Образование почв

Почва образуется в результате длительного процесса разрушения, вышедших на дневную поверхность массивных горных пород и последующего качественного изменения продуктов их разрушения. При этом формирование и развитие почв обусловлено двумя практически одновременно протекающими и тесно перекликающимися между собой про­цессами -выветриванием и почвообразованием.

Выветривание - это процесс разрушения находящихся в поверхностныx слоях земной коры горных пород.

Первоначальное разрушение горных пород называют физическим, или механическим, выветриванием. Оно происходит в результате силь­ного нагревания породы солнечными лучами в дневные часы и резкого ее охлаждения ночью. В породе образуются многочисленные трещины, которые со временем расширяются и углубляются, чему способствует еще и проникающая в них и замерзающая там вода. Вследствие этого мас­сивные горные породы дробятся на различные по форме и величине обломки, которые называют рухляком.

В сравнении с массивной горной породой рухляк, ввиду рыхлого сло­жения и наличия многочисленных пор, легко пропускает через себя воду и воздух. Содержащиеся в них кислород и углекислый газ взаимодей­ствуют с рухляковой породой, растворяют ее минералы, и образовав­шиеся новые соединения (вторичные минералы) вымываются растворя­ющей их водой. В результате этого процесса, называемого химическим выветриванием, изменяется химический состав рухляка, он становится однороднее и все более обогащается глинистыми и илистыми частица­ми. На такой качественно измененной рухляковой породе складывают­ся благоприятные условия для поселения бактерий, водорослей, лишай­ников и других живых организмов. Вследствие их жизнедеятельности продолжается дальнейшее механическое разрушение и химическое из­менение рухляка, называемое биологическое выветривание. Периодичес­кое отмирание этих организмов сопровождается обогащением верхнего горизонта органическим веществом и биологически важными элемента­ми минерального питания. Это создает условия для поселения высших зеленых растений и активизации жизнедеятельности почвообитающих животных (клещи, нематоды, мокрицы, многоножки, личинки насеко­мых, дождевые черви и т.п.), что характеризует собой начало почвооб­разовательного процесса. Образовавшаяся вследствие физического, хи­мического и биологического выветривания рыхлая, пористая, сравни­тельно однородная по размеру слагающих ее частиц, способная пропускать и удерживать в себе влагу и воздух рухляковая масса назы­вается материнской породой.

Основоположник научного почвоведения В.В.Докучаев установил и выделил природные условия, под воздействием которых протекает процесс образования и формирования почвы. Эти условия, названные при­родными факторами почвообразования, следующие: живые организмы (биологический фактор), почвообразующая порода, климат, рельеф ме­стности и возраст почв (время).

Значение живых организмов в преобразовании ма­теринской породы в почву велика, поскольку в основе почвообразова­тельного процесса лежит биологический круговорот веществ. Эти жи­вые организмы представлены группами: высшие зеленые растения, низ­шие растения и почвообитающие животные.

Высшим зеленым растениям (деревья, кустарники, полукустарники, травянистые растения, мхи) принадлежит ведущая роль в почвообра­зовании. Только они способны в больших размерах синтезировать орга­ническое вещество и с окончанием вегетационного периода накапли­вать его в виде отмерших корней и опадающих надземных органов в верхних слоях материнской породы. Вместе с органическим веществом растений и другими отмершими разнообразными организмами в по­верхностные слои породы поступают и концентрируются элементы ми­неральной пищи, извлеченные корневой системой растений из глубо­ких слоев материнской породы. При разложении органического веще­ства с помощью гетеротрофных и аэробных бактерий, грибов, актиномицетов в формирующейся почве образуются и постепенно на­капливаются гумусовые вещества (гумус), которые существенно изменя­ют физические, химические, поглотительные и другие свойства почвы. Одновременно в процессе минерализации из органического вещества высвобождаются и накапливаются зольные элементы питания расте­ний и минеральные формы азота. В таком виде они повторно исполь­зуются последующими поколениями растений, после отмирания кото­рых почва, таким образом, ежегодно последовательно и в нарастаю­щем объеме обогащается вновь образующимся гумусом и дополнительно вовлеченными элементами минерального питания.

Таким образом, при формировании почвы протекают два прямо про­тивоположных процесса - синтез органического вещества и его разло­жение, из которых первый превалирует над вторым. Такой непрерыв­но протекающий между зелеными растениями, сопутствующими жи­выми организмами и материнской породой циклический обмен биологически важными элементами акад. В.Р.Вильямс назвал малым биологическим круговоротом веществ. Но поскольку этот круговорот веществ замкнут, а синтез органического вещества преобладает над раз­ложением этого вещества, то формирующаяся почва и приобретает осо­бое свойство - плодородие.

Помимо высших зеленых растений, в почвообразовательном про­цессе существенная роль принадлежит и низшим растениям. Так, раз­личные бактерии, актиномицеты, водоросли, лишайники первыми по­селяются на горной породе и способствуют возникновению начальных этапов биологического выветривания и начальных стадий почвообра­зовательного процесса.

Бактерии представлены преимущественно одноклеточными организ­мами. По способу питания их подразделяют на автотрофные и гетерот­рофные. Автотрофные бактерии (нитрофицирующие, серобактерии, же­лезобактерии и др.) способны сами создавать органическое вещество, усваивая углерод углекислого газа или с помощью химической энергии, высвобождающейся при окислении других веществ (хемосинтез), или с помощью солнечной энергии (фотосинтез). Гетеротрофные бактерии (ам­монифицирующие, денитрофицирующие, целлюлозоразлагающие и др.) способны усваивать углерод только из готовых органических веществ. Они принимают активное участие в минерализации отмерших растений и животных, разлагая органическое вещество их тел до простых соеди­нений. В процессе жизнедеятельности некоторые группы бактерий вы­деляют витамины, ферменты, антибиотические вещества, органические кислоты и другие соединения. Эти вещества благоприятствуют усвое­нию элементов минерального питания из почвы растениями и активизи­руют в них процессы метаболизма.

