Агрохимические свойства почвы и мероприятия по их улучшению

     ВВЕДЕНИЕ

     Почвоведение  – наука о почве, её строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях  её происхождения, развития, функционирования и роли в природе и обществе, путях и методах её мелиорации, охраны и рационального использования  в хозяйственной деятельности человека. Наука о почве возникла в нашей стране. Основоположник этой науки – великий русский учёный Василий Васильевич Докучаев. Талантливый исследователь впервые показал новый мир – мир почв, который вбирает в себя и мёртвые минералы, и живые организмы, и продукты их жизнедеятельности. Он дал первое научное определение понятию почвы: «Почвой следует называть «дневные», или наружные, горизонты горных пород, естественно изменённые совместным воздействием воды, воздуха, и различного рода организмов».

     На  основе идей В.В. Докучаева, П.А. Костычева, В.Р. Вильямсона и других учёных в современном почвоведении принято следующее определение понятия почвы. Почва – это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени и обладающая плодородием. Под плодородием понимают способность почвы обеспечивать растения в течение всего периода вегетации элементами питания, водой, воздухом и другими факторамижизни для получения максимального урожая. Полифункциональность почвы заключается в том, что она является одновременно природным телом, средой обитания многих живых организмов, средством сельскохозяйственного производства и т.д. Поликомпонентность почвы определяется огромным разнообразием входящих в её состав органических и неорганических веществ. Эти вещества представлены различными физическими фазами (многофазность): твёрдой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и особо выделяемой живой фазой (организмы). Почва является открытой системой, поскольку постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей её средой. 

     Цели  работы:

1. Приобретение навыков выполнения основных агрохимических анализов почв.
2. Выработка умений интерпретировать результаты лабораторных анализов почв.
3. Научиться давать заключения о водных, физических и химических свойствах почв, которые определяют её плодородие.
4. Разработка предложений по улучшению агрохимических свойств почвы для возможного использования в сельском хозяйстве.

1. Факторы почвообразования района исследования

     Развитие  почвенного процесса и формирование конкретных типов почв протекает  в определенных природных условиях. Условия, от которых зависит почвообразовательный процесс, В. В. Докучаев назвал факторами  почвообразования. К факторам почвообразования относятся:

     - почвообразующие породы;

     - биологический фактор;

     - климат;

     - рельеф;

     - возраст;

     - производственная деятельность человека.

     Почвообразующие породы. В геологическом отношении территории Архангельской области неоднородна: сложена самыми разнообразными горными породами. Наиболее древние из них – архейские (гнейсы, граниты и другие кристаллические породы), слагающие окраину обширного Балтийского кристаллического щита и выходящие на поверхность на крайнем западе области. В этом же районе залегают и местами обнаруживаются протерозойские породы – сланцы и кварциты. Восточнее, уровень залегания кристаллических пород понижается, опускаясь в окрестностях Архангельска или Мезени до 800 м. Поверхность этих пород перекрыта более молодыми осадочными породами, из которых наиболее распространены карбоновые (известняки), кембрийские, девонские и пермские (гипсы, известняки, мергели). Коренные породы почти везде перекрыты четвертичными отложениями, толщина которых достигает 200 м. по своему происхождению эти отложения ледниковые (морена из обломочных и рыхлых пород), либо Флювиогляциальные (глины, пески, галечники, торфы).

     Биологический фактор. Микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли) первыми поселяются на горной породе. Их количество в почве исчисляется миллионами и миллиардами в 1 г. Особенно много микроорганизмов верхних горизонтах почв и в прикорневой зоне.

     Климат. Климатические условия в разных частях такой крупной территории не могут быть однородными. Область лежит в пределах двух климатических зон: субарктической и умеренной. Первая из них охватывает заполярные пространства к востоку от горла Белого моря, то есть территорию НАО. В пределах второй зоны выделяются два района: Карельский и Печорский, граница между которыми проходит примерно по 42-му меридиану. Территория Карельского района подвержена воздействию циклонов и атлантических воздушных масс, характеризуется изменчивостью погоды и избыточным увлажнением. Печорский район расположен восточнее и в целом отличается континентальным климатом с частым вторжением холодных арктических масс воздуха. Если лето в обоих районах можно считать умеренным, то зима в первом из них умеренно холодная, а во втором – холодная. Среднегодовые температуры в области составляют  около + 5 C, но убывают в направлении с юго-запада на северо-восток. Годовая сумма осадков на побережье Белого моря не превышает 400 мм, в междуречье Северной Двины и Пинеги – 400-500 мм, а к юго-западу от Сев. Двины – свыше 500 мм.

