Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Агрофизические основы совершенствования основной обработки черноземов Западной Сибири
ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие
Содержание диссертации, доктора сельскохозяйственных наук, Слесарев, Владимир Николаевич
ВВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА К ЗАДАЁТ ИССЛЕДОВАНИЯ
2. ПОЧВЕШО-ЮШАТ1'ТЧЕ<ЖЕ УСЛОВИЯ
2.1. Почва
2.2. Климат
2.3. Погодные условия в годы исследований
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
3.1. Методика исследований
3.2. Совершенствование методов. Отбор почвенных проб
Пробоотборник
Устройство для закладки целлофановой пленки в почву
Устройство для определения усадки и набухания почвы
Регистратор вертикальных деформаций почвы
Пучиноме тр
4. ПОЧВЕННЫЕ ДЕШМАЦИИ
4.1. Структурные связи почвогрунтов
4.2. Деформации консолидации
4.3. Деформации набухания и просадки
4.4. Тепловые деформации
4.5. Усадочные деформации
4.6. Криогенные деформации
4.7. Полевые почвенные деформации
4.8. Машинные деформации
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПОЧВЕННЫХ УСЛОВИЙ
5.1. Состояние вопроса
5.2. Физическое строение почвы
5.3. Агрегатный состав
5.4. Водный режим
5.5. Тепловые свойства
5.6. Пищевой режим и биологическая активность почвы
5.7. Урожайность
6. ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯЦИИ ПОЧВОЙ НЕБЕГЕТАШОННЫХ ОСАДКОВ
6.1. Эффективность использования осадков
6.2. Гидротермические условия аккумуляции зимних осадков
6.3. Водопроницаемость почвы
7. ЩЕЛЕВАНИЕ ПОЧВЫ
7.1. Состояние вопроса
7.2. Эффект щелевания на различно уплотненной почве
7.3. Параметры щелевания
7.4. Щелеватель
8. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЩЕЛЕВАНИЯ НА ПЕРВОЙ, ВТОРОЙ ПШЕНИЦЕ
ПОСЛЕ ЧИСТОГО ПАРА И МНОГОЛЕТНИХ ТРАВАХ
8.1. Щелевание под первую и вторую пшеницу
8.2. Экономическая эффективность
8.3. Щелевание многолетних трав 262 ВЫВОДЫ 267 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ И НАУЧНЫМ УЧРЕВДЕНИЯМ 273 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 275 ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Агрофизические основы совершенствования основной обработки черноземов Западной Сибири"
Принятые ХХУ1 съездом КПСС„Основные направления экономического и социального развития на Т98Г-1985 гг. и на период до Т990 года»1 а также на майском (Т982 г.) Пленуме ЦК КПСС Продовольственная программа СССР предусматривают дальнейший социально экономический прогресс и рост народного благосостояния. При этом центральной проблемой выдвинута Продовольственная 'Программа СССР, которая является важнейшей составной частью экономической стратегии партии на ближайшее десятилетие. Главным в ее реализации -обеспечение высоких темпов сельскохозяйственного производства на основе последовательной его интенсификации, высокоэффективное использование земли, укрепление материально-технической базы, ускоренное внедрение достижений науки и передовой практики.
ХХУГ съезд КПСС поставил задачу довести среднегодовое производство зерна в стране за одиннадцатую пятилетку до 238-243 млн. тонн, а в двенадцатой - 250-255 млн. тонн. Это потребует от сельскохозяйственной науки, в частности от земледелия, разработки и внедрения энергосберегающих почвозащитных и индустриальных технологий возделывания сельскохозяйственных культур для различных поч-венно-климатических зон.
Суровость сибирского климата еще больше осложняет задачу управления процессом производства зерна. В связи с этим товарищ Л.И.Брежнев в речи на ноябрьском (Т98Т г.) Пленуме ЦК КПСС говорил, что "пока мы не научились командовать погодой, работу в сельском хозяйстве надо более умело приспосабливать к климатическим невзгодам. Это предполагает строгую специализацию по регионам, внедрение таких культур, таких агротехнических приемов, которые обеспечивают хорошие урожаи и при недостатке, и при избытке влаги".
