Природная динамика физических свойств почвы

К физическим свойствам почв относят гранулометрический (механический) состав, структуру, плотность почвы и ее удельную поверхность.

Гранулометрический состав является радикальным физическим свойством почвы, которое определяет и многие другие физические и химические параметры почвы и сам процесс почвообразования. Механический состав в значительной мере унаследован от соответствующих почвообразующих пород, именно порода определяет уровень содержания разных фракций.

Почвообразование на скальных породах приводит к их дроблению на механические элементы. Характер скальных пород следующим образом определяет преобладающий размер продуктов выветривания. Кислые породы (граниты, гранодиориты, с содержанием SiO₂ > 65 %) – дают при выветривании много крупнодисперсного песчаного материала, представленного кварцем. Основные (диориты, габбро – SiO₂ около 45–54 %) и суперосновные (известняки, мергели) породы обогащают почву тонкодисперсными глинистыми минералами. Поэтому частицы разной крупности имеют различный минералогический и, следовательно, химический состав.

Часть механических элементов формируются при почвообразовании; это в основном органические, органо-минеральные соединения и вторичные минералы, относящиеся к фракции илистых и коллоидных частиц. Устоявшейся точкой зрения является представление, что главной причиной изменения механического состава почв являются геологические процессы, изменения эти идут медленно. В качестве гипотез обсуждаются еще три процесса, которые могут приводить к изменению механического состава почв: кислотное разрушение минералов (при оподзоливании); перенос ила из верхних горизонтов в нижние (лессиваж); внутрипочвенное оглинивание (сиаллитизация).

Известно, что многие растения предпочитают те или иные по гранулометрическому составу почвы: это связано как с особенностями их корневых систем, так и с потребностями в питательных элементах. Даже небольшие различия в механическом составе могут быть причиной формирования сильно отличающихся по составу друг от друга растительных сообществ. Так, сосна обыкновенная предпочитает легкие почвы и по песчаным и супесчаным почвам заходит далеко в степную зону (ленточные боры на Алтае), при этом она воспроизводится в этих условиях. Ель выбирает суглинистые и глинистые почвы, она может расти на таких почвах в условиях даже черноземной зоны, но воспроизведения в этих условиях не происходит. Предпочтение теми или иными видами растений определенного механического состава почв позволили выделить растения-индикаторы по этому параметру. Индикаторы песчаных почв – сосна обыкновенная (Pinus silvestris), овсянница красная (Festuca rubra), армерия приморская (Armeria maritime), подмаренник настоящий (Gallium verum), фиалка собачья (Viola canina), кошачья лапка двудомная (Antennaria dioica). Индикаторы глинистых почв – мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara), молиния голубая (Molinia caerulea ), осоки острая и дернистая (Carex acuta и C. Caespitosa).

Микроорганизмы почвы, включая и почвенные водоросли, также очень сильно зависят от гранулометрического состава. Большая часть почвенной микрофлоры находится в адгезированном состоянии на почвенных частицах. Адгезированность позволяет микроорганизмам сохранять свою эконишу: не вымываться почвенными потоками воды и одновременно получать питательные вещества из раствора и частиц, к которым прикреплены. Поэтому количество микроорганизмов в почве очень сильно связано с механическим составом – с утяжелением мехсостава увеличивается адгезия, а следовательно, и общее количество удерживаемых микроорганизмов. Однако прямой пропорциональной зависимости этих параметров не отмечено, т. к. на адгезию влияют и другие факторы, такие как количество гумуса, рН, характер поглощенных катионов. Эксперименты Н. С. Карпинской показали, что слабее всего микроорганизмы адгезируются на частицах размером от 50 до 100 мкм и сильно на частицах от 2 до 50 мкм; не давали эффекта адгезии частицы мельче 1,5 мкм (т. е. сравнимые с размером бактериальной клетки). Частицы меньше бактериальных клеток могут сами адгезироваться на их поверхности, образуя чехлы из адсорбентов. Многие исследователи наблюдали отложения на поверхности клеток коллоидных гидроксидов марганца и железа (Аристовская, 1980). То же явление характерно для глинистых минералов, особенно из группы монтмориллонита, при этом образуются очень прочные агрегаты.

Гранулометрический состав почвы важен и для немикроскопических, хотя и мелких организмов: мелких клещей, ногохвосток, жуков и их личинок. Поскольку для них почва как среда обитания представлена сетью ходов и полостей, то важнейшим свойством является порозность, зависящая от размеров механических элементов и их адгезированности. Те же свойства почв важны и для более крупных животных – дождевых червей, личинок крупных жуков, многоножек. Более крупные животные в большей степени зависят от всей совокупности свойств почвы, чем обитатели микроскопических почвенных резервуаров (простейшие, коловратки) или обитатели ходов и полостей (клещи, ногохвостки).