     Рельеф. Для большей части Архангельской области характерен равнинный рельеф с высотой 200-250 м над уровнем моря. На этом фоне выделяется несколько холмистых и грядовых возвышенностей: на западе области – кряж Ветреный Пояс с наивысшей отметкой 336 м над уровнем моря, на юге Няндомская возвышенность (291 м), на северо-востоке – отроги Тиманского кряжа (Косминский Камень – 303 м, Четласский Камень – 443 м). Отдельные холмистые участки местности наблюдаются на водоразделах Сев. Двины и Пинеги, Сев. Двины и Онеги, на Онежском полуострове. К северо-востоку тот Архангелька, ограниченное со стороны суши реками Кулоем, Пинегой и низовьями  Сев. Двины, на котором сильно развиты карстовые явления.

     Возраст. Почвообразовательный процесс начался раньше на тех территориях, которые раньше освободились от водного или ледникового покрова. Поэтому северные почвы нашей страны, сравнительно недавно освободившиеся от ледникового покрова, по возрасту условно являются самыми молодыми.

     Однако  в пределах одной и той же территории, одновременно освободившейся от ледникового  или водного покрова, почвы находятся  в неодинаковых стадиях развития. На одной и той же по абсолютному  возрасту территории почвообразовательный процесс протекает с разной скоростью. Причина этого неоднородность почвообразующих  пород, рельефа и др. факторов почвообразования. Таким образом, на разных почвообразующих  породах и в различных условиях рельефа, имеющих одинаковый абсолютный возраст, образуются различные почвы, и их относительный возраст будет  неодинаковым.

     Производственная  деятельность человека. Воздействие человека на естественный почвообразовательный процесс – главная особенность современного этапа развития почв и один из наиболее интенсивно действующих факторов почвообразования. Человек воздействует на почву и непосредственно (обработка, внесение удобрений, проведение различных мелиорализаций и т. д.), и косвенно (изменение фитоценозов, элементов климата и др.). Главная цель антропогенного воздействия – улучшение почвы, расширенное воспроизводство ее  плодородия и увеличение продуктивности земельных угодий. 
 

     Подзолистый почвообразовательный процесс

     Подзолистый почвообразовательный процесс в наиболее выраженой форме проявляется в условиях временного избыточного увлажнения под пологом сомкнутого хвойного леса с моховым покровом и бедной травянистой растительностью или без неё, в континентальных условиях бореального пояса. На поверхности почвы накапливается грубая лесная опад-подстилка из сучьев, коры деревьев, шишек, хвои. Лесная подстилка, состоящая главным образом из клетчатки, лигнина и дубильных веществ, содержит мало кальция, азота и обладает кислой реакцией. Она разлагается преимущественно грибами, актиномицетами и в меньшей степени бактериями, что благоприятствует образованию фульвокислоты и низкомолекулярных органических кислот (щавелевая, лимонная, уксусная и др.). Живые организмы и образующиеся кислые соединения (прежде всего фульвокислоты) разрушают глинистые минеральные частицы почвы, в результате чего верхние горизонты обедняются илом. В почве образуются вторичные глинистые минералы, кремниевая кислота, гидраты алюминия, железа, отчасти марганца. Продукты разложения перемещаются с нисходящими токами воды в нижележащие горизонты. Значительная часть этих соединений выносится фильтрующей водой в грунтовые воды. В результате подзолистого процесса в верхней части профиля обособляется элювиальный, или подзолистый, горизонт, обедненный элементами питания растений, полуторными оксидами железа и марганца, илистыми частицами и относительно обогащенный кристаллическим кварцем (Si0₂) и аморфной кремниевой кислотой (Si0₂ ∙ Н₂0). Последние придают этому горизонту светло-серую, грязновато-белесую окраску, напоминающую цвет золы (отсюда название «подзолистые почвы»).