В рекомендациях по системе ведения сельского хозяйства Западно-Сибирского региона сформулированы зональные системы обработки почвы с учетом достижений науки и передового опыта. В основе этих систем положены результаты многочисленных научных исследований, проведенных в последние 15-20 лет Агрофизическим институтом, Сиб-ШИСХозом, ВНИЙЗХом, почетным академиком Т.С.Мальцевым и другими учреждениями и учеными. Все это в значительной степени способствовало дальнейшему росту производства зерна. Например, в Омской области валовые сборы зерна за Х960-Х980 годы удвоились. Однако существующая система основных обработок почвы не позволяет полностью использовать почвенно-климатические ресурсы, требуется ее дальнейшее совершенствование.
Насущные вопросы в этом плане рассматривались на научной конференции-семинаре (Омск, 1972), научной сессии АН СССР и ВАСХНИЛ (Москва, 1973), выездной сессии ВАСХНИЛ (Целиноград, 1974), Всесоюзной научной конференции (Омск, 1976), научно-методическом совещании (Харьков, 1977) и Всесоюзном семинаре по минимализации обработки почвы (Омск, 1981).
В постановлении Всесоюзной научной конференции по теоретическим основам земледелия, состоявшейся 14-17 июля 1976 года в Омске, подчеркивалось, что "заметно отстает от требований практики разработка теоретических основ обработки почвы, ограничен объем поисковых работ по минимализации ее обработки в условиях интенсификации и химизации земледелия".
Недопустимо отстают от требований практики исследования по оценке действия ходовых систем энергонасыщенных тяжелых тракторов, сельскохозяйственных машин и транспортных средств на уплотнение почвы.
Научные учреждения практически не ведут исследований по совер-.шенствованиго методики и технике полевого опыта.
Медленно разрабатываются методы и приборы для комплексной оценки качества обработки и определения агрофизических свойств почвы. Недостаточно обоснованы параметры оптимальной плотности почвы ведущих культур в различных природных зонах. Слабо разработано учение о почвенных деформациях, рассматривающее динамику уплотнения и разуплотнения почвы и являющееся теоретической основой обработки. Все еще недостаточно ясен влагозарядковый эффект основных обработок в зависимости от плотности и влажности почвы в предшествующую осень.
Вышеуказанные задачи явились составной частью тематического плана исследований, выполненных лабораторией агрофизики. Попытки решения этих задач представлены в предлагаемой работе. Она включает исследования автора за одиннадцатилетний период (I972-T982 иО, проведенных, главным образом, в полевых стационарных опытах - на полях ОПХ "Омское" (южная лесостепь). Отдельные вопросы прорабатывались в лабораторных опытах.
Вопросы совершенствования методов исследования почвенных деформаций и оптимизации почвенных условий жизни растений выполнялись автором с участием аспирантов Ю.Ф.Бетехтина и Л.В.Юшкевича. Раздел об аккумуляции почвой невегетационных осадков и щелевании почвы - с участием Л.В.Юшкевича.
Научная новизна выполненной работы состоит в том, что в результате разработки новнх и совершенствовании существующих приборов и методов агрофизических исследований уточнены оптимальные границы плотности пахотного слоя для пшеницы и ячменя, установлены количественные значения основных видов почвенных деформаций.
Впервые в местных условиях дана оценка влияния ходовых систем современных тракторов на плодородие почвы и урожай пшеницы,исследованы влагопроводные функции мерзлой различно уплотненной и увлажненной почвы, уточнен влагозарддковый эффект приемов зяблевой обработки почвы при различном ее осеннем увлажнении, разработан и обоснован наиболее эффективный способ щелевания почвы под зерновые и многолетние травы.
В процессе исследования агрофизических свойств почвы разработаны и применены новые способы и устройства для отбора почвенных проб на влажность и плотность, методика учета динамики плотности почвы, определение ее биологической активности и методика регистрации почвенных деформаций.
Развиты теоретические основы о почвенных деформациях, оптимальном сложении пахотного слоя, водопроницаемости мерзлых почв.
Дана обоснованная оценка влияния ходовых систем современных тракторов на элементы плодородия почвы и урожай. Разработаны наиболее эффективные приемы щелевания и орудие для него. Предложены рекомендации по применению основной обработки почвы, в том числе и щелевания, с учетом ее осеннего увлажнения в предшествующую осень.
Основные положения диссертации докладывались на третьем региональном совещании (Новосибирск, 1972), на Всесоюзной научной конференции по теоретическим основам земледелия (Омск, Х976), на научно-методическом совещании по теме "Улучшение водно-физических свойств почв в целях повышения их плодородия" (Харьков, Т977), на научно-техническом совете производственного управления сельского хозяйства Омского облисполкома (Омск, Г980), на котором принято решение начать внедрение плоскорезной обработки с щелеванием в хозяйствах лесостепной зоны, на Всесоюзном семинаре по минимализации обработки почвы в почвозащитном земледелии (Омск, I98T), а также нашли отражение в рекомендациях по технологии подготовки и повышения эффективности зяблевых фонов.
