К основным водным свойствам почвы относят ее водопроницаемость, водоудерживающую и водоподъемную способности.
Водопроницаемость. Способность почвы впитывать и пропускать через себя воду называется водопроницаемостью. Ее можно разделить на две стадии. Первая стадия называется впитыванием. Она проявляется в более сухих почвах, когда свободные от влаги поры начинают заполняться водой. Вторая стадия — фильтрация. Она, как правило, проявляется во время обильных осадков. В это время в почве, которая уже полностью насыщена водой, влага начинает передвигаться под влиянием силы тяжести и градиента напора.
Интенсивность водопроницаемости почвы зависит от размера и количества пор. Легкие песчаные и супесчаные почвы, имеющие большое количество крупных пор, всегда отличаются высокой водопроницаемостью. Даже после выпадения большого количества атмосферных осадков вода на поверхности таких почв практически не задерживается и очень быстро уходит в нижние горизонты.
В более тяжелых по гранулометрическому составу почвах уровень водопроницаемости зависит от их плотности и структурного состояния. Так, рыхлые, хорошо оструктуренные почвы всегда характеризуются более высоким значением данного показателя.
Влияет на водопроницаемость и состав поглощенных катионов. Например, почвы, насыщенные катионами Na+, при увлажнении сильно набухают и становятся для воды почти непроницаемыми.
Водоудерживающая способность. Это способность почвы удерживать в своих порах воду. Для характеристики водоудерживающей способности почвы введено понятие ее влагоемкости. Влагоемкостью называют наибольшее количество воды, которое может удерживать почва с помощью тех или иных сил. Обычно она выражается в процентах от массы сухой почвы.
Одним из факторов водоудерживающей способности почв является свойство почвенных частиц сорбировать на своей поверхности парообразную влагу. Такая способность почвы получила название гигроскопичности, а сама парообразная влага, удерживаемая на поверхности твердой фазы, — гигроскопической.
Величина гигроскопической влажности зависит от удельной поверхности почвы, содержания в ней гумуса, состава обменных оснований и минералов. Чем меньше размер почвенных частиц, тем выше их суммарная поверхность и тем большее количество парообразной влаги сорбируется ими. Гигроскопичность растет с увеличением гумуси- рованности почвы и емкости поглощения катионов. Влияние состава минералов на поглощение водяных паров почвой наиболее сильно проявляется при относительной влажности воздуха более 95%. При этом, например, частицы почвы, состоящие из монтмориллонита, сорбируют влаги больше, чем состоящие из иллита или каолинита.
Наибольшее количество рыхлосвязанной воды, которое почва может удерживать с помощью сил молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ). У песчаных почв ММВ не превышает 5...7%, а толщина пленки вокруг почвенных частиц составляет несколько десятков молекул. У глинистых почв максимальная молекулярная влагоемкость может достигать 25...30%, однако у них из-за меньшего диаметра пор пленка рыхлосвязанной воды значительно тоньше.
По мере накопления в почве влаги рыхлосвязанная вода постепенно переходит в воду, не связанную с почвенными частицами. Такая вода, как уже говорилось, называется свободной. В зависимости от степени увлажнения почвы она может занимать как капиллярные, так и некапиллярные поры. Если водой полностью заполнены все поры, то считается, что почва насыщена влагой до состояния полной влагоемкости.
Полной влагоемкостью (ПВ) называется наибольшее количество воды, которое может поглотить почва при полном заполнении водой всех ее пор. В таком состоянии почва может находиться длительное время лишь в том случае, если влага в крупных некапиллярных порах подпирается снизу грунтовыми водами. Если этого не происходит, то гравитационные воды стекают под действием силы тяжести вниз. В этом случае почва переходит в состояние увлажнения, называемое наименьшей или предельно-полевой влагоемкостью.