     Ниже  подзолистого формируется горизонт вмывания, или иллювиальный. Он обогащен глинистыми и коллоидными частицами, особенно полуторными оксидами железа и алюминия. Здесь накапливаются соединения фосфора и частично гумус. Этот горизонт называют ортштейновым, или рудяковым. Он имеет красно-бурую окраску и заметную уплотненность. Таким образом, существенной особенностью подзолистого процесса является разрушение в верхней части профиля почвы первичных и вторичных минералов и вынос продуктов разрушения в нижележащие горизонты и грунтовые воды (И.С. Кауричев).

     Подзолообразовательный  процесс наиболее выражен в подзонах северной и средней тайги. Он обусловливает формирование почв подзолистого типа, которые подразделяются на глееподзолистые и подзолистые. Первые не имеют гумусового горизонта. Для них характерно наличие торфянистой лесной подстилки и оглеение верхней части профиля.

     По  гранулометрическому составу подзолистые почвы очень разнообразны – от глинистых до песчаных. К характерным особенностям гранулометрического состава этих почв следует отнести обеднение коллоидными частицами гумусового и подзолистого горизонта и сравнительное обогащение ими иллювиального горизонта. В иллювиальном горизонте и почвообразующей породе содержится максимум оксидов железа и алюминия, а иногда и магния.

     Подзолистые почвы содержат мало гумуса (1-3%), и сосредоточен он в верхнем (1-5 см) слое. В составе гумуса преобладают фульвокислоты. Емкость поглощения очень мала и колеблется от 2-3 в песчаных и до 15-17 ммолей на 100 г почвы в суглинистых и глинистых почвах. В составе поглощенных катионов в верхних горизонтах преобладают водород и алюминий, книзу по профилю содержание поглощенного водорода относительно уменьшается, а кальция и магния несколько увеличивается. Подзолистые почвы не насыщены основаниями (степень насыщенности часто составляет 40-50% и менее), обладают повышенной кислотностью (рН водной вытяжки 4-4,5) и малой буферностью. В них мало азота, фосфора, калия и ряда микроэлементов.

     Неблагоприятны  для земледелия и физические свойства подзолистых почв: они бесструктурны, плохо водо- и воздухопроницаемы (особенно нижние уплотненные горизонты). После дождя пахотный горизонт подзолистых почв заплывает, а при высыхании твердеет, образуя корку, что отрицательно сказывается на росте и развитии растений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Характеристика  почвенного разреза  и место его  закладки

     Почвенный профиль был заложен в Приморском районе Архангельской области, в лесхозе Архангельский, Усть-Двинского лесничества. Мезорельеф – холмистая равнина. Микрорельеф выражен хорошо и представлен кочками. Формула древостоя 5Е1С4Б. Подрост представлен различными по величине особями двух видов деревьев – берёзы и ели. Подлесок представлен можжевельником. Серника и брусника представляют травяно-кустарничковый ярус. Почва подзолистая.

     В результате почвообразовательного  процесса почвенная толща расчленяется на отдельные горизонты, создаётся  профиль почвы, характеризующийся  определённой сменой горизонтов в вертикальном направлении. Эти горизонты называются генетическими, поскольку они образуются в процессе генезиса, то есть возникновения  и развития почвы.

     Почвы обладают внешними, так называемыми  морфологическими признаками, которые  отражают внутренние процессы, происходящие в почвах, их происхождение и историю  развития. Морфологические признаки – это внешние признаки почвы, по которым её можно отличить от горной породы или одну почву от другой, а также приблизительно судить о направлении и степени выраженности почвообразовательного процесса. К  главным морфологическим признакам  почвы относятся её строение, мощность почвы и отдельных её горизонтов, окраска (цвет), гранулометрический состав, структура, сложение, новообразования  и включения.

