Влияние агромелиоративных мероприятий на удельную поверхность почвы

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 631.43 (075.8)                                  

Одним из показателей, отражающих водно-физические и другие свойства почв, используемых в сельском хозяйстве, является удельная поверхность почвы, характеризующаяся величиной «площадь удельной поверхности». Поверхность механических элементов, из которых состоит почва, считается ее геометрической и физической характеристикой. Распад, фрагментация и дисперсия минеральных элементов почвы указывают на переход почвы в новую активную фазу. При этом поверхность твердой фазы в однородной массе и объеме почвы увеличивается, и, таким образом, увеличивается энергия поверхности почвы. Явления поглощения минеральных зольных веществ, паров и газов, передвижение воды и воздуха в почве, водно-физические и технологические свойства почвы напрямую связаны с величиной поверхности частицы [1–3].

Согласно исследованиям, удельная поверхность почвы позволяет различать внешнюю дисперсность элементарных частиц, составляющих почву, и трещины их внутренних тупых микропор. Поверхность частиц почвы имеет сложный микрорельеф, а отдельные их участки обладают с энергетической точки зрения разным значением. Особо активная зона расположена в выпуклых элементах частиц. Активность поверхности вещества характеризует поглощение тепла, дифференциальную адсорбцию тепла, поверхностную проводимость и другие показатели. Поэтому с помощью удельной поверхности почвы можно решить ряд проблем. Например, с помощью удельной поверхности можно оценить количество воды и тепла, поглощенных почвой, величину физического испарения, скорость движения воды в порах и другие показатели. Изменение площади удельной поверхности почвенных частиц напрямую связано с ее водно-физическими свойствами. По изменению удельной поверхности можно определить процессы, происходящие в почве [1–3]. В связи с этим определение удельной поверхности почвы и тенденции ее изменения имеет большое научное и практическое значение.

Следует также отметить, что тенденция изменения удельной поверхности почв в Азербайджане практически не изучена.

Цель исследования заключается в установлении закономерности изменения удельной поверхности почвы под влиянием агромелиоративных мероприятий.

Объектом исследования являются орошаемые серо-бурые почвы Апшеронского полуострова Азербайджана. Опыты проводились на территории Азербайджанского научноисследовательского института земледелия и посевных участках села Пиршага.

Методика исследования

Изменение удельной поверхности исследуемых почв изучалось «геометрическим методом», применяемым в науке почвоведения [1–2].

На опытных участках были организованы три стационарные наблюдательные площадки, и с каждых 10 см данных площадок отбирались образцы почвы, после чего методом «пипетки», предложенным Кочинским, определялся гранулометрический (механический) состав почвы [1–4].

По гранулометрическому составу было найдено количество песчаной, пылеватой и илистой фракций в %. Путем расчета был установлен средний диаметр частиц, составляющих фракции почвы. Количество частиц в образце почвы, принятой (взятой) для расчета, определялось по следующей формуле:

N =

6 m

п D3/ ’

где N — количество частиц, шт. ; m — масса образца, г ; D — средний диаметр фракций почвы, см ; / — удельный вес почвы — плотность твердой фазы, г/см 3 .

Плотность твердой фазы определялась «пикнометрическим методом» [1–2, 4].

Площадь поверхности каждой фракции (частицы) почвы рассчитывалась по следующей формуле:

S = п D ²                                              (2)

где S — площадь поверхности частицы сферической формы, см ²; D — диаметр частицы, см ; п = 3,14 , величина постоянная.

Площадь наружной поверхности почвы по количеству сфер, находящихся во взятом образце почвы, определялась по следующей формуле:

S n = SN                                             (3)

где S n — площадь внешней поверхности одноименных частиц во взятом образце почвы, см ²; S — площадь поверхности одной частицы, см ²; N — количество частиц в образце.

Удельная поверхность почвы по одной фракции почвы рассчитывалась по следующей формуле:

F = S n.                                             (4)

m где F — удельная поверхность почвы по одной фракции, см2/г; Sn — площадь внешней поверхности одноименных частиц во взятом образце, см2; m — масса образца почвы, г.

На основе удельной поверхности отдельных фракций (частиц) почвы и процентного содержания этих фракций во взятом образце средняя удельная поверхность почвы определялась по следующему выражению:

F = FP + FP + FP                             (5)

^o         100

где F o — средняя удельная поверхность почвы, см ²/ г ; F 1 , F 2 , F 3 — значение удельной поверхности, рассчитанное по песчаной, пылеватой и илистой фракциям соответственно, см ²/ г ; P 1 , P 2 , P 3 — часть из образцов, образованная песчаной, пылеватой и илистой фракцией соответственно, %.

Анализ и обсуждения

Апшеронский полуостров расположен на востоке Азербайджана и с трех сторон окружен Каспийским морем. Его общая площадь 1300 км2. Почвы полуострова характеризуется серо-бурым типом, и здесь распространена солончаковато-солонцеватая, орошаемая солончаковатая, заболоченная, слаборазвитая и неполноразвитая серо-бурая почва [5–6].

