Почвоведение Уч пос_Николаева Т.Н. 2005

вах почвенный воздух может содержать заметные количества NH3,

CH4, H2, H2S.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное количество кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль. Полный анаэробный процесс, согласно И.П. Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5 %, однако длительное сохранение концентрации О2 около 10-15 % уже угнетает воздухолюбивые культуры. При содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет. Концентрация кислорода в различных почвах в разные сезоны колеблется в широких пределах от десятых долей до 21 %. Оптимальные условия для развития растений создаются при его содержании около 20 %. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв.

Углекислый газ. По мнению некоторых ученых, углекислый газ атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО2. На протяжении суток почвы выделяют от 10-20 до 100 кг СО2 с 1 га. Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации СО2 в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50-100-процентный прирост урожая). В то же время, избыток СО2 в составе почвенного воздуха (более 3 %) угнетает развитие процессов, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентрации СО2 в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3-3,0 %. Однако при оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при высокой его концентрации.

61

Почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода весьма существенна. Вода, насыщенная СО2, растворяет многие труднорастворимые соединения: кальцит CaCO3, доломит CaCO3 MgCO3, магнезит MgCO3, сидерит FeCO3. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО2 в почвенном воздухе и

впочвенном растворе называется процессом декарбонизации.

Квоздушным свойствам почв относятся воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость – та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. В сухих почвах она может колебаться в пределах 25-90 % от объема почвы. Однако в природных условиях почва всегда содержит влагу, и ее воздухоемкость ниже указанных пределов. Нормальная аэрация обеспечивается при воздухоемкости более 15 % от объема почвы.

Воздухоемкость почв зависит также от гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Различают капиллярную воздухоемкость, характерную для тяжелосуглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв, и некапиллярную, т.е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер, достигающую максимальных значений в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать воздух. Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее оструктуренности, от объема и строения порового пространства. Воздух передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Крупные поры аэрации способствуют лучшей воздухопроницаемости, увеличению в почвенном воздухе содержания кислорода и уменьшению углекислого газа. Наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости создаются в структурных почвах. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется

вшироких пределах (от 0 до 1 л/с и выше).

62

6.2. ГАЗООБМЕН МЕЖДУ ПОЧВОЙ И АТМОСФЕРОЙ

Между почвенным воздухом и внешней атмосферой существует постоянный газообмен (или аэрация) через воздухоносные поры почвы. К факторам, вызывающим аэрацию, относятся следующие:

атмосферные условия (колебания температур воздуха и атмосферного давления, количество осадков, ветер и пр.);

физические свойства почвы;

физические свойства газов (скорость диффузии, градиенты концентрации газов в почвенном профиле и в атмосфере, способность к сорбции-десорбции и пр.);

обменные физико-химические реакции между ППК, почвенным раствором и газовой фазой;

поступление влаги в почву с осадками или при орошении. Все указанные факторы газообмена действуют в природных

условиях совместно. Однако основным следует признать диффузию,

аостальные являются подчиненными.

Впочве диффузия газов идет через поры аэрации, часть которых занята защемленным воздухом, и газообмен через них не осуществляется. Такие макропоры имеются во всех почвах, но их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах. Поэтому состояние газообмена связано не только с суммарным количеством пор, но и с их размером, что зависит, главным образом, от структуры почвы и плотности сложения. В структурной почве даже при насыщении водой ее капиллярных пор сохраняется достаточное количество крупных межагрегатных пор аэрации, которые обеспечивают нормальный газообмен. При увлажнении бесструктурной почвы до полной влагоемкости все ее поры оказываются заполненными водой и аэрация прекращается. В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и других газов.