     Совокупность  генетических горизонтов образует почвеный профиль Каждая почва имеет свой профиль, характерные генетические горизонты, различающиеся цветом, структурой, сложением и другими морфологическими признаками.

     Профиль подзолистых почв (общая мощность 100-120 см) состоит из следующих горизонтов: 
 

     А0                    

     А2 
 

     В 
 

     ВС

     С 

     Рис. 1. Почвенные горизонты 

     Горизонт  А0, − лесная подстилка (гумусовый горизонт), состоящая из листьев, хвои, веточек, шишек, мхов, лишайников, находящихся на различных стадиях разложения. Мощность этого горизонта в исследуемом почвенном профиле составляет 1 см. Столь малая мощность этого горизонта свидетельствует о незначительных запасах гумуса и питательных веществ в почве, а следовательно, о невысоком её плодородии.

     Окраска почвы – один из важнейших морфологических  признаков, наиболее доступных наблюдателю. Чем большее количество гумуса содержит почва, тем сильнее окрашен горизонт. Окраска исследуемого горизонта  светло-серая. Это говорит о том, что содержание гумуса в горизонте  А0 невысокое. Однако, при определении окраски почвы необходимо учитывать её влажность. Поскольку исследования проводились в лабораторных условиях, этот показатель не был учтён.

     Горизонт  А₂ – подзолистый, или элювиальный, светло-серой окраски (цвет печной золы). По мощности горизонт равен 13 см. Гранулометрический состав горизонта – супесь, был определён «сухим» методом (визуально и на ощупь). А2 – уплотнённый бесструктурный горизонт, не имеющий новообразований и включений. Переход горизонта А₂ в нижележащий горизонт В резкий.

     Горизонт  В – иллювиальный, или горизонт вмывания. Мощность его 18 см. Горизонт желто-коричневой окраски, мелкокомковатой структуры. По слажности горизонт  плотноватый. Включений нет. В качестве химических новообразований выступает иллювиальное железо, в качестве биологических – мелкие корни. Граница горизонта заметная.

     Горизонт  ВС – Переходный, мощностью 20 см, светло-коричневой окраски. По гранулометрическому составу – лёгкий суглинок. Это уплотнённый горизонт мелкокомковатой структуры не имеющий новообразований и включений. Имеет прямую заметную границу перехода.

       Горизонт С – материнская горная порода серо-коричневой окраски. Гранулометрический состав – тяжёлый суглинок. Структура горизонта комковатая, сложение – плотное. Горизонт не имеет новообразований и включений.  
 
 
 
 
 
 

3. Аналитический план проведённых  исследований почв

     АГРОХИМИЧЕСУИЕ  СВОЙСТВА ПОЧВЫ 
 
 
 
 

4. Анализ  свойств горизонтов почвенного профиля

1. Механический  состав

     Твёрдая фаза почв и почвообразующих пород  состоит из частиц различной величины – механических элементов. В зависимости  от размера механических элементов  выделяют две большие фракции: физический песок (>0,01 мм) и физическая глина (<0,01 мм). Частицы крупнее 1 мм называют скелетной частью почвы, а меньше 1 мм – мелкозёмом.

     Гранулометрический  состав – относительное содержание в почве твёрдых частиц (механических элементов) различной величины. В  основу классификации почв по гранулометрическому  составу положено соотношение в  ней физического песка и физической глины. По гранулометрическому составу  почва бывает: песчаная (рыхло–песчаная, связно–песчаная), супесчаная, суглинистая (легкосуглинистая, среднесуглинистая, тяжелосуглинистая), глинистая (легкоглинистая, среднеглинистая, тяжелоглинистая). Песчаные и супесчаные почвы легко поддаются обработке и называются лёгкими, а тяжелосуглинистые и глинистые почвы – тяжёлыми.

     Так же широкое распространение получила классификация механических элементов  по размерам (мм), предположенная профессором  Н.А. Качинским. По это классификации выделяют следующие фракции:

1. Камни (> 3 мм).
2. Гравий (1-3 мм).
3. Песок (0,05-1 мм). Его подразделяют на крупный, средний и мелкий.
4. Пыль ( 0,001-0,05 мм). Также подразделяется на крупную, среднюю и мелкую.
5. Ил (< 0,001 мм). Бывает грубый и тонкий.
6. Коллоиды (<0,0001 мм).

