Поиск

Искусственное изменение водных свойств почвы
29.03.2015

Важнейшая задача земледелия — повышение плодородия почв. Плодородие почв зависит от обеспеченности растений влагой. Чем засушливее климат, чем меньше осадков и чем выше испаряемость, тем больший удельный вес приобретает повышение влагообеспеченности во всей сумме мероприятий, направленных на повышение плодородия почвы.
Повышение влагообеспеченности может достигаться разнообразными способами. Наиболее эффективным из них является орошение. На втором месте может быть поставлено дополнительное увлажнение почвы за счет перераспределения снега или талых вод. На третьем стоит группа мероприятий, имеющих своей целью не дополнительное увлажнение, а направленных на максимально продуктивное использование влаги атмосферных осадков, естественно поступающих на данную площадь. Последняя задача, в свою очередь, распадается на несколько частных. Главными из них являются следующие. Во-первых, обеспечение максимального (по возможности — полного) впитывания в почву всех осадков, выпадающих на данную площадь, т. е. недопущение поверхностного стока или сноса снега. Во-вторых, снижение непроизводительных, с точки зрения земледелия, потерь влаги: физического испарения, потребления влаги сорными растениями и всех видов подземного стока. В-третьих, повышение доступности влаги для растений. Решение этих трех частных задач может быть достигнуто лишь путем воздействия на водные свойства почвы.
Из числа рассмотренных нами десяти водных констант восемь, кроме водопроницаемости и водоотдачи, характеризуют собой способность почвы удерживать в себе влагу тех или иных категорий и форм. Из восьми этих свойств три — МАВ, МГ и ВЗ — зависят главным образом от механического состава, от содержания в почве наиболее мелких илистых и коллоидных частиц, а отчасти от содержания гумуса.
Пять свойств — ВРК, HB, КВ, ПВ и ДАВ — определяются как механическим составом, так и сложением и структурностью почвы.
Два свойства — водопроницаемость и ВО — тоже зависят от механического состава, сложения и структурности почвы.
Таким образом, водные свойства почвы в целом определяются четырьмя факторами: механическим составом, содержанием гумуса, структурностью и сложением. Следовательно, желая изменить водные свойства почвы, мы должны менять тот или иной из этих факторов.
Остановимся прежде всего на механическом составе почв. Рассуждая отвлеченно, можно считать, что изменение этого фактора существенных трудностей не представляет. Внося песок в глинистые почвы или глину в песчаные, мы можем по своему усмотрению значительно изменять механический состав почв. Однако на самом деле в нашем воздействии на этот фактор мы весьма ограничены экономическими возможностями. Такие мероприятия, как Пескование глинистых почв и глинование песчаных (особенно первое), требуют для получения ощутимого эффекта вывоза на поля огромного количества песка или глины, что является весьма дорогим мероприятием. Поэтому подобными приемами можно пользоваться лишь в весьма ограниченных случаях, например при создании парков или плантаций для особенно ценных культур, при озеленении населенных мест и т. д. В массовой земледельческой практике эти мероприятия, за редким исключением (когда перенос на поля песка или глины облегчается какими-нибудь особыми местными природными условиями), неприменимы.
И только при окультуривании подзолистых почв, развитых на суглинистых или глинистых материнских породах, мы можем заметно обогащать илистыми частицами пахотный слой, обычно отличающийся облегченным механическим составом, унаследованным от подзолистого и перегнойно-аккумулятивного горизонтов.
Будучи практически лишены возможности изменять механический состав почв, мы тем самым не имеем возможности влиять на сорбционные свойства почвы в широком смысле этого слова, т. е. на способность почвы связывать воду, а следовательно, и на влажность завядания. Таким образом, мертвый запас влаги и запас влаги, трудно доступной для растений, практически не поддаются изменению. Мы не можем снизить эти запасы, чтобы повысить диапазон активной влажности. Мы не можем также этим путем изменить и водопроницаемость почв.
Остаются другие факторы — сложение почвы и ее структурность, а также содержание гумуса, путем воздействия на которые мы можем изменять водные свойства почвы. Из них наиболее важными являются сложение почвы и ее структурность.
Повышение влагообеспеченности растений при данном количестве атмосферных осадков может быть достигнуто за счет повышения диапазона активной влажности корнеобитаемого слоя. Повышая этот диапазон, мы сохраняем доступную влагу в тех слоях почвы, где содержится больше питательных веществ, и тем самым улучшаем условия жизни растений.