По теме диссертации опубликовано 42 работы и получено 6 авторских свидетельств на изобретения.
На защиту выносятся:- теоретические аспекты обработки почвы, уплотняющие и разуплотняющие почвенные деформации, пределы оптимального сложения пахотного слоя и параметры провальной фильтращи мерзлых различно уплотненных и увлажненных почв;- предложения о применении щелевания почвы и дифференцированного подхода к зяблевой обработке;- предложения по оценке влияния ходовых систем тракторов на плодородие почвы и урожай пшеницы;- предложения по новым и усовершенствованным методикам агрофизических исследований.
Разработка и реализация программы исследований, методических решений и внедрение в производство полученных результатов осуществлялось при непосредственном руководстве и личном участии автора - заведующего лабораторией агрофизики СибНИИСХоза.
За помощь в работе автор выражает искреннюю благодарность научным сотрудникам Юрию Федуловичу Бетехтину, Александру Григорьевичу Шитову, кандидату биологических наук Ларисе Николаевне Святекой, кандидатам сельскохозяйственных наук Галине Яковлевне Палецкой, Леониду Витальевичу Юшкевичу, кандидату технических наук Виктору Евгеньевичу Ковтунову, старшим лаборантам Зое Федоровне Пушкаревой, Ольге Николаевне Худобкиной, всем членам научно-технического совета отдела земледелия, а также за ценные советы доктору сельскохозяйственных наук Николаю Ивановичу Фольмеру."Земля. постоянно улучшается, если правильно обращаться с нею".
Маркс К.
Т. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙПервые очаги земледелия в Западной Сибири возникли в начале ХУЛ столетия. По инициативе проф. М.Г.Павлова и членов Московского общества сельского хозяйства развернулась работа по распространению сельскохозяйственной науки в Сибири. Ученики М.Г.Павлова - казаки Сибирского казачьего линейного войска Осип Обухов и Петр Щербаков в Т828 г. организовали Омский опытный хутор (А.В.Вараксин, Л.В.Катин-Ярцев, 1978).
Более широко и углубленно приемы механической обработки почвы здесь стали изучаться после Великой Октябрьской революции и организации областной сельскохозяйственной опытной станции. Установлена целесообразность ранней вспашки пара, обеспечивающей лучшее накопление влаги, пищи и очистку почв от сорняков. С 1909 по Г929 годы периодически в полевых опытах доказывалась необходимость кулисного снегозадержания в чистых парах. Установлена эффективность ранней зяби и распашки пласта многолетних трав (А.И.Шевлягин, 1968).
С Т954 года научные сотрудники СибНИИСХоза принимали активное участие в освоении целинных и залежных земель. Исследованиями убедительно доказана высокая эффективность вспашки целины с последующим переходом к плоскорезному рыхлению с сохранением стерни на поверхности почвы (В.А.Юферов, 1965; А.И.Шевлягин, 1968). Осеннее и весеннее лущение стерни или осенняя плоскорезная обработка способствовали лучшему накоплению снега, защите почвы от эрозии, меньшему ее промерзанию. Вместе с тем выявились и недостатки: росла численность сорняков, лущение уничтожало стерню, нарастала разнокачегостввнность слоев почвы по плодородию. Б связи с этим стали изучаться различные варианты чередования плоскорезных обработок со вспашкой. Шестилетние (I954-T959 гг.) наблюдения в совхозе "Сибиряк" Русско-Полянского района, Омской области показала, что чередование вспашки с двумя лущениями в сравнении с ежегодной вспашкой обеспечивает прибавку зерна 2,1 ц/га. В аналогичных опытах, проведенных в вжной лесостепи (ОПХ "Омское") в течение 8 лет (19591966 гг.), прибавка составила от 0,5 до 1,Т ц/га. Это же мнение разделяли А.И.Шавлягин (1959, T96I), А.Н.Каштанов (1965), В.А.Юфе-ров (Т965), В.И.Малышев (1967), П.М.Кузнецов (1972), Н.И.Фольмер (1972, 1973), М.З.Журавлев (1973).
