1. Структура почвы

Совокупность агрегатов различной величины, формы, порозности, механической прочности и водопрочности называют почвенной структурой.

Способность почвы распадаться при обработке на комочки, или агрегаты, различной величины и формы называется структурностью.

Форма, размер и качественный состав структурных агрегатов в разных почвах, а также в одной почве, но в разных ее генетических горизонтах неодинаковы. По форме различают три основных типа структуры:

1. кубовидная – структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям;
2. призмовидная – отдельности развиты по вертикальной оси;
3. плитовидная – отдельности развиты по двум горизонтальным осям.

В свою очередь кубовидная структура делится на:

1. глыбистую – отдельности неправильной формы и имеют неровную поверхность;
2. комковатую – агрегаты неправильной округлой формы, грани не выражены;
3. ореховатую – агрегаты более или менее правильной формы, грани хорошо выражены, поверхность ровная, ребра острые;
4. зернистую – агрегаты более или менее правильной формы, иногда округлой, с выраженными гранями.

Призмовидная структура делится на:

1. столбовидную – отдельности слабо оформлены, с неровными гранями и округлыми ребрами;
2. столбчатую – агрегаты правильной формы с довольно хорошо выраженными гладкими боковыми и вертикальными гранями, с округлым верхним основанием и плоским нижним;
3. призматическую – грани хорошо выражены, с ровной глянцевой поверхностью и острыми ребрами.

Плитовидная структура делится на:

1. плитчатую – агрегаты с более или менее развитыми горизонтальными плоскостями спайности;
2. чешуйчатую – отдельности по форме напоминают чешую рыбы;
3. листоватую;
4. пластинчатую.

В зависимости от размера структурные агрегаты подразделяют на следующие группы:

1. макроагрегаты – >10 мм;
2. мезоагрегаты – 10–0,25 мм;
3. микроагрегаты – <0,01 мм.

В любом из почвенных горизонтов структурные отдельности не бывают одного размера и формы. Чаще всего структура в них смешанная:

• комковато-зернистая (А),
• комковато-пылеватая (А_П),
• комковато-пластинчато-пылеватая (А₁, А₂) и т.д.

Различные генетические горизонты имеют определенные формы структуры. Так, комковато-зернистая структура характерна горизонту А, пластинчато-листоватая – А₂, ореховатая – В.

Следует различать понятие о структуре почвы как характерном морфологическом ее признаке от понятия структуры почвы в агрономическом смысле. Как морфологический признак определенного типа почв, любая структура может быть признана характерной и хорошо выраженной, будь то структура зернисто-комковатая, характерная для гумусово-аккумулятивного горизонта чернозема, или листоватая, характерная для горизонта А₂, или столбчатая, характерная для иллювиальных горизонтов солонцов.

В агрономическом понимании положительной структурой является лишь мелкокомковатая и зернистая структура, примерно в пределах агрегатов с диаметром 0,25–10 мм, по качеству пористая, механически прочная и водопрочная, что обусловливает длительное сохранение структуры при повторных обработках почвы и после увлажнения.

В агрономическом смысле почва считается структурной, если комковато-зернистые водопрочные агрегаты составляют 55 %.

Одним из наиболее важных свойств структуры является ее водопрочность. Под водопрочностью понимают способность почвенных агрегатов противостоять размывающему действию воды. Однако водопрочность не следует отождествлять с механической прочностью. Например, связные почвы не обладают водопрочностью.

Особо необходимо отметить значимость сочетания водопрочности агрегатов с оптимальной их порозностью, т.к. в порах агрегата и на его поверхности развертывается жизнь в почве. Наиболее агрономически ценными являются макроагрегаты, обладающие высокой пористостью (> 45 %).

Устойчивость структуры к механическому воздействию и способность не разрушаться при увлажнении (водопрочность) определяют сохранение почвой благоприятного сложения при многократных обработках и увлажнении. При отсутствии этих качеств структурные агрегаты быстро разрушаются, и почва становится бесструктурной. Во влажном состоянии такие почвы заплывают, при подсыхании образуют корку.

Необходимо знать, что не всякая водопрочная структура является агрономически ценной. Важно, чтобы водопрочные агрегаты имели рыхлую упаковку, были пористые и обладали способностью легко воспринимать воду, чтобы в их поры легко проникали корневые волоски и микроорганизмы. При плотной упаковке агрегатов пористость их низкая (30–40 %), поры тонкие, в них с трудом проникают микроорганизмы и корневые волоски. Такая структура в агрономическом отношении не является ценной.

