрегатную суммарную скважность, пор, занимаемых прочно связанной водой, рыхлосвязанной, капиллярной водой, а также пор, заполненных воздухом.

Наибольшую агрономическую значимость имеют капиллярные поры и поры аэрации.

Часть порового пространства, заполненного воздухом, при влажности почвы, соответствующей наименьшей влагоемкости, называется скважностью (пористостью) устойчивой аэрации. Оптимальное содержание воздуха в пахотном слое почвы для зерновых культур составляет 15-20% от общей скважности, пропашных - 20-30%, многолетних трав - 17-21%.

Почва, состоящая только из капиллярных пор, обладает теми же положительными и отрицательными свойствами, что и чрезмерно плотная почва, а для почв только с некапиллярными порами характерны свойства излишне рыхлой почвы.

Для определения строения пахотного слоя почвы кроме общей скважности необходимо знать одну из ее составляющих; капиллярную или некапиллярную скважность, чтобы по разнице определить другую. Технически легче определить капиллярную скважность. Правда, при массовых анализах достаточно определение только общей скважности, так как капиллярная скважность изменяется в пределах одной и той же почвы весьма незначительно и может быть, по свидетельству В.В.Квасникова, с известными приближениями принята как постоянная величина. Поэтому регулирование строения пахотного слоя почвы означает, прежде всего, изменение некапиллярной скважности.

Существуют методы определения строений пахотного слоя почвы с помощью приборов и путем расчетов. Наиболее распространенным из них является метод капиллярного насыщения почвенных проб с ненарушенным сложением. При этом насыщение почвенных образцов может производиться как сверху, так и снизу. К недостаткам этого метода следует отнести способность почвенных частиц увеличивать свой объем при насыщении их водой. Это несколько уменьшает скважность в исследуемой почве.

Для определения строения пахотного слоя почвы методом насыщения в патронах (цилиндрах) отбирают почвенные образцы с ненарушенным сложением при помощи бура со съемными патронами (цилиндрами) различной конструкции; чаще всего высотой 5 и 10 см и объемом 100; 200; 500 и 1000 см³. Имеются также буры с навинчивающейся к цилиндру штангой (рис. 7).

Рис. 7. Патрон с навинчивающейся ручкой для взятия почвенного образца

с ненарушенным строением

Перед взятием почвенной пробы записывают номер патрона (цилиндра) в соответствии с глубиной взятия образца и наименование участка, измеряют диаметр режущей части патрона (цилиндра) с внутренней стороны (Д), его высоту (Н) и определяют массу (Р₀) путем взвешивания вместе с крышкой на весах. Все данные, полученные в ходе анализа по определению строения пахотного слоя почвы, удобно записывать в виде формы 3.

Установив бур вертикально поверхности почвы, надавливанием на ручку вводят его в почву на заданную глубину. Достигнув нужной глубины, бур поворачивают несколько раз по часовой стрелке, чтобы оторвать почвенную пробу в патроне (цилиндре) от остальной массы, после чего бур вынимают из почвы. Лишнюю почву на нижнем конце патрона (цилиндра) срезают ножом вровень с краями и закрывают крышкой, патрон (цилиндр) отсоединяют от штанги, очищают от прилипшей почвы, закрывают второй крышкой, складывают в ящик и переносят в лабораторию.

Определение строения пахотного слоя почвы методом

капиллярного насыщения

В лаборатории патрон (цилиндр) с почвой взвешивают вместе с крышками (Р₁) и ставят в открытом виде в ванну для капиллярного насыщения образца водой. Для этого держат патрон (цилиндр) в перевернутом положении и снимают нижнюю крышку, а вместо нее накладывают кусок фильтровальной бумаги. Если почва сухая и сильно сыпучая, то сверху фильтровальной бумаги обвязывают марлей или надевают специальную крышку-сетку. Диаметр фильтровальной бумаги должен быть несколько больше, чем диаметр патрона (цилиндра). Затем патрон (цилиндр) переворачивают и ставят на подставку в ванночку и снимают верхнюю крышку (рис.8).

