Растение в своем развитии нуждается в питательных веществах, в воде, воздухе и тепле. Та почва, которая способна удовлетворить эти запросы культурного расте­ния, и будет плодородной почвой.

Плодородие — это главное, основное свойство почвы. Оно в свою очередь зависит от ряда других свойств, которые мы опишем ниже.

Поглотительная способность почвы. Растение берет своими корнями пищу из почвенных растворов. Но чтобы оно могло забирать необходимые ему вещества, концентрация растворов должна быть слабой (не больше 2—3 г питательных солей на 1 л воды). Правда, солей может оказаться слишком мало, и тогда растение голо­дает, но оно гибнет и в том случае, когда водный раствор излишне крепок. Из концентрированного водного рас­твора корни растений не в состоянии впитывать соли, и растение гибнет, как погибло бы от голода.

Но ведь мы знаем, что количество воды в почве посто­янно меняется. После дождей ее больше, в засуху меньше. Значит, различна и крепость почвенного раствора, что не может не сказаться на состоянии растения. Но на помощь растению приходят свойства питающей его почвы, и главным образом ее глинистых частиц и перег­ноя, которые в некоторых пределах регулируют кре­пость раствора. Когда концентрация раствора возра­стает, почва поглощает из него часть веществ. Происхо­дит это по разным причинам. Одни вещества более прочно поглощаются твердой частью почвы, образуя вместе с нею новые труднорастворимые соединения и соли. Это можно сказать о железе, фосфорной и угольной кислотах и т. д. Другие, например кальций, калий, натрий, магний, лишь притягиваются из раствора к по­верхности почвенных частиц (это «поглощающий комп­лекс почвы»), концентрируются в слоях воды, наиболее близких к этим частицам (в так называемом диффузном слое), и вытесняют из них другие элементы. Так, из раствора поглощается кальций, а в раствор вытесняется магний и натрий. Может быть и наоборот. Обычно погло­щаются те элементы, которых больше в почвенном рас­творе. Наконец, третьи вещества в случае значительного увеличения концентрации почвенного раствора могут вы­падать из него в виде кристаллов: известь в черноземных почвах, известь и гипс в каштановых почвах и пр.

Во многих случаях поглощаются вещества, необхо­димые растению, — калий, кальций, фосфорная кислота, известь. Однако наряду с ними почва поглощает и на­трий, значительные количества которого в поглощаю­щем комплексе резко ухудшают все ее свойства.

Способность почвы, твердой ее части, поглощать из водного раствора и связывать некоторые вещества и соли называется поглотительной способностью почвы.

Поглотительная способность почвы зависит главным образом от содержания в ней коллоидальных частиц (мельче 0,0001 мм) — минеральных, органических и органо-минеральных. Эта часть почвы называется погло­щающим ее комплексом. Чем больше таких частиц, тем лучше поглотительная способность почвы. Следовательно, глинистые и суглинистые, особенно богатые перегноем почвы всегда будут обладать большей поглотительной способностью, нежели почвы супесчаные и песчаные и тем более — бедные гумусом. Так, в глинистом черно­земе величина поглощенных кальция и магния достигает 1 % и более к весу почвы, тогда как в песчаных подзо­листых почвах этих же веществ в поглощенном состоянии отмечаются лишь десятые и сотые доли процента.

Почва не забирает поглощенные вещества безвоз­вратно. Они лишь сохраняются в ней до того момента, когда увеличится количество воды и когда растение потребует их через свою, корневую систему. При увели­чении влажности почвы часть веществ непременно снова перейдет в почвенный раствор.

В том, что почва действительно поглощает из воды различные вещества, легко убедиться. Растворим в воде какую-нибудь соль, например хлористый барий, и взбол­таем ее вместе с почвой (лучше глинистой, богатой перегно­ем). Отцедим через некоторое время воду при помощи воронки и бумажного фильтра и определим в ней коли­чество бария. Окажется, что бария стало меньше в рас­творе, так как он поглотился почвой, а взамен его в воде увеличилось содержание кальция.

Почва может поглощать даже некоторые газы, напри­мер аммиак — резко пахнущий газ, который при соеди­нении с водой образует нашатырный спирт. Поглощен­ный почвой аммиак при участии бактерий переводится в селитру.

Но не все вещества поглощаются почвой одинаково хорошо. Очень слабо поглощается ею столь ценная для растений селитра, и поэтому она легче, чем другие ве­щества, вымывается из почвы водой. Кроме того, как мы отмечали, не все почвы отличаются одинаковой погло­тительной способностью. Хорошо поглощают вещества почвы, богатые глинистыми частичками и перегноем. В таких почвах питательные вещества закрепляются лучше и потому труднее вымываются водой. И крепость водного раствора в этих почвах, если они не засолены, поддерживается приблизительно одна и та же, что имеет большое значение для питания растений.

Глинистые, богатые перегноем почвы можно без опа­сения удобрять необходимыми для растений количествами питательных веществ (например, суперфосфатом), так как излишки их, если они окажутся, поглотятся почвой и не погубят растения, а также не вымоются водой. Не следует этого делать только с селитрой. Поэтому в прак­тике ее обычно вносят в верхний слой почвы двумя пор­циями: одну при посеве, и другую — в период наиболь­шего развития растений.

Совсем иными свойствами обладают песчаные почвы. Глины и перегноя в них мало, поглотительная способ­ность их ничтожна. Вода легко вымывает из них пита­тельные соли, и они бесследно пропадают для растений.

В засуху же, когда концентрация почвенного раствора сильно повышается, песчаная почва не способна погло­тить излишка солей, и растения, если почва удобрена растворимыми в воде веществами, могут погибнуть: они выгорают. Поэтому, чтобы не создать ненужной кре­пости почвенного раствора и не потерять питательных веществ, удобрения в песчаные почвы вносят понемногу, несколькими порциями. Нельзя также оставлять эти почвы в чистом пару, так как вода вымоет из них пита­тельные вещества. В период парования в подзолистой зоне эти почвы следует засевать сераделлой или люпином. Сераделла — прекрасный корм для скота, а люпин, если его запахать в период цветения, обогащает почву перегноем, азотом и улучшает ее физические свойства.