Поскольку ДАВ=HB—ВЗ, а величину ВЗ уменьшить мы не можем, то наше внимание должно быть обращено на повышение величины HB.
В почвах суглинистого и глинистого механического состава, как мы знаем, важнейшим приемом повышения HB является разрыхление почвы. Этот прием имеет особенно большое значение для тех почв или для тех почвенных слоев, в которых плохо выражена макроструктура. В почвах с хорошей структурой, как, например, в гумусовых горизонтах целинных или недавно распаханных черноземов, рыхление не даст ожидаемого эффекта, так как почва уже обладает настолько высокой естественной рыхлостью, что дальнейшее ее увеличение существенного влияния на величину HB оказать не может. Иное дело в почвах, не обладающих хорошей структурой, или даже в более глубоких слоях структурных сверху почв. Там рыхление дает эффект.
Практически разрыхление должно осуществляться путем механической обработки: глубокой вспашки (с оборотом или без оборота пласта), сопровождаемой почвоуглублением. Однако одно это мероприятие недостаточно, так как разрыхленная почва довольно быстро оседает, слеживается и снова уменьшает свою HB. Мероприятиями, направленными на поддержание рыхлости почв, помимо повторного рыхления, является посев трав с глубоко уходящими в почву корнями, которые вызывают дополнительное рыхление почвы и способствуют повышению прочности образующейся структуры. Такое влияние корней ярко выражено также у древесных и кустарниковых растений и имеет большое значение для улучшения лесорастительных свойств почв.
Повысить рыхлением HB песчаных почв нельзя, так как природа удержания подвешенной влаги в песках, как мы знаем, иная. Повысить HB песчаных почв можно только путем изменения их механического состава внесением пылеватых или глинистых частиц. Однако, как уже сказано, по экономическим причинам это мероприятие пока имеет лишь весьма ограниченное применение.
Рыхление верхних слоев почвы может иметь еще и другое назначение. Разрыхляя почву, мы увеличиваем размер пор, главным образом межагрегатных, и тем самым понижаем водоподъемную способность почв. Благодаря этому понижается величина испарения с поверхности почвы, величина непродуктивного расхода влаги. Этот прием имеет особенно большое значение в тех случаях, когда почвенно-грунтовые воды лежат настолько близко к поверхности, что капиллярная кайма доходит до поверхности.
В этих случаях потеря влаги на испарение может быть особенно значительной, и если почвенно-грунтовые воды засолены, то испарение будет иметь своим следствием засоление почвы. Снижая величину испарения путем рыхления почвы, можно тем самым противодействовать засолению.
В некоторых случаях, когда растения существуют главным образом за счет капиллярной влаги, может возникнуть необходимость повышения влагообеспеченности путем увеличения капиллярной влагоемкости. Мы знаем, что KB зависит, наряду с другими факторами, от глубины залегания почвенно-грунтовых вод. Повышая их уровень, мы можем увеличить KB в корнеобитаемом слое и тем самым повысить влагообеспеченность почвы. Этот прием применяется на осушенных торфяных почвах. При значительном понижении уровня почвенно-грунтовых вод наступает переосушение почвы, и растения начинают страдать от недостатка влаги. Этому способствуют малые величины диапазона активной влажности на торфяных почвах и малая мощность капиллярной каймы. Закрывая шлюзы в осушительных каналах и поднимая в них уровень почвенно-грунтовых вод, мы тем самым поднимем его и в почвах. Капиллярная влагоемкость возрастает, и влагообеспеченность растений повышается.
Другим важным приемом повышения влагообеспеченности растений является увеличение водопроницаемости почв с целью увеличения проникания атмосферных осадков в почву и уменьшения стока их по поверхности. Эта задача стоит только в отношении почв суглинистого и глинистого механического состава, так как песчаные почвы обладают настолько хорошей водопроницаемостью, что на них поверхностного стока, как правило, не возникает.
Мы уже знаем, что водопроницаемость суглинистых и глинистых почв является величиной изменчивой, причем наибольшее влияние на нее оказывают не природные факторы, а агротехника. В бесструктурном состоянии (точнее говоря — при наличии лишь микроструктуры) эти почвы обладают малой водопроницаемостью. Поступление первых порций дождевой влаги на такую почву еще более снижает ее водопроницаемость вследствие заплывания, набухания, образования капиллярных пробок и т. д.