Климат полуострова сухой субтропический, зима мягкая, а лето жаркое и засушливое. Годовое количество осадков составляет 130–244 мм, а количество испарений — 1000–1260 мм. Почва состоят из песка, песчанок и легкой глины, имеет низкую влажность и слабую водоудерживающую способность.

На полуострове выращивают зерно, овощи, бахчевые, кормовые и другие сельскохозяйственные культуры. Также здесь выращивают оливки, фисташки, миндаль, инжир, виноград и другие редкие фруктовые и ягодные деревья. Для удовлетворения потребностей растений в воде и питательных веществах, получения высокого и устойчивого урожая на этих землях проводятся комплексные агротехнические, агрохимические и мелиоративные мероприятия. Опыт показывает, что реализуемые агромелиоративные мероприятия влияют на окружающую среду, в том числе на почву. В некоторых случаях осуществляемые агромелиоративные мероприятия приводят к изменению водно-физических, химических и других свойств почв [7–8], снижению их урожайности.

Для определения процессов, происходящих в почве, и эффективности осуществляемых мероприятий изменение удельной поверхности почвы изучалось как по отдельным фракциям, так и по совокупному значению фракций.

По образцам, взятым с наблюдательных площадок, определялся гранулометрический состав почвы и рассчитывался средний диаметр отдельных фракций. Установлено, что средний диаметр частиц песка размером от 0,05 мм до 1 мм составляет 0,39 мм, частиц пыли размером от 0,001 до 0,05 мм — 0,013 мм, а средний диаметр частиц ила — 0,001 мм.

На основании расчетов, проведенных методом, описанным в разделе «Методика исследования» статьи, было установлено, что удельная поверхность почв, состоящих из песчаных фракций, имеет очень малое значение, а удельная поверхность одного грамма почвы составляет 59 см2/г на фракцию песка. По пылеватой фракции удельная поверхность почвы по сравнению с песчаной почвой больше. Площадь удельной поверхности одного грамма почвы составляет 1774 см2/г по пылеватой фракции, в 30 раз превышая удельную поверхность песчаной почвы. По илистой фракции удельная поверхность почвы намного больше удельной поверхности песчаной и пылеватой почвы. Удельная поверхность одного грамма почвы по илистой фракции составляет 22985 см2/г, что в 390 раз больше, чем удельная поверхность песчаной почвы, и в 13 раз больше, чем удельная поверхность пылеватого грунта.

Однако почва состоит не из одной фракции. Она представляет собой естественное тело, образованное комбинированным присутствием песчаной, пылеватой и илистой фракций и других элементов. В зависимости от количества каждой из этих фракций формируется удельная поверхность почвы. Поэтому среднее значение удельной поверхности почвы варьируется в зависимости от количества фракций, т. е. среднее значение удельной поверхности почвы существенно отличается от удельной поверхности отдельных фракций, а в целом удельная поверхность почвы, состоящей из различных фракций, изменяется под влиянием осуществляемых агромелиоративных мероприятий.

Изменение количества почвенных фракций и средней удельной поверхности по почвенным слоям под влиянием агромелиоративных мероприятий отражено в Таблице.

В первый год опытов (2014 г.) значение удельной поверхности в слоях почвы 0–10 и 10– 20 см было в пределах 3098–3988 см2/г. Значение удельной поверхности в нижних слоях 20– 30 и 30–40 см колебалось в пределах 1056–3567 см2/г. Однако в последний год опытов (2017 г.) значение удельной поверхности в слоях почвы 20–30 и 30–40 см увеличилось, составив 3447–5023 см2 /г (Таблица).

Таблица.

ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОЧВЕННЫХ ФРАКЦИЙ И СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

№ наблюдательной площадки	Слои почвы, см	Фракции и их количество, %			Удельная поверхность почвы F o , см2/г
		песок	пыль	ил
2014 г
	0–10	47,72	40,76	11,52	3399
	10–20	56,40	32,80	10,80	3098
№1	20–30	49,88	46,44	3,68	1699
	30–40	54,89	44,06	1,05	1056
	0–10	40,12	47,08	12,08	3636
	10–20	46,80	41,60	11,60	3432
№2	20–30	43,44	53,88	2,68	1598
	30–40	47,40	41,08	11,52	3405
	0–10	28,16	63,84	8,00	3988
	10–20	33,56	55,84	10,60	3447
№3	20–30	48,43	39,20	12,37	3567
	30–40	50,89	41,59	7,52	2496
2017 г
	0–10	55,12	39,60	5,28	1949
	10–20	49,20	43,96	6,84	2380
№1	20–30	36,18	52,59	11,25	3540
	30–40	33,56	55,84	10,60	3447
	0–10	46,52	43,87	9,61	3015
	10–20	45,72	43,16	11,12	2749
№2	20–30	44,38	40,12	15,50	4301
	30–40	33,16	48,84	18,00	5023
	0–10	42,68	47,48	9,84	3129
	10–20	40,56	48,78	10,66	3340
№3	20–30	47,12	41,88	11,00	3299
	30–40	40,89	46,59	12,52	3728

