Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский педагогический государственный университет»

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина»

И.М. Ващенко, М.А. Габибов

ОСНОВЫ

ПОЧВОВЕДЕНИЯ

Учебное пособие Рекомендовано УМО по специальностям педагогического образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 050102 (032400) Рязань ББК УДК 631. В Печатается по решению редакционно-издательского совета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина»

в соответствии с планом изданий на 2007 год.

Рецензенты:

Я.В. Костин, д-р с.-х. наук, проф. (ГСХА им. П.А. Костычева) В.Е. Маркова, канд. с.-х. наук (Рязанский НИПТИ АПК) Ващенко, И.М. Основы почвоведения : учебное пособие / В23 И.М. Ващенко, М.А. Габибов ; Ряз. гос. ун-т им. С.А. Есенина. — Рязань, 2007. — 156 с.

IBSN 978-5-88006-502- Учебное пособие разработано в соответствии с учебной программой Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина в части почвоведения. В работе даны общие представления о почвоведении для студентов высших учебных заведений по специальности «Биология». В каждой главе кратко изложены основные вопросы, охватывающие учебный материал по почвоведению. В заключение даны вопросы и пояснения по лабораторным занятиям и приведены контрольные тесты для закрепления пройденного материала.

Ключевые слова: почвоведение, горизонт, оглеение, гранулометрический состав, коллоиды, песок, супесь, суглинок, глина.

ББК © Ващенко И.М., Габибов М.А., © Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет IBSN 978-5-88006-502-8 имени C.А. Есенина»,

ВВЕДЕНИЕ

Почвоведение является широкой естественнонаучной дисциплиной. Среди наук, с которыми соприкасается почвоведение, с одной стороны, — фундаментальные науки (математика, химия), методами которых почвоведение широко пользуется в научно-исследовательских целях, с другой стороны, — естественные, сельскохозяйственные и экономические науки, с которыми почвоведение находится в тесном контакте. Наиболее тесное соприкосновение почвоведение имеет с биологией, так как существует очень большая взаимосвязь флоры и фауны с почвой.

В подготовке биологов почвоведение имеет большое практическое значение. По данному предмету студенты получают теоретические и практические знания, которые они могут использовать в научной и педагогической деятельности. Почва является основным средством производства в сельском хозяйстве и характеризуется следующими важными особенностями, которые необходимо знать новому поколению: незаменимостью, ограниченностью, неперемещаемостью и плодородием.

Эти особенности подчеркивают необходимость исключительно бережного отношения к почвенным ресурсам и постоянной заботы о повышении плодородия почв в связи с обострившейся экологической ситуацией.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

Первые попытки обобщения знаний о почве, накопленных земледельцами, относятся к античному периоду. Так, в сочинениях древнегреческих философов Аристотеля и Теофраста встречается разделение почв на прекрасные, истощенные, бедные, бесплодные. Однако развитие почвоведения как науки началось значительно позднее.

В первой половине XIX века в Западной Европе возникло два представления о почве — агрогеологическое и агрикультурхимическое.

Сторонники агрогеологического направления (Фаллу, Берендт, Рихтгофен и др.) рассматривали почву как горную породу, образующуюся из плотных пород под влиянием выветривания. Растениям отводилась пассивная роль перехватчиков элементов питания, высвобождающихся при выветривании.

Агрикультурхимическое направление связано с работами А. Тэера, Ю. Либиха и др. Представители этого направления рассматривали почву как источник элементов питания. Тэером была высказана гипотеза о том, что растения питаются органическим веществом почвы (гумусовая теория). В 1840 году Либих в своей работе «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений» указывал, что растения усваивают из почвы минеральные питательные вещества. Либих рассматривал почву не как природное образование, а лишь как массу вне связи с процессом ее возникновения и развития.

Агрикультурхимическое и агрогеологическое направления не создали основы для развития почвоведения как науки, почвоведение как научная дисциплина оформилась в нашей стране в конце XIX столетия благодаря трудам выдающихся русских ученых В.В. Докучаева, П.А. Костычева, Н.М. Сибирцева.

В.В. Докучаев (1846—1903) был основателем науки о почве, новой научной дисциплины— генетического почвоведения.

Он впервые установил, что почва — самостоятельное природное тело и ее формирование есть сложный процесс взаимо- действия пяти природных факторов почвообразования: климата, рельефа, растительного почв с учетом всех экологических условий и созданию первой научной естественно-исторической классификации почв.

Одновременно с развитием школы В.В. Докучаева изучение почв проводилось П.А. Костычевым, который заложил научные основы агрономического почвоведения и сделал ряд важных теоретических обобщений, связавших почвоведение и земледелие. П.А. Костычев подчеркивал тесную связь образования се, оказавшую значительное влияние на последующее изучение органического вещества почв.

П.А. Костычев указал на важную роль водопрочной структуры в плодородии почв и на роль гумуса в ее образовании.

В.В. Докучаев создал национальную школу, яркими представителями которой стали Н.М. Сибирцев, К.Д. Глинка, С.А.

Захаров, Л.И. Прасолов. Многие его непосредственные ученики — В.И. Вернадский, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, А.Н. Краснов — явились создателями новых наук: биогеохимии, петрографии, агролесомелиорации.

Среди трудов многочисленных учеников и последователей В.В. Докучаева выделяются работы Н.М. Сибирцева систематизировал и развил основы учения В.В. Докучаева о почве. Он конкретизировал определение почв, выделив на первый план взаимодействие растительности и горных пород в различных условиях климата и рельефа, Н.М. Сибирцев К.Д. Глинке (1867—1927). Он был руководителем почвенных исследований Главного переселенческого управления, ведущим почвоведом докучаевского почвенного комитета. Им выполнен ряд оригинальных работ по выветриванию горных пород, генезису, географии и классификации почв. К.Д. Глинкой написан фундаментальный учебник почвоведения, опубликованный в 1908 году и вышедший в шести изданиях. К.Д. Глинка заведовал кафедрами почвоведения в Ново-Александрийском, Воронежском и Петербургском сельскохозяйственных институтах. Он был одним из организаторов Почвенного института имени В.В. Докучаева.

П.С. Коссович (1862—1915) — один из основоположников изучения физических, химических и агрохимических свойств почв. В своих трудах «Курс почвоведения» (1903), «Почвообразовательные процессы как основа генетической почвенной классификации» (1910), «Основы учения о почве»

(1911) он не только систематизировал сведения о почвах, но и развил оригинальные идеи по вопросам почвообразования, классификации и эволюции почв.

К.К. Гедройц (1872—1932) дал глубокий анализ коллоидных свойств почв и показал их значение для развития сельскохозяйственных растений, а также разработал теоретическое обоснование мероприятий по известкованию и фосфоритованию кислых почвоведения и агрохимии и явились основой современных взглядов на физико-химическую сущность процессов почвообразования и химических приемов мелиорации почв.

крупнейший российский ученыйпочвовед и агроном, объединивший в почвоведении генетические концепции В.В. Докучаева с почвенно-агрономическими концепциями П.А. Костычева и создавший биологическое направление в почвоведении. Он показал ведущую роль растительных формаций как природных сообществ высших зеленых растений и микроорганизмов в формировании генетического профиля почв и их плодородия.

В.Р. Вильямсу, определяется как взаимодействие процессов синтеза и разложения органического вещества, протекающее в системе малого биологического круговорота веществ. Исходя из этого положения В.Р. Вильямс рассматривал почвообразование как единый по своей биологической сущности процесс, связанный с эволюцией жизни на земной поверхности и находящий свое отражение в конкретных почвах в каждую геологическую эпоху.