Поэтому основным способом повышения водопроницаемости этих почв является их оструктуривание. У структурной почвы размер межагрегатных пор настолько велик, что вода быстро проникает в почву.
Все мероприятия, способствующие созданию прочной комковатой структуры, будут повышать водопроницаемость почвы. Таковы травосеяние, внесение навоза, извести, гипса и т. д. Перспективным в этом отношении может оказаться применение клеящих веществ, создающих искусственную структуру, но в этом направлении сделано пока еще мало.
С другой стороны, полезными будут все мероприятия, направленные на сохранение имеющейся структуры, — возможное сокращение числа обработок, своевременность их проведения и т. д.
Целесообразны, наконец, приемы создания искусственного микрорельефа, имеющие своим назначением прекращение стока поверхностных вод. К их числу относится устройство валиков, глубоких прерывистых борозд поперек склонов и т. д. Все эти устройства перехватывают поверхностно стекающую влагу и принуждают ее просачиваться внутрь почвы.
Однако наши технические возможности повышения водопроницаемости пока еще не настолько велики, чтобы полностью предотвратить появление поверхностного стока во всех случаях, и он нередко возникает при соответствующих условиях рельефа и увлажнения. Имея в виду уже не столько сохранение влаги на полях в верхних слоях почвы, сколько борьбу с эрозией почвы, следует создавать на склонах водопоглощающие лесные полосы. Сущность их влияния заключается в том, что под ними, благодаря влиянию древесных корней, лесной подстилки, отсутствию постоянной механической обработки почвы, отсутствию зимнего промерзания (вследствие накопления мощного снежного покрова), водопроницаемость почвы гораздо выше, чем на соседней пашне. Воды, как ливневые, так и талые, стекая по склону, перехватываются полосой, как это схематически изображено на рис. 42, в силу чего поверхностный сток переходит в подземный.

Искусственное изменение водных свойств почвы

Существенное влияние на водопроницаемость почвы оказывает промерзание почвы. Если почва с осени была более или менее увлажнена и в таком виде замерзла, то ее водопроницаемость, даже при хорошей структуре, резко уменьшается, иногда до нуля. В таких случаях даже в лесу, где водопроницаемость почвы обычно выше, образуется поверхностный сток. На пашне в этих условиях почти вся снеговая вода может быть сброшена поверхностным стоком. Повышению водопроницаемости будет способствовать все, что препятствует замерзанию почвы или способствует ее раннему оттаиванию. К числу таких мероприятий относится прежде всего накопление снега, который понижает глубину промерзания и способствует более раннему оттаиванию за счет поступления тепла снизу. Кроме того, могут быть рекомендованы такие средства, как пропахивание снега полосами поперек склона перед снеготаянием и посыпка снега сажей, золой, распыленной почвой или другим темноокрашенным веществом.
Пропахивая снег до поверхности почвы, мы способствуем оттаиванию почвы под влиянием прямых солнечных лучей и создаем водопоглощающие оттаявшие полосы, которые будут перехватывать воду, стекающую с соседних участков, оставшихся под снегом. Полосы из сажи, золы или распыленной почвы вызывают протаивание под ними снега и образование таких же водопоглощающих полос почвы.
В земледелии, как правило, приходится встречаться с задачей повышения водопроницаемости в целях улучшения влагообеспеченности растений. Однако при решении некоторых гидротехнических вопросов, также связанных с земледелием, иногда возникает обратная задача — понижение водопроницаемости грунтов или почв (например, при постройке водохранилищ, оросительных каналов и т. д.).
В настоящее время имеется три основных приема борьбы с фильтрацией путем понижения водопроницаемости грунтов.
Первый — сооружение так называемых слоистых экранов, которое было предложено А. Ф. Лебедевым и далее разрабатывалось Н. А. Качинским. Сущность этого приема основана на том факте, что если взять два мелкопористых материала с различным размером пор, как, например, песок и торф, и приготовить экран из чередующихся прослоек этих двух материалов, то водопроницаемость такого слоистого экрана будет в десятки раз меньше, чем водопроницаемость даже менее водопроницаемого компонента, в данном случае — торфа. Н. А. Качинский показал, что такого же эффекта можно достичь, применяя слои из одного и того же материала, но с различной исходной влажностью.
