Минеральный и механический состав почв

Минеральный и механический состав почв

В результате процессов выветривания горных пород накапливаются обломки различных размеров, механически перемешанные под действием силы тяжести, ветра и воды. Эти обломки и образуют материнские рыхлые породы.

Свойства рыхлых пород в значительной степени зависят от размера и соотношения составляющих их частиц. Соотношение в почве частиц разного размера, выраженное в процентах, называется ее механическим составом, а отдельные частицы более или менее одинакового размера — механическими элементами.

Механический  состав почвы существенно влияет на ее водные, воздушные, механические и химические свойства. Камни, галька и хрящ обладают «провальной» водопроницаемостью и образуются из крупных обломков первичных минералов и горных пород. Песок состоит преимущественно из первичных минералов, быстро пропускает воду, плохо ее удерживает, поэтому песчаные отложения обычно хорошо аэрированы. По мере уменьшения размеров песчаных частиц уменьшается скорость впитывания воды и увеличивается влагоемкость.

Пыль содержит некоторое  количество вторичных минералов, которые под воздействием воды могут разбухать, вследствие чего появляются новые свойства почв — пластичность и липкость. Ил содержит вторичные глинистые минералы, очень сильно разбухающие в воде и почти не пропускающие воду и воздух. Илистые частицы обладают коллоидными свойствами, имеют заряд, способны к обменным реакциям, свертываются под влиянием солей. Именно они в основном удерживают в поглощенном состоянии элементы питания.

При уменьшении размера частичек ускоряется процесс, выветривания, а следовательно, образование вторичных минералов — группы алюмосиликатов (каолин, монтмориллонит), гидроокисей железа и алюминия, углекислых солей Са, Mg, К.

Механические  элементы в зависимости от размера  имеют различные физические свойства и химический состав. Поэтому очень важно знать количество механических элементов того или иного размера в горной породе или почве. Чаще всего для этого используется несколько методов механического анализа с целью выделения всех механических фракций.

Для характеристики механического  состава почв используют двух- или  трехчленные классификации почв по механическому составу. В настоящее время для классификации почв и грунтов используют трехчленную классификацию Н. А. Качинского. Однако самое большое распространение имеет двучленная классификация почв, разработанная сначала Н. М. Сибирцевым, а затем Н. А. Качинским. В двучленной классификации выделяют две группы частиц: физический песок — более 0,01 мм и физическую глину менее 0,01 мм; в трехчленной — три: песок — 1,0—0,05 мм, пыль — 0,05—0,001 мм и ил — менее 0,001 мм.

По механическому составу  верхних почвенных горизонтов и  почвообразующих пород почвы  делятся на песчаные (рыхлые и связные), супесчаные, суглинистые (легкие, средние  и тяжелые) и глинистые (легкие, средние  и тяжелые).

Почвы разного механического  состава в зависимости от содержания физической глины имеют неодинаковую пластичность, т. е. способность скатываться в шнур, шар и т. д. Используя это качество, разработали простые способы определения механического состава почв в поле.

Для того чтобы  определить механический состав почв полевым методом, образец (комочек) увлажняют до тестообразного состояния, а затем раскатывают ладонями.

При названии почвы необходимо обязательно указывать ее механический состав, например чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый, дерново-подзолистая супесчаная и т. д. Разные типы почв могут иметь одинаковый механический состав.

Механический  состав почв в значительной мере влияет на их агрономические свойства. В практике песчаные и супесчаные почвы называют легкими, так как они легко поддаются обработке, а суглинистые и глинистые — тяжелыми, потому что обработка их связана с большими энергетическими затратами. Легкие почвы рыхлые, хорошо пропускают влагу и воздух, весной быстро прогреваются. Но в то же время они плохо удерживают воду, содержат мало органических веществ и элементов питания для растений. Тяжелые почвы плотны, плохо пропускают влагу и воздух, весной прогреваются медленно, поэтому обработку их начинают позже. Содержание гумуса и элементов питания в них выше, чем в песчаных и супесчаных почвах. Однако в общем глинистые и суглинистые почвы плодороднее песчаных и супесчаных.