Скорость газообмена зависит от влажности почвы. При влажности, не превышающей наименьшей влагоемкости (НВ), обмен газами совершается свободно, концентрация кислорода в поч-

63

венном воздухе близка к концентрации его в атмосфере, а концентрация СО2 не больше 4 % (обычно 1,5-2 %). При влажности, большей НВ, газообмен ухудшается, концентрация СО2 может увеличиться до 10-15 % и более, а содержание О2 снизиться до 5-10 %. Наблюдения и расчеты показывают, что хороший газообмен между почвенным и атмосферным воздухом на дерново-подзолистых почвах обеспечивается при пористости аэрации более 15-20 % к объему почвы, для торфяных почв – 30-40 %. При таких условиях аэрации в почвах наблюдается благоприятный состав почвенного воздуха: содержание CO2 обычно не превышает 2-3 %, а концентрация кислорода не падает ниже 18 %.

Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе зависит от типа почвы, ее свойств (физических, химических, биологических), времени года, погодных условий и характера угодья (пашня, лес, луг). В почвах нормального увлажнения концентрация двуокиси углерода обычно растет сверху вниз (табл.8). Наибольшей величины она достигает над уровнем грунтовых вод даже при хорошем газообмене.

Содержание O2		и CO2	в почвенном воздухе, % по объему					Таблица 8
	(Московская область, июль)
Глубина взятия	Дерново-подзолистая почва					Дерново-глеевая
пробы, см		O2		CO2		O2		CO2
5		20,9		0,1		19,3		1,3
15		20,8		0,3		18,3		2,5
35		20,7		0,3		2,9		16,8
60		20,6		0,5		2,2		19,5
100		20,4		0,7

Сильное влияние на поглощение О2 и выделение СО2 почвой оказывает тепловой режим. При увеличении температуры с 5 до 30 С интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз. Летом почва поглощает кислорода и выделяет углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

64

6.3.ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВПОЧВАХ

Впочве широко развиты окислительно-восстановительные процессы, и в этом отношении ее можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему. Окислительные процессы протекают при превращениях органического вещества в почве, а гумификация представляет собой в основном процесс окислительный.

Большинство реакций окисления органических веществ почвы относится к группе необратимых. Обратимыми являются реакции окисления и восстановления железа, марганца, азота, кислорода

иводорода, серы. Основным окислителем в почве является молекулярный кислород почвенного воздуха и раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов в почвах тесно связано с условиями их аэрации и зависит от свойств почвы, определяющих газообмен, прежде всего влажности. Интенсивность микробиологических процессов в почве непосредственно влияет на развитие окис- лительно-восстановительных процессов.

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) по-

зволяет количественно оценить окислительно-восстановительное состояние почвы. Он отражает суммарное воздействие различных окислительно-восстановительных процессов в почве в данный момент. Чем выше концентрация окислителя, тем больше потенциал. Окислительно-восстановительный потенциал по отношению к водороду Eh измеряется в милливольтах.

Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от ее генетических свойств и от состояния водновоздушного и температурного режимов. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки и других причин снижает окислительно-восстано- вительный потенциал. Наиболее резко он падает при влажности, близкой к полной влагоемкости. Существенно влияют на окисли- тельно-восстановительные процессы в почве содержание и формы органических веществ. Свежее неразложившееся органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами, необходимыми для жизнедеятельности микрофлоры, способствует ин-

65

тенсивному развитию восстановительных процессов в избыточно увлажненной почве.

Величина ОВП в периоды хорошей аэрации в различных почвах колеблется от 350 до 750 мВ. При интенсивном развитии восстановительных процессов, при ОВП ниже 200 мВ, в почве развивается оглеение и накапливаются вредные для жизни растений соединения. При ОВП выше 750 мВ в почве развивается полный аэробиоз и нарушаются процессы питания растений. Для большинства почвенных типов характерна неоднородность окислительновосстановительного состояния их профиля как по глубине, так и в пределах одного генетического горизонта в отдельных его участках и во времени.

Окислительно-восстановительный режим почв – соотно-

шение окислительно-восстановительных процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования, поскольку динамику этих процессов определяет сезонная изменчивость водно-воздуш- ного, температурного и микробиологического режимов. Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

абсолютное господство окислительной обстановки, характерное для автоморфных почв степей, полупустынь и пустынь (черноземы, каштановые, серо-коричневые, сероземы и др.);

преобладание окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной зоны и др.);

контрастный режим, свойственный полугидроморфным почвам различных зон и почвам с явлениями временного избыточного увлажнения (подзолистые, дерново-подзолистые, бурые лесные, солоди, солонцы и др.);

4) устойчивый восстановительный режим (болотные и гидроморфные солончаки).

