Агрофизические основы обработки почвы

Благоприятные почвенные условия для роста растений складываются при оптимальных параметрах агрофизических свойств почвы и показателях ее плодородия. К числу важных следует отнести плотность и строение почвы, мощность пахотного слоя, структурный состав и др.

Современная теория обработки строится на обоснованном согласовании агрофизических свойств почвы и предъявляемых к ним требований культурных растений. Поэтому важнейшей агрофизической основой обработки являются требования культур к плотности и строению пахотного слоя почвы, структурному составу и степени крошения почвы, мощности пахотного слоя, твердости и другим свойствам, от которых зависят рост растений и урожайность.

Количественной характеристикой строения почвы служит величина ее плотности. Различают равновесную и оптимальную плотности почвы. Равновесная плотность − это установившаяся плотность необработанной (1-2 года) почвы в естественном состоянии.

Плотность почвы, при которой складываются благоприятные условия для роста растений и деятельности почвенных микроорганизмов, называют оптимальной.

Изучение реакции культур на физическое состояние почв различного генезиса позволило выявить интервалы оптимальных значений плотности почвы для зерновых и пропашных культур. Так, моделирование плотности сложения дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы показало, что в средние по увлажнению годы оптимальные ее параметры для зерновых колосовых культур составляют 1,1-1,3 г/см³, для пропашных − 1,0-1,2. Равновесная же плотность этой почвы находится в пределах 1,35-1,50 г/см³ (табл.1).

Сопоставление показателей равновесной и оптимальной плотности позволяет определить необходимость обработки почвы, в данном случае интенсивности ее рыхления. Чем больше разность между этими величинами, тем интенсивнее и глубже должна обрабатываться почва. Например, с помощью вспашки дерново-подзолистой почвы ее плотность уменьшается с 1,4-1,5 до 0,8-0,9 г/см³ и почва приобретает рыхлое состояние.

Таблица 1

Равновесная и оптимальная плотность почвы для полевых культур

(по данным А.И. Пупонина, 1986), г/см³

Плотность почвы зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, водопрочных агрегатов, влажности почвы и других условий.

Почвы тяжелого гранулометрического состава с большим содержанием илистой фракции и гумуса подвержены значительному набуханию при увлажнении и разрыхлению. Это вызывает изменение как равновесной, так и оптимальной плотности.

Высокогумусированные черноземные почвы имеют равновесную плотность 1,0-1,3 г/см³, которая совпадает с оптимальной для культур, что позволяет уменьшить интенсивность и глубину основной обработки этих почв. Наилучшие условия для появления всходов зерновых культур, уменьшения испарения влаги из почвы складываются, например, в черноземной тяжелосуглинистой почве, когда верхний (0-7 см) слой имеет рыхлое состояние и плотность 0,98-1,04 г/см³, а нижний (7-30 см) слой несколько уплотнен − 1,18-1,20 г/см³. Это достигается сочетанием разноглубинной отвальной и безотвальной обработок с поверхностной.

Оптимизация физических условий почвенного плодородия в первую очередь определяется строением почвы, под которым понимают соотношение объемов твердой фазы, капиллярной и некапиллярной пористости. Наилучшие условия аэрации почвы, воздухообмена между почвой и атмосферой, а следовательно, и благоприятные условия для роста и развития растений складываются в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, когда общая пористость составляет 46-56 %, некапиллярная − 18-25, капиллярная − 28-31 %, а твердая фаза занимает 44-54 % объема почвы.

Оптимальные почвенные условия черноземных почв обеспечивает строение, при котором общая пористость составляет 51-62 %, а пористость аэрации − 15-25 %. Предельной величиной, приводящей к снижению урожайности зерновых культур, является пористость устойчивой аэрации − 13-15 % объема почвы. При этом содержание кислорода в нормально увлажненной почве составляет не менее 20%, а СО₂ не превышает 0,2-0,5%.

Структурный состав, содержание водопрочных агрегатов характеризуют сложение почвы, устойчивость ее против эрозии и уплотнения, оптимизируют почвенные режимы и определяют продуктивность культур. Оптимальное содержание водопрочной макроструктуры (агрегаты размером 0,25-10 мм и более) для дерново-подзолистых и серых лесных почв составляет 30-45 %, для черноземных почв − 45-60 %. При такой оструктуренности почва длительное время сохраняет устойчивое сложение, приданное ей обработкой. Структурная почва теряет положительные качества при увеличении количества пыли (частицы размером менее 0,25 мм) до 30-40%.