Механический  состав почв необходимо учитывать при  хозяйственном использовании их. Большинство растений хорошо растет на почвах среднего механического состава. Кукурузу, картофель, арбузы, томаты лучше возделывать на легкосуглинистых и супесчаных почвах, а пшеницу, овес, свеклу и капусту — на средне- и тяжелосуглинистых.

Виды поглотительной способности почв

К. К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности почв: механическую, биологическую, химическую, физическую и физико-химическую.

Механическая поглотительная способность. Это свойство почвы задерживать в своих порах частицы из фильтрующихся суспензий. Механическое поглощение зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Глинистые и суглинистые почвы поглощают даже тонкодисперсные частицы. У песчаных почв рыхлое крупнопористое сложение, поэтому они слабее поглощают взвешенные частицы.

На механическом поглощении основан прием кольматажа (заиливания) для уменьшения фильтрации воды через  дно и стенки канала. Кольматаж  применяют также для улучшения  водных и физических свойств закамненных и грубозернистых песчаных почв.

Биологическая поглотительная способность. Обусловлена избирательным поглощением растениями и микроорганизмами необходимых для их жизни элементов (азота, фосфора, калия и др.). Усваиваемые ими растворимые соединения превращаются в белковые вещества, нуклеиновые кислоты, клетчатку и другие компоненты живых тканей. Благодаря биологическому поглощению почва систематически обогащается органическим веществом, азотом и зольными элементами питания. При этом значительно уменьшается геохимический сток минеральных удобрений, внесенных в почву.

Химическая поглотительная способность. Этот вид поглотительной способности связан с образованием нерастворимых в воде соединений. При взаимодействии катионов Са²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и отчасти Mg²⁺ с растворимыми в воде сульфатами, карбонатами и фосфатами образуются йерастворимые соединения, выпадающие в осадок. Например, при внесении в почву фосфорного удобрения в результате взаимодействия аниона фосфорной кислоты с катионом кальция выпадает в осадок ортофосфат кальция:

2К₃РО₄ + 3Ca(NО₃)₂ = 6KNO₃ + Са₃(РО₄)₂.

Физическая поглотительная способность. В результате физической поглотительной способности молекулы концентрируются на поверхности  почвенных частиц.

Адсорбцией называют способность  почвы поглощать целые молекулы поверхностью дисперсных частиц. В  основе этого явления лежит сила молекулярного притяжения. Она обусловлена  свободной энергией молекул и  ионов, находящихся на поверхности  твердой фазы почвы. Чем сильнее  степень раздробленности частиц и чем больше их общая поверхность, тем сильнее будет адсорбционная  способность почвы.

Почвой поглощаются различные  соли из растворов и газообразные вещества. При этом некоторая часть  растворимых соединений удерживается от вымывания, а газообразные соединения, например аммиак, от улетучивания в  атмосферу.

Однако такие вещества, как нитраты и хлориды, почвой не поглощаются. Поэтому нитратные  удобрения лучше вносить незадолго  до посева сельскохозяйственных культур  или в виде подкормок. Это предотвратит загрязнение водоемов и обеспечит  более эффективное использование  удобрений.

Физико-химическая поглотительная способность (обменная адсорбция). Это  способность почвы обменивать некоторую  часть катионов диффузного слоя коллоидной мицеллы на эквивалентное количество катионов, находящихся в почвенном  растворе. Известно, что минеральные  соли и кислоты в почвенном  растворе в определенной степени  диссоциируют (распадаются) на катионы и анионы. Поскольку большая часть почвенных коллоидов имеет отрицательный заряд, то из раствора поглощаются в основном положительно заряженные ионы, то есть катионы. Обмен катионов почвенного раствора на катионы, находящиеся в твердой фазе почвы, происходит эквивалентно. 