Особенно важное значение принадлежит группе азотфиксирующих бактерий. Они усваивают свободный азот воздуха и аккумулируют его в своих телах в форме сложных белковых соединений. В процессе разложения отмерших тел этих бактерий азот белков минерализуется до простых соединений, в форме которых легко усваивается зелены­ми растениями. В течение года бактерии способны ассимилировать и при отмирании оставлять в почве в расчете на гектар несколько де­сятков килограмм азота в органических соединениях, получившего название биологического.

В обогащении почвы биологическим азотом роль клубеньковых азо-тофиксирующих бактерий (Rhizobium Spp) наиболее существенна. Они нуждаются в хорошем обеспечении кислородом и как симбиотические организмы живут в особых выростах - клубеньках, образующихся на кор­нях бобовых растений (горох, вика, клевер, люпин, люцерна и т.п.). В те­чение одного летнего сезона они оставляют в почве от 50 до 120 кг/га био­логического азота.

Из свободноживущих азотофиксирующих бактерий упомянем аэроб­ные виды азотобактера (Azotobacter) и анаэробные виды клостридии (Clostridium), которые ежегодно фиксируют и оставляют в почве не ме­нее 5-10 кг/га биологического азота.

Обитающие в почве бактерии по разному относятся к кислороду.

Аэробные бактерии обитают обычно в верхних слоях почвы и потому нуждаются в хорошем обеспечении кислородом. Поступающие в почву органические остатки ими разлагаются практически полностью до ми­неральных соединений. Такой процесс трансформации органических веществ называют аэробным.

При отсутствии кислорода в почве, в ее глубоких слоях или в толще органической массы развиваются анаэробные бактерии. Они очень мед­ленно и неполно разлагают поступающие органические вещества. При таком процессе, называемом анаэробным, в почве постепенно накапли­ваются неразложившиеся растительные остатки, нередко образующие слои торфа.

В почвообразовательном процессе значительное место занимают и другие низшие растения.

Грибы и актиомицеты как гетеротрофные аэробные организмы уча­ствуют в глубокой минерализации сложных органических веществ, как клетчатка, легнин, гумус и другие.

Водоросли - хлорофилоносные одно- или многоклеточные организ­мы не только способны синтезировать органическое вещество, но неко­торые из них могут фиксировать молекулярный азот и тем самым обо­гащать ими почву.

Лишайники являются симбиотическими организмами, состоящими из гриба и водоросли. Они весьма неприхотливы и поселяются даже на мас­сивных породах. Извлекаемые из породы элементы минерального пита­ния и разрушая ее, они после отмирания создают с рухляком первичный субстрат для начального поселения высших растений.

В образовании почвы участвуют и почвообитающие животные, пред­ставленные простейшими (Ptotozoa) - жгутиковые, корненожки, инфу­зории, многоклеточными - нематоды, дождевые черви, многоножки, па­укообразные насекомые, их личинки, позвоночными - полевки, кроты, тушканчики, суслики и т.п.

В процессе жизнедеятельности эти животные потребляют, видоизме­няют и разлагают растительную массу, обогащают почву гумусом, раз­рыхляют ее, изменяют микрорельеф местности и т.п.

Рыхлые поверхностные слои горных пород, образовавшиеся в резуль­тате выветривания, переноса и отложения продуктов разрушения, назы­ваются материнскими, или почвообразующими, породами.

Почвообразующие породы предопределяют минерало­гический, химический, гранулометрический состав, физические свойства и интенсивность биохимических процессов формирующихся почв.

На территории России целесообразно выделить следующие группы почвообразующих пород.

Моренные, или ледниковые, отложения представляют собой неоднородный и мало сортированный материал основных и конеч­ных морен, включающий в себя глины, пески, гравий и валуны. Если в составе отложений присутствуют известковые материалы, то морену на­зывают карбонатной, а если известковые породы отсутствуют - бескарбонатной. Моренные отложения занимают обширные территории в северной части европейской России и в Западной Сибири.

Водно-ледниковые, или флювиогляциальные, отложения образуются водными потоками тающих ледников и харак­теризуются хорошей отсортированностью: галечниковые, песчаные и даже глинистые наносы. Последние отложения образуются водами от внешнего края ледника и при спокойном разливе его вод. Эти одно­родные по составу пылевидные глинистые отложения буро-желтого цвета обычно покрывают водораздельную часть морены, а потому и называются покровными суглинками. При наличии в таких отложени­ях известковых материалов их называют лессовидными суглинками.

Озерно-ледниковые отложения сформировались на дне приледниковых озер и характеризуются чередующейся слоистостью пес­ков и глин. Отсюда они и получили название ленточные глины.

Лесс - естественного уплотнения однородные отложения пылевид­ных частиц (0,005-0,01 мм). Карбонатная порода пористого сложения и палевого цвета, на которой формируются самые плодородные почвы. Распространены в степных и смежных с ними территориях Среднерус­ской возвышенности.

Аллювиальные отложения образуются в результате выпадения наносов из потоков речных вод в областях речных пойм и устьев рек.

Рассмотренные материнские породы являются преобладающими, на которых сформировались почвы, вовлеченные к настоящему времени в сельскохозяйственный оборот страны. Все эти отложения называются четвертичными, поскольку возникли в четверичный период кайнозойс­кой эры.

Климат. Влияние климата на почвообразовательные процессы весьма разнообразно и обусловлено выраженностью его элементов: осадки, температура, продолжительность солнечной радиации, ветер, испа­ряемость и т.п.