Отечественные специалисты и передовики сельского хозяйства предложили и на тяжелых почвах вносить под растения легко растворимые в воде удобрения дроб­ными порциями, по нескольку раз в сезон, с учетом стадии развития растений. Этот прием, который в практике стали называть подкормкой растений, значительно по­вышает урожай сельскохозяйственных культур.

Наряду с глинистыми частицами и перегноем значи­тельную роль в поглотительной способности почвы иг­рают населяющие ее микроорганизмы. Размножаясь в почве, они для построения своего тела поглощают из почвенного раствора различные питательные веще­ства. После смерти тела микроорганизмов истлевают и поглощенные ими вещества вновь возвращаются в почву, в почвенный раствор и могут быть использованы расте­ниями. Подобное явление наблюдается при жизни и от­мирании самих растений.

Реакция почвы. Если в почве излишне много кислот (угольная кислота, фульвокислоты в глеево-подзолистых почвах) или щелочей (сода в солонцах), то культурное растение развивается плохо или даже гибнет. Для благо­приятного развития большинства культурных растений необходимо, чтобы почвенный раствор был ни кислым, ни щелочным, а средним, нейтральным.

Оказывается, что реакция почвы (кислотность, ще­лочность) в сильнейшей степени зависит от того, какие вещества поглощены ею. Если почва (твердая ее часть) поглотила водород или алюминий, она будет кислой; почва, забравшая из раствора натрий, будет щелочной, а почва, насыщенная кальцием, будет иметь нейтраль­ную, т. е. среднюю, реакцию.

В природе различные почвы имеют и разную реакцию. Например, болотные и подзолистые, а также красно­земы отличаются кислотностью, солонцы — щелочно­стью, а черноземы — средней реакцией. Подробнее с этими почвами мы ознакомимся в последующих главах нашей книги.

Порозность, или скважность, почвы. Если в почве имеется достаточное количество питательных веществ, но не хватает воды или воздуха, растение гибнет. Поэтому приходится заботиться о том, чтобы наряду с пищей в почве всегда были вода и воздух, которые размещаются в почвенных пустотах. Пустоты (поры, или скважины) почвы занимают примерно половину всего объема почвы. Так, если вырезать 1 л почвы из пахотного слоя без уплотнения ее, то пустоты составят в ней около 500 см³ (50% по объему), а остальной объем будет занят твердой частью почвы. В рыхлых суглинках и глинистых поч­вах количество скважин на 1 д почвы может достигать 600 и даже 700 см³; в торфяных почвах — 800 см³; в пес­чаных почвах скважность меньше — примерно 400— 450 см³.

Размер пустот и форма их весьма различны как в од­ной и той же почве, так и в разных почвах. Мелкие сква­жины имеют просвет в сотую, тысячную долю милли­метра и еще меньше, крупные пустоты, например тре­щины, в почве могут иметь просвет в несколько санти­метров. Слишком мелкие скважины в столбчатом гори­зонте солонцов (внутри столбиков), а также очень круп­ные (трещины) создают неблагоприятные условия для растений. Так, корневые волоски растений могут про­никать лишь в скважины с поперечником не менее 0,01 мм, а бактерии — в скважины не мельче 0,003—0,001 мм. Для культурных растений желательно создавать в почве путем обработки и оструктуривания скважины средних размеров — с просветом от нескольких миллиметров до десятых и сотых долей миллиметра, причем они должны быть равномерно распределены во всей толще почвы. В этом случае даже в сырой почве в крупных порах будет содержаться воздух, необходимый для дыхания почвен­ного населения и для окислительных процессов, а в тон­ких — вода — обязательное условие существования всего живого.

Водопроницаемость почвы. Выпадая на поверхность почвы в виде осадков, вода под влиянием силы тяжести просачивается в нее по крупным скважинам и рассасы­вается по тонким скважинам, или капиллярам, окружая сплошным слоем почвенные частички. Чем крупнее поч­венные частицы (например, в песке), тем больше и ходы между ними и тем легче через такую почву будет прони­кать вода. Наоборот, в почве (например, глинистой), богатой мельчайшими частицами, ходы между ними чрез­вычайно малы. Вода в глинистые почвы просачивается в сотни раз медленнее, нежели в почвы песчаные. Про­никает она в почву в этом случае главным образом по тре­щинам, червоточинам и по ходам старых истлевших корней.

Однако сказанное справедливо лишь в отношении глинистых бесструктурных почв. Если же такая почва богата перегноем и известью, то отдельные мелкие ча­стички в ней (особенно коллоидные частицы) свертываются, слипаются, склеиваются в пористые зернышки и комочки, которые при наличии гумуса и извести механически весьма прочны и длительно противостоят размыванию водой. В почве между ними образуются поры средней величины, как в песке, и несколько крупнее. Такая (структурная) глинистая почва обладает хорошей водопроницаемостью, несмотря на то что она состоит из мельчайших частиц.

На рис. 46 изображены различные скважины в струк­турной и бесструктурной почвах. В частности, комоч­ки структурной почвы показаны здесь как сплошь капил­лярные. Однако в лучших почвах, таких, как черноземы, а также в культурном пахотном слое других почв и внутри самих комочков имеются некапиллярные ячейки и ка­нальцы, вполне доступные для воздуха даже в сырой, капиллярно насыщенной водой почве. Образуются эти пу­стоты в результате деятельности насекомых, истлевания корней, обработки почвы и пр. Такие комочки особенно ценны. В них и между ними одновременно содержатся вода и воздух. Они легкопроницаемы для бактерий и грибков, для корней растений. Они обеспечивают пло­дородие почвы (рис. 47).

Водопроницаемость почвы легко определить в поле. Для этого в почву до глубины 6—7 см врезают деревян­ный или металлический квадрат (площадью 50×50 см). Нижняя часть его делается клином и, если он деревян­ный, обивается жестью. Квадрат нужно устанавливать прочно, чтобы между его стенками и почвой не было ще­лей. Лучше врезать в почву не один, а два квадрата, как показано на рис. 48, наружный (50×50 см) и внут­ренний (25×25 см).