В целом гранулометрический состав почв – достаточно консервативное, медленно меняющееся свойство. Быстрое изменение мехсостава связано только с геологическими процессами: эрозией, привносом материала, метасоматозом (замещением одной молекулы, атома или иона вещества на другие без изменения объема).

Структура (агрегированность) почвенных частиц напрямую связана с механическим составом почвы, но уже имеет сезонные колебания. Агрегированные почвы имеют высокую водопроницаемость, на них снижается поверхностный сток, они лучше противостоят эрозии. В агрегированных почвах создается запас влаги.

Почвенная структура имеет определенную приуроченность к почвенным типам и характеризует определенные процессы почвообразования. Так, плитчатая структура характерна для горизонта А2 подзолистых и дерново-подзолистых почв и солодей; столбчатая – для горизонта В1 солонцов; ореховатая – для горизонта В серых лесных почв; зернистая – для гумусо-аккумулятивных горизонтов черноземов. Гранулометрический состав ставит определенные запреты на развитие тех или иных типов структуры: в супесях и песчаных почвах не формируются ореховатые, зернистые, столбчатые агрегаты; в тяжелосуглинистых и глинистых не встречаются плитчатые и чешуйчатые агрегаты.

В естественных ненарушенных почвах агрегатное состояние достаточно устойчиво и распад агрегатов обычно наблюдается только при застойном увлажнении. В почвах с контрастным водным режимом и тяжелым гранулометрическим составом (так называемые слитоземы) весной почва представляет собой слитую неагрегированную массу. Летом почва растрескивается, образуя плотные блоки, осенью и зимой трещины снова заплывают.

В почвах агроценозов общее количество агрегатов колеблется в течение сезона, и их максимум приходится на июль-август. Эти изменения следует считать циклическими с незначительными изменениями в течение сезона и ощутимыми в многолетних циклах. Смена биогеоценоза, особенно катастрофическая, приводит к резкому изменению агрегатного состояния почвы, вплоть до полной дезагрегации.

Механический состав и структура почвы влияют на ее плотность. Плотность почв определяет вертикальное движение воды по профилю. При наличии верхнего разрыхленного слоя с высокой порозностью происходит заметное снижение испарения воды. Тяжелые почвы могут обладать сравнительно низкой плотностью (при хорошей агрегированности) или очень высокой (в слитых). Разница в плотности очень сильно сказывается на всех почвенных обитателях и, прежде всего, на растениях: почва по-разному осваивается корнями, меняется ее водопроницаемость, водный режим и тепловые свойства. Суглинистая почва с низкой плотностью для многих растений является оптимальным субстратом. Приведем некоторые значения плотности почв, различных по механическому составу (в г/см³): пески – 1,6–1,7; супеси – 1,4–1,6; суглинки неоструктуренные – 1,2–1,5, оструктуренные – 0,9; глины – 1,0–1,9.

Наблюдения за колебаниями плотности в естественных почвах показали, что эта величина колеблется и ее колебания определяются растительным составом сообществ. Под разными видами растений плотность почвы имеет различное значение. Так, на дерново-подзолистой почве в сосняке лещиновом значения плотности под различными растениями принимают следующие значения (в г/см³) [10]: под снытью – 0,91, под кислицей – 0,89; под ландышем – 0,68; под осокой – 0,98. Смена растений приводит к изменению плотности и порозности.

Меняется плотность и во времени: под одним растением она меняется и в течение сезона, и по годам, т. е. это свойство является цикличным. Эта цикличность может быть связана с влиянием корней, их выделений, а также животных и микроорганизмов, приуроченных к фитополю данного растения.

На плотность почв влияет также замерзание и оттаивание. Замерзшая вода частично расширяет поры, но эти поры заполнены льдом, и реальная порозность почв в этом состоянии уменьшается. С этим явлением связана очень низкая водопроницаемость мерзлых грунтов, фактически играющих роль водоупоров. Другие физические свойства почвы отличаются большей динамичностью по сравнению с мехсоставом.

Одно из важнейших физических свойств почвы – ее удельная поверхность. Под удельной поверхностью понимают площадь поверхности всех почвенных частиц в единице массы. В какой-то мере об удельной поверхности почвы можно судить по гранулометрическому составу.

Удельная поверхность, наряду с другими свойствами, определяет почвенное плодородие и направленность ряда процессов почвообразования. Поверхность почвы – место взаимодействия твердой фазы почвы с корнями растений и микроорганизмами. Именно на поверхности частиц возникает градиент потенциала и начинается процесс диффузии ионов. На поверхности частиц идут процессы сорбции, десорбции, обменного и необменного поглощения, диффузии различных веществ. Минералогический состав почвы очень сильно влияет на удельную поверхность, большую роль в создании поверхности играют гумусовые кислоты, сорбирующиеся на минералах. В целом удельная поверхность – функция ряда других почвенных свойств: механического, минералогического состава и гумусированности. От удельной поверхности зависит поглотительная способность почв, а она, в свою очередь, определяет их химические свойства.