Государственным стандартом (1988) дано следующее определение почвы. Почва - самостоятельное естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.
Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух), которые находятся в постоянном контакте и взаимодействии.
Газообразную фазу почвы составляет почвенный воздух, который играет важную роль в жизни растений, их корней и аэробных микроорганизмов. Почвенный воздух находится в некапиллярных порах (больших промежутках в почве), так как в капиллярах большей частью находится вода. При заполнении водой всех пор почвенный воздух вытесняется из почвы. Если почва сухая, то воздух заполняет все поры (капиллярные и некапиллярные). В том и в другом случае нарушается питание растений и они гибнут.
Наиболее благоприятное соотношение воды и воздуха возможно на рыхлых структурных окультуренных и хорошо обработанных почвах.
Структура почвы - это физическое строение твердой части и порового пространства почвы, обусловленное размерами, формой, количественным соотношением, характером взаимосвязи и расположением как механических элементов, так и состоящих из них агрегатов. На структурных окультуренных почвах внесенные удобрения наиболее эффективны, так как растения получают нормальное и бесперебойное питание.
По составу почвенный воздух сильно отличается от надпочвенного воздуха. Он богат углекислым газом, а в распыленных слабоокультуренных почвах беден кислородом. Достаточное количество кислорода в почве обусловливает полезную деятельность аэробных микроорганизмов, отсутствие же его способствует развитию анаэробных микробов, которые нередко вырабатывают токсичные для растений вещества; растительность при этом слабо развивается или гибнет. В почве постоянно протекают процессы разложения органического вещества микроорганизмами, дыхание корней растений и многие химические процессы, в результате которых потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Поэтому газовая фаза почвы по сравнению с атмосферой отличается повышенным содержанием углекислого газа (от нескольких десятых до одного, а иногда до 2-3%) и несколько меньшим содержанием кислорода.
Постоянный газообмен между почвой и атмосферой приводит к обогащению углекислотой надпочвенного слоя воздуха. А это улучшает воздушное питание растений углекислотой (фотосинтез), что приводит к повышению продуктивности растений. При повышенной концентрации СО2 в почвенном воздухе он растворяется в почвенном растворе, образуя угольную кислоту, подкисляющую почвенный раствор: $$\ce{CO2 + H2O -> H2CO3 -> H+ + HCO3^-}$$
Вследствие этого почвенный раствор усиливает растворение минеральных соединений почвы (фосфатов, карбонатов и др.), переводя питательные вещества в доступную для растений форму.
При плохой аэрации почвы (избыточной влажности, сильном уплотнении) в почве создается избыток СО2 и недостаток кислорода, подавляются микробиологические процессы, а анаэробные восстановительные - активируются. В результате ухудшаются дыхание и рост корней, замедляется рост растений. Поэтому важно создавать условия для хорошей аэрации почвы, что будет благоприятно влиять на ее биологическую активность, на питание и рост растений.
Жидкая фаза почвы. Никакая жизнь, в том числе и жизнь в почве, и никакие химические процессы немыслимы без воды, без растворов. Все превращения веществ совершаются в почвенных растворах или на границе коллоидных частиц и раствора (жидкой фазы). В.И. Вернадский отмечал, что в природе нет ни одного твердого тела, которое бы в своем составе не заключало воды. Почвы в среднем содержат около 20% воды от всей массы, т.е. одна пятая часть почвы - вода, ее жидкая часть. Однако в зависимости от погодных условий содержание воды в почве разное.
Питание растений различными веществами происходит через раствор. Не случайно поэтому растение может испытывать голод даже при полном наборе всех питательных веществ, если в почве не хватает влаги. Следовательно, удобрения могут сыграть свою положительную роль только при достаточном количестве влаги в почве.
Вода в почве бывает в разных состояниях. В воздухе, заполняющем промежутки между комочками почвы, она находится в виде пара. При понижении температуры пар переходит в жидкость и оседает на твердых частицах сплошной пленкой. Почвенная вода, примыкающая к почвенным частицам, в силу большого притяжения теряет всякую способность к передвижению и находится в состоянии, близком к твердому. Эта вода получила название гигроскопической. Водная оболочка в виде пленки, расположенная за неподвижным слоем гигроскопической воды, называется пленочной. Совокупность гигроскопической воды и пара, а также части пленочной воды, наиболее плотно прижатой к молекулярному слою воды, называется мертвым запасом влаги. Он недоступен растению и обычно равен двойной максимальной гигроскопичности почвы.
Мертвый запас влаги тем выше, чем больше в почве иловатых (коллоидных) частиц и органических веществ (гумуса). Например, песчаная почва, бедная гумусом, содержит только 1% влаги, недоступной растениям, а очень тяжелые суглинки и глинистые почвы, богатые гумусом, - до 15% такой влаги. В торфяных почвах мертвый запас достигает 20-50%.
Водный режим почвы, а следовательно, и эффективность удобрений во многом зависят от ее влагоемкости и водопроницаемости. Влагоемкость - способность почв удерживать воду под влиянием сорбционных и капиллярных сил. Водопроницаемость - это способность почвы воспринимать и пропускать через себя воду. Глинистые и богатые органическим веществом (гумусом) почвы обладают высокой влагоемкостью и низкой водопроницаемостью и, следовательно, значительным мертвым запасом влаги; песчаные и бедные гумусом почвы, наоборот, обладают незначительной влагоемкостью, но зато высокой водопроницаемостью. Это нужно учитывать при определении наличия полезной влаги в почве и при применении удобрений.
Когда количество воды в почве начинает превышать ее мертвый запас, она проникает в тончайшие почвенные поры - капилляры. Вода, заполняющая их, называется капиллярной. Эта влага хорошо усваивается растениями в процессе питания. При избыточном количестве влага в почве заполняет и более крупные, некапиллярные промежутки. Эта вода называется гравитационной влагой. Она передвигается в почве под влиянием силы тяжести и поэтому легко просачивается в глубь почвы. Наибольшее количество гравитационной воды наблюдается лишь после дождей, таяния снега или искусственных поливов.
Вода с растворенными в ней веществами (солями, кислотами, основаниями и т.д.), газами и содержащимися в ней микроорганизмами называется почвенным раствором. В разных почвах состав почвенного раствора и его концентрация различны, что и обусловливает разные режимы питания растений. Почвенный раствор - самая динамичная и активная часть почвы. В него постоянно поступают различные растворимые химические соединения, образующиеся в результате выветривания и разрушения минералов, разложения органических веществ микроорганизмами, внесения органических и минеральных удобрений. Содержание в почвенном растворе различных катионов и анионов определяется прежде всего типом почвы. Для питания растений особенно важно достаточное количество в растворе К+, Са2+, Mg2+, NH4+, NO3-, SO42- , Н2РО4-, постоянное пополнение этих ионов.
Концентрация солей в почвенном растворе зависит от типа почвы, ее свойств и химического состава, природных условий, степени засоления, миграции солей по профилю почвы, антропогенного воздействия на почву и т.д. Обычно она составляет сотые доли процента (около 0,05%). При концентрации солей в почвенном растворе более 0,2% они оказывают вредное влияние на растение. На засоленных почвах концентрация может достигнуть нескольких процентов.
Твердая фаза почвы состоит из минеральной части (90-99% массы твердой фазы) и органической. В минеральной части почвы содержатся все зольные химические элементы, 1-3% азота от общего количества, он практически полностью находится в органической части почвы. А такие элементы, как углерод, водород, кислород, фосфор и сера, находятся в минеральной и органической частях почвы.