В оба квадрата наливают воду слоем в 5 см и затем, поддерживая ее на постоянном уровне и учитывая расход воды, следят за быстротой проникновения ее в почву. Отсчеты следует делать по внутреннему квадрату, из которого вода будет опускаться почти вертикально вниз, тогда как из наружного квадрата она растечется и в сто­роны.

Затем рассчитывают водопроницаемость почвы в мил­лиметрах водного столба в единицу времени, например в 1 мин. Так как водопроницаемость почвы во времени меняется (обычно уменьшается), то наблюдения над нею целесообразно продлить несколько часов (6—8 час).

При определении водопроницаемости следует учиты­вать температуру воды. Чем выше температура, тем вязкость воды меньше и она быстрее проникает в почву. При окончательном вычислении (по особой формуле Хазена) водопроницаемость почвы приводится к темпе­ратуре 10° С. Это позволяет сравнивать величины водо­проницаемости разных почв, полученные при неодина­ковых температурах воды.

Влагоемкость почвы. Попадая в почву, вода, как уже говорилось, смачивает почвенные частички, окружая их многими слоями. Вода прилипает к почве, и почва прочно удерживает ее в силу своей поверхностной энергии. Чем ближе слой воды к почвенной частичке, тем сильнее удерживается он почвой, тем прочнее он ею связан. Кроме того, вода задерживается в почвенных капиллярах.

Способность почвы удерживать воду при условиях свободного ее стекания называется водоудерживающей способностью почвы, а количество воды, которое при тех же условиях сохраняет почва, — влагоемкостью почвы.

Влагоемкость у различных почв разная. 100 г гли­нистой почвы, богатой перегноем, могут удержать в себе 50 г воды (50%) и больше, а 100 г песчаной почвы — только от 5 до 25 г (5—25%). В большинстве случаев пахотный слой суглинистых и глинистых почв удержи­вает на 100 г почвы от 30 до 40 г воды (30—40%); торфя­ные почвы отличаются высокой влагоемкостью: 100, 200, 300% и более.

Водовместимость почвы. Если почва подстилается водонепроницаемым слоем, то при сильном дожде или искусственном поливе все поры ее заполняются водой. Почва как бы налита ею. Чем больше скважность почвы, тем больше поместится в ней воды. Это количество воды будет соответствовать водовместимости почвы.

Ясно, что водовместимость почвы по объему равна ее скважности. Водовместимость нужно отличать от влагоемкости почвы, под которой понимают количество воды, удерживаемое почвой после полного промачивания ее и свободного стекания воды по порам вниз или в сторону по уклону.

Различные формы воды в почве. Вода, содержащаяся в почве, неодинакова по своему качеству. Можно выде­лить шесть ее главных категорий.

Вода прочносвязанная, несвободная, которая сильно притягивается почвенными частичками и растениям почти совсем недоступна. В природе встречаются две формы такой воды: гигроскопическая и максимально гигроскопическая. Первая содержится в воздушно-су­хой почве. Она поглощается абсолютно сухой почвой из атмосферы или остается в почве при высушивании ее в атмосфере, не полностью насыщенной водяными па­рами (относительная влажность воздуха <100%). Вто­рая форма прочносвязанной адсорбированной воды (мак­симально гигроскопическая) поглощается почвой из ат­мосферы, полностью насыщенной парами (относительная влажность воздуха 100% или близко к этому). Обе эти формы воды в почве передвигаются лишь в виде пара, поэтому они переносчиками солей быть не могут.

Поверх оболочки максимально гигроскопической воды, покрывающей почвенные частички, в более сырой почве формируется еще пленка рыхлосвязанной воды: это вода пленочная. Она обладает еще высоким напряжением, и, хотя может передвигаться в почве в жидком виде, интенсивность передвижения ее крайне замедленна. По­этому пленочная вода — слабый переносчик солей, и она с трудом доступна растениям. .

Вода капиллярная занимает средние по величине поры в почве. Вода свободная, гравитационная, стекает из почвы вниз или в сторону по уклону. Вода парооб­разная содержится в почвенном воздухе. Вода твердая (лед) образуется в почве при замерзании. Вода внутри­клеточная (осмотическая) заключена в клетках отмерших, но недоразложившихся растений.

Когда воды в почве много, почва связывает своей поверхностью лишь часть ее. Остальная вода свободна, и растения легко могут всасывать ее корнями: это грави­тационная и капиллярная вода. Особенно ценна в дан­ном случае вода капиллярная; будучи легко усвояема растением, она в то же время удерживается в корнеобитаемом слое почвы, не стекая из него. Эта же вода обла­дает способностью передвигаться в почве по капиллярам во всех направлениях. Когда корень растения выпивает воду вокруг себя, она может подсасываться к нему из соседних, более сырых мест. Важно, чтобы капиллярная вода занимала не все поры сплошь, а перемежалась с более крупными порами, занятыми воздухом, который необходим для дыхания корней растений и всего живого населения почвы.

При подсыхании почвы воды в ней становится мало. Она тонкими слоями располагается вокруг почвенных частиц, и они с большой силой притягивают ее к себе. Как уже отмечалось, связанная вода также неоднородна по своему составу. Наружные пленки ее более рыхлы. Они менее сильно удерживаются почвой. Эту часть свя­занной воды (рыхлосвязанную, или пленочную, воду) растение еще может воспринимать своими корнями, но всасывает ее с трудом и медленно. При такой влажности почвы растение больше расходует воды, испаряя ее через листья и стебли, нежели всасывает корнями. Вследствие этого оно теряет упругость (тургор, как говорят) и начи­нает вянуть. Влажность почвы, при которой растение вянет, называют влажностью завядания растений. Эта форма воды притягивается к поверхности почвы с силою 15—20 атм.