Большое внимание им было уделено изучению состава гумуса, теории почвообразовательных процессов (подзолистый, дерновый, болотный). Занимался изучением проблем луговодства и процессов взаимодействия луговой растительности с почвой (дерновый процесс).

I. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВЫ

1. Понятие о почве и ее значение в сельскохозяйственном производстве Согласно основоположнику генетического почвоведения В.В. Докучаеву «почва — поверхностнолежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее заметно окрашены… и они всегда имеют свое собственное происхождение…» («благородная ржавчина земли», по выражению В.И. Вернадского). Следовательно, почвой называется самостоятельное природное тело, образовавшееся в результате изменения верхней части земной коры под длительным и совместным влиянием факторов окружающей среды.

Почва играет большую роль в природе и в жизни человеческого общества. В поверхностном слое земной коры создаются условия тесного взаимодействия компонентов биосферы — атмосферы, литосферы, растительных и животных организмов.

Этот относительно маломощный по сравнению с отложениями горных пород поверхностный плодородный слой суши участвует во всех важнейших современных процессах, протекающих в биосфере. С одной стороны, благодаря тому, что растения усваивают воду и питательные элементы из почвы, она является необходимым условием развития растений, с другой — сами растения служат пищей для животных и человека. Следовательно, почва как продукт жизни служит условием дальнейшего развития жизни на Земле.

Почва — основное средство сельскохозяйственного производства и объект труда. Сельское хозяйство целиком построено на ее использовании.

Наиболее важными объектами сельского хозяйства являются почва, растение и животные.

Почва снабжает растения элементами питания. Растениеводство — главная отрасль сельского хозяйства, которая доставляет человеку продукты питания: хлеб, картофель, овощи, сахар, растительные жиры, крахмал и т.д.

Продукция растениеводства является также основным источником кормов для сельскохозяйственных животных, которые в свою очередь дают человеку молоко, мясо, животные жиры и другие продукты. Кроме того, растениеводство поставляет ценнейшее техническое сырье для перерабатывающей промышленности: волокно (хлопчатника, льна, конопли), жиры, эфирные масла и многие другие продукты.

Растущее население нашей планеты требует все большего количества продуктов сельского хозяйства, в том числе и растениеводства. Задача сельскохозяйственной науки и всех смежных отраслей знания состоит в том, чтобы в максимальной степени обеспечить население продуктами питания за счет увеличения производства и улучшения качества сельскохозяйственной продукции.

Под сельскохозяйственными культурами на земном шаре находится более 1 млрд га площади, из них 60 % занимают зерновые хлеба, затем сахароносы, картофель, прядильные, кормовые растения. Несмотря на то, что сельскохозяйственные угодья составляют не больше 10 % поверхности суши, дальнейшее их расширение представляет большие трудности.

Основной путь увеличения сбора сельскохозяйственных продуктов — повышение урожайности.

Особенности сельскохозяйственного производства и роль науки в его развитии. Сельское хозяйство нашей страны развивается в сложных почвенно-климатических условиях. В степных засушливых районах, где размещена большая часть всех посевов зерновых культур, часто бывают засухи. Значительная часть пашни в других районах значительно увлажнена, поэтому мелиорация служит важнейшим средством повышения урожайности сельскохозяйственных культур и придает большую устойчивость всему сельскохозяйственному производству.

Многолетние опыты научных учреждений позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур на основе освоения научно обоснованных систем земледелия, отвечающих конкретным почвенно-климатическим и экономическим условиям, внедрения достижений научно-технического прогресса, широкой химизации земледелия, мелиорации земель.

Особенно большое значение приобретает применение на полях интенсивной технологии возделывания сельскохозяйственных культур, которая включает следующие основные элементы:

— размещение культур по лучшим предшественникам в освоенных севооборотах;

— создание высокого фонда плодородия почв при освоении научно обоснованной системы земледелия;

— использование высокоурожайных сортов интенсивного типа с высокими посевными кондициями, не ниже первого класса;

— сбалансированное по питательным элементам внесение удобрений на весь период вегетации растений в расчете на планируемую урожайность;

— применение системы защиты растений от сорняков, вредителей и болезней;

— выполнение всех технологических приемов в оптимальные агротехнические сроки и с высоким качеством при высокой технологической дисциплине и организации труда.

Связь сельскохозяйственных наук с биологическими науками. Зеленые растения — непременное условие существования человека и животных на земле. Они активно участвуют в круговороте веществ природы, поглощая из воздуха углекислый газ и выделяя кислород, которым дышат живые существа.

Растения тесно связаны с окружающей средой, так как для нормального роста и развития растений необходимы свет, тепло, вода, воздух, питательные вещества. Все факторы жизни растений равнозначны, и ни один из них не может быть заменен другим.

Тесная взаимосвязь биологических наук с сельскохозяйственными можно отметить и на питании растений, где связаны непосредственно почвоведение, биология, агрохимия, растениеводство.

Знание законов земледелия, умение их использовать в практике дают возможность неограниченного повышения урожаев, но требуют разработки такой агротехники, при которой растения наилучшим образом были бы обеспечены факторами жизни. Создание оптимальных условий для развития сельскохозяйственных культур — задача теории и практики земледелия.

2. Факторы почвообразования Основы учения о факторах почвообразования заложены В.В. Докучаевым, который установил, что почва как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия следующих факторов — климата, растительности, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени). Сочетание факторов почвообразования — это комбинации экологических условий развития почвообразовательного процесса в почве.

Наряду с указанными пятью природными факторами почвообразования выделяется шестой — производственная деятельность человека, оказывающая как прямое, так и косвенное влияние на почвообразование и почвенный покров.

Почвообразующие породы. Горные породы, из которых формируется почва, называют почвообразующими, или материнскими.

Почвообразующая порода является материальной основой почвы и передает ей свой гранулометрический, минералогический и химический состав, а также физические, химические, физико-химические свойства, которые в дальнейшем изменяются в различной степени под воздействием почвообразовательного процесса.

Почвообразующие породы различаются по происхождению, составу, строению и свойствам.

Твердая оболочка Земли, или литосфера, состоит из магматических, метаморфических и осадочных пород.

Магматические, или изверженные, породы образовались из силикатных расплавов (магма), застывших в глубине земной коры, или из магмы, излившейся на поверхность Земли.

Метаморфические породы — вторичные массивно кристаллические породы, образовавшиеся из магматических или осадочных пород в недрах Земли в результате глубоких превращений (сланцы, гнейсы). Их значение в почвообразовании также мало. Основная поверхность земли покрыта осадочными породами.

Осадочные породы — отложения продуктов выветривания массивно кристаллических пород или остатков различных организмов. Они подразделяются на обломочные, химические осадки и биогенные. Среди осадочных пород химического и биогенного происхождения важную роль в почвообразовании играют карбонатные отложения — известняки, доломиты, мел.

Формирование почвообразующих пород связано с процессами выветривания горных пород и переотложением продуктов выветривания. Выветривание — совокупность сложных и разнообразных процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы.

Горизонты горных пород, где протекают процессы выветривания, называются корой выветривания. В ней различают две зоны: зону поверхностного выветривания и зону глубинного выветривания. Мощность коры поверхностного выветривания, в которой может протекать почвообразовательный процесс, колеблется от нескольких сантиметров до 2—10 м.