Обильные осадки глубоко промачивают почву и выносят за пределы корнеобитаемого слоя гумусовые соединения и элементы минерального питания, которые уже безвозвратно теряются для растений. В условиях продолжительного вегетационного периода растения создают больше органического вещества, но при умеренном увлажнении оно и быстрее минерализуется. В засушливом климате грунтовые воды нередко содер­жат растворимые вещества. При подтягивании по капиллярам таких вод к поверхности почвы, например вследствие излишнего орошения посе­вов, они при испарении оставляют в ней много минеральных соедине­ний, что ведет к засолению почв и потери ими плодородия.

Климат влияет также на видовой состав и продуктивность растений и животных, на интенсивность накопления гумуса, на особенности миг­рации и отложения в горизонтах почв растворимых соединений, на проявление и развитие эрозионных процессов и т.п.

Рельеф. Рельеф, как обширных природных территорий, так и конкретных сельскохозяйственных угодий и отдельных полей определенной местности оказывает разнообразное влияние на почвообразовательные процессы. Склоны южной экспозиции быстрее прогреваются и потому ранее освобождаются от снега, их посевы быстрее, чем на других полях достигают состояния физической и биологической спелости, предпочти­тельнее для выращивания теплолюбивых культур. На склонах северной экспозиции эти явления протекают медленнее, а вегетационный период культур значительно сокращается из-за частого возврата весенних замо­розков и раннего наступления осенних холодов.

С увеличением крутизны склона усиливается обеднение повышенных участков поля элементами минеральной пищи и влагой, которые накап­ливаются в понижениях и нередко вызывают переувлажнения почв и приводят к сильному зарастанию посевов сорняками. Эти и подобные явления, таким образом, тоже содействуют формированию почв, раз­личных по своему плодородию.

Возраст почв. Формирование и эволюция почвенного покрова на любой территории протекает во времени, которое по существу и ха­рактеризует возраст почв. Продолжительность этого периода исчисляет­ся с момента освобождения данной территории от ледника или моря до современной стадии развившейся почвы. Поэтому черноземные почвы можно рассматривать как более старые, чем тундровые почвы, возраст которых оценивают около 5-10 тыс. лет. Однако даже на ограниченной территории ее отдельные участки различаются по крутизне и экспозиции склона, происхождению и составу материнских пород и т.п. Поэтому даже при одном во времени возрасте сформировавшихся здесь почв, они нередко различаются между собой по стадиям развития почвообразова­тельного процесса и по уровню достигнутого плодородия.

Производственная деятельность человека, как в широком понимании, так и в более узком земледельческом аспекте оказывает все возрастающее влияние на состояние почв и их плодоро­дие. Осушение болот и орошение полей в засушливых районах, внесение извести, органических и минеральных удобрений, увеличение площади посевов промежуточных и сидеральных культур, совершенствование способов обработки и расширенное использование других мероприятий улучшают водный режим почв, их агрофизические и агрохимические свойства, повышают содержание в почве гумуса и элементов минераль­ной пищи, активизируют жизнедеятельность почвенных микроорганиз­мов и животных, сокращают обилие в посевах сорняков и других вред­ных организмов и т.п. Все это способствует резкому повышению плодо­родия почв и росту урожайности культур.

Однако неразумная деятельность человека может привести не толь­ко к постепенной утрате почвой плодородия, но даже к полному раз­рушению самой почвы. Такие процессы происходили, а нередко все еще наблюдаются в настоящее время теперь при вырубке лесов, распашке обширных массивов целинных земель, бессистемном выпасе скота, от­крытой разработке рудных месторождений и т.п.

Природные факторы почвообразования, как и фактор производствен­ной деятельности человека, рассмотрены раздельно лишь в целях удоб­ства. Фактически в естественных условиях, как и в конкретной хозяйствен­ной обстановке, они протекают совместно, переплетаясь между собой и с меняющейся интенсивностью и очередностью относительно друг друга.

Состав почвы.

Минеральная часть почвы. Минеральная часть твер­дой фазы почвы представлена рыхлыми продуктами выветривания горных пород. Эти рыхлые отложения состоят из отдельных частиц различ­ной величины и формы, которые называются механическими элемента­ми или гранулами.

Сходные по размеру гранулы объединяют в группы или фракции, среди которых выделяют: камни (> Змм), гравий (3-1 мм), песок (1,0-0,05мм), пыль (0,05-0,001мм), ил (0,001-0,0001мм) и коллоиды (< 0,0001мм). Частицы более 1 мм называют скелетом почвы, а менее 1 мм-мелкоземом.

Необходимость в выделении подобных фракций объясняется тем, что они обладают весьма несходными свойствами, передавая эти свойства и почвам. Каменистая фракция характеризуется высокой воздухо-и водо­проницаемостью, практически не обладает влагоемкостью, капилляр­ностью и связанностью, не способна удерживать в себе влагу и мине­ральные элементы пищи, но вызывает ускоренное изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих орудий. Напротив, илистая фракция, богатая питательными веществами и гумусом, обладает высокой влаго­емкостью и поглотительной способностью, препятствует вымыванию ми­неральных элементов из почвы, но имеет низкую воздухо-и водопро­ницаемость и высокую капиллярность, связанность и липкость.

Механический (гранулометрический) состав определяют по содержа­нию в рухляке каждой фракции отдельно, выраженной в процентах от общей массы абсолютно сухой почвы.

Для характеристики почв по гранулометрическому составу широко используется классификация Н.А.Качинского (таблица 1.). В ней исполь­зуют количественное соотношение в процентах между фракциями физи­ческого песка (>0,01 мм) и физической глины (< 0,01 мм), общая масса которых принята за 100%. Например, при содержании в дерново-подзо­листой почве 26% физического песка и соответственно 74% (общая мас­са почвы 100% - 26% песка) физической глины она называется дерново-подзолистая легкосуглинистая.

