Воздушный и тепловой режимы почвы и их регулирование. Плодородие почвы

1. Состав почвенного воздуха, его значение в почвообразовании.

2. Воздушные свойства почвы и понятие о воздушном режиме. Регулирование воздушного режима почв.

3. Тепловые свойства почвы.

4. Температурный режим почвы. Регулирование теплового режима почв.

5. Плодородие почвы и его регулирование.

1. Почвенный воздух или газовая фаза – важнейшая составная часть почвы, находящаяся в тесном взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды. Наличие достаточного количества воздуха, его благоприятный состав не менее важны в жизни почвы и формировании урожая, чем обеспеченность почв водой и питательными элементами.

Главные источники газовой фазы почвы – атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом в почву поступает кислород, необходимый для дыхания корней растений, аэробных микроорганизмов, почвенной фауны. В процессе дыхания кислород потребляется с выделением СО₂.

Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется газообменом или аэрацией.

Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях: свободном, адсорбированном и растворенном.

Свободный почвенный воздух размещается в некапиллярных и капиллярных порах почвы, обладает подвижностью, способен свободно перемещаться в почве и обмениваться с атмосферным.

Адсорбированный почвенный воздух – газы, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы.

Растворенный почвенный воздух – газы, растворенные в почвенной воде. Хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, СО_2.

Почвенный воздух отличается по составу от атмосферного, в результате дыхания микроорганизмов и корней растений, почвенный воздух обычно намного богаче углекислым газом и беднее кислородом

N₂ O₂ CO₂

Атмосферный 7-8 21 0,03

Почвенный 78-80 5-20 0,1-15,0

В почвенном воздухе часто встречаются водород, сероводород, метан и фосфористый водород, образующийся в результате анаэробного разложения органического вещества.

Чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются условия в почве для жизни культурных растений.

Чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой воздуха СО₂, тем благоприятнее условия для роста с/х культур.

Естественный газообмен в почве совершается под влиянием изменения температуры, вызывающей расширение и сжатие почвенного воздуха; ветра, колебания атмосферного давления, под действием выпадающих осадков и их испарения.

2. Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К ним относятся: воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшем под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см² при толщине слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О² и меньше СО₂^. Она зависит от мехсостава почвы, ее плотности, влажности, структуры. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости почвы.

Воздухоемкость характеризует содержание воздуха в почве в объемных процентах. Количество воздуха в почве зависит от влажности и пористости почвы. Чем пористость, меньше влажность, тем больше воздуха содержится в почве. Максимальная воздухоемкость характерна для сухих почв и равна общей пористости.

Воздушным режимом почв называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава и физического состояния.

При взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Воздушный режим подвержен суточной, сезонной, годовой и многолетней изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почвы (физических, химических, биологических и др.), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники. Наиболее благоприятно воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять поступающие в них воду и воздух. В улучшении воздушного режима нуждаются многие почвы, особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением.

Регулируют воздушный режим с помощью агротехнических и мелиоративных мероприятий.

3. К тепловым свойствам почвы относятся: теплопоглотительная способность, теплоемкость и теплопроводность.

Теплопоглотительная способность – способность почвы поглощать лучистую энергию Солнца. Она характеризуется величиной Альбедо.

Альбедо – количество коротковолновой солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы и выраженное в % от общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы. Чем меньше величина Альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации.

Альбедо зависит от цвета, влажности, структурного состояния, выравненности поверхности почвы и растительного покрова.

Теплоемкость – свойство почвы поглощать тепло. Характеризуется количеством тепла в калориях, необходимого для нагревания единицы массы 1 кг или объема 1 см³ на 1 С⁰.

В связи с этим различают весовую (удельную) и объемную теплоемкость почв.

Теплоемкость зависит от минералогического и механического состава, содержания органического вещества, влажности почвы, ее пористости и содержания воздуха. Влажные почвы медленнее нагреваются и медленнее охлаждаются, сухие быстрее нагреваются и быстрее охлаждаются.

Теплопроводность – способность почвы проводить тепло. Это очень важное свойство почвы, от которого зависит скорость передачи тепла от одного слоя к другому. Измеряется количеством тепла в калориях, которое проходит в 1 с через 1 см² слоя почвы толщиной в 1 см.