В процессе выветривания различают по преобладающему действию тех или иных факторов три формы — физическую, химическую и биологическую.

Физическое выветривание — механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава. Выветривание начинается с поверхности, здесь возникают большие перепады суточных и сезонных температур. Физическое выветривание ускоряется при наличии воды, которая, проникая в трещины горных пород, создает капиллярное давление. Еще сильнее разрушающая сила воды при замерзании: она расширяется на 1/10 своего объема и оказывает огромное давление на стенки трещин горных пород. В результате физического выветривания горная порода уже способна пропускать воздух и воду и задерживать некоторое ее количество. Физическое выветривание, раздробляя и разрыхляя массивные породы, значительно увеличивает общую поверхность, что создает благоприятные условия для проявления химического выветривания.

Химическое выветривание — процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами этого процесса являются вода, диоксид углерода и кислород. Вода — энергичный растворитель горных пород и минералов. Разложение минералов водой усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который придает воде кислую реакцию, что увеличивает разрушающее действие на минералы. На ход химического разложения минералов влияет и температура. Повышение ее на каждые 10 оС ускоряет течение химических реакций в два раза и более. Этим следует объяснить интенсивное химическое выветривание в экваториальных областях и замедленное — в полярных. В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов и разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает связность, влагоемкость, поглотительную способность и другие свойства.

Биологическое выветривание — механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. В разрушении горных пород в поверхностных слоях земли активно участвуют живые организмы, так как нет чисто безжизненных механических и химических процессов выветривания. При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностных горизонтах породы, создавая условия для формирования почв. С поселением организмов на горной породе ее выветривание значительно усиливается. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты, которые оказывают разрушающее действие на минералы.

К основным почвообразующим породам относятся рыхлые осадочные породы. На них почти повсеместно развиваются почвы. Основные осадочные породы подразделяются на элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные породы, а также на озерные, ледниковые (моренные), флювиогляциальные (водно-ледниковые), эоловые, морские отложения и покровные, лёссовидные суглинки.

Элювиальные породы, или элювий, — продукты выветривания коренных пород, оставшиеся на месте образования.

Делювиальными породами, или делювием, называются наносы, отложенные на склонах дождевыми и талыми водами.

Пролювиальным породами, или пролювием, называются наносы, у подножия гор в результате деятельности временных водных и селевых потоков значительной силы. Пролювий характеризуется плохой сортированностью, включением крупнообломочного материала.

Аллювиальные породы, или аллювий, представляют собой осадки, отложенные при разливе рек (пойменный аллювий).

Озерные отложения заполняют понижения древнего рельефа, отличаются глинистостью и слоистостью.

Ледниковые, или моренные, отложения — продукты выветривания различных пород, перемещенные и отложенные ледником. Для морен характерны следующие особенности: несортированность, неоднородный гранулометрический состав, наличие валунов, обогащенность песчаными фракциями, красно-бурая, реже желто-бурая окраска.

Флювиогляциальные, или водно-ледниковые, отложения связаны с деятельностью мощных ледниковых потоков. Вытекая из-под ледника, они перемещали моренный материал и переоткладывали его за краем ледника.

Эоловые отложения образуются в результате аккумулятивной деятельности ветра, которая проявляется особенно интенсивно в пустынях.

Морские отложения формируются в результате перемещения береговой линии морей. Морские отложения отличаются слоистостью, сортированностью и большой аккумуляцией солей. Встречаются на побережье северных морей, в Прикаспийской низменности и других районах.

Покровные суглинки распространены в зоне ледниковых отложений и рассматриваются как отложения мелководных приледниковых разливов талых вод. Широко представлены в центральных областях Нечерноземной зоны. Для них характерно покровное залегание на морене, откуда и произошло название. Для них характерно желто-бурая окраска с большим содержанием пылеватых фракций. По гранулометрическому составу — чаще тяжелые и средние пылеватые суглинки однородного строения с преобладанием фракций крупной пыли и ила. В связи с этим покровные суглинки во влажном состоянии сильно набухают, а при подсыхании растрескиваются на ореховатые и призматические отдельности, отличаются плотностью сложения, слабой водопроницаемостью, высокой капиллярностью. По химическому составу — преимущественно бескарбонатные. На покровных суглинках развиты подзолистые, дерново-подзолистые почвы, нередко испытывающие переувлажнение, а также серые лесные почвы.

Лёссы и лёссовидные суглинки имеют различный генезис.

Их общими чертами являются палевая или буровато-палевая окраска, карбонатность, пылевато-суглинистый гранулометрический состав с преобладанием крупнопылеватой фракции (0,05—0,01 мм), мучнистость, пористость, рыхлое сложение, микроагрегированность, хорошая водопроницаемость.

По химическим и водно-физическим свойствам эти породы наиболее благоприятны для развития растений. При благоприятных климатических условиях на них формируются высокоплодородные черноземные почвы, а также сероземы, каштановые, серые лесные.

Лёссы наиболее широко распространены на Украине и в Средней Азии. Лёссовидные суглинки в отличие от лёссов имеют место как во внеледниковых областях, так и в областях ледниковых отложений, среди покровных суглинков. Они широко встречается в Республике Беларусь, в центральных областях Нечерноземной зоны (Московская, Рязанская, Смоленская и др.), в степных районах.

Роль почвообразующих пород в почвообразовании определяется тем, что они в значительной степени влияют на состав, свойства формирующихся из них почв. Это сказывается на скорости преобразовании минеральной массы при почвообразовании, закреплении образующихся органических веществ и т.п.

Климат как фактор почвообразования. Под атмосферным климатом понимают среднее состояние атмосферы той или иной территории, характеризуемое средними показателями метеорологических элементов и их крайними показателями, дающими представление об амплитудах колебаний в течение суток, сезона и целого года.

Для познания природы почвенных процессов важнейшее значение имеют климатические показатели, характеризующие температурные условия и увлажнение, поскольку с ними тесно связаны водно-температурный режим почв и биологические процессы.

Температура и осадки обусловливают скорость и направление процессов передвижения водорастворимых солей по профилю. При одном гидротермическом режиме преобладает вынос солей, при другом — подъем их с грунтовыми водами.

Например, в районах с умеренно холодным влажным климатом происходит значительный вынос органических и минеральных соединений в нижнюю часть почвенного профиля или в грунтовые воды. В условиях же жаркого сухого климата в пониженных формах рельефа, где близко к поверхности залегают грунтовые воды, происходит подъем их, а вместе с ними и растворенных солей с последующим накоплением в верхней части профиля.

Ветер — третий элемент климата — вызывает процесс физического выветривания горных пород и ветровую эрозию почв. Под влиянием ветра происходит опесчанивание верхних горизонтов почвы, развитие каменистых и щебнистых почв. Ветер способствует также засолению почв в результате приноса солей с поверхности соленых водных бассейнов на сушу.

Многолетняя (вечная) мерзлота — четвертый элемент климата. Она задерживает влагу в профиле почвы, понижает ее температуру, резко тормозит разложение органических остатков и вызывает заболачивание. Многолетняя мерзлота препятствует также вымыванию продуктов почвообразования.

Разносторонняя роль климата как фактора почвообразования состоит в следующем:

— климат — важный фактор развития биологических и биохимических процессов. Определенное сочетание температурных условий и увлажнения обусловливает тип растительности, темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны;

— атмосферный климат, преломляясь через свойства и состав почвы, оказывает огромное влияние на водно-воздушный, температурный и окислительно-восстановительный режимы почвы;

— с климатическими условиями тесно связаны процессы превращения минеральных соединений в почве (направление и темп выветривания, аккумуляция продуктов почвообразования и др.);

— климат оказывает большое влияние на процессы ветровой и водной эрозии почв.