При дальнейшем подсушивании почвы, когда будут израсходованы наружные рыхлые слои связанной воды, в ней останутся лишь тончайшие водные пленки вокруг почвенных частиц. Эта плотная, прочно связанная поч­вою, уже известная нам вода — гигроскопическая и максимально гигроскопическая. Сила, с которой она удерживается почвой, больше, нежели всасывающая спо­собность корня, а потому растение не может ее воспри­нять. При наличии в почве только такой воды растение умирает. Чем больше в почве коллоидальных частиц, тем сильнее она удерживает воду и тем большая часть ее будет недоступна растениям. На глинистых почвах, содержащих много этих частиц, растения погибают от засухи уже тогда, когда на 100 г почвы приходится около 10—15 г воды (15% к весу сухой почвы). В песчаных почвах ила (частицы мельче 0,001 мм) очень мало, и потому почти вся вода из них может забираться расте­нием. Растение на песчаных почвах погибает только в том случае, когда на 100 г почвы остается 1—2 г воды (1—2%) и даже меньше.

Таким образом, нужно помнить, что, хотя глинистые почвы и сильнее удерживают в себе воду, в них больше недоступной растениям воды, нежели в песчаных почвах.

Описанные нами формы воды располагаются в поч­венных порах, не входя в состав твердого вещества почв. К ним примыкает внутриклеточная вода, содержащаяся в растительных клетках, оболочки которых еще не разру­шены, например в недоразложившихся торфах, в свежезапаханной дернине.

Но есть две формы воды, входящие в состав твердой фазы почвы, — химически связанная вода, или консти­туционная, и вода кристаллизационная, или кристаллогидратная.

Первая наиболее прочно связана с твердыми части­цами, включаясь в них разорванными молекулами воды в форме гидроксильных ионов (ОН-ионов), например при взаимодействии окиси железа с водой. В результате реакции Fe₂O₃+2H₂O —> 2Fe(OH)₃ получаются две моле­кулы гидрата окиси железа.

Вторая тоже входит в состав молекулы твердого вещества, но уже цельными молекулами воды. Напри­мер, в гипсе содержится две молекулы воды: CaSO₄•2Н₂О.

Химически связанной воды много в глинистых мине­ралах и мало в песках и супесях. Удаляется она из почвы при температуре красного каления (400—800° С); при­чем исходный минерал распадается. Остается прокаленный остаток.

Кристаллогидратная вода удаляется из почвы при более низких температурах. Например, из гипса одна молекула воды удаляется, если образец нагревать до 107° С, а вторая молекула — при нагревании до 170° С. Обезвоженный гипс (ангидрит) в этом случае не распа­дается, но меняются его физические свойства. Много кристаллизационной воды содержится в солончаках.

Определение влагоемкости почвы. Для практических целей важно знать, сколько почва может задержать в себе воды и сколько ее недоступно растениям. Ту и другую величину легко определить. Для этого участок поля размером около 1 м² хорошо поливают и покрывают клеенкой, брезентом, а поверх кладется солома или трава для предотвращения испарения воды. Выжидают одни-двое суток, чтобы могла стечь или рассосаться свободная вода, которая не удерживается почвой. Затем смочен­ную площадку открывают и производят поперек ее поч­венный разрез, из сырой стенки которого на различных глубинах в стаканчик или в банку берут образцы почвы (граммов по 20). Мокрую почву нужно взвесить, затем высушить в сушильном шкафу и опять взвесить. Раз­ница в весе покажет, сколько воды содержалось в почве. Если в поле определялась водопроницаемость почвы при помощи рам, как было описано выше, то по оконча­нии работы на том же участке можно определить влагоемкость почвы (рис. 49).

Определение воды, недоступной растениям. Воду, недоступную растениям, можно определить следующим образом. Взятый в поле образец почвы (граммов 50— 100) в лабораторных условиях рассыпать тонким слоем на бумаге и оставить на 10 дней, чтобы почва высохла. После просушивания в ней еще будет незаметная на глаз влага, так называемая гигроскопическая вода. Если такую почву предварительно взвесить (в стакане или на блюдце), потом высушить в сушильном шкафу и опять взвесить, то можно заметить, что вес ее уменьшился. Это испарилась гигроскопическая вода. Зная вес почвы до сушки и после сушки, можно вычислить, сколько было воды. Если найденную величину удвоить, то полу­чится примерно количество воды для данной почвы, не усвояемое растением. Это так называемая максималь­ная гигроскопическая вода. Как влагоемкость, так и неусвояемую воду удобнее вычислять в процентах к весу сухой почвы. Например, если говорить, что влагоемкость почвы 50%, а неусвояемой воды в ней 10%, то это значит, что 100 г сухой почвы при поливе могут удержать 50 г воды, причем из этих 50 г растения могут использовать 40, а остальные 10 г окажутся для него недоступными. Влага завядания растений, т. е. влажность почвы, при которой растение еще живет, но уже начинает вя­нуть, равна приблизительно полуторному запасу не усвояемой растениями воды. Так, если не усвояемый, или «мертвый», запас воды в почве равен 10%, то растения начнут вянуть, когда влажность этой почвы уменьшится до 15%.

Содержание воды в различных почвах. В различных почвах в разное время содержится неодинаковое коли­чество воды. Оно зависит от климата данной местности, времени года, погоды, свойств почвы, характера расте­ний, которые занимают почву, и от стадии их развития.

В засуху воды в почве мало и она располагается лишь в мелких скважинах и тонкими пленками вокруг частиц почвы. Когда же воды много, она заполняет и более крупные поры и ходы. Кроме того, вода может насыщать такие вещества, как перегной и глина, причем они сильно разбухают. Особенно много воды задерживают перегной и полуистлевшие остатки растений.

Когда почва быстро подсыхает и в ней становится мало воды, растения гибнут. Но они не могут развиваться и в почве, переполненной водой, здесь им недостает воздуха. Для большинства растений благоприятно сред­нее состояние почвы, когда часть пор в ней (примерно 3/4) заполнена водой, а в других промежутках находится воздух. Некоторые растения, например рис, хорошо раз­виваются и в сырой почве.

