Земледелие с основами почвоведения

Министерство  сельского  хозяйства  российской федерации

САЛехардский  филиал

ФГОУ   ВПО «Тюменская государственная  сельскохозяйственная академия» 
 
 

специальность: «Бухгалтерский учет, анализ и аудит»

Контрольная     работа

по предмету: «Земледелие с основами почвоведения» 
 
 
 
 
 
 
 

Тюмень - 2009

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 

1. Источники органического  вещества в почве.  Образование и  состав гумуса. Роль гумуса в плодородии почвы. 

     Органическое  вещество почвы представлено живой  биомассой (почвенная биота и  живые корни растений), органическими  остатками растений, животных, микроорганизмов, продуктами разной степени их разложения и специфически новообразованными  гумусовыми веществами (гумусом). Органическое вещество и его превращение в почве играют важную и разностороннюю роль в ее генезисе и формировании основных свойств, с которыми связаны развитие плодородия и фитосанитарные функции почвы.

     Основными источниками органического  вещества почвы являются отмершие остатки растений в виде надземной и корневой масс. Органические остатки почвенной фауны поступают в меньших количествах. Масштабы поступающих в почву органических остатков растений, их состав, соотношение надземной и корневой масс зависят от состава зональной растительности и местных условий, определяющих ее продуктивность (табл.1). 

Таблица 1. Ежегодное поступление растительных остатков в почву в природных  экосистемах и зерновых агроценозах (Кирюшин, 1991), т/га

     Небольшое количество органических остатков поступает  в почвы тундры (примерно 1 т/га); затем  оно нарастает от северной тайги  к южной и далее к лесам  лесостепи и травянистой растительности луговых степей (см.табл.1). При переходе к степным зонам величина опада снижается из-за сухости климата; в нем возрастает доля корнеопада. В пустынной зоне опад минимальный (1-2 т/га); он вновь резко возрастает, достигая больших количеств, в лесах влажных субтропиков и тропиков (20 т/га и более).

     В агроценозах количество поступающих  в почву органических остатков сельскохозяйственных растений уступает естественным ценозам. Это связано, с одной стороны, с меньшей их продуктивностью  в большинстве случаев, с другой – с ежегодным отчуждением с урожаем значительной части синтезированного растениями органического вещества (см.табл.1).

     В зависимости от возделываемых культур  количество поступивщих в почву  органических остатков колеблется от 2-3 (пропашные) до 7-9 (многолетние травы) т/га в год.

     Характер  поступления органических остатков в почвенный профиль неодинаков: в лесах основное их количество поступает  на поверхность почвы, а в травянистых  сообществах значительная часть (от 25-30 до 80-90 %) поступает непосредственно в почву в виде отмерших корней. Различный характер поступления имеет важное значение при дальнейших процессах его превращения. Химический состав сухих органических остатков представлен углеводами, белками, лигнином, восками, смолами и другими веществами.

     В составе сухого вещества органических остатков содержатся зольные элементы (от 0,1-3,0 до 5-10 %): калий, кальций, магний, кремний, фосфор, сера, железо и многие другие, в том числе микроэлементы.

     От  состава органических остатков зависят направление и темп их последующего превращения. Наиболее быстро трансформации (минерализация и гумификация) подвергается опад, богатый легкодоступными для микроорганизмов веществами (белками, аминокислотами, растворимыми углеводами) и основаниями (Са, Mg). Растительные остатки, богатые лигнином, дубильными веществами, смолами (хвоя, древесина), разлагаются медленно. Из опада культурных растений быстрее разлагаются остатки бобовых трав и медленнее – солома злаковых.

     Органические  остатки, поступая в почву или на ее поверхность, подвергаются различным превращениям: механическому измельчению почвенной фауной, физико-химическим и биохимическим изменениям под влиянием микроорганизмов, мезо- и макрофауны почвы. Основными направлениями таких превращений являются минерализация органического вещества до конечных продуктов (СО₂, Н₂О и простых солей) и гумификация.

     Гумификация – совокупность сложных биохимических, физико-химических и химических процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества. Степень изученности процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества не позволяет оформить в законченном виде теорию этого процесса. Существуют следующие три группы современных концепций процесса гумификации.