Организмы и их роль в почвообразовании. В почвообразовании участвуют три группы организмов — зеленые растения, микроорганизмы и животные, образующие на суше сложные биоценозы. При совместном воздействии организмов в процессе их жизнедеятельности, а также за счет продуктов их жизнедеятельности осуществляются важнейшие звенья почвообразования — синтез и разрушение органического вещества, избирательная концентрация биологически важных элементов, разрушение и новообразование минералов, миграция и аккумуляция веществ и другие явления, составляющие сущность почвообразовательного процесса и определяющие формирование главного свойства почвы — плодородия. Вместе с тем функции каждой из этих групп как почвообразователей различны.

Рельеф как фактор почвообразования. Значение рельефа в формировании почв и развитии почвенного покрова велико и разнообразно. Рельеф выступает как главный фактор перераспределения солнечной радиации и осадков в зависимости от экспозиции и крутизны склонов и оказывает влияние на водный, тепловой, питательный, окислительно-восстановительный и солевой режимы.

Так, в горах возникает вертикальная зональность климата, растительности и почв вследствие понижения температуры воздуха с высотой и изменения в увлажнении. Воздушные массы, приближаясь к горам, медленно поднимаются и постепенно охлаждаются, что способствует выпадению осадков. Перевалив через горы, те же воздушные массы, опускаясь, нагреваются и становятся сухими.

С рельефом тесно связан уровень грунтовых вод: на возвышенных местах они находятся на большей глубине, чем в понижениях. Близкое залегание грунтовых вод на пониженных участках приводит к образованию болот, а при засоленности грунтовых вод в условиях жаркого сухого климата — к формированию солончаков.

Возраст почв. Процесс почвообразования протекает во времени. Каждый новый цикл почвообразования вносит определенные изменения в превращении органических и минеральных веществ в почвенном профиле, поэтому фактор времени имеет огромное значение в формировании и развитии почв.

Различают понятие абсолютного и относительного возраста почв. Абсолютный возраст — время, прошедшее с начала формирования почвы до настоящего времени. Он колеблется от нескольких лет до миллионов лет. Относительный возраст характеризует скорость почвообразовательного процесса, быстроту смены одной стадии развития почвы другой. Он связан с влиянием состава и свойств пород, условий рельефа на скорость и направление почвообразовательного процесса.

Производственная деятельность человека. Это специфически мощный фактор воздействия на почву (обработка, удобрения и т.п.) и на весь комплекс окружающих условий развития почвообразовательного процесса (растительность, элементы климата, гидрологию). Это фактор сознательного, направленного воздействия на почву, вызывающий изменение свойств и режимов (реакции при известковании, питательного режима при внесении удобрений и т.п.) значительно более быстрыми темпами, чем это происходит под воздействием природного почвообразования. Производственная деятельность человека в современную эпоху становится решающим фактором почвообразования и повышения плодородия почвы на значительных пространствах земного шара.

3. Морфологические признаки почвы При морфологическом исследовании почв отмечается в первую очередь мощность почвы и отдельных горизонтов.

Мощностью почвы называется толщина от ее поверхности вглубь до слабо затронутой почвообразовательными процессами материнской породы. Общая мощность почвенного слоя бывает различна: от нескольких сантиметров до 250 см у черноземов.

Наиболее бросающийся в глаза морфологический признак — это окраска почвы. Окраска почвы находится в прямой зависимости от ее химического состава, условий почвообразования, влажности. Верхние горизонты окрашены гумусом. Темный цвет (серый или черный) придают гумусовые вещества и соединения марганца; светлый (белый или светло-серый) — оксиды кремния, углекислые соли кальция и магния, легкорастворимые соли, глинистые минералы и гидраты оксида алюминия.

Оксиды железа в зависимости от концентрации их окрашивают горизонты в охристый, коричневый или бурый цвет.

В темном по цвету гумусовом горизонте преобладают гуминовые кислоты, в светлом подзолистом — фульвокислоты.

Немаловажную роль на выраженность других морфологических признаков почвы имеет влажность почвы. Например, влажная почва имеет более темный цвет, чем сухая. При одинаковом содержании влаги в почве песчаные (легкие) горизонты будут казаться влажнее глинистых (тяжелых).

При полевых исследованиях следует различать пять степеней влажности почв:

сухая почва пылит, присутствие влаги в ней на ощупь не ощущается, не холодит руку; влажность почвы близка к гигроскопической (влажность в воздушно-сухом состоянии);

влажноватая почва холодит руку, не пылит, при подсыхании немного светлеет;

во влажной почве явно ощущается влага; почва увлажняет фильтровальную бумагу, при подсыхании значительно светлеет и сохраняет форму, приданную почве при сжатии рукой;

сырая почва при сжимании в руке превращается в тестообразную массу, а вода смачивает руку, но не сочится между пальцами;

из мокрой почвы при сжимании ее в руке выделяется вода, которая сочится между пальцами; почвенная масса обнаруживает текучесть.

Степень влажности почвы оказывает влияние на структуру. Структурой почвы называют совокупность агрегатов различной величины и формы. Форма, размер и качественный состав структурных отдельностей в разных почвах, а также в одной почве, но в разных ее горизонтах неодинаковы.

Различают три основных типа структуры (рис. 1):

— кубовидная — структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям;

— призмовидная — структурные отдельности развиты преимущественно по вертикальной оси;

— плитовидная — структурные отдельности развиты преимущественно по двум горизонтальным осям и укорочены в вертикальном направлении.

В свою очередь каждый тип структуры почвы подразделяется на род и вид в зависимости от характера ребер, граней и размера на более мелкие единицы. В зависимости от размера агрегатов структуру подразделяют на следующие группы:

— глыбистая — больше 10 мм;

— макроструктура — 10—0,25 мм;

— грубая микроструктура — 0,25—0,01 мм;

— тонкая микроструктура — меньше 0,01 мм.

Рис. 1. Главнейшие виды почвенной структуры (по С.А. Захарову):

I тип: 1 — крупнокомковатая; 2 — среднекомковатая; 3 — мелкокомковатая; 4 — пылеватая; 5 — крупноореховатая; 6 — ореховатая; 7 — мелкоореховатая; 8 — крупнозернистая; 9 — зернистая; 10 — порошистая; 11 — «бусы» из зерен почвы II тип: 12 — столбчатая; 13 — столбовидная; 14 — крупнопризматическая; 15 — призматическая; 16 — мелкопризматическая; 17 — тонкопризматическая III тип: 18 — сланцеватая; 19 — пластинчатая; 20 — листоватая;

21 — грубочешуйчатая; 22 — мелкочешуйчатая.

Каждому типу почв и каждому генетическому горизонту свойственны определенные типы почвенных структур. Для гумусовых горизонтов, например, характерна зернистая, комковато-зернистая, порошисто-комковатая структура; для элювиальных горизонтов — плитчатая, листоватая, чешуйчатая, пластинчатая; для иллювиальных — столбчатая, призматическая, ореховатая, глыбистая и т.д. (табл. 1).