Грунтовая вода. Если в почве много воды, то, как отмечалось, она просачивается вниз. Проникая через почву или материнскую породу, вода встречает на боль­шей или меньшей глубине водонепроницаемый слой (связную глину или каменистую породу), застаивается на этом слое или течет в ту сторону, куда он наклонен. Это уже будет грунтовая вода, которая питает колодцы, озера, реки, а при высоком залегании поит и растения в засуху. Если грунтовая вода подходит слишком близко к поверхности почвы (на 1 м и ближе), то она забола­чивает ее. На рис. 50 показаны различные формы сво­бодной, капиллярной и связанной воды в почве.

Водоподъемная способность почвы. Вода в почве может передвигаться не только сверху вниз, но и в сто­роны, а также снизу вверх. Убедиться в этом нетрудно. Возьмем кружку с продырявленным дном, насыпем в нее земли и поставим в воду так, чтобы она покрывала только дно кружки. Пройдет день-два (а для некоторых почв всего несколько часов или даже минут), и можно заме­тить, что почва смочилась до самого верха. Вода поднимается по мельчайшим промежуткам, находящимся между почвенными частичками. Эти промежутки настолько узки, что их называют волосными промежутками или капиллярами. Вода прилипает к стенкам капилляров. Слои ее на противоположных стенках капилляра сли­ваются и заполняют весь его объем. В верхней части такого водного столбика, где вода притягивается к стен­кам капилляра, образуется вогнутый водный мениск. Непосредственно под таким мениском давление в воде менее 1 атм. Чем меньше диаметр капилляра, тем более вогнут образующийся в нем мениск и тем слабее под ним давление. Под плоской же водной поверхностью давление равно 1 атм. Если почвенный капилляр ниж­ним своим концом погружен в «свободную» воду, в нем образуется вогнутый мениск и вода засасывается в ка­пилляр как бы насосом. Она будет подниматься в ка­пилляре до такой высоты, пока вес поднятого столба воды ни уравновесит различие в давлениях под плоской поверхностью «свободной» воды и под вогнутым мениском. Поднятый в капилляре столб воды в этом случае назы­вается водой капиллярной, «подпертой» грунтовой во­дой или временной верховодкой. Чем мельче капилляры, тем выше по ним поднимается вода, а по самым тонким она поднимается на высоту до 2—7 м.

В глинистых почвах, обладающих мельчайшими про­межутками между почвенными частичками, вода с силой притягивается к последним. Казалось бы, такие почвы сильнее всего поднимают воду по капиллярам. На самом деле этого не наблюдается. Когда глинистые частички поглотят воду, то эта «связанная» вода заполняет значи­тельную часть просвета мельчайших скважин, и ее но­вым порциям негде протолкнуться. В песке, наоборот, скважины слишком широки и притяжение воды части­цами почвы слабое, а потому вода поднимается по капил­лярам быстро, но на небольшую высоту. Лучше всего транспортируют вверх воду средние по механическому составу почвы, именно среднесуглинистые, например украинский лёсс.

Капиллярная вода может задерживаться и передви­гаться в почве и тогда, когда она не сообщается с грун­товой водой или временной верховодкой, например после дождя или искусственного полива почвы. Это будет вода капиллярная «подвешенная» (подвешенная на водных менисках). Она может двигаться в любом направлении из более смоченных капилляров, где мениски менее вогнуты, в зону более узких капилляров с более вог­нутыми менисками, под которыми сильней выражено «отрицательное» (меньше 1 атм.) давление.

Способность почвы впитывать и поднимать воду с неко­торой глубины, а также проводить ее от одного слоя к другому и в стороны по капиллярам имеет огромное значение для жизни растений. Не обладай почва этой способностью — много воды в ней пропало бы совершенно бесполезно, а мы знаем, как дорога вода для растений, особенно в засушливых областях. Во время засух, когда почва с поверхности совершенно не увлажняется, растения живут исключительно за счет воды, передвигающейся по капиллярам, и воды пленочной.

Подъем и рассасывание воды по капиллярам возможны не только при наличии грунтовой воды или верховодки, как показано на рис. 50, но и при отсутствии таковых. В этом случае крупные капиллярные скважины, запол­ненные водой, играют роль мелких водоемов, питающих сеть более тонких почвенных пор (рис. 51).

Таким образом, водоподъемная капиллярная способ­ность почвы дает возможность растениям лучше и полнее использовать влагу.

Испаряющая способность почвы. Однако не нужно забывать, что водоподъемная способность почвы может вызвать и излишнее просушивание ее. Происходит это в том случае, когда поле плохо разрыхлено или совсем не разрыхлено с поверхности. На таких участках поч­венные капилляры простираются до самого верха. Вода поднимается по ним и испаряется в воздух. Разрыхляя почву, мы нарушаем, ломаем капилляры. Вода, подни­маясь снизу, дойдет только до разрыхленного слоя и не пойдет выше, а будет накапливаться и сохраняться под ним.

Усиленно просушивается почва и в том случае, когда пашня покрывается коркой. Бывает это после дождей. В корке очень хорошо развиты тонкие капилляры, сильно засасывающие воду. Для сохранения влаги в почве такую корку нужно немедленно ломать при помощи культиваторов или борон.

Итак, благодаря многочисленным канальцам, ходам и промежуткам в почве вода передвигается в ней по всем направлениям, вымывая различные соли, в том числе и необходимые для растений. Вода с растворенными в ней солями — это пища для растений и других обитателей почвы.

Воздушный режим почвы. В сухой почве все скважины заняты воздухом. Часть его при этом с силой притяги­вается поверхностью почвенных частиц. Эта часть воздуха обладает слабой подвижностью и называется поглощен­ным воздухом. Остальной воздух, размещающийся в круп­ных порах, считается свободным. Он обладает значитель­ной подвижностью, может выдуваться из почв и легко заменяться новыми порциями атмосферного воздуха.

По мере увлажнения почвы воздух вытесняется во­дой и выходит наружу, а часть его и других газов раство­ряется в почвенной воде. Особенно хорошо в воде раство­ряется аммиак (в 1 л воды несколько сот литров). Рас­творяются в воде и другие газы, например углекислый газ, кислород и азот, но значительно слабее, чем ам­миак. Для успешного произрастания большинства куль­турных растений необходимо, чтобы в почве одновременно находились вода и воздух. При этом вода занимает мел­кие и средние поры, а воздух — более крупные.