Классификация почв по гранулометрическому составу

Название разно-	Содержание физической глины
видности почвы	(гранулы < 0,01 мм),%
	подзолистый	степной тип	солонцы и силь-
	тип почвооб-	почвообразо-	носолонцовые
	разования	вания	почвы
Песок рыхлый	0-5	0-5	0-5
Песок связный	5-10	5-10	5-10
Супесь	10-20	10-20	10-15
Суглинок легкий	20-30	20-30	15-20
Суглинок средний	30-40	30-45	20-30
Суглинок тяжелый	40-50	45-60	30-40
Глина легкая	50-65	60-75	40-50
Глина средняя	65-80	75-85	50-65
Глина тяжелая	> 80	> 85	>65

Механический состав в значительной мере определяет многие агро­номические свойства.

Почвы песчаные и супесчаные легко впитывают влагу и пропускают воздух, но обычно мало содержат органического вещества и потому плохо удерживают воду и питательные вещества. Из-за низкой связности почвы такого механического состава легко поддаются обработке и с весны быст­ро прогреваются, за что и получили название легкие и (или) теплые.

Почвы глинистые по механическому составу плохо и медленно впи­тывают влагу, которая застаивается на поверхности и приводит к обра­зованию почвенной корки. Ввиду слабого газообмена в таких почвах приостанавливается жизнедеятельность аэробных бактерий, затрудня­ется снабжение корней растений кислородом, образуются вредные для растений закисные соединения алюминия и железа и усиливаются явле­ния токсикоза. Эти почвы сильно уплотняются, оказывают большое со­противление почвообрабатывающим орудиям, а весной очень медленно прогреваются, что дало им название тяжелые и (или) холодные.

В суглинистых почвах сочетаются положительные свойства легких и тяжелых почв. Они предпочтительнее для возделывания многих куль­тур (озимые, свекла, картофель, лен, сеянные травы и др.), так как на более продолжительное время сохраняют благоприятные условия для жизни растений.

В полевой обстановке нередко возникает необходимость определить хотя бы ориентировочно механический состав, не прибегая к использо­ванию сложного оборудования. Положите на ладонь комочек почвы (не более 2-3 см в диаметре) и, слегка увлажнив и разминая его в течение 20-30 секунд, попытайтесь придать ему следующие формы. Если из по­чвы не удается образовать шарик, то эта почва по механическому соста­ву песчаная (песок). В случае образования шарика попытайтесь раска­тать его в шнур. Если в начале раскатывания образуются только мелкие комочки почвы в виде отдельных фрагментов шнура, то это супесь. Лег­кий суглинок удается раскатать в шнур, который однако весьма не про­чен и легко распадается на части при его дальнейшем раскатывании. Если при раскатывании образуется толстый шнур и из него можно образо­вать кольцо, которое при этом дает трещины и изломы, то это средний суглинок. Тяжелый суглинок легче раскатывается в шнур, но на выкла­дываемом кольце появляются трещины. Если при раскатывании шари­ка образуется шнур и его можно сложить в гибкое без трещин кольцо, то это глинистая почва (глина).

Органическое вещество почвы. Источником образо­вания органического вещества почвы являются обитающие в ней и на ней растительные и животные организмы.

В почву поступают как отмирающие надземные части древесных рас­тений (трансформируется в лесной опад или лесную подстилку) и почти полностью отмирающая надземная масса травянистых растений (дерно­вый, или степной, войлок), так и частично или полностью отмирающая их корневая система, оставаясь в толще почвы в местах ее прежнего функ­ционирования. Ежегодно сухое вещество лесного опада под древесной ра­стительностью составляет около 3-7 т/га и в несколько раз превышает массу ее корней, отмирающих в почве. При отмирании травянистой рас­тительности в почву ежегодно поступает нередко 11-18 т/га сухого органического вещества, большая часть которого представлена отмершими корнями.

Заметно обогащают почву органическим веществом также микроор­ганизмы и беспозвоночные животные. Так, численность микроорганиз­мов в 1 г почвы оценивается от 0,3 до 3 млрд при общей массе их сухого вещества около 0,6 - 1,3 т/га, образующейся в течение вегетационного периода. Из общей биомассы беспозвоночных животных почвы (нема­тоды, клещи, многоножки, насекомые и др.) доля дождевых червей со­ставляет около 80 - 95% и колеблется от 0,5 т/га на пашне и до 4 т/га на лугах. В течение вегетационного периода под сеянными травами дожде­вые черви проделывают в почве около 1000 ходов на 1 м², а на часто обрабатываемых полях таких ходов они образуют в 2 - 3 раза меньше. За этот период они в процессе жизнедеятельности выносят на поверх­ность почвы под различными культурами от 6 до 80 т/га капролитов, которые обогащены органическим веществом, микрофлорой и хорошо оструктурены.

Поступающие в почву органические остатки растительных организ­мов содержат 10 - 25% сухих веществ, которые весьма разнообразны по химическому составу. Азотосодержащие белковые вещества преоб­ладают в телах бактерий (40 - 70%), тогда как углеводы (клетчатка, гемицеллюлоза, крахмал и др.) превалируют в телах автотрофных рас­тений (30 - 90%). Травы и водоросли более богаты белками (5 - 20%), а деревянистые растения больше содержат лигнина, липидов и дубиль­ных веществ (25 - 50%). Поэтому процесс разложения лесной подстилки протекает значительно медленнее, чем это происходит при разло­жении отмерших частей травянистых растений.

В органических остатках мертвых организмов, помимо элементов органогенов (N, С, О, Н), содержатся зольные элементы (Са, Mg, К, Р, S, Fe) и микроэлементы (Мn, В, Сu, Zn, Mo и др.).