4. Почва находится в постоянном контакте с атмосферой и подвержена воздействию атмосферного климата. Важный элемент этого воздействия – постоянный приток к поверхности почвы солнечной радиации. При этом часть тепла поглощается почвой и идет на ее нагревание, а часть отдается в атмосферу в результате излучения.

Совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла называется тепловым режимом. Температура выступает как важный фактор интенсивности химических, физико-химических и биологических процессов в почве. С ней связаны растворения и осаждения различных соединений в почве, жизнедеятельность микроорганизмов, и почвенной фракции

Тепло – необходимый фактор роста и развития растений. От температурных условий почвы зависит развитие и продуктивность с/х культур: прорастание семян, развитие корневых систем, быстрота прохождения отдельных стадий, интенсивность фотосинтеза.

В почву тепло поступает за счет:

1. солнечной радиации; 2. атмосферного тепла; 3. тепла, выделяемого химическими и биологическими реакциями; 4. из недр земли.

Расходуется: 1. потеря тепла почвой; 2. растраты тепла на транспирацию, т.е. на поглощение влаги растениями; 3. затраты на нагревание почвы и ее горизонтов.

Различают суточный режим и годовой режим.

В зависимости от среднегодовой температуры и характера промерзания выделяют

4 типа температурного режима:

1. Мерзлотный – характерен для местностей, где среднегодовой температурный профиль почвы имеет отрицательный знак. В таких почвах преобладает процесс охлаждения (арктическая, субарктическая зоны).

2. Длительно промерзающий – проявляется на территориях, где преобладает положительная среднегодовая температура. Глубина проникновения отрицательной температуры не менее 1 м, но смыкания слоя сезонного промерзания с многолетнемерзлыми породами не наблюдается. Длительность промерзания не менее 5 месяцев.

3. Сезоннопромерзающий отличается положительной среднегодовой температурой почвенного профиля. Сезонное промерзание не более 5 месяцев. Подстилающие породы не мерзлые.

4. Непромерзающий характерен для местностей, где промерзание профиля почв и морозность не проявляются.

Почвы замерзают на поверхности при температуре 0-5^оС, в основном промерзает при температуре -3… -5^оС.

Глубина промерзания зависит от:

1. влажности; 2. наличия растительного покрова; 3. мощности снежного покрова; 4. длительности холодного периода.

Улучшение теплового режима почв основывается на осуществлении приемов, ослабляющих или повышающих ее потери за счет теплоотдачи в атмосферу.

К приемам, регулирующим приток солнечного тепла к поверхности почвы, относятся затенение почвы растительностью, мульчей, некоторые способы обработки почв, гребневые и грядковые посевы.

Полив – эффективный прием регулирования температуры почвы. При этом заметно снижается температура поверхностных слоев почвы. Осушение болотных почв приводит к повышению температуры верхних горизонтов в дневные часы летом и несколько снижает ночью по сравнению с неосушенными почвами. Радикальным приемом регулирования теплового режима в холодный период является снежные мелиорации.

5. Под плодородием следует понимать способность почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла и благоприятной физико-химической средой для нормального роста и развития.

Плодородие – существенное качественное свойство почвы, отличающее ее от горной породы. Плодородие почвы – результат развития природного почвообразовательного процесса, а при с/х использовании – также процесса окультуривания.

Формирование урожая и эволюция почвенного плодородия происходит в строгом соответствии с законами земледелия. Исследования ученых разных специальностей (агрохимиков, почвоведов, агрономов, физиологов) позволили выявить и сформулировать важнейшие законы земледелия:

1) Закон незаменимости и равнозначности факторов жизни растений, т. е. для нормального роста и развития растений в равной степени необходимы все экологические факторы.

2) Закон минимума, оптимума и максимума. Согласно этому закону каждый фактор жизни растения характеризуется минимальным, максимальным и оптимальным значениями показателей.

3) Закон комплексного действия и оптимального сочетания факторов, т.е. развитие растений происходит под постоянным воздействием всех экологических факторов, а для получения высокого урожая необходимо их оптимальное сочетание.

4) Закон лимитирующего фактора. Согласно закону недостаток одного фактора снижает положительное действие всех других, при этом уровень урожайности зависит от количества лимитирующего фактора.

5) Закон возврата в почву питательных веществ предусматривает возмещение питательных элементов, потерянных почвой в результате выноса с урожаем, в процессе эрозии, вымывании при помощи внесения удобрений или соответствующих агротехнических приемов.