     Конденсационная, или полимеризационная концепция (Трусов, Кононова, Фляйг). Рассматривает гумификацию как процесс, состоящий из следующих звеньев:

     1) образование исходных структурных  единиц для формирования гумусовых  веществ. Это продукты распада  растительных тканей, отмерших микроорганизмов, их метаболизма и вторичного синтеза; все компоненты, включая простые соединения распада растительных тканей, могут быть источниками структурных единиц;

     2) конденсация структурных единиц, осуществляемая путем окисления  фенолов ферментами типа фенолоксидаз до хинонов, и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами;

     3) поликонденсация (полимеризация)  – химический процесс, характеризующий  значительное звено процесса  гумификации.

     Концепция биохимического окисления (Тюрин, Александрова).Рассматривает гумификацию как сложный биофизико-химический процесс превращения высокомолекулярных промежуточных продуктов распада органических остатков (белков, лигнина, полиуглеводов, дубильных веществ и др.) в гумусовые вещества. Главное значение в этом процессе придают реакциям медленного биохимического (ферментативного) окисления, в результате которого и образуются высокомолекулярные гумусовые кислоты. В последующем они подвергаются постепенной ароматизации, т.е. возрастанию в их молекулах доли ароматических компонентов за счет отщепления неустойчивых компонентов в периферической части молекул новообразованных гумусовых кислот.

     Л.Н. Александрова рассматривает как  составное звено гумификации  последующее взаимодействие гумусовых  кислот с минеральными соединениями почвы и зольными продуктами минерализации органических остатков. При этом формируются различные по сложности строения, свойствам и молекулярным массам фракции гумусовых веществ. Наиболее высокомолекулярная часть образует гуминовые кислоты, а более дисперсная и менее сложная – фульвокислоты.

     Биологическая концепция. Рассматривает гумусовые вещества как продукт синтеза различных микроорганизмов (Вильямс).

     Микробиологами  экспериментально доказана возможность  образования темноокрашенных гумусоподобных соединений различными группами микроорганизмов.

     Можно предположить, что процесс гумификации  в различных почвах включает как  реакции конденсации и полимеризации, так и химического окисления.

     Состав  уже сформировавшихся гумусовых  веществ постоянно обновляется  за счет включения в их молекулы органических соединений в виде отдельных фрагментов. Такой процесс изменения гумусовых веществ называется фрагментарным обновлением гумуса.

     Количественной  характеристикой процесса гумификации является коэффициент гумификации (К_r), показывающий, как доля (в %) углерода органических остатков, претерпевающих превращения, трансформировалась в гумусовые вещества после полного разложения остатков. Величина К_r колеблется от единиц до десятков процентов и зависит от состава исходных растительных остатков, гидротермических, физико-химических (рН, Еh) и других условий их превращения. К_r соломистого навоза в среднем принят за 25 %.

     Гумусовые вещества представляют собой смесь  различных по составу и свойствам  высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, имеющих общие части строения и общность некоторых свойств.

     Общность  строений, состава и свойств гумусовых  веществ проявляется:

     1) в наличии и строении циклических  и алифатических фрагментов;

     2) в большом разнообразии веществ  по молекулярным массам (от 700-800 до сотен тысяч);

     3) в общности элементного состава  (С, О, N, Н) с содержанием углерода от 30 до 62 % и азота от 2,5 до 5 % в различных группах и фракциях;

     4) в кислотных свойствах, обусловленных  карбоксильными группами;

     5) в наличии негидролизуемого азота (25-30 % общего азота);

     6) в высокой способности к соле- и комплексообразованию.

     По  растворимости и экстрагируемости из почвы гумусовые вещества делятся  на следующие группы (групповой состав гумуса): фульвокислоты (ФК), гуминовые  кислоты (ГК) и гумин.

     Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых веществ, менее сложная по строению, с более низкими молекулярными массами по сравнению с гуминовыми кислотами, с высокой миграционной способностью; характеризуются повышенной кислотностью и способностью к комплексообразованию; наиболее светлоокрашенная часть гумуса; преобладают в подзолистых, дерново-подзолистых, сероземах, красноземах и некоторых почвах тропиков.