Одновременно изучалась система обработки почвы, предложенная почетным академиком ВАСХНШГ Т.С.Мальцевым (1955). Позже она испыты-валась и совершенствовалась в степных и лесостепных районах Северного Казахстана, Западной Сибири, Южного Урала и некоторых районах европейской части страны. Данная система за счет глубоких и поверхностных обработок окультуривала пахотный слой почвы, повышала урожай культур, но слабо защищала почву от ветровой эрозии (Й.В.Тюрин, Т957).
Распашка целинных и залежных земель в Западной Сибири и Северном Казахстане, интенсивная обработка почвы заметно увеличивала распространение ветровой эрозии. По данным Я.Р.Рейнгарда (1973) за десятилетие в степи и южной лесостепи только в Омской области было подвержено ветровой эрозии 1,2 млн. га пашни.
Ветровая эрозия стала грозным бичом земледелия. По данным А.И.Бараева, Э.Ф.Госсена, А.А.Зайцевой (Г969) в стране 92 млн. га пашни нуждаются в почвозащитных мерах от ветровой эрозии.
В марте Т967 года ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление "О неотложных мерах по защите почв от ветровой и воднойэрозии". Разработку к внедрению почвозащитного земледелия возглавил Всесоюзный научно-исследовательский институт зернового хозяйства (ВНИИЗХ), руководимый академиком А.И.Бараевым. Предложенная система земледелия, включающая безотвальное рыхление с сохранением стерни, короткоротационные севообороты с чистым паром на черноземах Западной Сибири, Северного Казахстана и Южного Зауралья обеспечила повышение урожаев зерновых культур на 3-4 ц/га (Н.З.Мила-щенко, А.Е.Кочергин, А.Ф.Неклюдов, Т978). Однако система противо-эрозионной обработки, предложенная ВНИИЗХом, должна совершенствоваться, особенно в других природных зонах страны.
А.И.Бараев (1976, Т978) в связи с этим указывает, что дальнейшие исследования по совершенствованию приемов почвозащитного земледелия в зональном разрезе должно предусматривать прежде всего осуществление фундаментальных работ по разработке теоретических основ почвозащитной системы земледелия и практических предложений по повышению плодородия почв. В числе важнейших вопросов исследования: приемы накопления влаги, сокращение стоковых потерь талых и ливневых вод, приемы, снижающие испарение, изучение механического состава, физических свойств почв, приемов плоскорезной полупаровой обработки с позднеосенним глубоким рыхлением, усиление исследований по совершенствованию противоэрозионной техники в направлении большего удовлетворения требований почвозащитного земледелия.
Э.Ф.Госсен (Т976) также отмечает: ". что ныне разрабатываемый комплекс противоэрозионных мероприятий таит в себе огромные резервы, которые необходимо изучить и совершенствовать с учетом конкретных почвенно-климатических условий. Кроме того, должны быть рааработаны принципиально новые методы защиты почв от ветровой эрозии или до минимума снижены отрицательные стороны плоскорезной обработки и противоэрозионной техники".
С.Г.Скоропанов (Т978) предлагает обобщить весь накопленный материал по вопросам обработки почвы и выработать научные принципы ее совершенствования.
БД.Доспехов, В.В.Бузмаков (1978) наиболее актуальными проблемами называют:- совершенствование традиционных для пахотного земледелия систем основной и предпосевной обработки почвы;- разработку приемов и систем противоэрозионной обработки почвы;- минимализацию обработки в севообороте с обоснованием оптимальных параметров агрофизических свойств почв, способствующих повышению ее плодородия и особенно улучшению водного режима.
В связи с ростом мощности и массы машинных агрегатов назрела важная задача по изучению их уплотняющего воздействия на условия плодородия почвы и урожай.
В.В.Егоров (Т977) считает одной из острейших проблем современного земледелия - борьбу за почвенную влагу: "ПО млн. га пашни в стране недодают продукции из-за недостатка влаги. Решение этой проблемы связано с необходимостью оптимизации физических свойств почв. "Чем больше уплотняются почвы, тем чаще их надо обрабатывать. Получается порочный круг. Надо искать другой почвенный путь решения, с тем, чтобы на его основе обеспечить минимализацию обработки почвы и изменить ее свойства. Для этого надо использовать поисковый экспериментальный путь".
Значительные возможности совершенствования почвозащитной обработки за счет разумного сокращения числа и глубины рыхлений в черноземной лесостепи Западной Сибири отмечает Н.З.Милащенко (1974). На необходимость зонального совершенствования обработок почвы указывали также А.Н.Каштанов (1968), Г.С.Смородин (1968), А.С.Шамшин(1968), А.А.Зайцева (1969), Н.И.Фольмер (1979).