Наименьшая (предельно-полевая) влагоемкость (НВ или ППВ) — это наибольшее количество влаги, которое может удерживать почва после отекания гравитационной воды при отсутствии слоистости почвы и глубоком залегании грунтовых вод. Она зависит от гранулометрического состава, сложения и структурного состояния почвы. В хорошо оструктуренных тяжелых почвах значение данного показателя составляет 30...35% от массы сухой почвы, в песчаных почвах — 10... 15%.
По предельно-полевой влагоемкости судят о наибольшем количестве воды, которое почва может накопить и удерживать длительное время. В почве при влажности, соответствующей ППВ, создаются условия, при которых растения наиболее хорошо обеспечены влагой и воздухом. Зная предельно-полевую влагоемкость, можно рассчитать дефицит влаги в почве, который представляет собой разницу между ППВ и фактической влажностью почвы. По мере подсыхания почвы вода, находящаяся в капиллярах, перестает быть сплошной. Влажность почвы, при которой происходит разрыв сплошной воды в капиллярах, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Эта влага почти неподвижна, но доступна корням растений и микроорганизмам. Влажность разрыва капилляров характеризует нижний предел оптимальной влажности почвы, поэтому ее иногда называют критической. При влажности меньше нижнего критического предела происходит замедление развития растений и соответственно снижение их продуктивности. У суглинистых и глинистых почв ВРК составляет 65...70% от предельно-полевой влагоемкости.
Наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которое может удержать почва над уровнем грунтовых вод, называется капиллярной влагоемкостью (КВ). Она зависит от количества капиллярных пор и глубины залегания грунтовых вод. Чем ближе к почве располагаются грунтовые воды, тем выше ее капиллярная влагоемкость. Это объясняется тем, что при подпоре грунтовыми водами поры нижней части капиллярной каймы всегда больше заполнены влагой, чем верхней. При этом в самой верхней части капиллярной каймы капиллярная влагоемкость почвы соответствует ее предельно-полевой влагоемкости.
Водоподъемная способность. Это способность почвы поднимать влагу по капиллярным порам из нижних слоев в верхние. Наиболее интенсивно вода передвигается за счет капиллярных сил в порах, диаметр которых находится в пределах 0,1...0,003 мм. С увеличением диаметра пор скорость поднятия воды увеличивается, однако высота ее подъема уменьшается. Поры, размер которых менее 0,003 мм, как правило, заполнены связанной пленочной влагой, и в них высота и скорость подъема воды заметно снижаются. Вода в таких порах передвигается только как пленочная.
Лекция № 10
Основные закономерности распространения почв.
Принципы построения современной классификации почв Разработка современной классификации почв исходит из следующих основных принципов.
1. Классификация почв должна опираться на основные свойства и режимы почв и обязательно учитывать процессы, их создающие, и условия почвообразования, т. е. должна быть генетической в широком смысле слова, объединяя экологический, морфологической и эволюционный подходы.
2. Классификация должна строиться исходя из строго научной системы таксономических единиц.
3. В классификации необходимо учитывать признаки и свойства, приобретенные почвами в результате хозяйственной деятельности.
4. Классификация должна раскрывать производственные особенности почв и способствовать их рациональному использованию в сельском и лесном хозяйстве.
Современные классификации почв по сравнению с прежними более полно учитывают морфологическое и микроморфологическое строение почвенного профиля, состав и свойства почв, главные процессы и режимы почвообразования, а также экологические условия. Принимаются во внимание также качественный состав органического вещества, особенности биологического круговорота веществ, внутрипочвенного выветривания и вопросы энергетики почвообразования. Все это позволяет глубже понять основные генетические особенности почв, дать агрономическую характеристику и провести сравнительную оценку их плодородия (бонитировку).
Каждый почвенный тип развивается «в однотипно-сопряженных биологических, климатических и гидрологических условиях и характеризуется ярким проявлением основного процесса почвообразования при возможном сочетании с другими процессами».
Характерные черты почвенного типа определяются:
- однотипностью поступления органических веществ и процессов их превращения и разложения;
- однотипным комплексом процессов разложения минеральной массы и синтеза минеральных и органо-минеральных новообразований;
- однотипным характером миграции и аккумуляции веществ;
- однотипным строением почвенного профиля;
- однотипной направленностью мероприятий по повышению и поддержанию плодородия почв».