Оптимальные размеры структурных агрегатов связаны с зональными особенностями почв и условиями земледелия. Во влажных зонах более крупные агрегаты обеспечивают лучшую водо- и воздухопроницаемость, в засушливых районах благоприятен более мелкий размер агрегатов.

Для оценки структурного состояния почвы пользуются градацией, приведенной в таблице 1.

Наилучшие агрономические свойства почв степной зоны складываются при размере агрегатов 0,25–3 мм, дерново-подзолистых – 0,5–5 мм. При оценке противодефляционной устойчивости почв учитывают содержание агрегатов более 1 мм в слое 0–5 см. Важнейшее условие агрономической ценности структуры – ее водопрочность и пористость.

Содержание водопрочных агрегатов в пахотном слое черноземов колеблется преимущественно в пределах 50–70 %, что определяет устойчивость сложения и оптимальные значения плотности почвы для многих культур. Уменьшение содержания водопрочных агрегатов в типичных черноземах ниже 40% отрицательно сказывается на ряде физических свойств и в первую очередь на водопроницаемости. При снижении количества водопрочных агрегатов с 45–55 до 30 % водопроницаемость снижается в 3 раза.

Таблица 1 – Оценка структурного состояния почвы

Содержание агрегатов 0,25–10 мм (% от массы воздушно-сухой почвы)		Оценка структурного состояния
сухое просеивание	мокрое просеивание
> 80	> 70	Отличное
80–60	70–55	Хорошее
60–40	55–40	Удовлетворительное
40–20	40–20	Неудовлетворительное
< 20	< 20	Плохое

Неустойчивость сложения дерново-подзолистых почв связана с невысоким содержанием в них водопрочных агрегатов, которое изменяется от 15–17 % под пропашными культурами до 20–30 % под зерновыми и до 30–40 % под многолетними травами. Эта неустойчивость особенно резко проявляется в экстремальные по погодным условиям годы. Дерново-подзолистые суглинистые почвы с содержанием водопрочных агрегатов менее 20 % могут уплотняться в пахотном слое в годы с избыточным увлажнением до 1,5–1,6 г/см³. Оптимальное для требовательных культур и устойчивое сложение дерново-подзолистых почв достигается при содержании водопрочных агрегатов (> 0,25 мм) более 40 %.

Для оценки верхнего предела оптимального содержания водопрочных агрегатов нет достаточного количества данных. Ориентировочно им можно считать уровень 75 %. При более высоком содержании водопрочных агрегатов значительно возрастает порозность аэрации, в результате увеличивается непроизводительный расход влаги на физическое испарение.

Наряду с макроструктурой большое значение для оценки свойств почвы имеет ее микроструктура. Она также должна быть водопрочной и пористой. При этом наилучшими являются микроагрегаты размером от 0,25 до 0,01 мм. Неблагоприятными свойствами обладают микроагрегаты размером от 0,01 до 0,005 мм. Они затрудняют водо- и воздухопроницаемость почвы.

Агрономическое значение структуры имеет несколько аспектов.

1. В структурных почвах складывается наиболее благоприятный водно-воздушный режим благодаря рациональному сочетанию капиллярной и некапиллярной пористости. Они отличаются большей водопроницаемостью и влагоемкостью. Наличие некапиллярных пор способствует уменьшению испарения влаги с поверхности. В структурной почве уменьшается интенсивность капиллярного поднятия растворов солей и соответственно опасность вторичного засоления по сравнению с бесструктурной почвой.
2. Достаточная аэрация при наличии доступной влаги создает лучшие условия для активизации микробиологических процессов, предотвращения денитрификации, мобилизации питательных веществ.
3. Благодаря сокращению поверхностного стока на структурных почвах уменьшаются смыв и размыв, а структурные агрегаты размером более 1 мм устойчиво противостоят дефляции.
4. Агрономически ценная структура облегчает прорастание семян и распространение корней растений.
5. На структурных почвах уменьшаются энергетические затраты на механическую обработку, создаются возможности ее минимизации вплоть до отказа от основной обработки.

Процессы структурообразования в почвах протекают под влиянием физико-механических, физико-химических, химических и биологических факторов.