Классификация структурных отдельностей почв (С.А. Захаров) Грани и ребра выражены плохо, агрегаты большей частью сложны Грани и ребра плохо выражены, неправильной формы с неровными 2. Чешуйчатая — небольшими, отчасти Мелкочешуйчатая < 1 мм изогнутыми горизонтальными плоскостями спайности и часто острыми ребрами В полевых условиях структуру определяют путем выреза из передней стенки небольшого образца почвы и подбрасыванием его на лопате или ладони до тех пор, пока он не распадается на структурные отдельности. Если структура не однородна, то для ее характеристики пользуются двойными названиями (комковато-зернистая, ореховато-призматическая и т.д.).

В результате почвообразовательных процессов плотные горные породы превращаются в рыхлую массу, состоящую из частиц различного размера, которые называются механическими элементами. Под гранулометрическим составом почвы подразумевается соотношение в почве частиц различного размера.

В зависимости от содержания и соотношения различных механических элементов, в частности от соотношения физического песка и физической глины устанавливается разновидность почвы по гранулометрическому составу (табл. 2).

Песчаные, супесчаные и легкосуглинистые почвы обрабатываются легче сельскохозяйственными орудиями, поэтому их называют легкими почвами, а глинистые, тяжело- и среднесуглинистые — труднее, их называют тяжелыми почвами. Легкие почвы быстрее прогреваются весной, и их называют теплыми, а тяжелые почвы — холодными, так как они дольше прогреваются.

Классификация почв по гранулометрическому составу (сокращенная шкала Н.А. Качинского) по гранулометрическому составу Песчаная:

Суглинистая:

Глинистая:

В полевых условиях гранулометрический состав почв определяют приближенно по внешним признакам и на ощупь.

Для более точного его установления применяют лабораторные методы, позволяющие находить количество всех групп механических элементов, слагающих почву. В полевых условиях определяют сухим и мокрым способом.

Сухой метод. Сухой комочек почвы испытывают на ощупь, кладут на ладонь и тщательно растирают между пальцами. При необходимости плотные агрегаты раздавливают в ступке. Гранулометрический состав почвы определяется по ощущению при растирании, состоянию сухой почвы, по количеству песка.

Глинистые почвы в сухом состоянии с большим трудом растираются между пальцами, так как агрегаты очень плотные.

В растертом состоянии ощущается однородный порошок.

Суглинистые почвы при растирании дают тонкий порошок, в котором прощупывается некоторое количество песчаных частиц.

Супесчаные почвы легко растираются между пальцами.

Комочки слабые, легко раздавливаются. В растертом состоянии явно преобладают песчаные частицы, заметные на глаз.

Песчаные почвы состоят только из песчаных зерен с небольшой примесью пылеватых и глинистых частиц. Почва бесструктурна, не обладает связностью, сыпучая.

Мокрый метод. Наиболее точно гранулометрический состав можно определить мокрым способом. Образец растертой почвы увлажняют и перемешивают до тестообразного состояния, при котором почвы обладают наибольшей пластичностью.

При определении гранулометрического состава карбонатных почв применяют вместо воды 10 %-ную HCI с целью разрушения водопрочных агрегатов. Из подготовленной почвы на ладони скатывают шарик и пробуют раскатать его в шнур толщиной около 3 мм, затем свернуть в кольцо диаметром 2—3 см.

В зависимости от гранулометрического состава показатели «мокрого» метода будут различны.

Внешнее выражение плотности и пористости почвы — это ее сложение. Под сложением понимают степень плотности, пористости и трещиноватости почвы. Сложение горизонтов почвы показывает, насколько плотно прилегают друг к другу твердые частицы почвы. В зависимости от этого сложение почвы бывает:

очень плотное — почва почти не поддается лопате, черта от лопаты или ножа блестящая и узкая, комок почвы нельзя разломить руками;

плотное — лопата или нож входят в почву с трудом, при большом усилии, черта от лопаты или ножа шероховатая, комок с трудом разламывается руками;

плотноватое — лопата или нож входят в почву свободно, черта от ножа широкая, комки легко разламываются руками;

рыхлое — лопата легко входит в почву, последняя свободно распадается на структурные элементы;

рассыпчатое — почва лишена связности или цементация частиц настолько слаба, что комок легко распадается.

В процессе полевого описания генетических горизонтов почвы следует обратить внимание на имеющиеся в них включения и новообразования, так как они дают некоторое представление о характере и направлении почвообразовательного процесса.

Новообразованиями называют такие соединения, которые появляются в почве в результате почвообразовательного процесса. Новообразования — это скопления химических соединений (карбонаты кальция и магния, гипс, гидроокись железа и алюминия, закисные формы железа, кремнезема и гумуса) и биологических (ходами червей, кротовин, корней).

Включения — это такие соединения, которые не являются следствием почвообразовательного процесса. Наиболее распространенные включения — остатки горных пород в виде валунов, гальки, гравия, обломки известковых пород, кости животных.

Включения иногда играют существенную роль в почвообразовании и плодородии почв: известковая щебенка, например, в условиях таежно-лесной зоны тормозит подзолообразовательный процесс.

Строение почвенного профиля. Процессы превращения и перемещения веществ, совершающиеся в почвообразующей породе, вызывают расчленение ее верхней части на отдельные, генетически связанные между собой горизонты. Генетическими они называются потому, что образуются в результате развития или генезиса почв. Каждый из них обладает определенными внешними признаками.

Совокупность генетических горизонтов, идущих от поверхности почвы до нетронутой почвообразованием материнской породы и последовательно сменяющих один другого, называется почвенным профилем.

Под строением почвенного профиля понимают внешний облик, обусловленный определенной сменой горизонтов в вертикальном направлении. Каждый тип почв имеет свое строение и чередование горизонтов. В.В. Докучаев выделил в строении почвы три основных горизонта: перегнойно-аккумулятивный (горизонт А), переходный (горизонт В) и материнская порода (горизонт С). В почвах выделяют следующие основные горизонты, обозначаемые начальными буквами латинского алфавита с цифровыми или буквенными индексами:

Ао — лесная подстилка или сфагновый очес (Оч);

Аd — дернина или степной войлок;

Апах — пахотный горизонт;

А — гумусово-аккумулятивный;

А1 — гумусово-элювиальный;

А2 — элювиально-подзолистый;

В — иллювиальный и переходный;

С — материнская порода;

D — подстилающая порода.

Помимо данных горизонтов на определенных типах почв встречаются глеевый горизонт (G) и органогенный торфяной горизонт (Т).

Ао — самая верхняя часть почвенного профиля — лесная подстилка, дернина или степной войлок, состоящий из полуразложившихся и неразложившихся продуктов лесного опада и остатков различной травянистой растительности.

Горизонт аккумуляции органических веществ (А) формируется в верхней части профиля за счет отмирающей биомассы зеленых растений. Мощность гумусового горизонта колеблется от нескольких сантиметров до 1,5 м и более. В зависимости от характера выделяют: А — гумусово-аккумулятивный, образующийся в верхней части минеральной толщи почвы, в котором не выражены морфологически процессы разрушения и выщелачивания минеральных веществ; А1 — гумусово-элювиальный — верхний горизонт профиля с морфологически или аналитически выраженными процессами разрушения и выщелачивания минеральных веществ.

Горизонты А и А1 наиболее темной окраски по сравнению с другими горизонтами, в них накапливается наибольшее количество органического вещества (гумуса) и элементов питания.

У черноземов данный горизонт имеет почти черную окраску, у серых лесных почв — от светло-серой до темно-серой, у каштановых — серо-коричневую. У дерново-подзолистых почв горизонт сероватый с белесым оттенком.