Из воздуха в почве потребляется главным образом кислород. Как уже упоминалось выше, он тратится на дыхание корней растений и населяющих почву животных, соединяется с различными веществами в почве, напри­мер с железом, а главным образом используется различ­ными бактериями при дыхании, разложении и окислении растительных, животных и некоторых минеральных остатков. Взамен потребляемого живыми существами кислорода воздух в почве обогащается углекислотой, выделяющейся при их дыхании и при тлении органи­ческих остатков. Из почвенного воздуха углекислота поступает и в почвенный раствор, и в атмосферу.

Находящийся в почве воздух не остается без движения. Днем, когда почва прогревается солнечными лучами, разогревается и находящийся в ней воздух. Он расши­ряется, и часть его выходит наружу. Ночью почва и со­держащийся в ней воздух остывают. В почве образуется разреженное пространство, и новый воздух снаружи заполняет его. Пройдет несколько суток, и весь состав воздуха в почве обновится.

Смена воздуха в почве происходит и по другим при­чинам. Он может выдуваться ветром, вытесняться про­сачивающейся в почву водой, причем в обоих случаях уда­ленный из почвы воздух заменяется новыми порциями свежего атмосферного воздуха. Почвенный воздух при­ходит в движение и при изменении атмосферного давле­ния; увеличение этого давления вызывает внедрение в почву некоторой части надпочвенного воздуха. Наобо­рот, уменьшение его сопровождается выходом части поч­венного воздуха наружу. Наконец, смена воздуха в почве может происходить даже при отсутствии ветра, дождя и при неизменном атмосферном давлении. При этом почвен­ный воздух, богатый углекислотой и водяными парами, постепенно выходит наружу, а более сухой и богатый ат­мосферным кислородом внедряется в почвенные поры (происходит процесс диффузии газов).

Интенсивность обновления почвенного воздуха в раз­личных климатических и почвенных зонах зависит от раз­ных причин. Например, в пустынях больше влияет резкая смена температур в течение дня и ночи, а также выдува­ние почвенного воздуха ветром. В зоне, богатой осадками, например таежной, смена воздуха будет заметно происхо­дить при просачивании воды в почву и т. д.

Поскольку почвенный воздух почти всегда сырее ат­мосферного, замена его последним ведет к просушиванию почвы. Следовательно, почва может испарять и терять воду не только своей поверхностью, но и через внутрен­ние слои и поры. Такое испарение в отличие от поверхност­ного называется внутрипочвенным. Оно наносит большой вред тем почвам, в которые легко проникает ветер (глы­бистые, трещиноватые, свежевспаханные в жаркую вет­реную погоду). Поэтому в засушливых местностях во избежание потерь влаги глубоко вспахивать почву в жару не рекомендуется. А если вспашка произведена, то пашню вслед за плугом нужно тщательно заборонить и выровнять (волокушей или тылом бороны).

Не во всех почвах обмен воздуха происходит одинаково свободно. Например, для песчаных почв характерны круп­ные ходы между почвенными частичками. Воздух прони­кает в эти почвы легко и на большую глубину. Корни растений дышат свободно, при наличии воды раститель­ные и животные остатки быстро разлагаются. Иная кар­тина наблюдается в бесструктурных глинистых, мокрых почвах. Промежутки между почвенными частичками здесь малы, да и те часто заняты водой. Воздух проникает в такую почву с трудом и в незначительном количе­стве. Почва просыхает медленно. Растительные и животные остатки разлагаются слабо. Различные вещества в почве, например железо, не только не окисляются, но теряют кислород, который накопили раньше. Потеряв часть кис­лорода, железо становится ядовитым для растений. В та­кой почве не могут жить бактерии, созидающие селитру. Зато начинают развиваться бактерии, ее разрушающие.

Одним словом, почва «живет ненормальной жизнью» и как бы «задыхается». Такая почва постепенно забола­чивается. Чтобы исправить почву, нужно осушать ее, разрыхлять поверхностный слой, запахивать в нее из­весть, навоз, вносить под растения минеральные удобрения.

Тепло в почве. Для развития почвы и жизни растений необходимо тепло. Тепло почва получает от солнца, не­посредственно нагреваясь его лучами, или из воздуха и атмосферных осадков. Немного тепла приходит к поверх­ности почвы и от внутренних нагретых слоев Земли, а также выделяется при дыхании живых существ, разло­жении растительных и животных остатков, взаимодей­ствии некоторых составных частей почвы между собой, при сгущении паров в жидкую воду, замерзании воды. Иногда почву согревают теплые источники, вытекающие на поверхность Земли из глубоких разогретых ее слоев. Такие источники известны, например, в Исландии, СССР — на Камчатке, Северном Кавказе (Горячеводск), в Дагестане, Грузии (Тбилиси), Азербайджане (близ Лен­корани) и в других местах.

Не все почвы одинаково нагреваются солнцем. Темные, богатые черноземом, а главное сухие почвы прогрева­ются значительно скорее, чем светлые и сырые. Осо­бенно медленно нагреваются сырые почвы. Это происходит потому, что много тепла тратится на согревание и испаре­ние находящейся в них воды. Песчаные почвы суше гли­нистых и поэтому нагреваются скорее.

Помимо цвета и содержания перегноя и воды большое значение для нагревания почвы имеет расположение мест­ности: лучше других нагреваются почвы, лежащие на южных склонах, несколько слабее — на восточном и за­падном, и хуже всего — на северном.

Полученное почвой тепло постепенно через почвенные частички, воду и воздух передается нижним слоям. Лучше проводят тепло твердые частицы почвы и вода. Очень слабый проводник тепла — воздух.

Ночью почва остывает с поверхности, а теплая днев­ная волна передвигается на некоторую глубину. Так волны одна за другой каждый день уходят в почву. Почвенные частички то расширяются от тепла, то сжимаются от хо­лода. Это способствует большему и скорейшему их вы­ветриванию.

Для развития растений и других почвенных обитате­лей благоприятны теплые почвы.