К числу физико-механических факторов относится разделение почвы на агрегаты в результате изменения объема и давления при переменном высушивании и увлажнении, замерзании и оттаивании воды в ней, давления корней растений, деятельности роющих животных и рыхлящего воздействия почвообрабатывающих орудий. Разрыхляющее воздействие промораживания на почву проявляется только при оптимально влажном ее состоянии. При замерзании переувлажненной почвы, наоборот, происходит разрыв структурных отдельностей, а промерзание сухой почвы не влияет на ее крошение.

Физико-химические факторы структурообразования – коагуляция и цементирующее воздействие почвенных коллоидов. При этом водопрочность обеспечивается только склеиванием частиц органическими коллоидами при их коагуляции двух- и трехвалентными катионами. Агрегаты, образующиеся при участии только минеральных коллоидов, водопрочностью не обладают. Наиболее водопрочная структура образуется при взаимодействии гуминовых кислот с минералами монтмориллонитовой группы и гидрослюдами. Минералы гидроксидов железа и алюминия играют важную роль в оструктуривании красноцветных глин и красноземов.

В числе химических факторов оструктуривания важную роль играет цементация агрегатов оксидными формами железа при смене восстановительных условий окислительными в периодически переувлажняемых почвах. Такие агрегаты, по данным Н.А. Качинского, при высокой водопрочности имеют малую пористость (< 40 %), поскольку часть объема пор постепенно заполняется гидроксидом железа.

Основная роль в структурообразовании принадлежит биологическим факторам, т. е. растительности и организмам, населяющим почву (особенно дождевым червям). Первоначальное представление о формировании водопрочной структуры, развитое В.Р. Вильямсом, сводилось к тому, что образующийся в ходе разложения растительных остатков «деятельный» перегной пропитывает почвенные комочки и склеивает их, затем происходят процессы денатурации, которые превращают «деятельный» перегной в цемент. При этом В.Р. Вильямс придавал решающее значение ульминовой кислоте и ее кальциевым солям. Позднее было доказано, что в процессах образования водопрочных агрегатов ведущую роль играют гуминовые вещества. Природа их связи с минеральной частью почвы до конца не изучена, хотя показано, что она осуществляется через ионогенные группы гидроксидов железа, алюминия, обменных щелочноземельных катионов, через сорбцию на внутренних поверхностях глинистых минералов монтмориллонитовой группы.

В дальнейшем были получены многочисленные данные о динамичности водопрочности почвенных агрегатов, когда в течение одного вегетационного периода наблюдалась смена увеличения водопрочности ее спадом. Отсюда вытекал вывод, что наряду с прочно клеящими материалами в почве имеются вещества, более лабильные в отношении клеящей способности. Такой способностью, как оказалось, обладают полисахариды растительного и микробного происхождения, причем вторые значительно в большей степени, чем первые. Агрегирование почв под влиянием микроорганизмов имеет различные аспекты: сцепляющая сила мицелия актиномицетов и грибов, склеивание частиц слизистыми веществами, вырабатываемыми бактериями и выделяющимися при их автолизе.

Почвенные агрегаты, сформировавшиеся под влиянием различных факторов, характеризуются разной стабильностью. Комочек почвы, склеенный гуминовыми веществами, устойчивыми к микроорганизмам, значительно медленнее разрушается, чем агрегат, сформированный под влиянием белков, бактериальных слизей или сцепляющей силы мицелия. Тем не менее, не следует недооценивать значение агрегатов, образующихся под влиянием лабильного органического вещества, в поддержании структурного состояния почвы, предотвращении ее выпаханности.

В географическом аспекте структурность почв коррелирует, прежде всего, с содержанием гумуса. Это правило корректируется солонцеватостью, засоленностью, оглеенностью кислотностью почв, гранулометрическим и минералогическим составом.

Плотность почвы. Это масса абсолютно-сухой почвы в единице объема почвы со всеми пустотами. Плотность почвы в почвенном профиле обычно увеличивается вниз по профилю. Разрушение почвенных агрегатов сопровождается увеличением плотности почв.

Каждая сельскохозяйственная культура или группы культур характеризуются оптимальной плотностью.

В общем виде оптимальные диапазоны плотности для полевых культур представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Оптимальные диапазоны плотности по А.Г. Бондареву

Гранулометрический состав (текстура) почвы	Оптимальный диапазон плотности (г/см3)
Глинистые и суглинистые	1,0–1,3
Легкосуглинистые	1,10–1,40
Супесчаные	1,20–1,45
Песчаные	1,25–1,60

Плотность почвы связана с содержанием в ней пор различного размера, или порозностью.