6) Закон соответствия растительного сообщества своему местообитанию и необходимости соблюдения правильного чередования с/х культур во времени и пространстве. Данный закон составляет научную основу принципа плодородия – чередование во времени и пространстве культурных растений, различающихся между собой по физиологическим, биохимическим, агротехническим и др. свойствам.

7) Закон положительного эффекта в природном почвообразовательном процессе.

Экономическая оценка основана на относительной оценки в баллах с учетом урожайности с/х культур или продуктивности естественных ценозов, а также климатических условий. Такая оценка получила название бонитировки почв. Экономическая оценка земли может быть выражена и в ценах на единицу ее площади (1 га), исходя из данных ее бонитета; учета места положения конкретного почвенного ресурса.

Биологическая количественная оценка плодородия основана на определении показателя среднегодовой биологической продуктивности на данной почве, характеризующего способность почв обеспечивать продуктивность фотосинтеза.

Различают следующие виды плодородия: естественное или природное; искусственное; эффективное или экономическое. Выделяют также понятие потенциального плодородия.

Естественное плодородие определяется сложным взаимодействием свойств и режимов почв, обусловленных развитием природного почвообразовательного процесса, не нарушенного человеком. В чистом виде оно присуще целинным почвам и характеризуется продуктивностью произрастающих на почве ценозов.

Земледельческое освоение почв вносит существенное изменение в естественное развитие почвенных процессов и режимов, в свойства почв. Эти изменения обусловлены обработкой, внесением удобрений, различными мелиорациями. Качественные и количественные изменения в свойствах и режимах почв, возможные благодаря воздействию человека, характеризуют их искусственное плодородие. В чистом виде оно возникает при создании субстратов для выращивания растений в теплицах, парниках.

При с/х использовании почв искусственное плодородие в совокупности с естественным проявляется как эффективное, или экономическое плодородие. Оно реализуется в урожае с/х культур. Эффективное плодородие зависит не только от уровня природного плодородия, но, в большей степени, от условий использования почв в пространстве, развития науки и техники и реализации их достижений. Оно тесно связано с социально-экономическими отношениями.

Почва обладает определенными запасами элементов питания, которые реализуются при создании урожая растений путем частичного их расхода. Из этого представления вытекает понятие о потенциальном плодородии.

Потенциальное плодородие характеризуется общими запасами элементов питания растений, формами их соединений и сложным взаимодействием всех других свойств, определяющих способность почвы в благоприятных условиях обеспечивать растения другими земными факторами (водой, воздухом, теплом), длительное время мобилизовать в необходимых для растений количествах элементы питания и поддерживать высокий уровень эффективного плодородия.

Высоким потенциальным плодородием обладают черноземные, лугово-черноземные, низинные торфяные почвы, которые обладают значительными запасами элементов питания.

Плодородие, также как и почвообразование, тесно связано с процессами превращения, аккумуляции и передачи вещества, что является причиной количественных и качественных изменений факторов и условий плодородия. Эти изменения могут протекать в благоприятном направлении для развития плодородия и приводить к его повышению, или в неблагоприятном, приводя к снижению плодородия. За определенный период времени (вегетационный период, годичный или севооборотный цикл и т.д.) изменение плодородия может проявляться в виде неполного, простого и расширенного его воспроизводства.

Формирование плодородия почвы ниже первоначального уровня означает неполное воспроизводство почвенного плодородия. Возвращение почвенного плодородия к исходному уровню означает простое воспроизводство плодородия. Создание почвенного плодородия выше исходного уровня представляет собой расширенное воспроизводство плодородия.

Воспроизводство почвенного плодородия есть объективный закон почвообразования, присущий всем формам его проявления. При развитии природного процесса почвообразования воспроизводство плодородия по неполному, простому или расширенному типу определяется развитием конкретных почвообразовательных процессов или их сочетанием. Современное интенсивное земледелие основывается на мировом применении таких мощных факторов интенсификации, как химизация, мелиорация и механизация, а также на использовании высокопродуктивных сортов с/х растений. Наибольшая эффективность этих факторов обеспечивается при высоком уровне почвенного плодородия, что подчеркивает все возрастающее значение плодородия почвы по мере повышения интенсивности земледелия.