Рис.8. Капиллярное насыщение образца почвы в патроне

Чтобы не перепутать крышки, их помещают обратной стороной сверху патрона (цилиндра). После этого ванночку заливают водой так, чтобы она не соприкасалась непосредственно с почвой в патроне (цилиндре). Через фильтровальную бумагу, концы которой опущены в воду, почвенные капилляры постепенно начинают поглощать влагу. Насыщение продолжают до установления постоянной массы, для чего патрон (цилиндр) с почвой периодически взвешивают на весах. Затем патрон (цилиндр) снимают с подставки, закрывают верхней крышкой и, придерживая снизу фильтровальную бумагу, вынимают его из ванны, переворачивают и ставят на стол закрытым концом вниз. Затем снимают фильтровальную бумагу, а приставшую к ней почву очищают в патрон (цилиндр) и закрывают нижней крышкой, после чего патрон (цилиндр) с влажной почвой взвешивают (Р₂) с точностью до 0,1 г для больших патронов (>500 см³) и до 0,01 г - для малых.

Для определения влажности отбирают две средние по всей высоте патрона (цилиндра) пробы в предварительно взвешенные алюминиевые стаканчики (m₀). Номера их записывают по принадлежности к номерам патронов (цилиндров). После этого патроны (цилиндры) освобождают от почвы, моют и сушат.

Алюминиевые стаканчики вместе с крышкой и почвой взвешивают с точностью до 0,01 г (m₁) и помещают в сушильный шкаф для высушивания до постоянной массы при температуре 105 градусов.

Форма 3

Результаты определения строения пахотного слоя почвы методом

насыщения в патронах

Почва_________________________________

Место взятия образца____________________

Дата___________________________________

	Показатель	Буквенное обозначение	Ед. измерения	Слой почвы, см
				0-5	10-20	20-30
1.	2	3	4	5	6	7
	Номер патрона (цилиндра)	-	-
	Диаметр патрона	Д	см
	Высота патрона	Н	см
	Объем образца почвы в патроне	V	см
	Масса пустого патрона	Po	г
	Масса патрона с почвой до насыщения	P1	г
	Масса патрона с почвой после насыщения	P2	г
	Номер алюминиевого стаканчика	-	-
	Масса алюминиевого стаканчика	m0	г
	Масса алюминиевого стаканчика с влажной почвой до сушки	m1	г
	Масса алюминиевого стаканчика с почвой после сушки	m2	г
	Влажность почвы после насыщения	W	%
	Масса абсолютно сухой почвы в патроне	M	г
	Удельная масса почвы	γ	г/см^3
	Объем твердой фазы почвы	VT	см^3
	Объем твердой фазы почвы к объему образца	V^1T	%
	Общий объем почвенных пор	Vc	см^3
	Общая скважность	O	%
1	2	3	4	5	6	7
	Объем капиллярных пор	VК	см^3
	Капиллярная скважность	OК	%
	Объем некапиллярных пор	VН	см^3
	Некапилларная скважность	OН	%
	Объемная масса	d	г/см
	Влажность почвы при взятии образца	W1	%
	Степень аэрации почвы до насыщения	VA	%
	Доля пор, занятых водой при отборе образца почвы в % от общего объема	VB	%
	Общий запас воды в изучаемом слое почвы при взятии образца.	W2	мм
	Степень аэрации после насыщения водой (при капиллярной влагоемкости)	VA	%

После высушивания стаканчики с почвой извлекают из сушильного шкафа, охлаждают в эксикаторе и взвешивают (m₂).

Следует отметить, что влажность почвы после насыщения будет характеризовать капиллярную влагоемкость.

Расчеты по определению строения пахотного слоя почвы производятся в следующей последовательности.

Пример расчета строения для слоя почвы 0-10 см.

Исходные данные: диаметр патрона Д = 5,5 см;

высота патрона Н - 10 см;

масса пустого патрона Ро - 162,8 г;

масса патрона с почвой до насыщения Р₁ - 521,4 г;

масса патрона с почвой после насыщения Р₂ - 561,5 г;

масса пустого бюкса m₀ - 24,0 г;

масса бюкса с влажной почвой m₁ - 40,5 г;

масса бюкса с почвой после сушки m₂ - 36,8 г.