На распаханных полях горизонты А0, А1 и частично А2 вовлекаются в обработку, смешиваются и вместо них появляется горизонт Апах (пахотный слой), мощность которого зависит от глубины вспашки.

Элювиальный горизонт (А2) образуется в процессе интенсивного разрушения минеральной части почвы и вымывания продуктов разрушения в нижележащие горизонты. Он окрашен в наиболее светлые тона и в различных почвах получает различные названия (подзолистый — в подзолистых и дерновоподзолистых, осолоделый — в солодях). При сильной выраженности подзолообразовательного процесса горизонт становится белесым. В зависимости от мощности горизонта А2 подзолистые почвы делят на слабоподзолистые (А2 < 5 см), среднеподзолистые (А2 — от 5 до 15 см), сильноподзолистые (А2 — от до 25 см) и подзолы (А2 > 25 см). Иногда он развивается в пределах нижней части горизонта А1, где образуется А1А2; может формироваться в верхней части нижележащего горизонта В в виде А2В.

В подзолистых почвах горизонт А2 может следовать непосредственно за лесной подстилкой (А0). Если верхний горизонт состоит из торфа, он обозначается буквой Т. В степных почвах (черноземах, каштановых) этот горизонт отсутствует.

Иллювиальный, или переходный, горизонт (В) формируется под элювиальным или гумусовым горизонтом и служит переходом к материнской породе. Он отличается от верхнего горизонта меньшим количеством перегноя, а также тем, что в нем накапливаются полуторные окислы и минеральные соли, вымываемые из верхних горизонтов; в нем идет также новообразование минеральных соединений путем изменения самой материнской породы. Обычно горизонт В красно-бурой окраски и имеет различную структуру: ореховатую (в подзолистых и серых лесных почвах), комковатую (в черноземах), столбчатую (в солонцах) и т.д.

В почвах с элювиальным горизонтом формируется иллювиальный горизонт, в который вмываются и где частично накапливаются различные продукты почвообразования. Различают следующие виды иллювиального горизонта: Bfe — вмывание железистых веществ, Вh — гумусовых веществ, Вk — карбонатов, Вs — сульфатов и хлоридов, Вi — тонких (илистых) частиц почвы. В почвах, где не перемещается минеральная алюмосиликатная основа (черноземы, каштановые почвы), горизонт В не иллювиальный, а переходный от гумусово-аккумулятивного к породе. Он часто расчленяется на подгоризонты В1, В2 в зависимости от внешних признаков (цвета, структуры, сложения): подгоризонт В1 — с преобладанием гумусовой окраски, В2 — более слабой и неравномерной гумусовой окраски и гумусовых затеков.

Глеевый горизонт (G) образуется в гидроморфных почвах.

Вследствие длительного или постоянного избыточного увлажнения и недостатка свободного кислорода в почве идут анаэробно-восстановительные процессы, что приводит к возникновению закисных соединений железа и марганца, подвижных форм алюминия, дезагрегированию почвы и формированию глеевого горизонта. Если признаки глеевого процесса проявляются и в других горизонтах, то к их буквенному обозначению добавляют букву «g», например А2g, Bg и т.д.

Основные характерные черты придают горизонту сизую, серовато-голубую или грязно-зеленую окраску, наличие ржавых и охристых пятен, слитость, вязкость и т.д.

Ниже располагается порода, из которой образовалась данная почва. Материнская (почвообразующая) горная порода (С) представляет собой породу, слабозатронутую почвообразовательными процессами. Мощность его различна. В нем часто встречаются включения в виде галек, валунов, известковых отложений и т.д.

Если в пределах почвенного профиля одна материнская порода сменяется другой (например, песок сменяется глиной или наоборот), то мы отмечаем, что такая почва образовалась на двучленном или многочленном наносе. Если смена породы происходит глубже нижней границы почвенного профиля, то ее выделяют в самостоятельный горизонт, обозначаемый буквой Д. Этот горизонт называют подстилающим, а породу — подстилающей.

Подстилающую породу (Д) выделяют в том случае, когда почвенные горизонты образовались на одной породе, а ниже лежит порода с другими свойствами. В отличие от материнской подстилающая порода не затронута почвообразовательными процессами (за исключением случаев, когда она располагается близко к поверхности).

II. СОСТАВ ПОЧВЫ

1. Минералогический и гранулометрический состав почв и почвообразующих пород Почва представляет собой сложное природное тело и состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз, которые находятся между собой в тесном взаимодействии.

Газовая фаза, или почвенный воздух, отличается от атмосферного повышенным содержанием диоксида углерода (в среднем около 1 %, иногда 2—3 % и более) и пониженным содержанием кислорода. Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образование диоксида углерода в почве происходит в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней.

Образующийся диоксид углерода частично выделяется в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту (Н2О + СО2 = Н2СО3). Последняя вызывает подкисление раствора, в результате чего усиливается растворение и перевод в усвояемую для растений форму содержащихся в почве нерастворимых минеральных соединений Р, К, Ca, Mg и др.

При избыточном увлажнении почвы и плохой аэрации содержание диоксида углерода в почвенном воздухе повышается, а количество кислорода снижается до 8—12 % и менее, что отрицательно сказывается на развитии растений и микроорганизмов.

Жидкая фаза, или почвенный раствор — наиболее подвижная и активная часть почвы. Он является непосредственным источником воды и питательных веществ для растений.

Состав и концентрация его изменяется в результате разнообразных биологических, химических и физико-химических процессов. Между жидкой, газообразной и твердой фазами почвы постоянно устанавливается подвижное (динамическое) равновесие. Поступление солей в почвенный раствор зависит от хода процессов выветривания и разрушения минералов, разложения органического вещества в почве, внесения органических и минеральных удобрений.

Концентрация почвенного раствора незасоленных почв невелика и колеблется от десятых долей грамма до нескольких граммов веществ на литр. В засоленных почвах содержание растворенных веществ достигает десятков, а иногда и сотен граммов на литр.

Избыток водорастворимых солей в почве (более 0,2 %, или 2 г на 1 кг почвы) вредно действует на растения, а при содержании их 0,3—0,5 % растения погибают.

В почвенном растворе содержатся не только минеральные, но и органические вещества, органо-минеральные соединения, а также растворенные газы (диоксид углерод, кислород, аммиак и др.). В составе почвенного раствора могут находиться различные анионы и катионы. Наиболее важное значение для питания растений имеет присутствие в почвенном растворе ионов К, Сa, Mg, NH4, NO3, SO4 и H2PO4 и постоянное их пополнение. Железо и алюминий содержатся в почвенном растворе в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами, а в кислых почвах — в виде катионов и гидратов полуторных окислов в коллоидно-растворимой форме.

Твердая фаза почвы состоит из минеральной и органической частей, которые являются основными источниками питательных веществ для растений. Около половины твердой фазы приходится на кислород, одна треть — на кремний, свыше 10 % — на алюминий и железо и лишь 7 % составляют остальные элементы (углерод, кальций, калий, натрий, магний, азот и т.д.).

Азот практически полностью содержится в органической части почвы, углерод, фосфор, сера, кислород и водород — как в минеральной, так и в органической части.

Минеральная часть почвы составляет 90—99 % массы твердой фазы почв и имеет сложный минералогический и химический состав. Он состоит из первичных и вторичных минералов.

Первичные минералы представлены преимущественно частицами больше 0,001 мм, вторичные — меньше 0,001 мм.