Плотность почвы после обработки в течение вегетационного периода изменяется до равновесной. Чем лучше структурное состояние, тем меньше величина дрейфа. При близких значениях оптимальной и равновесной плотности расширяются возможности минимизации обработки почвы, вплоть до отказа от нее (таблица 3).

Таблица 3 – Оптимальная и равновесная плотность средне- и тяжелосуглинистых почв и ее изменение (дрейф) в течение вегетационного периода, г/см³ (по А.Ф. Бондареву и В.В. Медведеву)

Почва	Плотность	почвы		Дрейф
	оптимальная для зерновых		равновесная
Дерново-подзолистая	1,33		1,50	0,17
Чернозем оподзоленный	1,22		1,25	0,03
Чернозем типичный	1,20		1,24	0,04
Чернозем обыкновенный	1,20		1,27	0,07
Чернозем южный	1,20		1,28	0,08
Темно-каштановая	1,23		1,32	0,09
Каштановая	1,25		1,35	0,10

Пористость почвы. Это объем почвенных пор в почвенном образце по отношению к объему всего образца. Рассчитывается по данным плотности почвы и твердой фазы почвы.

Н.А. Качинский предложил выделять следующие диапазоны пористости почвы (в долях единицы):

• отличная (культурный пахотный слой) 0,65–0,55
• удовлетворительная для пахотного слоя 0,55–0,50
• неудовлетворительная для пахотного слоя < 0,50
• чрезмерно низкая < 0,40

Различают еще и пористость агрегата – объем пор в отдельном агрегате почвы в отношении к объему агрегата. Рассчитывается по плотности агрегата и плотности твердой фазы почвы.

На основе пористости почвы и агрегата можно рассчитать и пористость межагрегатную – объем почвенных пор в почвенном образце между почвенными агрегатами.

Весьма важной агрофизической оценкой является пористость аэрации (воздухосодержание) – содержание в почве почвенного воздуха или разница между общей пористостью и объемной влажностью почвы.

Ее выражают в процентах от объема почвы. Критические значения пористости аэрации наступают при величинах <10 %, в этих условиях начинают доминировать анаэробные процессы, снижается рост корней большинства сельскохозяйственных растений.

В агрофизике нередко использует понятие пористости дифференциальной: А.Г. Дояренко называл эту категорию «дифференциальной скважностью почвы», характеризуя ее наличием пор различного размера. Она определяется в процессе изучения пористости почвенных образцов при помощи капилляриметра и других аналогичных приборов. Самые благоприятные условия увлажнения и воздухообеспеченности складываются в почве при соотношении капиллярной и некапиллярной пористости 1:1.

Н.А. Качинский разделял почвенную пористость на пористость агрегатов, суммарную агрегатную и межагрегатную, а также пористость, заполненную прочносвязанной, рыхлосвязанной, капиллярной влагой и воздухом (таблица 4).

2. Деградация физических свойств почв

Физическая деградация почв, особенно суглинистого и глинистого гранулометрического состава, является следствием дегумификации, осолонцевания, переувлажнения, уплотняющего и разрушающего воздействия сельскохозяйственной техники (таблица 5).

Таблица 4 – Оценка плотности и пористости суглинистых и глинистых почв в вегетационный период по Н.А. Качинскому

Плотность почвы, г/см3	Общая пористость почвы, %	Оценка плотности	Оценка пористости
< 1,0	> 70	Почва вспушена или богата органическим веществом	Избыточно пористая — почва вспушена
1,0–1,1	65–55	Типичные величины для культурной или свежевспаханной почвы	Отличная – культурный пахотный слой
1,1–1,2	55–50	Пашня слабо уплотнена	Хорошая, характерная для окультуренных почв
1,2–1,3	50–45	Пашня уплотнена	Удовлетворительная, характерная для освоенных почв
1,3–1,4	45–40	Пашня сильно уплотнена	Неудовлетворительная
1,4–1,6	40–35	Типичные величины для подпахотных горизонтов (кроме черноземов)	Чрезмерно низкая – характерна для уплотненных подпахотных и иллювиальных горизонтов
1,6–1,8		Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

К основным показателям деградации физического состояния почв относятся:

• ухудшение структурного состояния почв тяжелого гранулометрического состава, характеризуемое повышением содержания глыбистой фракции (агрегаты крупнее 10 мм при сухом просеивании) и снижением содержания агрономически ценных агрегатов (10– 0,25 мм);
• снижение пористости почвенных агрегатов размером 5–7 мм;
• увеличение равновесной плотности пахотного слоя;
• снижение водопроницаемости.