Увеличение удельной поверхности почвы было зарегистрировано преимущественно в слое почвы 30–40 см. Значение удельной поверхности в этом слое почвы по сравнению с первым годом опытов увеличилось примерно в 3–4 раза. На площадке №1 в слое почвы 30– 40 см значение удельной поверхности увеличилось в 3,4 раза, а на наблюдательных площадках №2 и №3 — в 2,5 раза. Хотя значение удельной поверхности в слое почвы 20–30

см на наблюдательных площадках №1 и №2 увеличилось примерно в 2 раза, на наблюдательной площадке №3 увеличения удельной поверхности не наблюдалось. Однако произошло резкое увеличение в слое почвы 30–40 см (Таблица).

Как известно, илистая фракция состоит из глины и коллоидных частиц. В то же время мелкие частицы пылеватой фракции близки к илистой фракции. Эти фракции неводоустойчивы. Во время сильных осадков и орошения пылеватые, глинистые и коллоидные частицы, расположенные в верхнем пласте пахотного слоя, мигрируют в нижние слои и накапливаются под пахотным слоем, образуя тонко уплотненный и затвердевший слабо водопроницаемый слой.

Если почва состоит только из коллоидного ила, ее удельная поверхность получает большее значение. Диаметр коллоидного ила колеблется в пределах 0,00005–0,00001 см [1, 2]. Приняв средний диаметр коллоидного ила равным 0,00003 см, была рассчитана его удельная поверхность.

Согласно формуле (1) составляет, количество коллоидных частиц во взятом 10граммовом образце почвы:

N =------- 6^10-3----- = 2,71 • 10¹⁶ шт.

3,14 • 0,00003 2 • 2,61

Согласно формуле (2), площадь поверхности частицы коллоидного ила составляет

S = 3,14 • 0,00003 2 = 28,26 • 10 ^{- 10} см ²

Согласно формуле (3), площадь внешней поверхности коллоидной частицы во взятом образце почвы составляет:

S_u = 28,26 • 10 ^{- 10} • 2,71 • 10¹⁶ = 76,58 • 10⁶ sm ²

Согласно формуле (4), удельная поверхность почвы, состоящей из коллоидного ила, составляет

F  76,58 •Ю6           6    2/        2/

F =          = 7,66 •Ю см 2 /г =766 м 2 /г

10          ^,

Как видно из примера, наличие в составе почвы илистой фракции приводит к увеличению ее удельной поверхности. Илистая фракция придает почве особое качество. Оптимальное количество илистой фракции в составе почвы приводит к увеличению ее адсорбционной и водоудерживающей способности, улучшению теплопроводности и водопроводимости, увеличению водо- и теплоемкости, срастанию друг с другом и структурированию микро- и макроагрегатов. Однако чрезмерное содержание илистой фракции в почве ухудшает ряд ее качественных показателей. Структура таких почв слабая, и они интенсивно испаряют влагу. Капиллярное поднятие очень высокое, что приводит ко вторичному засолению, образованию больших трещин при высыхании, плохой водопроводимости и т. п.

Анализ гранулометрического состава почвы показывает, что серо-бурые почвы Апшеронского полуострова не так хорошо обеспечены илистой фракцией. Вымывание илистой и пылеватой фракций с пахотного слоя почвы при орошении приводит к деградации почвы. Поэтому важно реализовать следующие дополнительные агромелиоративные и агротехнические мероприятия:

–проведение глубокой плантажной вспашки каждые 4–5 лет;

–применение системы чередующегося (периодического) посева с участием растений, корневая система которых проникает в глубокие слои;

–внесение в почву органических веществ, в том числе навоза, компостов и других структурно-восстановительных веществ;

–периодическое рыхление глубоких слоев почвы, зернистое структурирование посевного слоя;

–предпочтение и использование передовых методов и технологий орошения.

Выводы

• 1.    Проведенные агромелиоративные работы, особенно интенсивное орошение, приводят к уменьшению удельной площади в верхнем слое почвы и ее увеличению под посевным слоем. Этот процесс связан с постепенным вымыванием пылеватых, илистых и коллоидных частиц с пахотного слоя и миграцией в нижние слои.

• 2.    Смыв пылеватых, илистых и коллоидных частиц с пахотного слоя создает условия для деградации почвы, образования в нижних слоях плотного и затвердевшего слоя, ухудшения водно-физических и других свойств почвы.

• 3.    Удельная поверхность коллоидного ила в 43 000 раз больше удельной поверхности пыли и в 130 000 раз больше удельной поверхности песка. Оптимальный уровень коллоидных частиц в почве — один из факторов, способствующих улучшению воднофизических свойств почвы и повышению ее урожайности.