В большинстве почв первичные минералы преобладают по массе над вторичными, за исключением ферралитных почв, в которых первичных минералов часто меньше, чем вторичных.

Из первичных минералов наиболее распространены кварц, слюды, полевые шпаты, а вторичные минералы представлены глинистыми минералами (монтмориллонитом, каолинитом), солями кислородных кислот (кальцит, магнезит, доломит, гипс и др.).

Наиболее распространен в породе и в почве первичный силикатный минерал кварц (SiO2, двуокись кремния). Содержание его во всех почвах превышает 60 %, а в легких песчаных почвах достигает 90 % и более. Кварц характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к химическому выветриванию, он не участвует в химических реакциях в почве.

Из первичных алюмосиликатных минералов в почве широко распространены калиевые и натриево-калиевые полевые шпаты, в меньшей степени — калийная и железисто-магнезиальные слюды. Они составляют основную массу магматических пород. Поскольку первичные минералы обладают различной устойчивостью к выветриванию, относительное содержание их в почвообразующих породах и почвах иное, чем в магматических породах. Постепенно разрушаясь, эти минералы служат источником калия, кальция, магния и железа для растений.

Первичные минералы — кварц, шпаты и слюды — обычно присутствуют в почве в виде частиц песка и пыли.

Значение первичных минералов разносторонне: от их количества (особенно крупнозернистых фракций) зависят агрофизические свойства почв, они являются резервным источником зольных элементов питания растений, а также образования вторичных минералов.

Вторичные минералы образуются при изменении полевых шпатов и слюд в процессе выветривания и почвообразования. Они находятся в почве главным образом в виде мелкодисперсионных илистых и коллоидных частиц и обладают большой суммарной поверхностью и поглотительной способностью. Среди вторичных минералов различают минералы простых солей, минералы гидроокисей и окисей, глинистые минералы.

К минералам простых солей относятся кальцит СаСО3, магнезит MgСО3, доломит (Са, Мg)(СО3)2, сода Nа2СО3•10Н2О, фосфаты, нитраты и другие. Эти минералы способны накапливаться в почвах в больших количествах в условиях жаркого климата.

Минералы гидроокисей и окисей — это гидроокиси кремния, алюминия, железа, марганца, образующиеся в аморфной форме при выветривании первичных минералов в виде гидратированных (процесс присоединения частиц воды к частицам минералов) высокомолекулярных гелей и постепенно подвергающиеся дегидратации и кристаллизации с образованием окисей и гидроокисей кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют высокая температура, замерзание, высушивание, окислительные условия почвы.

К наиболее распространенным глинистым минералам относятся минералы группы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов и др. Эти минералы входят в состав природных глин, в связи с чем они и получили название глинистых минералов. Глинистым минералам присущи общие свойства:

слоистое кристаллическое строение, высокая дисперсность, наличие химически связанной воды. Однако каждая группа минералов имеет специфические свойства и значение в плодородии.

В почве постоянно протекают процессы превращения труднорастворимых соединений в легкорастворимые и, следовательно, более доступные растениям. Одновременно происходят и обратные процессы.

Различные механические фракции почвы имеют неодинаковый минералогический и химический состав, отличаются по содержанию элементов питания. Более крупные частицы почвы — песчаные и пылеватые — состоят в основном из кварца, поэтому характеризуются высоким содержанием кремния, но меньшим — алюминия, железа, а также кальция, магния, калия, фосфора и других элементов.

В состав мелкодисперсионной коллоидной и илистой фракции входят преимущественно первичные и вторичные алюмосиликатные минералы, поэтому в ней больше содержится основных элементов питания растений. В связи с этим более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче элементами питания, чем песчаные и супесчаные.

Гранулометрический состав почв и почвообразующих пород.

Гранулометрическим составом почвы называется относительное содержание в ней элементарных частиц различного размера. Сами частицы называются механическими элементами и по величине подразделяются на основные фракции (по Н.А Качинскому). В зависимости от размера фракции подразделяются на камни (> 3 мм), гравий (3—1 мм), песок (1—0,05) — крупный (1—0,5), средний (0,5—0,25), мелкий (0,25—0,05), пыль (0,05—0,001) — крупная (0,05—0,01), средняя (0,01—0,005), мелкая (0,005—0,001), ил (0,001—0,0005), коллоиды (45 %), механической прочностью и водопрочностью. Структурной считается почва, содержащая более 55 % водопрочных агрегатов размером 0,25—10 мм.

Устойчивость структуры к механическому воздействию (связность) и способность не разрушаться при увлажнении (водопрочность) определяют сохранение почвой благоприятного сложения при многократных обработках и увлажнении. При отсутствии этих качеств структурные отдельности быстро разрушаются при обработке и выпадении дождей или орошении, и почва становится бесструктурной. Во влажном состоянии такая почва заплывает, при подсыхании образует корку.

Однако не всякая водопрочная структура агрономически ценная. Важно, чтобы водопрочные агрегаты имели рыхлую упаковку, были пористые и обладали способностью легко воспринимать воду, чтобы в их поры легко проникали корневые волоски и микроорганизмы. Немаловажное значение имеет насыщенность почвы различными катионами.

Для классификационных целей почвенные частицы объединяют в две фракции: фракцию «физического песка» (все частицы крупнее 0,01 мм) и фракцию «физической глины» (все частицы мельче 0,01 мм).

Скелетной частью почвы называются все частицы крупнее 1 мм, а меньше 1 мм — мелкоземом.

В зависимости от соотношения частиц разных фракций выделяют почвы различного гранулометрического состава. В основу классификации положено содержание в почве физической глины и физического песка. В зависимости от содержания физической глины и физического песка выделяют песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые почвы.

2. Почвенные коллоиды как носители сорбционных свойств почвы Сорбцией называется поглощение твердыми телами и жидкостями газов, паров и растворенных веществ. О существовании сорбционных свойств почвы, проявляющихся в поглощении газов, паров воды или растворенных веществ твердой фазой почвы известно было давно. Современные представления о сорбционных процессах в почве связаны с работами К.К.

Гедройца, Г. Вигнера, А.Н. Соколовского, Н.И. Горбунова и др.

Почва — сложная полидисперсионная система, состоящая из частиц различной величины, формирующаяся из горной породы в результате почвообразовательного процесса. Почвенные коллоиды представлены частицами, диаметр которых менее 0,0001 мм. Их количество в почве различно — 1—2 до 30— 40 % к массе почвы. Однако даже при незначительном содержании в почве частиц коллоидного размера именно они являются главными носителями сорбционных процессов в почве.

Причины этого: 1) почвенные коллоиды даже при незначительном содержании представляют основную долю общей поверхности твердой фазы почвы; 2) физическая и химическая природа поверхностей почвенных коллоидов благоприятствует протеканию на них разнообразных сорбционных процессов.

Природа поверхностей почвенных коллоидов зависит от состава и строения. Коллоидные частицы (мицеллы) имеют определенное строение (рис. 2). Внутренняя часть состоит из ядра, представляющего собой массу недиссоциированных молекул данного вещества. К ядру примыкает внутренний (потенциалопределяющий) слой, состоящий из ионов, несущих электрический заряд. Этот слой неподвижен, так как его ионы прочно связаны с ядром. Ядро вместе с внутренним слоем образует гранулу. За этим слоем следует слой компенсирующих ионов.