Эти показатели используют для оценки степени деградации пахотного слоя основных почв. При слабой степени деградации дерново-подзолистых и серых лесных почв урожайность зерновых культур снижается на 5–10 %, при средней – на 10–30 %. при сильной – на 30–40 %. При слабой степени деградации черноземов обыкновенных и южных урожайность зерновых культур снижается на 10–25 %, при средней – на 25–50 %, при сильной – на 50 % и более.

Таблица 5 – Оценка степени деградации пахотного слоя почв по физическим свойствам (Бондарев, Кузнецова, 1988)

Физические свойства	Фактические значения	Почвы*	Недеградированные почвы	Степень деградации
				слабая	средняя	сильная
Содержание глыбистой фракции, %	10–65	1,2	<20	20–30	30–40	>40
		3,4	<30	30–40	40–50	>50
Содержание агрегатов 1,0-0,25 мм, %	30–85	1	>60	50–60	40–50	<40
		2	>80	70–80	60–70	<60
		3,4	>70	60–70	50–60	<50
Пористость агрегатов, %	34–44	1,4	>40	38–40	36–38	<36
		2,3	>42	40–42	38–10	<38
Равновесная плотность, см3	1,10–1,55	1	<1,30	1,30–1,40	1,40–1,50	>1,50
		2 3	<1,30 <1,25	1,30–1,30 1,25–1,30	1,35–1,40 1,30–1,35	>1,40 >1,35
		4	<1,35	1,35–1,40	1,40–1,45
Водопроницаемость, мм/мин	0,02–2,5	1	>0,4	0,4–0,2	0,2–0,1	<0,1
		2,4	>0,5	0,5–0,4	0,4–0,3	<0,3
		3	>1	1–0,7	0,7–0,5	<0,5

• 1 – дерново-подзолистые суглинистые;
• 2 – серые лесные суглинистые и тяжелосуглинистые;
• 3 – черноземы суглинистые, тяжелосуглинистые и легкоглинистые;
• 4 – каштановые суглинистые и тяжелосуглинистые

Структура почвы динамична. Она разрушается и восстанавливается под влиянием различных факторов. Управление этими факторами позволяет поддерживать почву в необходимом структурном состоянии. Причинами утраты структуры являются: механическое разрушение, физико-химические явления и биологические процессы.

Механическое разрушение структуры происходит под влиянием обработки почвы не в фазу физической спелости, при передвижении по ее поверхности машин, под ударами капель дождя. Важнейшими путями уменьшения механического разрушения структуры является обработка почвы в состоянии физической спелости, а также минимальная обработка.

Физико-химические причины утраты структуры связаны с реакциями обмена двухвалентных катионов в ППК на одновалентные. При этом коллоиды пептизируют при увлажнении, и структурные отдельности разрушаются. Поэтому на таких почвах нужно проводить химическую мелиорацию. Кислые почвы известкуют, а щелочные гипсуют, это приводит к обогащению ППК кальцием и улучшению структуры.

ППК)2Н + Са(HCO₃)₂ → ППК)Са + 2Н₂СО₃ (CO₂ + H₂O)

ППК)2Na + CaSO₄ → ППК)Са + Na₂SO₄ (вымывают водой)

Биологические причины разрушения структуры связаны с микробиологическими процессами. Органическое вещество почвы (в том числе и гумус, являющийся важнейшим фактором образования водопрочной структуры) подвергается воздействию микроорганизмов и постепенно минерализуется с образованием конечных продуктов (CO₂, H₂O и минеральных солей). Вследствие разрушения гумуса структура утрачивает свою водопрочность.

Восстановление и сохранение структуры в условиях сельскохозяйственного использования почв осуществляется агротехническими приемами. К агротехническим методам оструктуривания почв относятся посев многолетних трав, обработка почвы в спелом состоянии, известкование кислых почв, гипсование солонцов и солонцовых почв, внесение органических и минеральных удобрений.

Посев многолетних трав, внесение органических и минеральных удобрений способствуют накоплению органического вещества в почвах. Наряду с культурой многолетних трав в севообороте увеличение запасов органического вещества в почвах может достигаться за счет сидератов.