Причиной низкой водопроницаемости таких слоистых экранов является «защемление» в чередующихся слоях большого количества пузырьков воздуха в порах. Эти пузырьки отделяются друг от друга перемычками из воды, заключенными между двумя менисками. Когда в экране, содержащем большое число таких пузырьков, создается давление, например, сверху, то водяные перемычки сдвигаются книзу. Вследствие смещения перемычек их нижние мениски становятся более плоскими, а верхние — более вогнутыми. Значит, поверхностное давление нижних менисков повысилось, а верхних — уменьшилось. Следовательно, появилось известное капиллярное противодавление, направленное вверх, которое и препятствует воде, давящей сверху, проникнуть вниз. Кроме того, необходимо отметить, что существование пузырьков в наиболее расширенных частях пор выключает эти поры из процесса фильтрации влаги, заставляя ее при прохождении через эти поры двигаться по тонким пристенным пленкам, поперечное сечение которых очень мало, а трение воды очень велико.
Эти две причины — возникновение капиллярного противодавления в многочисленных перемычках между пузырьками воздуха и понижение фактического сечения струек фильтрующейся воды и обусловливают главным образом низкую водопроницаемость слоистых экранов.
Второй способ понижения водопроницаемости грунтов, который разрабатывается академиком А. Н. Соколовским, основан на открытом академиком К. К. Гедройцем влиянии обменного натрия на физическое состояние почвы.
Подавляющая часть грунтов, различных суглинистых наносов, насыщена кальцием и магнием, т. е. в составе обменных катионов в этих группах присутствуют исключительно, или почти исключительно, эти два катиона, из которых обычно преобладает кальций. Насыщенность этими двухвалентными катионами является главной причиной того, что такие грунты обладают хорошей микроструктурой, отдельные частички глины в них существуют не раздельно, а склеены друг с другом в небольшие комочки с диаметром в несколько сотых долей миллиметра. Благодаря наличию такой микроструктуры, а также мелких пор иного происхождения, эти грунты обладают хотя и не высокой, но заметной водопроницаемостью. Если в таком грунте обменные катионы кальция и магния заместить катионом натрия, то микроагрегаты начинают распадаться на составляющие их отдельные частицы минералов, в том числе — очень мелкие частицы глинных минералов. Эти частицы настолько мелки, что, образовав вокруг себя оболочку из связанной воды, они связывают всю воду, содержащуюся в грунте, т. е. свободной воды в последнем не остается. А быстро передвигаться в грунте может, как мы знаем, лишь свободная влага. Поэтому, когда на поверхность такого грунта подается вода, она не может просочиться через него, водопроницаемость такого грунта оказывается равной нулю. Практически этот способ осуществляется так: в водоем перед наполнением его водой вносится в необходимом количестве поваренная соль. Вода растворяет поваренную соль, начинает фильтроваться через дно и стенки водоема, неся с собой соль натрия, которым вытесняются из проходимых ею слоев грунта обменные кальций и магний. Микроструктура грунта разрушается, и он теряет свою водопроницаемость.
Этот метод называется осолонцеванием грунтов, так как присутствие обменного натрия (с вытекающими отсюда физическими свойствами почв, в том числе очень низкой водопроницаемостью) характерно для почв, называемых солонцами.
Третий метод понижения водопроницаемости почв и грунтов заключается в их так называемой гидрофобизации. Он основан на обработке почвы или грунта такими веществами, которые понижают их смачиваемость. Вследствие понижения смачиваемости почвы или грунта значительно возрастает усилие, необходимое для проталкивания воды через поры гидрофобизированной почвы или грунта. Одновременно резко снижается и водоподъемная способность почвы или грунта. Веществами, вызывающими это явление, могут быть различные мыла. Однако простое применение только одних растворов мыла не дает желаемого эффекта, ибо само мыло недостаточно прочно связывается с частицами почвы или грунта. Поэтому почву или грунт сначала пропитывают раствором железного купороса, который способствует прочному закреплению на поверхности почвенных частиц мыльной пленки. Гидрофобизированная почва или грунт, употребленные даже в виде тонкого слоя (толщиной в несколько сантиметров) и несколько утрамбованные, в десятки и сотни раз снижают водопроницаемость. Этот метод был предложен Агрофизическим институтом ВАСХНИЛ (Ф. Е. Колясев и др.).