Зимой, когда почва скрыта под снежным покровом, когда в ней замерзает вода и вместо теплых в глубину идут холодные волны, ее жизнь в значительной мере замирает. Все живое в почве впадает в зимнюю спячку и просыпа­ется лишь следующей весной.

Электропроводность почвы зависит от ее влажности, количества и качества солей, плотности (или пористости) и температуры. Электропроводность сухой почвы близка к нулю. По мере нарастания влажности и растворения в воде солей электросопротивляемость почвы резко па­дает, а электропроводность возрастает. Особенно повы­шают электропроводность почвы те соли, которые в водном растворе диссоциируют, переходя в ионное состояние. Например, поваренная соль в растворе дает ион натрия с положительным электрическим зарядом (Na⁺) и ион хлора с отрицательным электрическим зарядом (С1^–). Цепочки взаимодействующих между собой ионов в растворе и являются проводниками электричества.

Делались многочисленные попытки измерять влаж­ность и содержание солей в почве по ее электропровод­ности. Однако точных величин не получается, так как электропроводность зависит от нескольких причин. Так, при увеличении влажности электропроводность сначала возрастает, но при влажности свыше влагоемкости почвы она вновь падает, так как почвенный раствор солей ста­новится сильно разбавленным.

Но в ряде случаев, где требуется констатировать рез­кие смены во влажности или температуре почвы, электро­сопротивляемость почвы или обратная ей величина — электропроводность — используются в почвенных ра­ботах, например при определении водопроницаемости почвы по методу изолированных колонн. В почве окапы­вается колонна грунта в виде призмы и обертывается клеенкой, чтобы вода из нее не растекалась в стороны. В стенку колонны забиваются латунные или медные элек­троды, от которых наружу выводятся изолированные про­вода и подключаются к электрической сети (с вольтметром или амперметром). Почвенный разрез закапывается. Сна­ружи на колонну устанавливается деревянный или метал­лический квадрат, в который наливается вода до уровня 5 см от поверхности почвы, затем подсчитывается коли­чество впитывающейся воды. Параллельно с этим начи­ная от верхней пары электродов определяется сопротивле­ние почвы действию электрического тока. У сухой почвы со­противление очень высокое (десятки тысяч ом). Но когда промоченный слой распространится до глубины заложения электродов, сопротивление почвы уменьшается в десятки ты­сяч раз, а электропроводность соответственно во столько же раз возрастает. Это будет моментально отмечено вольтмет­ром или амперметром. Так, не раскапывая почву, можно точно установить — когда и на какую глубину она про­мокала, что важно знать при изучении водопроницаемости почвы, после дождя, при искусственных поливах и в дру­гих научных и практических наблюдениях.

С помощью аналогичной установки можно, не разры­вая почву, установить глубину ее промерзания: в замерз­шей почве электропроводность резко снижается.

Еще раз о структуре почвы. Все свойства почвы, важ­ные для развития сельскохозяйственных растений, по­лучают наилучшее выражение в структурных почвах, ко­торые содержат в себе одновременно воду и воздух. Вода помещается внутри комочков и на стыках между ними, а воздух — в крупных пустотах между комочками, по их поверхности и отчасти внутри комочков — в крупных каналах и порах (см. рис. 47). Структурная почва имеет хорошие тепловые свойства. В ней благоприятно развиваются полезные для растений мик­роорганизмы. Минеральная часть в такой почве легче выветривается и освобождает питательные ве­щества, нужные для растений. В ней на поверхности комочков лучше разлагаются растительные и животные остатки, а внутрен­няя, менее проветриваемая часть комочков является «лабораторией», где накапливается высококачест­венный нейтральный («сладкий») перегной. В конечном счете струк­турная почва всегда дает более высокий урожай сельскохозяйст­венных растений. Поэтому спра­ведливо выражение: культурная почва (суглинистая и глини­стая) — это структурная почва. Но не во всякой почве от при­роды бывает хорошая структура. Часто приходится упорно рабо­тать, чтобы получить структурную пашню. На всех почвах созданию структуры помогает искусственное увеличение в ней перегноя, а также насыщение почвы кальцием. Для последней цели на кислых почвах применяется известь, на щелочных (например, на солонцах) — гипс или заменители извести и гипса.

Нужно унавоживать почвы, вводить в севооборот однолетние и многолетние злаковые и бобовые травы, а на песках — люпин и сераделлу. Бобовые травы обога­щают почву кальцием и азотом, а все травы — бобовые и злако­вые — при условии обильного их урожая обогащают ее перегноем, так как имеют корневую систему, в несколько раз большую, чем овес, рожь, пшеница и другие полевые и огородные растения (рис. 52). Кроме того, хорошо развитые травы густой сетью своих корней расчленяют почву на зернышки и комочки значительно сильнее, не­жели зерновые или овощные культуры, обладающие сла­бой корневой системой. При введении трав в севообороты нельзя ограничиваться общеизвестным шаблоном. Необхо­димо испытывать и смелее вводить в травосмеси сево­оборотов новые культуры. Например, в нечерноземной зоне большого внимания наряду с клевером и тимофеевкой заслуживают райграсы, овсяницы, ежа сборная; в сухих степях наряду с люцерной и житняком — донник, нут и суданка, во влажных субтропиках — люпин, конский боб, лядвенец рогатый и т. п.

Серьезное внимание нужно уделять и своевременной обработке почвы. При распашке сухой почвы мы разру­шаем, распыляем структуру; при распашке переувлажнен­ных почв давим структуру, смазываем ее. По возможности нужно стремиться вспахивать оптимально увлажнен­ную почву, когда она не смазывается и не прилипает к ору­диям обработки; при этом условии получается лучшая по качеству структурная почва.

Опыт использования полимеров для оструктуривания почвы. Как видно из сказанного, в настоящее время основные методы оструктуривания почв — обработка, введение севооборотов с травами, внесение органических и минеральных удобрений, известкование кислых почв, гипсование солонцов или применение заменителей из­вести и гипса. Правильное систематическое использование этих приемов окультуривает и оструктуривает почвы и в конечном счете повышает их плодородие.