Органическая неживая масса как накапливающаяся на поверхности почвы, так и остающаяся в разных слоях почвы после отмирания корневой системы и почвообитающих организмов подвергается сложным и разнообразным процессам трансформации. Эти процессы биологические по природе протекают под воздействием грибов, актиномицетов и бактерий с помощью выделяемых ими экзоэнзимов и при участии почвообитающих животных. В начале происходит разложение сложных органических соединений на более простые, называемые промежуточ­ные продукты разложения. При недостаточном увлажнении (60-80% от полной влагоемкости), хорошей аэрации и благоприятной температуре (25-32° С) большая (около 75%) часть этих промежуточных продуктов разложения органических остатков почти полностью минерализуется. Многие конечные продукты минерализации в газообразной и водорастворимой форме (СО₂, H₂O, NH₃, NO₃^-, CaO, K₂O и др.) могут снова усваиваться растениями.

Следующая часть промежуточных продуктов разложения использу­ется гетеротрофными микроорганизмами для поддержания жизнедея­тельности и формирования своих тел. Этот процесс повторного образования сложных органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.п.) для построения тел очередных поколений микроорганизмов называют микробным синтезом. После отмирания этих организмов оставлен­ная ими органическая масса вновь вовлекается в процесс разложения.

Оставшаяся последняя часть промежуточных продуктов разложения вовлекается в реакцию окисления, поликонденсации и полимеризации. Они протекают в почве с участием энзимов, выделяемых микроорганиз­мами во внешнюю среду. В результате образуются совершенно новые специфические органические вещества, несвойственные органическим соединениям отмерших тел организмов, которые вследствие их устой­чивости к разрушению постепенно накапливаются в почве. Эти веще­ства называют гумусом (перегноем) или гумусовыми, а сам процесс их образования - гумификацией.

В составе гумуса целесообразно выделить такие группы соединений: исходные вещества тел отмерших организмов (10-15% общей массы пе­регноя); промежуточные продукты разложения (5-10% массы перегноя); собственно специфические гумусовые вещества, которые и определяют важнейшие свойства гумуса (80-90% массы перегноя).

В составе гумусовых веществ выделяют две группы высокомолекулярных и азотосодержащих соединений: гуминовые кислоты и фульвокислоты.

Гуминовые кислоты - темно- и черноокрашенные соединения, в воде почти не растворяются, в почве представлены преимущественно в виде гелей и коллоидных растворов и обладают очень высокой поглотительной способностью (250 - 750 мг-экв на 100 г вещества). Последнее и объяс­няет высокое содержание элементов минерального питания в хорошо гумусированных почвах.

При взаимодействии с минеральной частью эти кислоты образуют разные по прочности соединения, в том числе и соли, называемые гуматами. Гуматы одновалентных катионов (Na⁺, К⁺ и NH₄⁺) хорошо раство­ряются в воде и потому слабо закрепляются в почве. Гуматы двухвален­тных катионов (Са²⁺, Mg²⁺) в почве накапливаются в виде нераствори­мых коагулятов, обволакивающих и склеивающих отдельные частицы (гранулы) почвы в комочки. При высыхании коллоиды цементируют эти частицы в водопрочные структурные агрегаты, которые наиболее ха­рактерны для самых ценных по плодородию черноземных почв.

Фульвокислоты более светло окрашены и более агрессивны по от­ношению к минеральной части почвы. Образуемые ими соли, называе­мые фульваты, хорошо растворимы в воде. При разложении органи­ческих остатков, находящихся на поверхности почвы, образующиеся фульвокислоты сильно разрушают многие минералы. Возникающие при этом новые соединения легко вымываются из верхних горизонтов по­чвы в нижележащие, кроме нерастворимой аморфной кремниевой кис­лоты (SiO₂ .nН₂О). Вследствие этого в верхней части почвы формиру­ется почти целиком состоящий из кремнезема бесструктурный, пыле­видный, белесого цвета горизонт, называемый подзолистым, или элювиальным (горизонт вымывания), характерный для малоплодород­ных подзолистых почв.

Таким образом, сходные по составу, но различающиеся по природе и химической активности две группы гумусовых кислот способствуют формированию различных по плодородию почв.

Количество образующегося в почву гумуса и его состав сильно зави­сит от происхождения органических остатков в почве, видов участвую­щих микроорганизмов в их разложении и ряда внешних условий.

При аэробном разложении (пористость аэрации не менее 15-20%, нали­чие влаги около 40-60% от полной влагоемкости, температура 25-30° С) большая часть органических остатков полностью минерализуется до про­стых соединений (СО₂, Н₂О, NH₃, NO₃^- и т.п.). В почве образуется много элементов минерального питания растений (азота, фосфора, калия), но мало накапливается гумуса. При остром недостатке влаги и тепла процессы разложения органической массы резко заменяются.

При анаэробном процессе органические остатки разлагаются не пол­ностью и в почве накапливаются органические кислоты и ряд восстановительных соединений (сероуглерод, метан, закись железа и т.п.). Они вредны для анаэробных микроорганизмов, которые и прекращают свою жизнедеятельность. Вследствие этого в почве очень мало образуется гу­муса, но много накапливается слаборазложившихся растительных остатков в виде торфа и вредных для растений соединений.

Попеременное чередование аэробного и анаэробного процессов благоприятствует образованию в почве гумусовых веществ и преимуществен­но темно окращенных. А сочетание этих процессов с периодическим за­мораживанием, увлажнением и иссушением почвы способствует закреплению гумусовых веществ и накоплению их в почве в форме гумуса.

Органические остатки древесной растительности (лесной опад) из-зa их специфического состава (см. выше) разлагаются очень медленно и преимущественно с помощью почвенных грибов и актиномицетов. В этом случае из образующихся гумусовых веществ преобладают фульвокислоты.

Под многолетней травянистой растительностью органические остат­ки накапливаются во всей толще почвы. Ввиду большого содержания в них углеводов, белков и зольных элементов они разлагаются преимуще­ственно почвенными бактериями с преобладанием в составе гумуса гуминовых кислот.