Он также состоит из ионов, но со знаком заряда, противоположным заряду ионов внутреннего слоя. Часть ионов слоя компенсирующих ионов неподвижна и образует неподвижный слой компенсирующих ионов. Другая же часть ионов слоя компенсирующих ионов отходит от внутреннего слоя на значительное расстояние, образует диффузный слой и теряет с ионами внутреннего слоя связь. Поэтому между зарядами слоя потенциалопределяющих ионов и слоя компенсирующих ионов создается определенная разность потенциалов, называемая дзета-потенциалом. Так как сумма зарядов ионов потенциалопределяющего слоя выше суммы зарядов ионов слоя компенсирующих ионов, знак заряда коллоидной частицы определяется потенциалопределяющим слоем. Если во внутреннем слое находятся анионы, коллоидная частица заряжена отрицательно и называется ацидоидом. Если же внутренний слой состоит из катионов, то частица заряжена положительно и называется базоидом. Некоторые коллоиды способны менять знак заряда в зависимости от реакции среды и называются амфолитоидами.

Часть коллоидов может быть окружена водной оболочкой (гидрофильные коллоиды), другие коллоиды (гидрофобные) лишены этой оболочки. Коллоиды в почве представлены минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями.

Рис. 2. Схема мицеллы (по Н.И. Горбунову) К минеральным коллоидам относят глинистые минералы, коллоидные формы кремниевой кислоты, оксиды железа и алюминия. Наиболее часто встречаются глинистые минералы — каолинит, монтмориллонит, иллит и некоторые другие.

Все они имеют сложный химический состав и представляют собой алюмо- и железосиликаты. Глинистые минералы заряжены отрицательно. Во внутреннем слое их находятся группы ОН-, РО3-4, во внешнем — катионы Са2+, Мg2+, K+, Na+ и т.д. По отношению к катионам некоторые глинистые минералы обладают значительной емкостью поглощения: у монтмориллонита она равна 60—150 мг-экв, а у каолинита — 3—15 мг-экв на 100 г почвы.

Благодаря наличию отрицательного заряда глины способны к обменному поглощению катионов, количественной мерой которого является емкость катионного обмена (ЕКО) — максимальное количество катионов, удерживаемое почвой в обменном состоянии. Измеряется в мг-экв. на 100 г вещества.

Кремниевая кислота также заряжена отрицательно. Во внутреннем слое ее находятся группы SiO3, во внешнем — катионы Н.

Третья группа минеральных коллоидов — оксиды железа и алюминия. Они могут менять знак заряда: в кислой и нейтральной среде заряжены положительно, в щелочной — отрицательно.

Таким образом, главная масса минеральных коллоидов имеет отрицательный заряд и обладает определенной емкостью поглощения по отношению к катионам.

Органические коллоиды представлены в почве преимущественно гумусовыми кислотами и их солями. Внутренний слой их состоит из групп СОО-, а внешний — из ионов водорода, поэтому органические коллоиды, как и большинство минеральных, несут отрицательный заряд.

Органические коллоиды находятся в почве преимущественно в осажденном состоянии вследствие связывания с поливалентными катионами (в виде гелей). Их пептизация, то есть переход в состояние коллоидного раствора (золя), происходит под влиянием щелочей за счет образования гумусовых солей щелочных металлов.

По отношению к катионам органические коллоиды обладают очень большой емкостью поглощения, измеряемой 200— 600 мг-экв на 100 г коллоидов.

Органо-минеральные коллоиды так же, как и органические, заряжены отрицательно и представляют собой минеральные коллоиды, поверхность которых покрыта пленкой органических соединений.

Состояние почвенных коллоидов. Почвенные коллоиды могут находиться в двух состояниях: в состоянии коллоидного раствора, или золя, и в состоянии осадка, или геля. Под влиянием тех или иных факторов из состояния раствора коллоиды могут переходить в осадок и наоборот. Переход коллоидов из раствора в осадок называется коагуляцией, а из осадка в раствор — пептизацией.

Коагуляция коллоидов происходит при высушивании, замораживании их и при действии электролитов. В этих случаях коллоиды теряют водную оболочку или электрический заряд и, слипаясь один с другим, выпадают в осадок. Пептизация коллоидов наблюдается при насыщении их одновалентными катионами, особенно натрием, и связана с изменением электрокинетического потенциала коллоидов.

Коагуляция имеет практическое значение, так как способствует закреплению в почве органических и минеральных коллоидов. При пептизации наблюдается передвижение коллоидов вниз по профилю, в связи с чем физико-химические свойства почвы резко ухудшаются.

Почвенные коллоиды обладают способностью поглощать (адсорбировать) из почвенного раствора ионы и молекулы. Адсорбционные свойства коллоидов обусловлены большой удельной поверхностью, благодаря которой коллоидные частички приобретают силы электростатического притяжения.

3. Поглотительная способность почвы Процессы поглощения, протекающие в почвах, объединяют самые разнообразные явления как сорбционной природы, так и не связанные непосредственно с сорбцией на частицах почвы. Явление поглощения было известно еще в Древней Греции и Древнем Риме и широко использовалось мореходами для опреснения воды.

Поглотительной способностью почвы называется способность почвы поглощать газы, пары и растворенные или взмученные в воде соединения. Наиболее четко и полно учение о поглотительной способности было разработано К.К. Гедройцем, который выделил пять видов поглотительной способности, отличающихся один от другого механизмом поглощения, поглощаемыми веществами и ролью в почвообразовании и плодородии почв. Совокупность компонентов почвы, участвующих в процессах поглощения, К.К. Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК). Основную часть ППК составляют почвенные коллоиды.

К.К. Гедройц выделил следующие виды поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую (обменную), химическую и биологическую.

Механическая поглотительная способность — свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор. При механическом поглощении задерживаются лишь такие частички, диаметр которых больше диаметра пор почвы.

Величина этого вида поглощения зависит от гранулометрического состава почвы: чем она тяжелее по гранулометрическому составу, тем тоньше диаметр ее пор, тем выше, следовательно, механическое поглощение.

Механическая поглотительная способность играет немаловажную роль в почвообразовании и плодородии почвы. Она предотвращает вымывание из нее илистых и коллоидных частиц, находящихся в профиле. Благодаря механическому поглощению из пахотного слоя не вымываются вносимые удобрения, например, плохо растворимые в воде минеральные удобрения (фосфоритная мука).

Физическая (молекулярная) поглотительная способность подразумевает увеличение концентрации молекул растворенного вещества на поверхности твердых частиц почвы, окружающего почвенные коллоиды. Поглощение молекул при этом происходит вследствие того, что поверхность почвенных коллоидов обладает свободной энергией.

Путем физического поглощения в почве могут накапливаться пары воды и разнообразные газы. Наиболее энергично поглощается вода и аммиак, менее энергично — углекислый газ и совсем слабо — кислород и молекулярный азот. При поглощении паров вокруг коллоидных частиц создаются водные оболочки, которые при малой толщине прочно удерживаются ими. Утолщаясь, эти оболочки приобретают некоторую подвижность, а вода становится частично доступной для растений.

Физико-химическая, или обменная поглотительная способность, по Гедройцу, состоит в свойстве почвы обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов почвенного раствора.

В реакциях обмена участвуют только катионы, так как почвенные коллоиды заряжены в основном отрицательно и в диффузном слое находятся положительные ионы. Обменное поглощение всегда строго эквивалентно.

Способность поглощения у разных катионов различна и зависит от их валентности и относительной атомной массы:

чем выше валентность катиона, а в пределах одной валентности — относительная атомная масса, тем выше и энергия поглощения.

Все катионы по этим признакам Гедройц расположил в