Ниже почвенного типа предусматриваются следующие таксономические единицы: подтипы, роды, виды, разновидности и разряды почв. Эту нисходящую ветвь почвенной классификации (ниже почвенного типа) часто называют систематикой почв.
Подтипы почв выделяются в пределах типа, они являются переходными ступенями между типами. При выделении подтипов учитываются процессы, связанные как с подзональной, так и с фациальной сменой природных условий. Деление на фациальные подтипы проводится с учетом суммы активных температур почвы (> 10 °С) на глубине 20 см и продолжительности периода отрицательных температур почвы на той же глубине (в месяцах) (теплые, холодные, глубокопромерзающие и т.д.).
Роды почв выделяются в пределах подтипа, качественные генетические особенности их определяются влиянием комплекса местных условий: составом почвообразующих пород, химизмом грунтовых вод и т.д.
Виды почв выделяются в пределах рода и отличаются по степени развития почвообразовательных процессов (степени подзолистости, засоленности, глубине и степени гумусированности и т.д.) и их взаимной сопряженности.
Разновидности почв определяются по гранулометрическому составу верхних почвенных горизонтов и почвообразующих пород.
Разряды почв обуславливаются генетическими свойствами почвообразующих пород (плотные породы, аллювиальные, покровные и т.д.).
Закон горизонтальной (широтной) почвенной зональности. Сформулирован В.В.Докучаевым. Сущность его заключается в том, что поскольку важнейшие почвообразователи (климат, растительность и животный мир) закономерно изменяются в широтном направлении с севера на юг, то и главные (зональные) типы почв должны последовательно сменять друг друга, располагаясь на земной поверхности широтными полосами (зонами). Этот закон отражал главное положение докучаевского генетического почвоведения о том, что почва как особое природное образование есть следствие определенного сочетания факторов почвообразования, и явился вместе с тем результатом обобщения обширных географических исследований В. В. Докучаева по изучению почв Русской равнины.
Закон широтной почвенной зональности получил отражение в следующих двух главных проявлениях. Первое — в наличии на территории суши земного шара последовательно сменяющих друг друга почвенно-биоклиматических (термических) поясов, характеризующихся сходством природных условий и почвенного покрова, обусловленных общностью радиационных и термических показателей. При движении с севера на юг в пределах Северного полушария выделяют пять поясов: полярный, бореальный, суббореальный, субтропический и тропический. Аналогичные пояса могут быть выделены в Южном полушарии.
Второе проявление закона горизонтальной почвенной зональности выражается в разделении почвенно-биоклиматических поясов по совокупности условий почвообразования и общим чертам почвенного покрова на почвенные зоны — широтные полосы в связи с закономерной схемой не только термических условий, но и увлажнения и, как следствие, растительности.
Наиболее отчетливо широтные почвенные зоны обособляются на обширных равнинных пространствах внутри континентов (Русская равнина, Западная Сибирь и др.). Так, суббореальный пояс в пределах Центральной Евразии разделяется на следующие зоны: лесостепь (серые лесные почвы, оподзоленные, выщелоченные и типичные черноземы) — степь (черноземы обыкновенные и южные) — сухая степь (каштановые почвы) — полупустыня (бурые полупустынные почвы) — пустыня (серо-бурые пустынные, такыры, такыровидные и пустынные песчаные почвы). На территории материков, прилегающих к океаническим и морским бассейнам, такая последовательность в смене широтных почвенных зон нарушается из-за осложняющего влияния влажных воздушных масс, притекающих с обширных водных пространств, на изменение условий почвообразования (климата, растительности и почв).