Наиболее изменчивы показатели ОВП в верхних, обогащенных органическим веществом, горизонтах, где увлажнение почвы меняется в широких пределах и интенсивно протекают микробиологические процессы. Нижние, бедные органическим веществом горизонты обычно имеют более высокие показатели ОВП.

66

7.ФИЗИЧЕСКИЕ, ВОДНЫЕ

ИМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

7.1.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Почва, как любое природное тело, обладает такими общими физическими свойствами как плотность, плотность твердой фазы, плотность скелета, пористость и влажность.

Плотность почвы представляет собой массу единицы ее

объема при естественных влажности и сложении. Она зависит от плотности твердой фазы, пористости и влажности. Обычно чем выше плотность твердой фазы, тем выше и плотность почвы; чем более рыхлую упаковку имеют частицы в единице объема почвы, тем меньше ее плотность.

Плотность твердой фазы тв или м – масса ее твердой части в единице объема. Так как почва вся состоит из частиц различных веществ, плотность ее твердой фазы представляет собой среднюю величину из плотности этих веществ.

Основная часть минеральной массы почвы состоит, как известно, из кварца, полевых шпатов и глинистых минералов, поэтому плотность твердой фазы в тех горизонтах, которые содержат лишь незначительное количество гумуса, близка к плотности этих минералов (табл.9). Она равна в среднем 2,65-2,70 г/см3. В верхних гумусовых горизонтах плотность твердой фазы составляет 2,4-2,6 г/см3, а в чисто органогенных 1,4-1,8 г/см3.

			Таблица 9
Плотностьважнейших минералов почвы и гумуса
Минералы и органи-	Плотность твердой	Минералы и органи-	Плотность твердой
ческие компоненты	части, г/см3	ческие компоненты	части, г/см3
Гипс	2,30-2,35	Лимонит	3,50-4,00
Кварц	2,60-2,65	Гетит	3,70
Плагиоклазы	2,67-2,74	Кальцит	2,71
Мусковит	2,76-3,00	Каолинит	2,60
Роговые обманки	2,90-3,40	Гумус	1,25-1,80
			67

Плотность скелета почвы ск – масса единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном сложении (со всеми порами). О плотности скелета можно говорить только, если все поры почвы заполнены воздухом. Плотность скелета почвы всегда меньше плотности твердой фазы и меняется в широких пределах: плотность скелета минеральных почв 0,9-1,8 г/см3, болотных торфяных 0,15-0,40 г/см3. Верхние горизонты почв имеют меньшую плотность скелета, чем нижние уплотненные. Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная величина плотности скелета на суглинистых и глинистых почвах 1-1,2 г/см3.

Пористость (порозность, или скважность) n соответству-

ет суммарному объему всех пор между частицами твердой фазы почвы. Ее выражают в долях единиц или процентах от общего объема почвы. В зависимости от величины пор различают капиллярную (диаметр от 1 до 0,001 мм и менее) и некапиллярную пористость (диаметр более 1 мм). Размер пор зависит от механического и агрегатного состава: чем легче почва по механическому составу, тем больше размер пор. Сумма всех видов пористости составляет общую пористость почвы. С пористостью почвы связаны рыхлость и степень аэрируемости почвы и, следовательно, рост растений. В разных горизонтах минеральных почв пористость изменяется в широких пределах (25-80 %): в гумусовых горизонтах 50-60 %, в болотных торфяных почвах 80-90 %. Наибольшей порозностью обладают почвы с хорошо выраженной структурой, наименьшей – песчаные и оглеенные почвы. Для сельскохозяйственных культур оптимальной считается пористость 45-50 %.

Самые благоприятные условия увлажнения и воздухообеспеченности складываются в почвах при соотношении капиллярной и некапиллярной пористости 1:1. В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую пористость капилляров, заполненную водой, и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30-40 % в торфяных почвах.