Содержание гумуса в почве зависит и от многих других условий. На почвах легких по механическому составу (песчаных) гумуса образуется значительно меньше, чем на почвах глинистых. Обогащение почвы орга­ническим веществом (посев многолетних трав, внесение больших норм навоза, компостов и т.п.) усиливает гумусонакопление, тогда как частые обработки почвы усиливают минерализацию гумуса, уменьшая его содержание и повышает подвижность и доступность высвобождаемых элементов минеральной пищи для растений.

Значение гумуса в почве весьма разнообразно и велико. С накопле­нием гумусовых веществ улучшается структурное состояние и увели­чивается влагоемкость почвы, усиливается и биологическая аккумуляция элементов минерального питания и снижается плотность почвы до оптимальных для многих культурных растений значений. При разложении гумуса образуется необходимый для фотосинтеза растений (СО2, высвобождаются в доступной форме макро- и микроэлементы, усиливается жизнедеятельность корневой системы растений и полезной по­чвенной микрофлоры, снижается содержание в почве вредных и фитопатогенных организмов.

Следовательно, выраженность и уровень плодородия почвы опре­деляется не только высоким содержанием в ней гумуса, но и динами­ческой уравновешенностью взаимнопереплетающихся процессов гумификации и минерализации органических веществ, как находящихся в почве, так и систематически поступающих в нее.

Почвенные коллоиды и их значение в пло­дородии почвы. Как уже отмечалось ранее, твердая фаза почвы состоит из механических элементов, весьма несходных по размеру. Осо­бый интерес представляют механические элементы размером менее 0,0001 мм, называемые коллоидами. Это объясняется рядом тех свойств, отсут­ствующих у гранул большого размера, которые они могут придавать почве. При сильном дроблении, или диспергировании, механических эле­ментов резко возрастает суммарная величина их удельной поверхности. Так, если суммарная поверхность гранул песка массой в 1 г не превыша­ет 0,01 м², глины - 0,2 м², то у коллоидов она возрастает до 20-60 м² и более. Поэтому резко увеличивается поверхностная энергия почвенных коллоидов и их активное взаимодействие со всеми компонентами по­чвы, но прежде всего - поглощение веществ, находящихся в газообраз­ном, жидком, растворенном или взвешенном состоянии. Это явление получило название поглотительной способности почвы.

Особенно высокой поглотительной способностью обладают колло­иды органического происхождения, представленные и гумусовыми ве­ществами, в сравнении с коллоидами минерального и органоминерального происхождения. Всю совокупность коллоидов, определяющих по­глотительную способность почв, называют почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Коллоиды почвенного поглощающего комплекса не только препят­ствуют вымыванию из корнеобитаемого слоя с почвенной влагой эле­ментов минерального питания, но при коагуляции способствуют склеи­ванию в агрегаты отдельных гранул и особенно илистых частиц (< 0,001 мм) и образованию водопрочных агрегатов, как одно из важных усло­вий высокого плодородия почв, и особенно черноземных. Коллоиды почвы сильно гидратированы (т.е. имеют оболочки из нескольких слоев молекул воды) и, обладая одноименным электрическим зарядом, оттал­киваются друг от друга, образую коллоидный раствор (золь). При ста­рении, замораживании, иссушении, потере или смене электрического заряда под воздействием ряда соединений, растворенных в почвенной влаге, почвенные коллоиды коагулируют, т.е. выпадают в осадок (гель). Образующаяся хлопьевидная масса коллоидов обволакивает и склеива­ет мелкие почвенные гранулы в комочки. При высыхании и заморажи­вании хлопьевидный гель превращается в почвенный цемент, формируя водопрочные структурные агрегаты. Наиболее выражено образование водопрочных структурных агрегатов происходит при необратимой коагуляции коллоидов на почвах, содержащих соединения кальция и магния (двухвалентные катионы Са²⁺, Mg²⁺) или же обогащаемых ими при и несении известковой и доломитовой муки, а также навоза. Если в по­чну вносят много соединений калия, натрия в составе калийных удобре­ний или почвенный раствор имеет кислую реакцию (одновалентные ка­тионы К⁺, Na⁺, H⁺), то происшедшая коагуляция коллоидов, называе­мая обратимой, не формирует водопрочных агрегатов. Соприкасаясь с почвенной влагой, ранее осаженная хлопьевидная масса вновь набухает и диспергируется до коллоидов, обуславливая разрушение образован­ных агрегатов почвы.

Умеренное же внесение в легкие по механическому составу почвы (пес­чаные, супесчаные) глины, болотного ила в норме до несколько десятков тонн на 1 га (50-80 т/га) повышает влагоемкость, водоудерживающую способность почвы и может заметно повысить ее плодородие. Напротив, чрезмерное содержание в почве коллоидной фракции, наблюдаемое и при внесении чрезмерных норм названных материалов, ухудшает водо- и воз­духопроницаемость почвы, снижает содержание в ней доступной влаги и элементов минерального питания. При этом ввиду преобладания анаэро­биоза образуется много вредных соединений, корневая система растений практически не проникает за пределы пахотного слоя, увеличиваются материальные и трудовые затраты на обработку почвы.

Почвенный раствор. Жидкая фаза почвы представляет со­бой не свободную воду атмосферных осадков, а содержит в себе различ­ные растворенные вещества, почему и получила название почвенная вла­га, или почвенный раствор. В нем находятся в форме диссоциированных молекул соединения азота (аммиак, окись азота), фосфора (окись фос­фора), калия (окись калия), кальция (углекислый кальций), серы (окись серы), углерода (углекислый газ) и многие другие биологически важные для растений элемента минерального питания.

В почвах умеренного увлажнения жидкая фаза в форме почвенного раствора обычно находится в капиллярных порах и удерживается от потерь менисковыми силами.

В районах сухого климата почвенная влага при наличии в ней хотя бы ничтожной концентрации воднорастворимых солей по капиллярным по­рам может подтягиваться к поверхности почвы. Там она, испаряясь, обус­лавливает накопление большого количества вредных для культурных ра­стений солей. Так происходят образование малопригодных засоленных почв или же практически непригодных для земледелия солончаков.