Лекция № 12 (2 часа)

Учение о генезисе и эволюции почв, классификация почв

1. Многообразие почв в природе и их связь с факторами почвообразования.

2. Географическое подразделение почвенного покрова. Законы широтной и вертикальной почвенной зональности.

3. Основные принципы классификации.

4. Таксономические единицы классификации почв.

5. Номенклатура и диагностика почв.

1. Факторы почвообразования оказывают специфическое воздействие на образование почв и не могут быть заменены друг другом. Каждый из них играет свою роль в процессах обмена материей и энергией между почвой и окружающей ее средой. От солнечного излучения почва получает тепловую энергию, из атмосферы – воду и кислород.

Рельеф вследствие различной экспозиции склонов трансформирует поступление солнечной энергии и под влиянием силы тяжести обусловливает перераспределение влаги и передвижение почвенного раствора.

Почвообразующие породы определяют состав минеральной массы на первых этапах ее развития. Биологические факторы вносят в почву высокомолекулярные органические соединения, влияют на водный, газовый и тепловой режимы и обусловливают протекание в почве сложных биохимических реакций. Докучаев в качестве особого фактора почвообразования рассматривал также время. По современным взглядам время имеет более общее значение. Оно является всеобщей координатой развития всех процессов и явлений в природе и обществе, и в этом смысле не может быть поставлено в сравнение с другими факторами почвообразования. Факторы почвообразования в природе тесно связаны друг с другом, и их раздельное рассмотрение является в известной степени научной абстракцией, необходимой для понимания элементарных явлений почвообразования.

2. Закономерности географического распространения почв определяются распространением природных условий на земной поверхности. Это положение лежит в основе развития следующих важнейших разделов географии почв: учения о горизонтальной зональности, о вертикальной зональности, о почвенно-климатических фракциях и провинциях и о неоднородности и структурах почвенного покрова. По современным представлениям, в почвенном покрове суши могут быть выделены широтные почвенно-климатические пояса.

Почвенно-климатический пояс представляет собой совокупность широтных почвенных зон и горных (вертикальных) почвенных провинций, объединенных сходством факторов и условий почвообразования. В зависимости от термических особенностей климата различают полярный, бореальный, суббореальный, субтропический и тропический климатические пояса, которым соответствуют определенные зональные типы почв, характеризующиеся, прежде всего, похожими режимами почвообразования.

Почвенно-климатические пояса подразделяются на почвенно-биоклиматические области, которые характеризуются почвами, близкими по режиму атмосферного увлажнения и типом растительности.

В почвенно-биоклиматических областях выделяют несколько почвенных зон. Почвенная зона представляет собой ареал почвенных сочетаний, в состав которых входят зональные и сопутствующие им интразональные почвы. В современной терминологии название зоны дают по преобладающим в ней типам почв. При более дробном делении выделяют почвенные подзоны с преимущественным распространением определенных зональных подтипов почв на переходах от одной зоны к другой, а также почвенные фации и провинции. Почвенные фации – части зоны, различающиеся между собой по температурному режиму почв и характеру увлажнения, а почвенная провинция выделяется аналогично почвенной фации, но с более точным масштабом показателей.

Почвенные провинции по структуре почвенного покрова разделяют на почвенные округа и районы.

Почвенный округ – часть почвенной провинции, характеризующаяся определенным типом почвенных комбинаций, обусловленных особенностями рельефа и почвообразующих пород.

Почвенный район – часть почвенного округа, характеризующаяся одним типом мезоструктуры почвенного покрова. Почвенные округа качественно различаются по составу и строению почвенного покрова, а почвенные районы – лишь по количественному соотношению родов и разновидностей почв, свойственных округу.

Помимо широтной зональности, существует вертикальная поясность, или вертикальная зональность. Вертикальная зональность выражается в последовательной смене вертикальных почвенных зон от вершины горной страны к подножию. В целом она аналогична закономерности широтной зональности, но с менее резкой выраженностью зон. Кроме зональных почв довольно широкое распространение имеют интразональные и азональные почвы. К интразональным относят болотные, солонцовые почвы и почвы на карбонатных породах, которые встречаются во всех зонах. К азональным почвам относятся молодые формирующиеся почвы, не успевшие приобрести зональные особенности. Это почвы на свежем аллювии, молодые каменистые почвы на элювии плотных массивно-кристаллических пород.