Факторы почвообразования

Климат

Климат зоны серых  лесных почв умеренно континентальный; континентальность возрастает с запада на восток.

Лесостепь представляет собой зону, переходную от влажного климата таежно-лесной зоны к засушливому  климату степей. На севере осадки и  испаряемость сбалансированы (КУ>1), на юге испаряемость превышает осадки (КУ=0,77). Водный режим — периодически-промывной.

В таблице 1 приведены  климатические показатели природно-сельскохозяйственных провинций зоны. Коэффициент годового атмосферного увлажнения убывает с 1,2 в западных районах зоны до 0,8 в восточных; преобладает периодически промывной тип водного режима. Основное количество осадков (до ²/₃ годовой суммы) выпадает в теплое время года. Особенностью климата восточных территорий зоны, начиная с Предуралья, является наличие засушливого периода со второй половины мая до середины июня, оказывающего неблагоприятное влияние на молодые всходы сельскохозяйственных культур, их рост и развитие.

Таблица 1 – Значение климатических показателей природно-сельскохозяйственных провинций зон серых лесных почв

Климатические условия  зоны благоприятны для роста и  развития естественной деревянистой и  травянистой растительности и для  возделывания широкого ассортимента сельскохозяйственных культур.

По обеспеченности влагой западные провинции относятся  к влажным, а центральные и восточные — к полувлажным. В связи с нарастанием континентальности климата постепенно к востоку уменьшается общая обеспеченность теплом, зима становится холодной, вегетационный период короче. Поэтому западные провинции относятся к полосе среднеспелых культур, а восточные — к полосе ранних культур.

Климатические условия  существенно изменяются с запада на восток в пределах зоны: сумма  активных температур выше 10°С — 2400-3200° на западе, 1400-1800° — на востоке; температура самого холодного месяца, соответственно, -4-8°С и -18-25°С; годовое количество осадков — 550-700 мм и 300-350; длительность вегетационного периода — 150-180 и 90-120 дней.

Таким образом, общей  закономерностью климата лесостепи  является снижение влагообеспеченности  с севера на юг и усиление похолодания  и континентальности с запада на восток. Это обусловливает подзональные и фациальные особенности почвенного покрова.

Рельеф

Общий характер рельефа  зоны серых лесных почв — равнинный. На европейской территории — это  волнистая и увалистая равнина, а в азиатской части — плоская, увалистая и волнистая равнина  с хорошо выраженной (кроме Западной Сибири) овражно-балочной сетью, что  наряду с многочисленными долинами рек способствует естественной дренированности территории. Особенностью Западносибирской равнины является ее заболоченность.

В европейской части  России рельеф зоны волнистый, сильно и глубоко расчлененный эрозией. Территория зоны здесь простирается в пределах Волыно-Подольской, Среднерусской, Приволжской возвышенностей, Пермского и Уфимского плато.

На западе преобладающими породами являются лёссы и лёссовидные  суглинки, в Среднерусской провинции  — покровные суглинки и местами  морена. В отдельных районах (Приволжская  возвышенность, Приуралье и др.) серые лесные почвы развиты на элювиально-делювиальных продуктах выветривания коренных пород пермского, юрского, мелового и третичного периодов. Равнинный рельеф имеет Западно-Сибирская провинция. Наиболее дренированы и расчленены приречные территории. Междуречья слабо дренированы. Из почвообразующих пород преобладают лёссовидные суглинки и глины. Восточная часть зоны (Приалтайская, Западно- и Восточно-Присаянские провинции) более расчленена и дренирована. Западно-Присаянская провинция характеризуется полого-увалистым рельефом в предгорных равнинах (Мариинская и Ачинская лесостепи) и широким развитием бугристого микро- и мезорельефа в межгорных котловинах восточной части провинции (Красноярская и Капская лесостепи), Восточно-Присаянская провинция представляет собой сильноувалистую равнину. Почвообразующие породы на территории этих провинций представлены в основном четвертичными лёссовидными суглинками и глинами.