Верхний (0-10 см) слой почвы пахотного слоя более гумусирован и лучше оструктурен по сравнению с нижним (10-20 см). Здесь быстрее идет восстановление структуры почвы за счет накопления растительных и корневых остатков, вносимых удобрений. Оборачивание почвы при вспашке способствует оструктуриванию и нижней части пахотного слоя.

Требования культур к степени крошения почвы определяют с учетом гранулометрического состава, оструктуренности почвы, увлажненности зоны, биологических особенностей культуры и проявления эрозии. Например, для зерновых колосовых культур Нечерноземья степень крошения (доля комков диаметром 0,25-30 мм) дерново-подзолистых и серых лесных почв пахотного слоя должна быть не менее 80 %, а глыбистость поверхностного слоя почвы − до 20%.

Важную роль в регулировании сложения пахотного и корнеобитаемого слоев различных типов почвы играют природные факторы: увлажнение – высыхание и замораживание – оттаивание. Интенсивность воздействия этих факторов зависит от содержания органического вещества, гранулометрического и минералогического состава почвы. Различные по плодородию типы почв под действием процессов набухания при увлажнении (Н) и усадки при высыхании (У) разуплотняются с разной интенсивностью, что позволяет их разделить на:

1. С низкой способностью к саморазуплотнению. Дерново-подзолистые суглинистые слабоокультуренные почвы, типичные для южной части таежной зоны с невысоким содержанием в них илистой фракции (10%) и преобладанием (до 70%) в ее составе ненабухающих минералов − каолинита, слюд и гидрослюд при относительно низком содержании (10%) высоко набухающих минералов монтмориллонитовой группы; низким (1,4%) содержанием гумуса и его гуматно-фульватным составом (отношение С_г._к.: С_ф._к. = 0,54); невысокой суммой обменных оснований (8-12 мг-экв/100 г почвы), в составе которых обменный Са²⁺ составляет всего 60%; с низкой механической прочностью структуры и их невысокой водопрочностью (20-26% водопрочных агрегатов более 0,25 мм).

2. Со средней способностью к саморазуплотнению. Дерново-подзолистые высоко-окультуренные почвы, при одинаковом гранулометрическом и, возможно, минералогическом составах со слабоокультуренными почвами они отличаются высоким содержанием органического вещества (7,8%), его фульватно-гуматным составом (отношение С_г._к.: Сф._к.⁼ 1,19). Кроме того, в составе органических веществ дерново-подзолистых высокоокультуренных почв значительно возрастает (до 67% против 50%) доля негидролизуемого остатка (гумина), в состав которого, по-видимому, кроме гумусовых кислот, прочно связанных с минеральной частью, входят и растительные остатки разной степени гумификации, повышающие гидрофильность органического вещества и способность почв к набуханию и являющиеся источником образования "молодого" гумуса с хорошими оструктуривающими свойствами. Сумма обменных оснований этих почв возрастает до 26 мг-экв на 100 г почвы, а доля обменного Са ²⁺ − до 80%. Содержание водопрочных агрегатов увеличивается до 66%.

3. С повышенной способностью к саморазуплотнению. Черноземы типичные мощные тяжелосуглинистые с высоким содержанием илистой фракции в составе входящих в нее минералов: 50% из них составляют минералы монтмориллонитовой группы, 40% − слюды и гидрослюды, а минералы каолинитовой группы − всего около 10%. Содержание органического вещества составляет 5,5%, тип гумуса − гуматный. Сумма поглощенных оснований ~30 мг-экв на 100 г почвы, 90% приходится на поглощенный Са²⁺. Содержание водопрочных агрегатов более 0,25 мм достигает 67% при высокой механической прочности структурных отдельностей.

4. Почвы с максимальной способностью к разуплотнению. Южные легкоглинистые черноземы содержат одинаковое с типичным черноземом количество органического вещества (5,2%), но с более высоким соотношением С_г._к.: С_флс. = 1,64.