Влажность w оценивает количественное содержание воды в почве. Численно влажность почв выражают отношением массы воды, заполняющей поры, к массе сухой почвы в долях единиц или в процентах от массы сухой почвы. Для полевых ис-

68

следований рекомендуется использовать специальную шкалу влажности почв.

В зависимости от количества влаги глинистые почвы меняют свое состояние: добавление воды к изначально сухой почве делает ее пластичной, а затем и текучей. Поэтому для тяжелых почв выделяют два критических состояния влажности (пределы Аттерберга): влажность на границе текучести wт (верхний предел) и влажность на границе раскатывания wр (нижний предел). В интервале между этими значениями влажности почва обладает пластичностью, а разность между их числовым выражением представляет собой число пластичности Iр. Под пластичностью понимают способность почвы изменять свою форму под влиянием какой-либо внешней силы без нарушения ее сплошности и сохранять приданную форму после устранения этой силы. Пластичность теснейшим образом связана с механическим составом почв: для почв глинистого состава Iр > 0,17; суглинистых Iр = 0,07 0,17; супесчаных Iр 0,07. Существенно влияют на пластичность состав коллоидной фракции почвы, состав поглощенных катионов и содержание гумуса.

7.2. ВОДНЫЕ СВОЙСТВА

Разнообразные формы почвенной влаги определяют следующие водные свойства почв: влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемную способность.

Влагоемкость – способность почвы вмещать и удерживать определенное количество воды. В зависимости от сил, удерживающих влагу в почве, различают максимальную адсорбционную, гигроскопическую, капиллярную, наименьшую и полную влагоемкость.

Полной влагоемкости соответствует полное насыщение почвы водой. Такое состояние почв возникает при залегании грунтовых вод у поверхности, когда на водоупорном слое скапливаются гравитационные воды, заполняя все поры почвы над водоупором или скапливаясь в понижении водоупорного слоя.

Наименьшая влагоемкость (в инженерно-геологической практике ее называют максимальной молекулярной) соответствует

69

максимальному количеству физически связанной пленочной воды, которое может удержать почва на поверхности своих частиц сорбционными силами при ее отжатии из тяжелых почв или свободном гравитационном стоке из почв легкого состава. Величина наименьшей влагоемкости зависит от механического, минералогического и химического состава почвы, ее плотности и пористости.

Капиллярная влагоемкость – максимальное количество влаги, удерживаемой над уровнем грунтовых вод капиллярными (менисковыми) силами. Она, помимо мощности слоя, зависит от того, на какой высоте от зеркала грунтовых вод находится слой почвы: чем меньше эта высота, тем больше капиллярная влагоемкость. Величина ее обусловлена общей и капиллярной пористостью, а также плотностью почвы. Так как у тяжелых почв поры преимущественно капиллярные, то для них капиллярная влагоемкость равна или близка полной влагоемкости.

Способность сорбировать парообразную влагу называется гигроскопичностью, а поглощенная влага – гигроскопической. Сорбция воды зависит от механического, минералогического и химического состава почвы, а также от ее гумусированности. Когда относительная влажность воздуха приближается к 100 %, почва насыщается водой до величины максимальной гигроскопичности. По ее величине устанавливают влажность завядания растений. Отношение величины влаги завядания к максимальной гигроскопичности дает коэффициент завядания, который в подавляющем большинствеслучаев равняется 1,3-1,5.

Максимальная адсорбционная влагоемкость – наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемое сорбционными силами.

Наиболее влагоемкими являются гумусированные почвы тяжелого состава.

Водопроницаемость представляет собой способность почвы воспринимать и пропускать через себя воду. Поступая в почву, вода сначала быстро поглощается (впитывается) в результате образования пленочной и капиллярной форм почвенной влаги. Затем развивается процесс фильтрации, в котором принимает участие только гравитационная вода. Фильтрация может проявляться лишь при выпадении большого количества осадков, бурном снеготаянии или при

70