Почвообразующая порода

Изучение генезиса серых лесных почв связано с именами  В. В. Докучаева, С.И. Коржинского, И. В. Тюрина, В. Р. Вильямса, В. И. Талиева и других ученых.

В. В. Докучаев рассматривал серые лесные почвы как самостоятельный  зональный тип, сформировавшийся под  травянистыми широколиственными лесами в условиях лесостепной зоны. Светло-серые и серые почвы, по В. В. Докучаеву, в большей мере претерпевали воздействие лесной растительности и в меньшей — травянистой; темно-серые образовались под ослабленным влиянием леса и при более интенсивном воздействии травянистой растительности.

С. И. Коржинский развивал гипотезу о вторичном образовании серых лесных почв из черноземов в результате их изменения под влиянием поселения леса. Он считал, что лесной растительности свойственно формирование подзолистых почв. Поэтому поселение леса на черноземах приводит к их существенным изменениям (деградации): гумус постепенно разрушается, структура утрачивается. Согласно представлениям С. И. Коржинского, оподзоленные черноземы, темно-серые, серые и светло-серые почвы представляют собой последовательные стадии деградации черноземов.

Южная граница распространения  лесов на территории современной  зоны серых лесных почв действительно  претерпевала колебания, однако они  не были столь значительными.

Изучение свойств черноземных  почв под искусственно созданной  лесной растительностью показывает некоторое понижение линии вскипания, однако в большинстве случаев  в результате посадок леса на черноземах лесостепи и степных районов  происходит улучшение всего комплекса  важнейших свойств почв: увеличивается  содержание гумуса, повышается сумма  обменных оснований, улучшаются физические и водные свойства, усиливается микробиологическая деятельность в почвах.

Теорию проградации развивали В. И. Талиев и П. Н. Крылов, предполагавшие, что серые лесные почвы возникли из дерново-подзолистых при смене таежно-лесной растительности на широколиственные леса и лугово-степную растительность.

Близкие к этой точке  зрения положения развивал В. Р. Вильямс. Он рассматривал серые лесные почвы  как результат природного сочетания  дернового и подзолистого процессов  в лесостепной зоне.

Экспериментальные данные по изучению биологического круговорота  веществ и развития дернового  и подзолистого процессов в основном подтверждают правильность взглядов В. В. Докучаева о генетической самостоятельности  серых лесных почв и показывают, что процессы, которые рассматривались  в гипотезах С. И. Коржинского и В. И. Талиева, имеют ограниченное значение. Первые (деградация) характерны для южных районов лесостепи и луговых обсыхающих территорий, вторые (проградация) — для северных районов лесостепной зоны.

Подзолистый процесс  в лесостепной зоне протекает  в более слабой форме, чем в  таежно-лесной, а для дернового  процесса создаются лучшие условия. Эти особенности в развитии подзолистого и дернового процессов связаны прежде всего с заметным отличием характера биологического круговорота веществ и условий гумификации на фоне ослабленного промывного режима.

В широколиственных лесах с хорошо развитым подлеском  и травяным покровом ежегодно поступает  в почву и на ее поверхность  большая масса опада (70—90 ц на 1 га), богатого азотом (50—90 кг на 1 га) и основаниями, особенно кальцием (70—100 кг на 1 га и более).

Отсутствие или  слабое появление сезонного анаэробиозиса и лучший тепловой режим усиливают разложение богатой основаниями и азотом отмирающей растительности. Образуются более сложные гумусовые вещества с большим содержанием гуминовых кислот. Значительная часть этих кислот нейтрализуется основаниями опадав поэтому процессы разрушения почвенных минералов выражены слабее, чем в таежно-лесной зоне.

Отмеченные особенности  биологического круговорота веществ  и гумификации способствуют накоплению в почвах гумуса.