Из крупных (некапиллярных) пор почвенная влага увлекается гра­витационными силами, силами тяжести, за пределы корнеобитаемого слоя почвы в грунтовые воды. Вместе с ней навсегда исключаются из, малого биологического круговорота и растворенные вещества, так не­обходимые для минерального питания растениям и другим раститель­ным организмам.

Часть почвенной влаги находится в газообразном состоянии. Она весьма динамична. При понижении температуры парообразная влага диффундирует от более теплых слоев почвы к холодным, где и конден­сируется в капиллярно-жидком состоянии на поверхности почвенных частиц. Если промежутки почвы крупные, что имеет место при частом рыхлении почвы, то значительная часть парообразной влаги навсегда теряется, испаряясь в атмосферу.

Еще некоторая доля почвенной влаги весьма прочно удерживается молекулярными силами на поверхности почвенных частиц в виде вод­ных пленок. И чем больше в почве илистых и коллоидных частиц, тем большая часть почвенной влаги недоступна корням растений. Так, в лет­ние периоды с дефицитом влаги при выпадении дождя в 15-20 мм вся поступившая в песчаную почву вода практически перехватывается и ус­ваивается хорошо развитой корневой системой сельскохозяйственных культур. На почвах же глинистых большая часть из этого количества дождевой воды будет прочно связана почвой, и растения будут продол­жать испытывать острую потребность в воде.

Кроме указанных выше веществ, в почвенном растворе накаплива­ются в процессе почвообразования и другие соединения (гумусовые кис­лоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, угольная кислота, азотная кислота и т.п.). Вследствие этого в почвенном растворе факти­ческая концентрация ионов водорода [Н⁺] может отличаться от его кон­центрации [Н⁺] = 10^-7 г-моль/л (1) в дистиллированной воде, которая по химическим свойствам является нейтральной. Логарифмируя уравнение (1) получим: lg[H⁺] = -7 или -lg[H⁺] = 7 (2).

Если принять обозначение: -lg[H⁺] = рН (3), то для нейтральной дис­тиллированной воды величина рН, исходя из (2) и (3), составит: рН = 7 (4).

По кислотности почвенного раствора (актуальная кислотность), вы­ражаемой величиной рН, почвы подразделяются следующим образом:

Реакция	Значение рН
сильнокислые	>4,0
кислые	4,0-5,5
слабокислые	5,5-6,5
нейтральные	6,5-7,0
щелочные	7,0-8,0
сильнощелочные	>8,0

Сильнокислая и кислая реакция характерна для торфяных подзолис­тых и дерново-подзолистых почв. Для серых лесных и черноземных почв присуща слабокислая и близко к нейтральной реакция, а для каштановых и солонцов - щелочная.

Кислотность почвенного раствора определяют по водной вытяжке из почвы и ее индикации на лакмусовую бумажку. Кислый раствор вызывает яркое покраснение полоски такой бумажки, что свидетельствует о необходимости внесения извести в почву. Напротив, усиление густоты синего цвета полоски лакмусовой бумажки свидетельствует о возрастании щелочности почвенного раствора и возможной целесообразности гипсования почвы.

С изменением реакции среды тесно связано важное свойство почвы - ее буферность, или буферная способность. Под ней понимают способность ночвы противостоять изменению реакции почвенного раствора. Она объясняется наличием в последнем большого количества соединений. Если бы почва не обладала буферностью, то внесение даже небольших норм удобрений приводило бы к изменению величины рН и отрицательно сказывалось на жизнедеятельности корневой системы растений и почвен­ных микроорганизмов. Высокой буферной способностью обладают чер­ноземные, каштановые, дерновые карбонатные и дерново-подзолистые почвы и почвы систематически удобряемые навозом. Низкой буферной способностью и потому неблагоприятными почвенными условиями ха­рактеризуются песчаные почвы, обедненные органическим веществом.

Таким образом, почвенный раствор является не только основным источником обеспечения растений и другой почвенной флоры водой и минеральными элементами, носителем ряда важных химических свойств почвы, но и важным стабилизатором создаваемых почвенных условий.

Почвенный воздух. Газообразная фаза почвы формиру­ется как газовыми компонентами атмосферного воздуха, так и газо­образными продуктами, образуемыми и выделяемыми почвой и ее жи­выми организмами.

Атмосферный воздух имеет сравнительно постоянный состав и со­держит: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, углекислого газа - 0,03%, аргона- 0,93% и остальных газов - 0,04%. В почвенном воздухе, кроме того, содержатся в небольшом количестве спирты, ароматические уг­леводороды, метан, аммиак и некоторые другие газы. Но особенно ди­намично изменяется в почве доля углекислого газа (СО₂) и кислорода (О₂): содержание первого из них может возрастать до 6-19%, а содер­жание второго опускаться до 2,2% на почвах плотных, переувлажненных и плохо аэрируемых. В таких почвах сильно подавлены все аэробные процессы, в том числе обуславливающие окисление и метаболизм в корнях растений, минерализацию азотосодержащих органических остатков, жизнедеятельность азотофиксирующих клубеньковых и свободноживущих бактерий и т.п.

Почвенный воздух занимает как крупные (некапиллярные) поры, так и капиллярные, если последние освобождаются от почвенной влаги. С расходом влаги из почвы как вследствие транспирации растениями, так и при физическом испарении объем воздуха в почве увеличивается, повы­шается интенсивность газообмена между почвой и атмосферой, активи­зируется жизнедеятельность аэробных микроорганизмов. И напротив, как весной после интенсивного снеготаяния, так и в теплый период после обильных осадков многие поры заполняются водой и содержание возду­ха в почве снижается.