     Каждая  фракция имеет свои свойства, и  от этого зависят свойства почв. Камни – обломки горных пород (первичные минералы) не участвуют  в питании растений, так как  все химические элементы в них находятся в труднодоступной форме. Камни мешают прорастанию семян. Песок тоже является обломками первичных минералов. Он разрыхляет почву и усиливает свторичные минералы. Почвы, в которых много пыли, после дождя заплывают и покрываются коркой, так как эта фракция не участвует в структурообразовании. Ил в основном состоит из вторичных минералов, именно они создают в почве структуру и обеспечивают питание растений.

     В исследуемой подзолистой почве  горизонт А2 является супесчаным и бесструктурным. Он хорошо пропускает воду, но плохо удерживает её. Горизонт В – супесчаный, мелкокомковатой структуры. Переходный горизонт ВС по гранулометрическому составу – лёгкий суглинок. Имеет мелкокомковатую структуру. Горизонт С – тяжёлый суглинок, комковатой структуры.

     В агрономическом отношении лучшими  по гранулометрическому составу  считаются суглинистые и супесчаные почвы, имеющие более благоприятное  по сравнению с песчаными и  глинистыми почвами сочетание водного, воздушного и теплового режимов.

2. Структура почвы, её водопрницаемость

     В естественных условиях все механические элементы (обособленные частицы пород  и минералов, а также аморфных соединений в почве) находятся в  раздельночастичном состоянии или  же связаны между собой в комочки, или агригаты, различных размеров и форм. Структура – характерный морфологический признак почвы в целом и её отдельных горизонтов. Это те комочки, на которые склеивается или распадается почва. Каждому типу почв свойственна определённая по форме и размерам структура отдельных генетических горизонтов.

       Морфологически все почвенные комочки можно разделить на три типа: кубовидные, призмовидные, винтовидные, все они имеют соответствующую форму. Каждый из перечисленных типов в зависимости от размера, характера рёбер и граней подразделяют на более мелкие единицы. Структура является диагностическим признаком, то есть позволяет назвать почву.

     С агрономической точки зрения почва может быть структурной и бесструктурной. В структурных почвах вся толща разделена на отдельные структуры (комочки). В ней хорошо сочетаются водный, воздушный и тепловой режимы, что обуславливает благоприятное направление биологических процессов, а значит лучшую доступность питательных процессов. Структурная почва обладает небольшой связностью и липкостью, поэтому она не оказывает большого сопротивления при пахоте, и обрабатывать её можно при высоких стадиях увлажнения. В бесструктурных почвах структура (комочки) отсутствует, вся толща почвы состоит из отдельных частиц. Такие почвы плохо впитывают воду, сток её по поверхности приводит к эрозии почвы. После дождя или полива такие почвы заплывают, сильно уплотняются и становятся тяжёлыми для обработки. Из сказанного, однако, не вытекает, что все бесструктурные почвы не пригодны для земледелия. На них также можно получить хороший урожай, применяя высокую агротехнику.

     Не  все почвенные комочки имеют  одинаковое значение. С агрономической точки зрения ценной по форме является кубовидная структура, а по размерам – структура от 0,25 до 10 мм. Эту  структуру называют агрономически  значимой.

     Водопроницаемость – способность почвы впитывать и пропускать через себя воду из верхних слоёв в нижние. Процесс этот складывается из трёх этапов: поглощение воды почвой, прохождение её от слоя к слою в насыщенной почве и фильтрация воды сквозь толщу почвы. При впитывании воды почва насыщается влагой. Когда почвенные поры будут полностью насыщены водой, начинается фильтрация влаги. Водопроницаемость зависит от гранулометрического состава, структурности, степени увлажнения почвы и наличия в ней солей.  Песчаные и супесчаные почвы более проницаемы для воды, чем глинистые и суглинистые. Водопроницаемость структурных почв по сравнению с бесструктурными лучше. Насыщение почвы влагой уменьшает водопроницаемость.