Быстро улучшить структуру пахотного слоя можно культурно обработав ее при оптимальной влажности. Однако если в исходной почве уже до обработки нет проч­ных, водопрочных и пористых агрегатов, то улучшить ее физическое состояние за счет обработки удается ненадолго. Взрыхленная пашня быстро садится, а в случае ливневого дождя или полива обесструктуривается. Комки и зерна ее размываются водой, почва покрывается вредоносной коркой.

Значительно более фундаментальное оструктуривание почвы достигается в результате возделывания в севообо­роте трав, особенно многолетних. Созданная под травами (при высоком их урожае и хорошо развитой корневой массе) структура сохраняется несколько лет и лишь постепенно (через 4—5 лет) утрачивается под пропашными и особенно злаковыми зерновыми культурами. Казалось бы, этот метод вполне удовлетворяет сельскохозяйствен­ное производство. Однако это не так. Существенное острук­туривание почв, например подзолистых, достигается под травами (смесь клевера красного с тимофеевкой) лишь в результате двухлетнего их использования, а максимум оструктуривающего действия более сложной травосмеси в пастбищных севооборотах (4—5-компонентной) отмеча­ется через 4—5 лет произрастания трав. Таким образом, срок, необходимый для оструктуривания почв в траво­польном севообороте, составляет примерно половину того времени, на которое в последующем продлится эффект оструктуривания. Результат весьма скромный. Поэтому естественны поиски более быстрых и более эффектив­ных методов улучшения физических свойств почвы пу­тем внесения в нее каких-либо мелиорирующих ве­ществ.

Первую попытку приготовить искусственный клей для оструктуривания почвы сделали К. Фадеев и В. Р. Виль­ямс в конце XIX в. Они получили аммиачную гумусовую вытяжку из северного чернозема и использовали ее в опыте для оструктуривания смеси воробьевского третичного песка и илистой фракции из гжельской глины. Аналогич­ную попытку делали С. Оден (1915) и затем Н. И. Сав­винов (1936), получая щелочную вытяжку из торфа.

С 1932 по 1936 г. обширные исследования в области искусственного оструктуривания почв были проведены под руководством академика А. Ф. Иоффе в Ленинграде, в Физико-агрономическом институте. Аналогичные работы позже выполнялись в США и других зарубежных странах. Были предложены различные клеи для оструктуривания почв (торфяный клей, вискоза и др.). Однако первые опыты в этом отношении оказались малоудачными. Пред­ложенные клеи-цементы оструктуривали почву лишь на короткий срок (на год-два), а количество их для острук­туривания требовалось большое (десятки тонн на гектар). Поэтому в практику сельского хозяйства эти препараты не вошли.

Новое направление в решении этого вопроса опреде­лилось в два последних десятилетия, когда для острукту­ривания почв были использованы полимеры, получившие собирательное название крилиумов.

Крилиумы — это в основном производные трех орга­нических кислот: акриловой, метакриловой и малеиновой. Молекулы (первичные частицы) этих кислот и их про­изводные обладают способностью, взаимодействуя между собой, образовывать цепочки (полимеры), в которые входят тысячи и даже миллионы отдельных простых молекул. Вещества эти растворимы в воде. Если их внести в почву порошком, тщательно перемешать с почвой и потом смочить ее водой, полимеры пропитают промочен­ный слой¹. Взаимодействуя с почвенными частицами, они начнут свертываться, затвердевать и, словно цемент, скрепят почвенные частицы. В это время нужно выждать, пока почва подсохнет до оптимальной влажности, и раз­рыхлить ее так, чтобы создать структуру нужных разме­ров и оптимальной порозности (комковато-зернистую). При подсыхании почвы ее комки и зерна приобретут ме­ханическую прочность и водопрочность. Они будут устой­чивы против распыления при обработке и против рас­плывания при дождях или поливах. Так в несколько дней можно оструктурить почву, которая при правильной ее обработке в последующем сохраняется 5—6 лет.

К настоящему времени в ряде стран предложены раз­личные препараты полимеров, при испытаниях показавшие себя хорошими структурообразователями; например в США — препараты «Гипан», «Сепаран» и другие, в ГДР — «Вердикунк АН», в СССР — несколько пре­паратов, из которых наибольшей оструктуривающей способностью обладает полимер «К-4», предложенный ла­бораторией коллоидной химии Академии наук Узбекской ССР (рис. 53).

Использование полимеров для оструктуривания почв пока в сельскохозяйственном производстве весьма огра­ничено. Причина этого — высокая стоимость полимеров, необходимых сельскому хозяйству. Нужен специальный завод, изготавливающий их для целей сельского хозяй­ства. Когда препараты крилиумов будут изготавливаться не сотнями килограммов, а миллионами тонн, цена их снизится во много раз. Следует помнить, что крилиумы можно широко использовать для борьбы с водной и ветро­вой эрозией почв, для закрепления днищ и откосов на каналах, для борьбы с пылимостью на аэродромах и стади­онах и в других целях.

Крилиумы нужно готовить гумусоподобными. Ведь гу­мусовые кислоты, особенно гуминовая и ульминовая, сами являются природными полимерами, чем и объясняется их высокая оструктуривающая роль в почве.

Кроме того, синтезируя крилиумы, нужно заботиться не только об оструктуривающей их роли, но и обеспечить им удобрительные качества. Названные полимерные пре­параты являются длительно действующими азотными удобрениями. Помимо этого, при синтезе необходимо вво­дить в них калий и фосфор. Соблюдая эти условия и внося полимеры в почву, мы будем не только оструктуривать ее, но и обеспечим полным удобрением — азотом, калием, фосфором.

Но пока крилиумы в широком масштабе для сель­ского хозяйства недоступны, нужно оструктуривать почву всеми другими, ранее описанными способами: куль­турная обработка почвы, использование травопольных севооборотов и др. Нужно всегда помнить, что структур­ная пашня на суглинистых и глинистых почвах — по­казатель культурности поля. Структурность почвы по­вышает урожай и делает его устойчивым.

• ← Склад ґрунту
• Ґрунтові зони та підзони →