По степени влияния на процессы структурообразования все культурные растения можно расположить в следующем порядке. Наиболее сильное влияние оказывают многолетние травы, на втором месте располагаются однолетние культуры, такие как пшеница другие злаки, на последнем месте – лен, картофель, свекла, капуста и ряд других культур, которые имеют слабую корневую систему.

При высоком урожае многолетние травы сильнее оструктуривают почву, чем однолетние. Это объясняется тем, что они имеют более мощную корневую систему (до 18 т/га). Масса корней однолетних культур не превышает 3 т/га. В опытах Н.И. Саввинова после многолетних трав на дерново-подзолистых почвах содержалось 54,2 % водопрочных агрегатов, а в почве под однолетними культурами – 32,7 %.

Минеральные удобрения также улучшают структуру почвы, т.к. при этом растения развивают более мощную корневую систему и оставляют в пахотном слое много корневых и пожнивных остатков.

Искусственное оструктуривание почв заключается в применении полимеров акриловой и метакриловой кислот. Их вносят в почву в виде сухих веществ и в жидком состоянии из расчета 0,001 % от веса почвы.

В Российской Федерации также используют в качестве структурообразователей битум, торфяной клей, вискозу. Их вносят от 0,5 до 1 % от веса почвы. Искусственные структурообразователи в Российской Федерации широкого распространения не получили.

Уплотнение корнеобитаемого слоя – распространенная форма физической деградации почвы. Наиболее склонны к уплотнению структурно-инертные почвы, содержащие мало органического вещества и преимущественно малоактивную глину.

Среди процессов уплотнения почвы важную роль играет слитизация, особенно на орошаемых полях. Причем если обычное уплотнение почвы вследствие техногенной нагрузки может быть исправлено соответствующими приемами агротехнологии, то при слитизации почва деградирует настолько сильно, что практически теряет свою структуру. Причем теряет необратимо, что связано с перестройкой кристаллических решеток глинистых минералов и их трансформацией.

Однако чаще всего переуплотнение почв – следствие многократного прохождения по полям тяжелой сельскохозяйственной техники.

В России около 10 % почвенного покрова полей уплотнено в слабой степени, 50 % – в средней и 40 % – в сильной.

Потери пашни за счет переуплотнения под действием техники могут достигать 10–15 % используемых земель. Оно усиливается в том случае, если почва в момент нагрузки находится в переувлажненном состоянии.

По этой же причине снижение урожайности может достигать 25–50 %, а уменьшение эффективности удобрений превышать 40 %. Переуплотнение земель наблюдается практически во всех регионах, наиболее распространено в районах развитого сельского хозяйства.

Применяемые технологии выращивания сельскохозяйственных культур предусматривают многократное воздействие ходовых устройств машинно-тракторных агрегатов на почву.

В результате неоднократного передвижения машин по полю происходит значительное переуплотнение почвы, которое распространяется на большую глубину (до 100 см), а машинные «следы» покрывают до 80 % поля. Под влиянием тяжелой техники (данные ВИМ, МСХА им. К.А. Тимирязева, Почвенного института им. В.В. Докучаева) плотность почвы возросла к настоящему времени на 20–40 %. Угнетение активности почвенных микроорганизмов, переуплотненные почвы и нарушение ее структуры, снос перемолотой почвы водой и ветром, т. е. машинная деградация почвы, – все это отрицательные последствия воздействия на пашню ходовых систем и рабочих органов почвообрабатывающих орудий.

Оптимальная плотность почвы составляет 1,1 г/см³. Колеблется же она у минеральных почв от 1,0 до 1,8 г/см³, а у почв с невысоким содержанием гумуса от 1,3 до 1,6 г/см³. Под воздействием ходовых систем сельскохозяйственной техники плотность суглинистых почв, оптимальное значение которой составляет 1,0–1,2 г/см³, повышается на 0,1–0,3 г/см³ и более, достигая 1,35–1,7 г/см³, а плотность нижних горизонтов почв с плотным сложением–1,6–1,8 г/см³. Плотность пахотного слоя варьирует в широких пределах – от 0,8 до 1,6 г/см³. Плотность торфянистых почв колеблется от 0,04–0,08 г/см³ (целинные верховые болотные почвы) до 0,2–0,3 г/см³ (старопахотные низинные болотные почвы).

По данным И.С. Рабочева, допустимые нагрузки на почву при летних и осенних работах не должны превышать 0,4–0,6 кг/см². Фактическое же давление колесных тракторов 0,85–1,65 кг/см², гусеничных – 0,6–0,8, прицепов – 3,0–4,0, зерноуборочных комбайнов – 1,8– 2,4 кг/см².