     В исследуемой подзолистой почве  водопроницаемость понижается от верхних  горизонтов к нижним, то есть горизонт А2 обладает высокой водопроницаемостью, так как по гранулометрическому составу он является супесью. Горизонты В и ВС обладают меньшей, по сравнению с горизонтом А2, водопроницаемостью. Их механический состав – лёгкий и тяжёлый суглинок. Размер пор между частицами в суглинке меньше, чем в супесчаном горизонте А2, поэтому вода впитывается медленнее. Самой низкой водопроницаемостью обладает горизонт С, так как его механический состав – тяжёлый суглинок, это говорит о том, что поры между частицами ещё меньше чем горизонте ВС. Следует учесть и то, что горизонт С – самый глубокий, поэтому вода, задерживаясь в вышележащих горизонтах, практически не доходит до него. Однако, горизонт С обладает высокой водоподъёмной способностью, являясь тяжёлым суглинком по гранулометрическому составу, он поднимает воду из грунтовых вод.  

3. Гигроскопическая  влага

     Гигроскопическая  влага образуется на поверхности  почвенных частиц в виде тонкой плёнки толщиной в 2-3 молекулы. Она удерживается  адсорбционными силами частиц. Молекулы воды сорбируются поверхностью твёрдых частиц почвы как из жидкого, так и из газообразного состояния. Гигроскопическая вода может передвигаться в почве, только переходя в пар. Она не доступна для растений. Содержание гигроскопической влаги в почве зависит от гранулометрического и химического состава почвы, а так же от относительной влажности воздуха. Почвы, богатые органическим веществом, способны удерживать больше прочносвязанной воды, чем бедные ими. Чем относительная влажность воздуха выше и чем мелкозернистее почва, то есть чем сильнее её дисперсность и больше в ней коллоидов, тем больше прочносвязанной воды содержится в почве.

     В анализируемой нами почве максимальное содержание гигроскопической влаги  наблюдается в горизонте А0, так как в этом горизонте содержится большое количество органического вещества, способного удерживать прочносвязанную влагу. По мере продвижения от горизонта А2 к нижележащим горизонтам, наблюдается увеличение содержания гигроскопической влаги от 0,6%, в горизонте А2, до 0,9% в горизонте С. Это можно объяснить различием горизонтов по гранулометрическому составу. Горизонт С – тяжёлый суглинок. В отличии от горизонта А2, который по гранулометрическому составу является супесью, частицы горизонта С мельче, поэтому общая площадь, на которой может адсорбироваться влага, гораздо больше.  

4. Плотность твёрдой фазы почвы

      Плотность твёрдой фазы – это отношение  массы твёрдой фазы сухой почвы  к массе равного объёма воды при  температуре 4°С.  Наглядно это можно представить себе следующим образом: взять сухой кусочек почвы и спрессовать его так, чтобы совершенно не осталось пустот. Тогда частное от деления взятой массы почвы к полученному объёму и будет представлять собой плотность твёрдой фазы почвы. Знание её необходимо для расчёта скважности почвы. Плотность твёрдой фазы почвы в среднем составляет 2,5-2,7 г/см³. Она зависит от химического и минералогического состава и определяется средней плотностью веществ, составляющих данную почву, их относительным содержанием.

      Наименьшая  плотность отмечается в верхнем  гумусовом горизонте, так как этот горизонт содержит большое количество гумуса и органического вещества. По мере движения вглубь плотность почвы закономерно возрастает. В глубинных иллювиальных горизонтах в исследуемой подзолистой почве эта величина достигает 2,4-2,7 г/см³, потому что эти горизонты содержат скопление железистых соединений и других тяжёлых минералов. Следует учесть содержание органики в почве, которое уменьшается от верхних горизонтов к нижним. Наибольшая плотность твёрдой фазы в горизонте ВС, она составляет 2,7 г/см³.

      Таким образом, плотность твёрдой фазы косвенно характеризует химический и минералогический состав почвы. По её величине можно ориентировачно судить о количестве гумуса и органических веществ в почве, о содержании в ней тяжёлых минералов,  о  степени её глинистости и др.