Порядок расчета:

1. Объем почвенного образца с ненарушенным сложением (соответствует внутреннему объему патрона - V):

nД² 3,14 х 5,5²

V = ----------- = --------------- х 10 = 237,5 см³

4 4

2. Влажность почвы после насыщения (W):

(m₁ - m₂) 100 (40,5 - 36,8) х 100 3,7 х 100

W = ---------------------- = ------------------------ = --------------- = 28,9%

m₂ - m₀ 36,8 - 24,0 12,8

3. Масса абсолютно сухой почвы в патроне (М):

(P₂ - P₀ ) 100 (561,5-162,8)

М = -------------------------- = ------------------------ = 309,3 г

100 + W 100 + 28,9

4. Объем твердой фазы почвы (Vт):

М 309,3

Vт = ------- = ---------- = 118,0 см³

y 2,62

5. Объем твердой фазы почвы в процентах к общему объему почвы (V¹_т):

V_т 100 118,0 х 100

V¹_т = -------------- = ------------------- = 49,7%

V 237,4

6. Суммарный объем капиллярных и некапиллярных пор (V_с):

V_с = V - V_т = 237,4 - 118,0 = 119,4 см³

7. Общая скважность (О):

V_c 100 119,4 х 100

О = --------------- = ------------------- = 50,3%

V 237,4

8. Объем капиллярных пор (V_к):

V_к = (Р₂ - Р₀) - М = (561,5 - 162,8) - 309,3 = 89,4 см³

9. Капиллярная скважность (О_к):

W х 100 89,4 х 100

О_к = ------------ = ------------------ = 37,6 %

V 237,4

10. Объем некапиллярных пор (Vн):

Vн = Vс - Vк = 119,4 - 89,4 = 30,0 см³

11. Некапиллярная скважность (Он):

V_н х 100 30,0 х 100

О_н = ------------------ = ---------------- = 12,7 %

V 237,4

12. Отношение некапиллярной скважности к капиллярной (С):

О_н 12,7

С = ----- = -------- = 0,33

О_к 37,6

13. Объемная масса почвы (d):

М 309,3

d = ----- = ------------ = 1,30 г/см³

V 237,4

14. Влажность почвы при взятии образца (W):

(Р₁ - Р₀) - М (521,4 - 162,8) - 309,3 4900

W₁ = ------------------ х 100 = ------------------------------ х 100 = -------- = 15,9%

М 309,3 309,3

15. Степень аэрации почвы до насыщения (V_А) - доля пор, занятых воздухом при отборе образца):

Vc - (P₁ - P₀ - M) 119,4 - (521,4-162,8-309,3) х 100

V_А = ------------------------ х 100 = ------------------------------------------ = 58,7%

V_c 119,4

16. Степень насыщения почвы водой (V_в - доля пор, занятых водой при отборе образца в процентах от общего объема пор):

(Р₁-Р₀ - М) (521,4-162,8-309,3) х 100

V_в = ------------------- 100 = ------------------------------------- = 41,3

Vc 119,4

17. Общий запас воды в изучаемом слое почвы при взятии образца (W₂):

W₁ d H 15,8 х 1,3 х 10

W₂ = ----------------- = ---------------------- = 20,5 мм/га, или 205 м³/га

10 10

18. Степень аэрации после насыщения (при капиллярной влажности - V_A):

Vc - (Р₂-Р₀ - М) 119,4 - (561,5 - 162,8 - 309,3)

V^!_А = ------------------- 100 = ------------------------------------- 100 = 25,1%

Vc 119,4

Численное значение удельной массы (g ) выдается преподавателем или определяется с помощью пикнометра.

Определение строения пахотного слоя почвы насыщением

водой сверху

В условиях глубокого залегания грунтовых вод (более 3-4 м), когда пахотный и корнеобитаемый слои почвы не соприкасаются с ее зеркалом, капиллярное насыщение - явление не типичное для зоны Северного Казахстана. Здесь для характеристики строения пахотного слоя почвы по дифференциальной скважности целесообразно пользоваться не капиллярной влагоемкостью, а более устойчивым показателем - наименьшей влагоемкостью (НВ). Поэтому в этих условиях наиболее приемлемо определение строения пахотного слоя почвы методом насыщения образца сверху. Он аналогичен определению наименьшей влагоемкости почвы с нарушенным сложением.

Отобранные с помощью бура почвенные образцы с ненарушенным сложением и доставленные в лабораторию взвешивают вместе с патроном и крышками (Р₁), переворачивают и снимают нижнюю крышку. Затем на поверхность почвы накладывают кружок фильтровальной бумаги и обвязывают марлей, используя для этого резиновый жгут. После этого патрон снова ставят в первоначальное положение, открывают верхнюю крышку и наращивают металлическим кольцом высотой 3-4 см того же диаметра, что и патрон, используя для этого липкую ленту.