     Гуминовые кислоты – нерастворимая в минеральных и органических кислотах группа гумусовых веществ; характеризуются более сложным строением; имеют более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода; преобладают в черноземах, каштановых почвах, серых лесных, дерновых и некоторых других.

     Гумин – неэкстрагируемая из почвы кислотами и щелочами часть гумуса (нерастворимый остаток после экстракции фульво- и гуминовых кислот). Эти гумусовые вещества наиболее прочно связаны с глинными минералами.

     Гуминовые и фульвокислоты могут подразделятся  на фракции по молекулярным массам воздействием различными растворителями (фракционный состав) и другими приемами. Для гуминовых кислот наибольшую ценность как структурообразователь представляет фракция, связанная с кальцием (вторая фракция ГК); для фульвокислот наиболее показательна в оценке их «агрессивности» (реакционной способности) фракция, извлекаемая из почвы 0,1 н. серной кислотой и непосредственно обработкой 0,1 н. NaOH (фракция 1а и 1). 

     Значение  гумуса в почвообразовании и развитии плодородия определяется его обязательным участием во всех звеньях этих процессов. Гумусовые вещества и промежуточные продукты разложения органических остатков активно участвуют уже в первом этапе почвообразования – биологическом выветривании минералов и разрушении горных пород, выходящих не дневную поверхность. Наиболее энергично минералы разлагаются под воздействием фульвокислот, так как водные растворы их обладают сильнокислой реакцией.

     Огромная  роль принадлежит гумусу в формировании профиля почвы во всех природных  зонах, причем характер этого участия в значительной степени обусловлен составом гумусовых веществ. В тех почвах, где образуется много гуминовых кислот (они накапливаются обычно на месте своего образования), формируется хорошо выраженный гумусовый горизонт той или иной мощности (от 5-20 до 50-70 см) с высокой поглотительной способностью по отношению к катионам. Если почва богата кальцием, вся масса гуминовых кислот переходит в форму нерастворимых в воде гуматов кальция, участвующих в создании очень ценной водопрочной комковато-зернистой структуры. Эти горизонты богаты азотом, фосфором, серой, накапливающимися здесь в органической форме и постепенно минерализующимися; они имеют наиболее благоприятную пористость, а следовательно, и наилучший водно-воздушный режим. К почвам с мощным гумусовым горизонтом, богатым гуминовыми кислотами, относятся черноземы и серые лесостепные почвы. Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам в этих почвах больше единицы.

     Если  в составе гумусовых веществ  много фульвокислот, то почва легко  обедняется кальцием, магнием, калием и другими основаниями, так как фульвокислоты образуют с ними растворимые соли, мигрирующие из почвы с просачивающейся влагой. Реакция почвы становится кислой. Таковы, например, подзолистые почвы и красноземы: у них отношение гуминовых кислот к фульвокислотам всегда значительно меньше единицы.

     В гумусе накапливаются и долго  сохраняются все основные элементы питания растений и микроорганизмов. При  постепенной минерализации  гумуса эти элементы переходят в  минеральные формы и используются растениями. При разложении гумуса и органических остатков выделяется большое количество углекислого газа, который поступает в припочвенные слои атмосферы и является источником углеродного питания для растений.

     При использовании почв в сельскохозяйственном производстве важно регулировать количество гумуса в почве и улучшать его состав. К основным мероприятиям по регулированию количества и состава гумуса относятся: внесение органических удобрений в виде навоза и торфяных компостов; применение зеленых удобрений (люпин, сераделла); травосеяние; известкование кислых почв и гипсование солонцов; наиболее рациональная для данных почв система обработки – мелиорация. 
 
 

2. Физические и физико-механические  свойства почвы. 

     К общим физическим свойствам почвы  относятся плотность твердой фазы, плотность сложения и пористость.