Закон вертикальной почвенной зональности. Он гласит, что в условиях горного рельефа происходят закономерные последовательные изменения климата, растительности и почв в связи с изменением абсолютной высоты местности. По мере поднятия от подножия гор к их вершинам понижается температура воздуха в среднем на 0,5 °С на каждые 100 м абсолютных высот, что влечет за собой изменение количества выпадающих осадков и, как следствие, смен растительности и почв. Эти изменения проявляются в образовании вертикальных растительно-климатических и почвенных поясов (вертикальных зон). В общем виде последовательная смена зон аналогична их смене на равнинных пространствах при движении с юга на север.
Такая общая схема последовательной смены вертикальных почвенных зон может осложняться и нарушаться из-за особенностей горного рельефа (резкой смены абсолютных высот, крутизны и экспозиции склонов, типов макрорельефа — плоскогорье, межгорные впадины, разнообразие склонов и т. д.) и частой смены почвообразующих пород.
Конкретный состав почвенных вертикальных зон определяется положением горной страны в системе широтных зон и абсолютными высотами ее рельефа.
Закон фациальности почв. Заключается в том, что почвенный покров в отдельных меридиональных частях термических поясов и зон может заметно изменяться в связи с изменением климата под влиянием термодинамических атмосферных процессов. Эти изменения обусловлены близостью или удаленностью конкретных частей пояса или зоны от морских и океанических бассейнов, а также влиянием горных систем и т. д. Они проявляются в виде повышения или ослабления атмосферного увлажнения и континентальности климата.
Такие изменения сказываются на растительности и проявлении почвообразовательных процессов. Фациальные особенности почвенного покрова часто выражаются в дифференциации почв по температурному режиму (теплые, умеренные, холодные, непромерзающие, промерзающие, длительно промерзающие почвы и т. д.), в появляющихся различиях в строении профиля (мощности гумусовых горизонтов и др.) и свойствах зонального типа или подтипа почв, а иногда и в появлении новых типов в данной фации.
В качестве примера проявления закона фациальности можно привести территорию бореального пояса на Евроазиатском континенте. Здесь при движении с запада на восток более влажные и теплые условия климата постепенно сменяются нарастанием континентальности и холодности в Восточной Европе и далее на Территории Западной и Восточной Сибири. В дальневосточном Приморье вновь господствуют условия влажного океанического климата. В связи с таким изменением гидротермических условий наблюдается последовательная смена дерново-подзолистых умеренно теплых кратковременно промерзающих почв умеренными промерзающими (центр европейской части пояса) и далее умеренно холодными длительно промерзающими (южная часть таежной Сибири), затем появлением специфических типов мерзлотно-таежных (Восточная Сибирь) и буро-таежных почв (Приморье).
Закономерности в географии почв, проявляющиеся в форме законов широтной и вертикальной зональности и закона фациальности почв, являются следствием закономерности изменения биоклиматических условий на обширных территориях в связи с их широтным и меридиональным положением на материках.
Закон аналогичных топографических рядов. Отражает сходную закономерную смену почв по элементам мезо- и микрорельефа во всех зонах. Сущность этого закона заключается в том, что в любой зоне распределение почв на элементах рельефа имеет аналогичный характер: на возвышенных элементах залегают почвы, генетически самостоятельные (автоморфные), которым свойственны вынос подвижных продуктов почвообразования и аккумуляция малоподвижных; на пониженных элементах рельефа (шлейфы склонов, днища низин и западин, приозерные понижения, пойменные террасы и т. д.) расположены генетически подчиненные почвы (полугидроморфные и гидроморфные) с аккумуляцией подвижных продуктов почвообразования, приносимых с поверхностным и внутрипочвенным стоками с водоразделов и склонов; на склоновых элементах рельефа залегают переходные почвы, в которых по мере приближения к отрицательным формам рельефа возрастает аккумуляция подвижных веществ.
Структура почвенного покрова. Для территории любого хозяйства, часто отдельного поля и даже небольшого участка свойственна комбинация нескольких почв.
Вся совокупность почв конкретной территории называется ее почвенным покровом (ПП). Можно говорить о почвенном покрове Земли, отдельных материков, стран, хозяйств, их отдельных земельных участков и т. д.