Светло-серые и  серые лесные почвы формируются  преимущественно в северной части  зоны, где комплекс биоклиматических условиий почвообразования (меньшее участие в опаде остатков травянистой растительности, более выраженный нисходящий ток воды, больший вынос оснований из опада и т. д.) приводит к заметному развитию подзолистого процесса. Далее на юг преобладают темно-серые почвы в сочетании с оподзоленными и выщелоченными черноземами, а светло-серые и серые почвы встречаются лишь на легких породах или на участках рельефа с повышенным увлажнением.

При движении с запада на восток в связи с нарастанием суровости и континентальности климата ослабляется энергия превращения органических веществ в почве, сокращается период их активного разрушения. Поэтому в том же направлении в серых лесных почвах увеличивается содержание гумуса, уменьшается мощность гумусового профиля, ослабляются признаки оподзоливания и увеличивается доля черноземов в составе почвенного покрова территории.

В условиях резко  континентального климата восточных  провинций (Приалтайская, Западно- и Восточно-Присаянские) широко распространены серые лесные сезонномерзлотные почвы. Низкие температуры зимы при относительно маломощном снеговом покрове вызывают промерзание почв до 120—150 см при длительном сохранении мерзлоты (октябрь—июнь).

Позднее оттаивание и медленное прогревание почв сокращают срок активных биохимических  и биологических процессов, ухудшают водно-тепловой и питательный режимы серых лесных почв этих провинций. В  нижней части профиля образуется надмерзлотная верховодка, вызывающая развитие процессов оглеения.

Наиболее распространенными  материнскими породами являются карбонатные  и бескарбонатные лёссовидные суглинки и глины, покровные желто-бурые суглинки. В отдельных районах европейской территории России они представлены элювиально-делювиальными отложениями дочетвертичных пород, лёссами и моренными суглинками, в Средней Сибири — коричнево-бурыми и бурыми суглинками и глинами, в Забайкалье — легкими по гранулометрическому составу некарбонатными породами озерно- и пролювиально-делювиального происхождения.

Почвообразующими  породами на большей части территории Средне-Русской провинции являются покровные суглинки. К югу они сменяются лессовидными карбонатными суглинками и лессами. Водораздельные понижения, шлейфы, нижние части выположенных склонов заняты делювиальными отложениями. В долинах рек распространены древнеаллювиальные отложения. В отдельных районах (Приволжская возвышенность, Приуралье) почвообразующими породами являются элювиально-делювиальные продукты выветривания коренных пород пермского, юрского, мелового и третичного периодов.

Биологические факторы

Целинная растительность зоны представлена травянистыми лесами, чередующимися с безлесными участками  луговых степей. Последние в основном распаханы, на западе (Украинская провинция) преобладают буковые, буково-грабовые и дубово-грабовые леса.

В Среднерусской  провинции господствуют дубовые  леса с примесью липы, клена, ясеня  и других широколиственных пород. Далее  к востоку в лесах заметное место занимает береза, часто с  примесью хвойных пород (пихта, сосна).

В Западно-Сибирской провинции преобладают березовые травянистые леса с примесью осины. На востоке зоны распространены березово-осиновые и сосново-березовые леса с примесью лиственницы. На территории всей зоны на песчаных террасах рек часто произрастают сосновые боры.

Травянистая растительность лесов разнообразна и обильна.

В Западно-Сибирской и Приалтайской провинциях широко распространены сосново-гипновые и осоково-тростниковые болота.

Природная растительность представлена травянистыми лесами, чередующимися  с безлесными участками, с характерным  набором растений северных луговых  степей, среди которых ковыль перистый, тимофеевка степная, келерия тонкая, овсяница желобчатая и др. В составе древесных пород Среднерусской провинции господствуют дубовые леса (дубравы) с примесью липы, клена, ясеня, в Предуральской — широколиственно-хвойные леса из пихты, ели сибирской, сосны, березы, липы, осины, клена, вяза (дуб встречается редко). Для лесных массивов Западно-сибирской и Северопредалтайской провинций для древостоя наиболее, характерны береза, осина, сосна, для Средней Сибири и Забайкалья – береза и лиственница [Ковриго].