Для насыщения патрон с почвенной пробой ставят в ванночку (кювет, кристаллизатор) на невысокую подставку. Затем на поверхность почвы сверху патрона кладут кружок фильтровальной бумаги и наливают воду слоем 2-3 см. Такой слой воды поддерживают путем постоянного доливания до тех пор, пока вода не выступит в нижней части патрона. После этого невпитывающуюся воду с верхней части патрона осторожно сливают, патрон с почвой ставят на воздушно-сухую почву, просеянную через сито с диаметром отверстия 0,25 или 0,5 мм, для отсасывания гравитационной воды. По истечении одного часа отсасывание прекращают (на лабораторных занятиях с целью экономии времени продолжительность отсасывания сокращают до 15-20 минут), патроны закрывают крышками и взвешивают (Р₂), после чего из образца берут почвенные пробы в алюминиевые стаканчики и определяют влажность почвы методом сушки. Она будет соответствовать наименьшей влагоемкости. Дальнейший ход работы аналогичен определению строения пахотного слоя почвы методом капиллярного насыщения почвенного образца снизу. Расчеты можно вести и по упрощенной схеме:

1. Объем патрона (V):

пД²

V = --------- Н (см³).

4

2. Влажность почвы (W) после насыщения:

(m₁ - m₂) 100

W = ------------------- % .

(m₂ - m₀)

3. Масса абсолютно сухой почвы в патроне (М):

(Р₂ - Р₀) 100

М = -------------------- г.

100 + W

4. Объемная масса (d):

М

d = -------- г/ см³.

V

5. Общая скважность (О):

γ - d d

О = ------------ 100% или О = (1 - -----) 100%.

γ γ

6. Объемная влажность почвы (капиллярная скважность):

W_ОБ = W d %. (14)

7. Пористость устойчивой аэрации (некапиллярная скважность):

О_АЭР = V - W_ОБ. (15)

8. Отношение объемной влажности к пористости устойчивой аэрации (С):

V_ОБ

С = ---------- . (16)

О_АЭР

Пикнометрический метод определения строения пахотного слоя почвы

Более быстрым, но менее точным является пикнометрический метод определения строения пахотного слоя почвы (рис. 9).

Рис.9. Пикнометры шаровидной (1) и конической (2) формы

Для этого метода необходимо заранее знать, кроме удельной массы твердой фазы почвы, капиллярную влагоемкость. При этом условно допускают постоянство капиллярной влагоемкости.

Взятую буром пробу почвы определенного объема (V) и массы (М) с ненарушенным сложением помещают через воронку в пикнометр с известным объемом (V_о) и массой (m_о), закрывают пробкой и взвешивают (m₁).

Затем, наполнив на 2/3 пикнометр водой комнатной температуры, все содержимое его тщательно перемешивают стеклянной палочкой, чтобы на дне не оставалось комков почвы.

После оседания почвы на дно пикнометра (минут через 15 после перемешивания) осторожно, не взмучивая содержимое, по стенке пикнометра доливают воду до половины горлышка (до метки), удаляют из него пузырьки воздуха, закрывают пробкой, вытирают и взвешивают (m₂).

Всякое тело, погруженное в воду, теряет в своей массе столько, сколько весит вытесненная им вода. Разность между массой пикнометра с водой + почва (m₂) и массой пикнометра с чистой водой (m₃) дает привес. Он равен массе абсолютно сухой почвы (m), находящейся в пикнометре, за вычетом массы воды (m₄), содержащейся в данном объеме почвы, когда все поры ее заполнены водой:

m₂ - m₃ = m - m₄.

Далее, обозначив удельную массу твердой фазы почвы через γ, а воды - γ ₁, объем твердой фазы почвы - V_т, равный объему воды, находим:

m = V_т γ и m₄ = V_т γ ₁ .

Подставляя эти значения в приведенное выше равенство, получим:

m₂ - m₃ = V_т γ - V_т γ ₁ = V_т (γ - γ ₁),

m₂ - m₃

отсюда V_т = ------------- см³.

γ - γ ₁

Так как удельная масса воды (γ ₁) при температуре 4 градуса равна 1, то объем твердой фазы почвы будет равен:

m₂ - m₃

V_т = -------------. (17)

γ -1

Общую скважность (О) определяют как разность между объемом образца почвы (V) и ее твердой фазы (V_т):

V - V_т

О = V - V_т (см³) или О = ------------ 100 (%) . (18)

V

Капиллярную скважность (О_к) определяют исходя из заранее известного значения капиллярной влагоемкости (W_к) и массы абсолютно сухой почвы (m) по формуле:

V W_к m W_к

О_к = ----------------- (см³) или О_к = ------------- 100 (%). (19)

100 V

Вычитая из общей скважности (О) капиллярную (О_к), получают некапиллярную скважность (О_н):

О_н = О - О_к %.