Серьезным последствием уплотнения почвы является увеличение ее удельного сопротивления. Удельное сопротивление почвы – наиболее важная механическая характеристика, которая в значительной степени зависит от переуплотнения почвы различными движителями и ходовыми системами. Оно соответствует усилию, затрачиваемому на подрезание пласта, его оборот и трение почвы о рабочую поверхность орудия.

Из-за увеличения сопротивления почвы существенно возрастает перерасход топлива. При переуплотнении ухудшается крошение почвы. Пашня становится глыбистой, что приводит к неравномерной заделке семян, снижению их полевой всхожести, а в итоге – к значительному недобору урожая. Высокая плотность почвы обусловливает резкое ухудшение ее физико-химических и агрофизических свойств.

Уплотненные почвы оказывают большое сопротивление проникновению в них корневых систем растений, в таких почвах ухудшается водно-воздушный и питательный режимы, развиваются эрозионные процессы.

Корни древесных и кустарниковых растений не проникают в почву, плотность которой превышает 1,6 г/см³. Корни озимой пшеницы с трудом проникают в почву при плотности слитого чернозема 1,42 г/см³, а при плотности 1,5 г/см³ вовсе не проникают.

Повышение плотности почвы на 0,1 г/см³ приводит к недобору 6–8 % урожая. Общие потери урожая, обусловленные уплотнением почвы, например, на черноземных почвах достигают 45 % в год.

Только из-за переуплотнения урожайность зерновых снижается на 20 %, картофеля – на 40–50 %, кроме того, теряется до 40 % NPK.

Превышение оптимальной плотности пахотного слоя почвы только на 0,1 г/см³ приводит к снижению урожайности зерновых на 0,2–1,0 т/га, а картофеля – на 1,5–2,5 т/га.

Уплотнение почвы представляет несомненную угрозу для биологических систем из-за влияния на подвижность токсикантов. В опытах, проведенных на лесных дерново-подзолистых почвах, установлено изменение содержания подвижных форм токсичных металлов (ТМ) в зависимости от уплотнения почвы. Так, при увеличении плотности почвы с 1,0–1,1 до 1,4–1,6 г/см³ подвижность свинца возрастала в 2,5 раза.

Основные меры по предотвращению переуплотнения почвы и борьбы с ним следующие:

• минимализация обработки почвы, совмещение операций, уменьшение глубины рыхления, увеличение ширины захвата агрегатов;
• выполнение всех работ по возделыванию сельскохозяйственных культур в состоянии физической спелости почвы, при влажности ее 20–22 %;
• ограничение применения на полевых работах колесных тракторов типа К-700, преимущественное использование гусеничных тракторов, особенно на тяжелых почвах;
• исключение проходов сельскохозяйственных агрегатов по полю без надобности;
• осуществление заправки агрегатов семенами, удобрениями, пестицидами, топливно-смазочными материалами только у края поля, на дорогах;
• применение технологической колеи с целью упорядочения движения агрегатов по полю;
• рыхление и заравнивание следов от колес тракторов и сельскохозяйственных машин;
• применение уширителей колеи тракторов; соблюдение рекомендуемого удельного давления ходовых систем на почву: 0,8–1,0 кг/см² при основной обработке, 0,4–0,6 кг/см² при посеве и междурядных обработках;
• разрушение плужной подошвы, подпахотное рыхление на глубину 30–40 см;
• применение чизелей, не формирующих плужную подошву; повышение общей культуры земледелия; внесение органических удобрений; мульчирование поверхности почвы.

Таковы общие, эффективные во всех регионах страны меры по предотвращению переуплотнения почвы и борьбы с ним. Наряду с этим существуют специальные приемы: соблюдение режимов полива, исключение переувлажнения и пересыхания почвы в условиях орошаемого земледелия, посев промежуточных культур в условиях с продолжительным послеуборочным периодом и др.

Несомненно, что ключевая проблема использования сельскохозяйственной техники – это сохранение не только плодородия, но и самих почвенных ресурсов. По мнению академика ВАСХНИЛ В.А. Кубышева, в обозримой перспективе в развитии почвосберегающей техники выделяются три направления: минимизация обработки почвы; снижение давления на почву и облегчение машин; создание распределительных систем.