Для улучшения воздухонепроницаемости переувлажненных почв не­обходимо увеличить в них объем крупных хорошо аэрируемых пор. Это легко достигается в процессе своевременной обработки почвы, обеспечи­вающей их хорошее рыхление и образование мелкокомковатой структуры. На переувлажненных почвах прежде всего необходимо избавиться от излишней влаги. Излишнюю влагу отводят из пахотного слоя поделкой гряд и гребней, проведением борозд, рыхлением подпахотного слоя, формированием под пахотным слоем в процессе обработки кротового дренажа и т.п. Иногда ограничиваются усилением физического испарения из­лишней влаги путем периодического рыхления почвы.

Почвы чрезмерно рыхлые, особенно в засушливых районах или в пе­риоды с явным дефицитом влаги, обычно умеренно уплотняются катками различной конструкции. Это снижает потерю воды из почвы вследствие сокращения газообмена сырого почвенного воздуха с сухим атмосферным.

Строение пахотного слоя. Состав и состояние почвы в значительной мере зависят от взаимодействия и соотношения фор­мирующих ее твердой, жидкой и газообразной фаз. Однако под воз­действием природных факторов и производственной деятельности че­ловека эти фазы почвы, и прежде всего в пахотном слое, изменяют как свои количественные показатели и соотношения, так и свое качествен­ное состояние, которое в совокупности называют строением пахотного слоя почвы. Вследствие изменения строения почвы существенно меняются и многие условия жизни растений, микроорганизмов и почвообитающих животных.

Как следует из ранее изложенного, в почве выделяют: собственно твер­дые механические элементы (гранулы), совокупность которых называют твердой фазой почвы, и разделяющие их разной величины проме­жутки (поры), которые в совокупности называют общей пористостью, или общей скважностью, почвы.

Поры почвы по величине их диаметра (d) подразделяют на поры не­капиллярные (d > 0,03 мм) и пора капиллярные (d < 0,03 мм). Объем всех некапиллярных пор почвы называют некапиллярной пори­стостью, или скважностью, а объем всех капиллярных пор - капиллярной пористостью, или скважностью, почвы. Очевидно, что вместе некапиллярная и капиллярная порис­тость оставляют общую пористость почвы. В полевых условиях на паш­не роль этих пор весьма не однозначна. Обычно крупные (некапиллярные) поры заполнены воздухом и способствуют хорошему газообмену (аэрации) между почвой и приземным слоем атмосферы. Поры мелкие (капиллярные) при умеренном увлажнении обычно удерживают в себе почвенную влагу. Тем самым они, с одной стороны, препятствуют потерям воды вследствие возможного просачивания ее вниз за пределы корнеобитаемого слоя, а, с другой стороны, являются гарантируемым ис­точником обеспечения растений влагой на относительно продолжитель­ный период вегетации (две-три недели). В этой связи весьма важны количественные соотношения между объемом твердой фазы и общей по­ристостью, а также между некапиллярной и капиллярной пористостью почвы, которые и характеризуют строение пахотного слоя почвы.

Строение почвы и прежде всего ее пахотного слоя на хорошо окуль­туренной пашне в ее естественном состоянии (без предварительного рых­ления или уплотнения) обычно характеризуется следующими показате­лями, если объем отобранного образца почвы принять за 100%: объем твердой фазы - 45-50%, общая пористость - 50-55% некапиллярная по­ристость - 25-28% и капиллярная пористость - 25-28%.

Такое строение пахотного слоя считается весьма благоприятным для растений и почвообитающих организмов, хотя и не может быть оптимальным для всех различных по биологии сельскохозяйственных культур. Однако в течение вегетационного периода строение почвы сильно изме­няется как вследствие ее естественного уплотнения, рыхления почвообитающими животными, расчленения корневой системой растений, так и при обработке почвы, движении по полю различных машин, орудий, транс­портных средств, скота и т.п. Так, в районах умеренного увлажнения при уплотнении бедных органическим веществом и тяжелых по механическому составу (тяжелых почвенных разностей) подзолистых и дерново-подзолистых почв возрастает объем твердой фазы (> 55-60%) и снижается соответственно общая пористость (< 45-40%)). Одновременно снижается некапилярная пористость (< 10-8%), что исключает нормальную аэра­цию почвы, и возрастает капиллярная пористость (> 30-35%). Малое количество крупных пор и преобладание капиллярных промежутков резко замедляет проникновение в глубь почвы выпадающих летних осадков, которые или застаиваются на поверхности поля, вызывая ги­бель растений от кислородного голодания корневой системы, или же стекают в овраги и ручьи, безвозмездно теряясь для растений. Чтобы избежать подобных быстро наступающих негативных последствий, на этих почвах необходимо с весны создавать и позднее поддерживать строение пахотного слоя почвы с таким ориентировочным соотноше­нием в % твердой фазы, некапиллярной и капиллярной пористости как 40 (45) : 32 (30) : 28 (25).

В степных засушливых районах богатые гумусом и хорошо острук-туренные черноземные почвы уплотняются незначительно. После об­работки они долгое время остаются рыхлыми: объем твердой фазы снижается (< 45-40%), но сильно повышается некапиллярная пористость (> 35-40%) и уменьшается капиллярная пористость (< 15-20%). Это ве­дет к интенсивной смене влажного воздуха крупных пор почвы сухим горячим воздухом атмосферы. Такая непроизводительная потеря вла­ги усиливает почвенную засуху и ускоряет гибель посевов. В таких рай­онах необходимо поддерживать строение пахотного слоя при следую­щем вероятностном соотношении в % твердой фазы, некапиллярной и капиллярной пористости как 45(50): 10(15):45(35). Это достигается как отказом от частого и глубокого рыхления почвы с образованием круп­ных комков и глыб, так и своевременным прикатыванием мелкоком­коватой поверхности полей, что резко сокращает количество крупных пор в почве.

Таким образом, создавая и поддерживая благоприятное строение пахотного слоя можно значительно повысить плодородие почвы путем целенаправленного улучшения водного и воздушного режимов почвы.