     Плотность твердой фазы почвы – это отношение массы ее твердой фазы к массе воды при 4^оС в том же объеме. Выражается она в г/см³. Ее величина определяется соотношением в почве компонентов органической и минеральной частей. Для органических веществ (опад растений, торф, гумус) плотность твердой фазы колеблется от 0,2-0,5 до 1,0-1,4 г/см³, а для минеральных соединений – от 2,1-2,5 до 4,0-5,18 г/см³. Минеральные горизонты большинства почв имеют плотность твердой фазы от 2,4 до 2,65 г/см³, а торфяные горизонты – от 0,2-0,3 до 1,8 г/см³.

     Плотность (или плотность сложения) почвы – масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении. Выражается она в г/см³. Плотность почвы зависит от минералогического и гранулометрического составов, структуры и содержания органического вещества. Она может существенно изменяться при обработках, под уплотняющим воздействием передвигающихся машин и орудий. Наиболее рыхлой почва бывает сразу после обработки, затем постепенно уплотняется, и через некоторое время ее плотность приходит в состояние равновесия, т.е. мало изменяется (до следующей обработки).

     Верхние горизонты почвенного профиля, содержащие больше органического вещества, лучше  оструктуренные, подвергающиеся рыхлению, имеют более низкую плотность, которая вниз по профилю возрастает. Плотность почвы сильно влияет на поглощение влаги и ее передвижение в профиле, газообмен, развитие корней, интенсивность микробиологических процессов, условия существования почвенных насекомых и животных. Оптимальная плотность корнеобитаемого слоя для большинства культурных растений 1,0-1,2 г/см³. 

     Пористость (или скважистость) почвы – суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы. Ее выражают в % от общего объема почвы и вычисляют по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой фазы (d).

     Р_общ (%) = (1 – d_v/d)*100.

     Пористость  зависит от гранулометрического  состава, структурности, деятельности почвенной фауны, содержания органического вещества, в пахотных горизонтах – от  частоты и приемов обработки и окультуренности почвы.

     Различают капиллярную и некапиллярную  пористость, составляющие вместе общую  пористость. Поры могут быть заполнены  водой и воздухом. Некапиллярные поры обеспечивают водопроницаемость и воздухообмен, капиллярные – удерживают воду за счет капиллярных сил. Для создания хорошего и устойчивого запаса влаги при одновременном нормальном воздухообмене (аэрации) необходимо, чтобы капиллярная пористость составляла 55 – 65 % общей пористости. Если она меньше 50%, то воздухообмен ухудшается и может возникнуть анаэробиозис. Для наилучшего обеспечения растений водой и воздухом и высокой эффективности применяемых удобрений и других мероприятий по созданию высоких урожаев важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость, заполненную водой, и одновременно пористость аэрации не менее 15 % объема в минеральных и 30-40 % в торфяных почвах. 

     К физико-механическим свойствам относятся  пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и удельное сопротивление. Физико-механические свойства имеют большое значение для оценки технологических свойств почвы – условий ее обработки, работы посевных и уборочных агрегатов.

     Пластичность – способность почвы изменять свою форму (деформироваться) без образования трещин под воздействием внешних сил и сохранять приданную форму после прекращения механического воздействия. Пластичность обусловлена илистой фракцией почвы и зависит от влажности почвы. Сухие почвы не обладают пластичностью. Избыточно увлажненные почвы начинают течь и теряют пластичность. В связи с этим различают верхний и нижний предел пластичности. Верхний предел определяется величиной весовой влажности, при которой почва начинает течь, нижний – при  которой почвы еще можно раскатать в шнур диаметром 3 мм без образования трещин. Пластичность зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов, состава обменных катионов. Наибольшей пластичностью обладают глинистые почвы, наименьшей – песчаные. Повышенное содержание обменного иона натрия увеличивает пластичность. Более гумусированные почвы характеризуются меньшей пластичностью. Пластичные почвы обладают меньшим сопротивлением к механическому воздействию. Чем выше пластичность, тем почва больше подвержена образованию колеи на ее поверхности при проходе агрегатов.

     Липкость – способность влажной почвы прилипать к другим телам. Это свойство проявляется в определенных пределах влажности, когда сцепление между почвенными частицами меньше, чем между ними и соприкасающимися предметами. Она определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки от почвы, и выражается в г/см². По липкости почвы подразделяют (по Н.А.Качинскому): на предельно вязкие (>15 г/см²), сильновязкие (5 – 15), средневязкие (2 – 5) и слабовязкие (<2 г/см²).