В более отдаленной перспективе будут разработаны специальные почвообрабатывающие инструменты, удовлетворяющие требованиям, определяемым жизнью почвы.

3. Физико-механические свойства почв

К физико-механическим свойствам относятся деформационные (сжимаемость), реологические (пластичность, липкость, усадка, набухание) и прочностные (связность, твёрдость, сопротивление при обработке).

Сжимаемость – уменьшение объёма почв (уплотнение) под действием внешнего давления. Характеризуется коэффициентом уплотнения и измеряется в см²/кг. Сжимаемость почв определяется их гранулометрическим и минералогическим составом, характером порозности и трещиноватости, структурой и её прочностью, влажностью и гидрофильностью коллоидной фракции. Сжимаемость характеризует возможность переуплотнения почв при обработках тяжелой техникой.

Частным случаем проявления сжимаемости почв и грунтов является просадочность. Просадкой называется понижение поверхности почв в результате уменьшения их порозности. Просадочность может создавать пестроту микрорельефа, особенно на орошаемых землях.

Пластичность – способность почвы изменять свою форму (деформироваться) под влиянием внешних воздействий с сохранением при этом сплошности. Пластичность обусловлена содержанием ила и коллоидов, их составом и влажностью почвы.

Различают:

• верхний предел пластичности (нижний предел текучести) – влажность, при которой стандартный конус погружается в почву на глубину 10 см под действием своей массы;
• нижний предел пластичности (предел раскатывания) – влажность, при которой образец почвы можно раскатать в сплошной шнур диаметром 3 мм.

Число пластичности – это разность между показателями верхнего и нижнего пределов пластичности. Глинистые почвы имеют число пластичности более 17; суглинистые – 7–17; супеси – менее 7; пески пластичностью не обладают.

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она определяется силой, требующейся для отрыва металлической пластинки площадью в 1 см², и выражается в г/см².

Липкость почв обусловлена гранулометрическим составом, содержанием гумуса и составом обменных катионов. Она наибольшая у глинистых и наименьшая у песчаных почв. Различают (по Н.А. Качинскому) предельно вязкие (более 15 г/см²); сильновязкие (5–15); средневязкие (2–5) и слабовязкие (менее 2 г/см²). Проявляется липкость при определённой степени влажности, достигает максимума и вновь уменьшается при переувлажнении почв.

Усадка – уменьшение объёма почвы при её высыхании. Она выражается в процентах к первоначальному объёму почвы. Усадка зависит от минералогического состава илистой фракции, гранулометрического состава, степени гидрофильности коллоидов.

Набухание – увеличение объёма почвы при увлажнении. Измеряется в процентах к исходному объёму почвы. Подобно усадке набухание зависит от минералогического и гранулометрического состава и состава поглощённых катионов. В наибольшей степени набухают глинистые почвы монтмориллонитового состава, насыщенные натрием, в наименьшей – каолиновые глины.

Связность – способность почв противостоять внешнему усилию, направленному к разъединению частиц путём раздавливания или сдвига, выражается в г/см³. Связность зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, состава поглощённых катионов, влажности, структуры почвы.

Твёрдость ночвы – сопротивление, которое она оказывает проникновению в неё какого-либо тела (шара, конуса, цилиндра и др.) под давлением. Измеряется в кг/см². Зависит от влажности, гранулометрического состава, структуры, содержания гумуса и изменяется в очень широких пределах – от 5 до 45 кг/см².

Удельное сопротивление почвы – усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность. Выражается в кг/см² поперечного сечения пласта почвы, поднимаемого плугом. Зависит от гранулометрического состава (лёгкие и тяжёлые почвы), физико-химических свойств, содержания гумуса, структуры почвы и влажности, состояния корневых систем растений

Удельное сопротивление в различных почвах колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см². Оно учитывается при конструировании плугов и других почвообрабатывающих орудий, составлении норм выработки.

С физическими свойствами, особенно с липкостью, связано очень важное агрономическое свойство почвы – физическая спелость — состояние влажности, при которой почва хорошо крошится на комки, не прилипая при этом к орудиям обработки. Обычно физическая спелость наступает при содержании влаги 35–45 % от массы почвы.

Оптимизация физических и физико-химических свойств почвы достигается при проведении целого ряда почвоулучшающих мероприятий: известкования, гипсования, осушения, орошения, внесения мелиоративных доз торфа, рыхлящих почву материалов (соломы, компостов), пескования тяжелых почв, глинования легких почв, травосеяния и др.