Южные черноземы характеризуются наиболее тяжелым среди исследуемых почв гранулометрическим составом (легкая глина) и наиболее высоким содержанием минералов монтмориллонитовой группы (более 55%). Содержание минералов каолинитовой группы - наиболее низкое, около 5%. Сумма поглощенных оснований составляет в них 43 мг-экв на 100 г почвы, на долю поглощенного Са²⁺ приходится почти 90%. В состав обменных оснований входит Na⁺, однако доля его невелика - всего 0,13 мг-экв. Структура южных черноземов обладает наибольшей механической прочностью и высокой водопрочностью (61% водопрочных агрегатов более 0,25 мм).

На основании изучения свойств исследуемых почв дан первый ориентировочный уровень количественного выражения факторов, обусловливающих высокую способность почв к саморазуплотнению в процессе набухания - усадки: гранулометрический состав − тяжелый суглинок и выше (содержание илистой фракции 20-35%); в минералогическом составе илистой фракции минералы монтмориллонитовой группы должны составлять не менее 50%, минералы каолинитовой группы – 5-10%, слюды и гидрослюды - 40-50%; содержание органического вещества более 4%, тип гумуса − фульватно-гуматный или гуматный; сумма обменных оснований не менее 20-25 мг-экв на 100 г почвы, с преобладанием в их составе (до 80-90%) поглощенного Са²⁺.

При более легком гранулометрическом составе или при высоком содержании минералов каолинитовой группы (дерново-подзолистые почвы) высокая способность почв к саморазуплотнению, по-видимому, образуется при повышении содержа­ния органического вещества до 4%, с увеличением в нем доли "молодого", вновь образованного почвенного гумуса с высоким оструктуривающим эффектом и возрастанием емкости поглощения до 20-25 мг-экв на 100 г почвы, при 80-90% поглощенного Са²⁺ в их составе.

Почвы с разными исходными плотностями в результате процессов набухания − усадки, происходящих при их увлажнении и высыхании, стремятся к достижению некоторого равновесного состояния. При этом переуплотненные почвы разуплотняются, а рыхлые − уплотняются. Степень выраженности этих процессов для разных почв разная и определяется их свойствами и исходным физическим состоянием.

Наибольшее саморазуплотнение почв в результате набухания − усадки наблюдается при высоких исходных их плотностях. Это, как известно, связано с тем, что набухание и усадка определяются свойствами гидрофильных коллоидов, содержание которых в единице объема увеличивается с увеличением плотности. Кроме того, эта закономерность связана с особенностями строения порового пространства образца при разной его плотности. При невысоких плотностях сложения увеличение объема твердой фазы почвы при набухании идет в значительной мере за счет объема крупных пор, без существенного увеличения внешнего объема образца; при высоких плотностях и снижении количества крупных пор − в основном за счет приращения его внешнего объема (рис. 7).

Максимальное саморазуплотнение уплотненных почв, как правило, происходит после первого цикла увлажнение − высыхание. В последующих циклах величина набухания−усадки и процесс саморазуплотнения снижаются. Так, в дерново-подзолистой слабоокультуренной почве заметное разуплотнение при высоких плотностях наблюдается в первом-втором циклах, в дальнейших циклах оно практически не проявляется. В южном черноземе максимальное разуплотнение происходит в первых двух циклах, и хотя способность к саморазуплотнению сохраняется в последующих циклах, происходит оно на более низком уровне.

При очень рыхлом сложении уплотнение почв до равновесного состояния происходит также в течение первого цикла. При последующих циклах устанавливается динамическое равновесие. Это объясняется деформацией порового пространства почв в процессе увлажнения − высыхания.

Для каждой почвы можно выделить четыре интервала плотностей:

I-интервал высоких значений плотности, соответствующих переуплотненному состоянию почвы, при котором наблюдается максимальное саморазуплотнение для данной почвы, но до оптимальных значений она не разуплотняется (Н>У).

II- интервал плотностей соответствует уплотненному состоянию почвы, при котором в результате набухания − усадки почва разуплотняется до верхней границы оптимальной плотности или немного ниже. Верхняя граница этого интервала соответствует, по нашему мнению, некоторому критическому порогу уплотнения и превышает верхнюю границу оптимальной плотности (Н>У).

III-интервал соответствует оптимальной плотности. В этом случае при увлажнении − высыхании в почве наблюдаются пульсирующие изменения объема, практически одинаковые при набухании и усадке, в результате чего плотность почвы остается постоянной (Н= У).

IV-интервал плотностей соответствует рыхлому сложению почвы, при котором она в результате набухания−усадки уплотняется и приходит к оптимальному и устойчивому состоянию (Н<У).