3. При разработке современной классификации почв исходят из следующих основных принципов:

1) классификация почв должна опираться на основные свойства и режимы почв и обязательно учитывать процессы, их создающие, и условия почвообразования;

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 состояние 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.

4. Под таксономической единицей (таксоном) понимают поч­венную единицу, определяющую последовательность учета ге­нетических характеристик и точность установления места по­чвы в классификационной системе. В современной классифи­кации почв основной таксономической единицей является тип почвы.

Тип почвы. Это группа почв, которые характеризуются одно­типностью поступления и трансформации органического веще­ства, минеральной массы, процессов миграции и аккумуляции ве­щества и почвенных режимов в целом, сходством строения по­чвенного профиля и характером мероприятий по воспроизводству почвенного плодородия.

Это группа почв, развивающаяся в однотипных условиях поч­вообразования и характеризующаяся четким проявлением веду­щих процессов почвообразования. К почвенным типам относятся подзол, чернозем, солонец, солодь и т.д. В пределах типа почв вы­деляют подтипы.

Подтип почвы. Это группа почв, которые представляют собой переходные почвенные образования между типами почв. При вы­делении подтипов учитывают подзональные и фациальные осо­бенности территории.

Род почвы. В пределах подтипа выделяют роды почв, которые уточняют генетическую характеристику почв, учитывая влияние различных местных условий (состав почвообразующих пород, со­став и глубину залегания грунтовых вод, наличие реликтовых и антропогенных характеристик почвообразования и т. д.).

Вид почвы. Впределах рода выделяют виды почв, которые уста­навливают количественные различия в проявлении основного почвообразовательного процесса. Почвы разделяют на виды по степени развития солонцового, подзолистого или других почвооб­разовательных процессов, мощности гумусового или подзолистого горизонтов, уровню гумусированности и т.д.

Разновидность почвы. В пределах вида выделяют разновидности почв, которые отражают различия почв по гранулометрическому составу верхних почвенных горизонтов.

Разряд почвы. Наиболее точной и иерархически низкой таксо­номической единицей является разряд почвы, который разделяет почвы по характеру почвообразующих пород.

5. Систематика почв выступает как научная основа и введение в классификацию. Она призвана осмысленно (систематизированно) представить знание о почве, почвенном разнообразии и взаимоот­ношениях между различными группами почв, о специфических особенностях каждой почвенной единицы (таксона).

Основы почвенной систематики были заложены В. В. Докучае­вым. Систематика решает три задачи:

1) определяет качественные и количественные различия между существующими почвами;

2) накапливает, возможно, полную информацию об этих почвах и

3) на основании имеющихся данных формирует логически последова­тельный перечень почв, в соответствии с которым составляют но­менклатурный список и классификацию почв.

Номенклатура почв представляет собой перечень, совокуп­ность наименований и терминов в соответствии со свойствами и положением в систематике почв. В основу отечественной ге­нетической номенклатуры почв положены их народные назва­ния, отражающие наиболее характерные свойства; например, к типу почв относятся подзол, чернозем, серые лесные почвы, бу­розем, каштановые почвы, солончак, солонец, солодь. Многие из этих названий вошли в мировое почвоведение как научные термины. В результате развития и уточнения номенклатуры почв термины и названия их стали более сложными, отражаю­щими не только важнейшие свойства, но и количественные ха­рактеристики процессов почвообразования. Так, при обозначе­нии подтипов в названии почв указывают отклонение от цент­рального подтипа для каждого генетического типа почв. Напри­мер, в типе серых лесных почв выделяют следующие подтипы: светло-серая, серая и темно-серая лесная почва, где серая лес­ная почва является главным подтипом. При выделении рода и вида почв называют количественные и качественные характе­ристики процессов, например, светло-каштановая сильносолонцеватая почва.

Таким образом, номенклатура почв содержит полное их назва­ние, в котором последовательно приведены наименования типа, подтипа, рода, вида, разновидности, разряда. Например, чернозем (тип) южный (подтип) солонцеватый (род) малогумусный (вид) легкоглинистый (разновидность) на легкоглинистом карбонатном лёссе (разряд).

Морфологические признаки, по которым почва может быть описана и определена, т.е. отнесена к конкретному типу, роду, разновидности, называют диагностическими признаками, а сам процесс выделения каждой конкретной почвы – диагностикой почв.

Лекция № 13 (2 часа)

Дата добавления: 2014-01-11