На территории всей зоны на песчаных террасах произрастают сосновые боры, а в замкнутых плохо  дренируемых понижениях — осоково-тростниковые и сосново-гипновые болота.

Количество опада составляет 7-9 т/га в год, в том числе 4-5 т/га в виде корней травянистых растений. С опадом возвращается 250-300 кг/га зольных элементов и 60-90 кг/га азота [Ганжара].

Микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, простейшие) первыми поселяются на материнской  породе, усваивают атмосферный азот, переводя его в форму сложных  белковых тел, разлагают органические остатки, минерализуя их до простых, доступных растениям солей. Они участвуют в образовании гумуса, разрушении и синтезе многих минералов. Следовательно, это такая группа организмов, без которых невозможны существование растительности и формирование плодородия почв. Животные организмы (черви, землерои, насекомые) также участвуют в почвообразовании. Черви в процессе жизнедеятельности пропускают через пищеварительный тракт органические остатки и почву. Она пропитывается их выделениями, приобретает форму склеенных комочков и становится структурной. Таким образом черви улучшают физические свойства почвы.

Землерои (суслики, кроты и др.) образуют в почве большое количество нор, а на поверхности — бугорков различных форм и размеров. Тем самым они перемешивают почву, изменяют ее сложение и влияют на формирование микрорельефа местности.

Вода

Осадки определяют водный режим почвы, ее влажность, скорость и характер превращения органических остатков, минерализацию гумуса, разрушение минеральной части почвы.

Они обусловливают  также скорость и направление  процессов передвижения водорастворимых солей по профилю. При одном гидротермическом режиме преобладает вымывание солей, при другом — подъем их с грунтовыми водами. Например, в районах с влажным климатом происходит вымывание органических и минеральных веществ в нижнюю часть профиля или в грунтовые воды. В условиях жаркого сухого климата в пониженных формах рельефа, где близко к поверхности залегают грунтовые воды, происходит их подъем по капиллярам, а вместе с ними и растворенных солей, которые накапливаются в верхней части профиля.

Выветривание

Ветер способствует процессу физического выветривания горных пород и вызывает ветровую эрозию почв. Под влиянием ветра  происходит опесчанивание верхних горизонтов почвы, развитие каменистых и щебнистых почв. Ветер способствует также засолению почв в результате приноса солей с поверхности засоленных водных бассейнов на сушу [Лыков].

Экономическая оценка земель - это оценка земли как природного ресурса и средства производства в сельском и лесном хозяйстве, а также как пространственного базиса в общественном производстве по показателям, которые характеризуют производительность земель, эффективность их использования и доходность с единицы площади.

Чрезвычайно важным свойством  земли с точки зрения методики экономической оценки выступает  универсальность ее использования. Она является общим предметом, средством  труда, необходимым условием любого вида материального производства. 

Экономическая оценка разного  назначения земель проводится с целью  определения эффективности ее использования.

Экономическая оценка исследует  земельные территории в широком  и комплексном хозяйственно-экономическом  аспекте. Она связывает между  собой почвы и земельные площади, которые имеют более сложные  многоаспектные зависимости, которые образовались в результате хозяйственной деятельности человека.

Целью экономической оценки является определение производственной пригодности земель, учитывая технологические  условия производства на этих землях.

Показатели экономической  оценки земель:

• продуктивность угодий; 
• окупаемость расходов; 
• дифференциальный рентный доход.

Экономической оценке земель подлежат пашня, многолетние плодовые насаждения, сеножати и пастбища, а также сельскохозяйственные угодья по предприятиям, агрокомбинатам, агрофирмам и другим формированиям, административным районам, областям и по Украине в целом.

Экономическая оценка земель определяется в условных кадастровых  гектарах или в денежном выражении.

На основании материалов экономической оценки земель проводится нормативная оценка земель разных категорий  целевого назначения, анализируется  эффективность использования земель, разрабатываются альтернативные варианты ее использования, планируется распределение земельного фонда между отдельными отраслями хозяйства на государственном уровне.