Для каждого типа почв существует критический порог уплотнения, при превышении которого способность почв к самовосстановлению свойств до оптимальных значений ослабевает или утрачивается. Это связано с тем, что при уплотнении почв выше определенной плотности (выше критического порога уплотнения) происходит разрушение и изменение структурных прочностных связей макро-и в меньшей степени микроагрегатов. Степень разрушения этих связей зависит от величины нагрузки, времени и кратности ее приложения и прочности самих структурных связей, т.е. прочности микро- и макроагрегатов.

При уплотнении ниже критического порога плотности, в том числе в интервалах оптимальной плотности, структурные связи разрушаются частично или остаются без изменения. При увлажнении и набухании почв, а затем высыхании и усадке структурные связи полностью или частично восстанавливаются. Способность их к восстановлению определяется степенью разрушения, а также свойствами почв.

Это положение хорошо подтверждается данными по характеристике структурного состава почв, обладающих высокой способностью к разуплотнению: в типичном и южном черноземах, дерново-подзолистой высоко-окультуренной почве содержание водопрочных агрегатов более 0,25 мм достигает 60% при высокой механической прочности структурных отдельностей.

Для большинства почв − дерново-подзолистых, серых лесных, типичных черноземов суглинистого и тяжелосуглинистого гранулометрического состава − величина критического порога уплотнения превышает верхнюю границу оптимальной плотности всего на 0,05-0,10 г/см³. Исключение представляет южный легкоглинистый чернозем (Ростовская область), в котором при уплотнении выше верхней границы оптимальной плотности на 0 33 г/см³ почва саморазуплотняется до оптимальных значений. Это связано с особенностями гранулометрического и минералогического состава этой почвы.

Критический порог уплотнения составляет: 1,4 г/см³ − для дерново-подзолистых и серых лесных почв; 1,1 − для дерново-подзолистых высокоокультуренных почв (почвы огородных участков); 1,25 − для типичных черноземов и 1,5 г/см³ − для южных легкоглинистых черноземов.

Изучение саморазуплотнения почв под влиянием процессов набухания−усадки позволили установить следующее закономерности, которые необходимо учитывать при определении степени и интенсивности механического воздействия на почву приемами обработки:

- величина объемных изменений почв при набухании−усадке определяется соотношением этих процессов и зависит от генетических особенностей почв и их исходной плотности. Саморазуплотнение почв происходит, когда их набухание при увлажнении превышает усадку при высыхании.

- саморазуплотнение почв зависит от факторов, определяющих процессы набухания и усадки: гранулометрического и минералогического состава, содержания и качества органического вещества, суммы и состава обменных оснований, а также от исходной плотности. Влияние этих факторов проявляется через создание прочных структурных связей в микро- и макроагрегатах почв (табл. 2).

- при одинаковой плотности способность почв к саморазуплотнению возрастает в ряду: дерново-подзолистые суглинистые слабоокультурные − серые лесные тяжелосуглинистые − типичные мощные тяжелосуглинистые черноземы − южные легкоглинистые черноземы. Способность дерново-подзолистых почв к саморазуплотнению увеличивается при окультуривании.

Таблица 2

Параметры свойств почвы, определяющих степень их разуплотнения при

увлажнении −высыхании

Другим важным природным фактором разрыхление уплотненных слоев почвы являются процессы замораживания – оттаивания. Эффект саморазрыхления при этом процессе связан с увеличением объема воды при замерзании и образовании ледяных линз, не дающих почве самоуплотниться. Этот процесс в первую очередь зависит от степени обводненности слоев почвы перед устойчивым ее промерзанием, которая определяется суммой осадков в осенний период и водопоглощающими ее свойствами. Более тяжелые (30-40 см) и гумусированные (0-10 см) слои почвы разрыхляются более интенсивно (рис 8).

Изучение динамики разуплотнения дерново-подзолистой почвы под действием природных факторов показало, что уплотненные ходовыми системами тракторов слои почвы возвращаются в исходное состояние (саморазрыхляются) через разный интервал времени. Так, слои почвы 10-20, 20-30 и 30-40 см разуплотнялись до равновесного состояния через 16 месяцев, а слой почвы 0-10 см не достигал равновесной плотности даже через 24 месяца после деформации, что вызывает необходимость устранения эккумулятивных уплотнений специальными приемами обработки (рис.9).

Рис. 9 Разуплотнение почвы под действием природных факторов