     Липкость  оказывает отрицательное влияние  на условия обработки, если состояние  влажности и повышенная пластичность почвы вызывают ее прилипание к рабочим частям сельскохозяйственных машин. При этом увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов почвы, ее структурности и состава обменных катионов. Наибольшей липкостью обладают бесструктурные и слабооструктуренные почвы; насыщенность ППК ионом кальция снижает липкость, а внедрение в ППК иона натрия увеличивает ее.

     Набухание – увеличение объема почвы при увлажнении. Выражается в объемным процентах от исходного объема почвы. Это свойство связано со способностью коллоидов почвы сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц. Набухание наиболее выражено у глинистых минералов с расширяющейся решеткой, что обусловливает не только поверхностную сорбцию воды, но и проникновение ее в межпакетные промежутки минералов. При этом объем таких коллоидов может увеличиваться в 2 раза. Повышению набухаемости способствует внедрение иона натрия в ППК. Набухание – отрицательное свойство; его проявление может сопровождаться выпиранием почвенной массы, разрушением структурных отдельностей.

     Усадка – сокращение объема почвы при высыхании. Это явление обратно набуханию и зависит от тех же факторов. Чем выше набухание почвы, тем сильнее ее усадка. Выражается она в процентах от объема исходной почвы. Усадка может вызвать разрыв корней, приводит к образованию трещин, что способствует непроизводительной потере влаги за счет испарения.

     Связность – способность почвы сопротивляться внешнему усилию, стремящемуся разъединить почвенные частицы. Выражают ее в кг/см². Связность обусловлена силами сцепления между частицами почвы, зависит от гранулометрического, минералогического и химического составов почвы, влажности, а также оструктуренности почвы и факторов, ее обусловливающих (гумусированности, состава обменных катионов и др.). Наибольшей связностью обладают глинистые почвы и почвы, содержащие большое количество обменного натрия. Оструктуренные почвы характеризуются меньшей связностью. Невысокую связность имеют песчаные почвы. Минимальная связность наблюдается при влажности, близкой к влажности завядания.

     Учет  связности почвы имеет большое  значение для качества выполняемых  технологических операций – рыхления, перемешивания почвенных слоев, крошения почвы, вспашки и т.п. Эти приемы должны выполняться при наименьшей связности почвы. Определение такого состояния связано с понятием «физическая спелость почвы».

     Физическая  спелость – состояние почвы, при котором она хорошо крошится на комки, не прилипая к орудиям обработки. Она определяется влажностью почвы и зависит от тех же факторов, что связность и липкость. Для среднесуглинистых почв физическая спелость наступает при следующей их абсолютной влажности (в %): дерново-подзолистые – 12-21, серые лесные – 15-23, черноземы – 15-24, каштановые – 13-25, каштановые солонцеватые – 13-20. С утяжелением гранулометрического состава интервал физической спелости почв во времени и по показателям влажности становится уже.

     Помимо  физической спелости выделяют биологическую спелость, которая характеризуется таким температурным состоянием почвы, при котором активно развиваются биологические процессы (деятельность почвенной биоты, прорастание семян и др.). Для большинства почв она близка к 10^оС.

     Твердость – свойство почвы в естественном залегании сопротивляться сжатию и расклиниванию. Выражается она в кг/см². Измеряется при помощи твердомеров. Ее показатели колеблются от 5 до 60 кг/см² и выше. Высокая твердость почвы – показатель плохих ее агрофизических качеств. Твердость зависит от влажности, гранулометрического состава, оструктуренности, состава поглощенных катионов, содержания гумуса. С понижением влажности почвы твердость возрастает. Почвы хорошо гумусированные и структурированные имеют меньшие показатели твердости, чем малогумусные и бесструктурные. Насыщение ППК кальцием значительно снижает твердость, а внедрение натрия в ППК значительно повышает ее. Так, у черноземов твердость в 10-15 раз ниже, чем у солонцов. Высокая твердость увеличивает тяговое сопротивление при обработке, снижает всхожесть семян, затрудняет проникновение корней растений.