В своей практической работе агроном всегда имеет дело не с одной какой-то почвой, а со всем их разноообразием, характеризующим почвенный покров конкретной территории. Для рационального использования почвенного покрова той или иной территории важно учитывать не только свойства и уровень плодородия каждой почвы участка, но и знать, сколькими контурами, какого размера и формы представлена каждая почва на этой территории, т. е. какой рисунок ПП образуют все почвы, его составляющие, на сколько близки или различны (контрастны) эти почвы по отношению друг к другу с точки зрения их агрономических качеств, определяющих условия и сроки полевых работ, набор возделываемых культур, применение удобрений и т. д.
Представление об этом дает знание структуры почвенного покрова (СПП). В основе учения о структуре почвенного покрова лежит понятие об элементарном почвенном ареале (ЭПА). Элементарный почвенный ареал — участок территории, занятый одной конкретной почвой самого низкого таксономического уровня (разряда), ограниченный со всех сторон другими ЭПА или непочвенными образованиями (карьером, водоемом и т. д.). Характеристика ЭПА определяется названием почвы, размерами и формой контура, а также расчлененностью его границ По размеру различают мелкоконтурные ЭПА (<1 га), среднеконтурные (1—20 га), крупноконтурные (>20 га).
Элементарные почвенные ареалы, сменяя друг друга, образуют почвенные комбинации (ПК), которые и характеризуют СПП конкретной территории.
Важнейшими характеристиками ПК являются их компонентный состав, размер входящих в них ЭПА и степень агрономического различия (контрастность) между ними.
Различают шесть (классов) почвенных комбинаций. Чем крупнее в почвенной комбинации площади ЭПА, чем они однороднее по агрономическим свойствам, тем агрономически благоприятнее СПП. И, наоборот, чем больше (контрастнее) в комбинации отличается одна почва от другой, чем меньше площади ЭПА, тем неблагоприятнее СПП в агрономическом отношении. В пятнистостях небольшие размеры ЭПА не играют заметной отрицательной роли, так как составляющие пятнистость почвы близки (неконтрастные) по своим агрономическим свойствам. Различают три группы СПП по их агрономическим качествам: агрономически однородные, агрономически неоднородные совместимые, агрономически неоднородные несовместимые.
Агрономически однородные СПП позволяют на участках (полях севооборотов и т. д.) применять одинаковый комплекс агротехнических и мелиоративных мероприятий, проводить посев и уборку в одни и те же оптимальные сроки и получать близкие урожаи сельскохозяйственных культур. Агрономически однородные СПП всегда можно включать в состав одного поля севооборота. Агрономически однородные СПП представлены пятнистостями, вариациями и ташетами. Например, СПП поля севооборота с комбинацией пятнистостей (мелкоконтурных выделов) черноземов среднемощных и мощных или вариациями дерново-слабо- и среднеподзолистых суглинистых почв.
К агрономически неоднородным совместимым СПП относятся территории, требующие при использовании почв массива небольших различий в системах агротехнических и мелиоративных мероприятий при общей их однотипности. При этом сроки полевых работ на контурах почв данной структуры близки, хотя урожаи могут заметно различаться. Такие СПП можно включать в состав одного поля. При этом необходимо осуществлять приемы выравнивания плодородия почв, составляющих СПП участка. Примером агрономически неоднородных совместимых СПП могут служить комбинации несмытых и слабосмытых почв.
Агрономически несовместимые СПП требуют качественно различных мероприятий, не допускают проведения основных полевых работ в одни и те же сроки. Они, как правило, не включаются в состав одного поля. В ряде случаев они могут быть включены в состав одного поля специализированных севооборотов (кормового, почвозащитного). При этом необходимо учитывать соотношение агрономически несовместимых почв в составе СПП, площади их контуров, характер границ, взаимное расположение и т.д. Как пример агрономической несовместимости СПП можно привести сочетание дерново-подзолистых почв плакоров и пологих склонов с сильнооглеенными почвами ложбин и западин, комбинации не засоленных и сильнозасоленных почв.
Лекция № 11