Отношение некапиллярной скважности к капиллярной характеризует строение пахотного слоя почвы.

Зная объем (V) и массу (m) абсолютно сухой почвы, взятой для анализа, легко определить объемную массу (d):

m

d = ------ г/см³ .

V

Далее можно рассчитать влажность почвы в момент взятия образца:

(m₁ – m₀) - m

W = -------------------- 100%.

m

Записи при определении строения пахотного слоя почвы пикнометрическим методом ведут по форме 4.

По результатам расчетов дается качественная оценка порозности устойчивой аэрации, используя при этом приведенную ниже шкалу, и рекомендации по регулированию строения пахотного слоя почвы.

По величине устойчивой аэрации почвы подразделяются на следующие группы:

> 25% - высокая

10-25% - повышенная

15-20% - средняя (нормальная)

5-10% - низкая

< 5% - очень низкая

Оптимальное соотношение некапиллярной и капиллярной скважностей для степной и сухостепной зон Северного Казахстана лежит в пределах 0,25-0,5.

Общая скважность основных типов почв Казахстана представлена в приложении 2.

Форма 4

Результаты определения пахотного слоя почвы пикнометрическим методом

Почва_________________________________

Место взятия образца____________________

Дата___________________________________

№ п/п	Показатели	Буквенное обозначение	Ед. измерения	Слой почвы, см
				0-5	10-20	20-30
1.	2	3	4	5	6	7
	Диаметр патрона	Д	см
	Высота патрона	Н	см
	Объем образца в патроне, взятого для анализа	V	см^3
	Номер пикнометра	-	-
	Масса пустого пикнометра	m0	г
	Масса пикнометра с почвой	m1	г
	Масса пикнометра с почвой и водой	m2	г
	Масса пикнометра с водой	m3	г
	Масса воды в пикнометре	m4	г
	Масса абсолютно сухой почвы	m	г
	Объем твердой фазы почвы	V1	см^3
	Общая скважность	О	%
	Капиллярная скважность	Ок	%
	Некапиллярная скважность	Он	%
	Объемная масса почвы	d	г/см^3
	Влажность почвы при взятии образца	W	%
	Капиллярная влагоемкость^х	Wк	%
	Удельная масса почвы ^х	γ	г/см^3

Примечание: х - численные значения на лабораторных занятиях выдаются преподпавателем.

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Из каких фаз состоит почва?

2. Какие поры различают в почве?

3. Что такое капиллярная и некапиллярная скважность почвы?

4. Какое значение имеет строение пахотного слоя почвы в жизни растений?

5. Как определяются общая, капиллярная и некапиллярная скважности почвы?

6. Каковы оптимальные параметры строения пахотного слоя почвы для зон с недостаточным увлажнением?

7. Что такое порозность устойчивой аэрации?

8. Какие приемы применяют для создания оптимального строения пахотного слоя почвы?

Рекомендуемая литература

1. Агрофизические методы исследования почв. Под ред. С.И.Долгова. - М.: Наука, 1986.

2. Вадюнина А.Ф., Карчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986, с. 105-112.

3. Доспехов Б.А., Васильев И.П., Туликов А.М. Практикум по земледелию. - М.: Агропромиздат, 1987, с. 18-30.

4. Дояренко А.Г. Избранное сочинение. - М.: Сельхозиздат, 1963, с. 203-223.

5. Иванников А.В., Шрамко Н.В., Мукажанов К.М. Земледелие Северного Казахстана. - Астана, 1999, с. 25-30.

6. Карипов Р.Х. Влияние сложения верхнего слоя почвы на испарение влаги. Материалы научно-технической конференции Акмолинского Агроуниверситета "Казахстан 2030". Стратегия развития науки, образования и культуры. – Акмола, 1998, с. 25-25.

7. Качинский Н.А. Физика почвы. - М.: 1985, с. 169-200.

7. Смородин Г.С. О типах сложения и приемах обработки почвы. - В кн.: Теоретические вопросы обработки почвы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1996, с. 136-139.