Таким образом наиболее прогрессивным и перспективным направлением можно признать минимализацию обработки почвы, которая лучше защищает ее от эрозии, накапливает и сохраняет влагу, питательные вещества, повышает и удешевляет урожай.
Попытки минимальной обработки почвы делались и в прошлом. В Сибири этот прием практиковался в 1900-х годах при возделывании овса и озимой ржи (Э.Э.Гешеле, 1957). Такой же опыт проводился с пропашными культурами на Омском опытном поле (В.П.Балиев, I9T3). Сторонниками минимализации обработки также были И.Е.Овсинский (1902), Н.Максимов (Т932), Н.М.Тулайков (1932), В.А.Хоробрых (1932), Т.С.Мальцев (1971);в США - Э.Фолкнер (1959).
В последние 15-20 лет этому направлению посвящено особенно много исследований (/Z.r^yattyt 1959;<£.Лоя/оглг f 1959; В.А.Юфе-ров, 1965; А.И.Шевлягин, 1959, I960, T96I, Т968; М.Малиновский, 1967; В.П.Нарциссов, 1967; И.Г.Зинченко, Т97Г, Т974, Т975, Т977, Т980; Н.З.Милащенко, Т972, Т974; Г.Я.Палецкая, 1972, 1974, 1978; Н.'А.Соснин, 1972, 1977; В.Т.Иванов, 1973, 1974; Н.Л.Воронова,1974; П.Я.Колмаков, А.М.Нестеренко, 1972, Т974, Х98Т; Л.М.Кудашева,1974; Р.А.Шмидт, 1974; П.Ф.Ионин, 1975; В.М.Зерфус, 1976, 1978; В.Г.Хол-мов, В.С.Мокшин, Т977; Ю.Б.Мощенко, Б.С.Кошелев, 1979; В.Г.Холмов, Г.А.Дианов, 1979, 1980)Положительный эффект минимализации обработки почвы можно видеть из многочисленных примеров. Так, по данным Ю.Б.Мощенко, Б.С. Кошелева (Т979) в СПХ "Новоуральское" Омской области (степь) в среднем за 1972-1978 гг. по вспашке на глубину 22-25 см собран урожай зерна Г0,2 ц/га, по плоскорезной обработке на 10-14 см - Т8,1 и без осенней обработки 16,7 ц/га. В южной лесостепи (СПХ "Омское") по данным В.Г.Холмова, Г.А.Дианова (Т980) в среднем за T973-I978 гг.соответственно собрано 2Т,0; 21,6 и Т9,5 ц/га. Б этом же хозяйстве, в опытах Г.Я.Палецкой в среднем за I966-T973 гг. получен урожай 19,4; 20,5 и 20,5 ц/га.
По данным Б.Т.Иванова, И.Е.Дубины (Х973) разница в пользу минимальных обработок в среднем за T966-I969 гг. составляла 1,9-2,7 ц/га.
В опытах Б.Т.Иванова, Г.К.Коваленко (Т976) урожайность пшеницы по необработанной с осени почве в системе зернопропашного севооборота на 1,3 ц/га была больше чем по глубокой плоскорезной обработке и на 2,4 центнера - по сравнению со вспашкой.
Исследования И.Г.Зинченко, Н.Е.Лысенко (Т974), И.Г.Зинченко, К.А.Ахметова (Т978) также свидетельствуют о целесообразности отказа от механических обработок в годы с засушливым летне-осеннем периодом.
За рубежом приемы минимализации обработки почвы также получают все большее распространение. По сведениям Г.Бишора и Н.Ридера (Х960) многие фермеры США сократили число обработок наполовину или на одну треть, другие - не пашут совсем. И это не снизило урожайность культур. По данным службы охраны почв США, глубокая обработка применялась на площади 87,2 млн. га, минимальная - на 21 млн.га, нулевая - на 2,9 млн. га. К 2010 г. планируется ввести минимальную обработку на 90% сельскохозяйственной площади, на 50% вообще отказаться от нее. Б 1979 г. минимальная и нулевая обработки проводились на 27,6% всей обрабатываемой площади (В.И.Михайлина, T98I). В основу нового подхода положены два принципа: сокращение по возможности вредного измельчения, распыления и уплотнения почвы, уменьшение материальных затрат путем упразднения излишних производственных операций.
Экономическая эффективность минимальной обработки по даннымамериканских ученых И.К.Барназа. и А.Питерсона достаточно высокая, а затраты сокращаются на 25-41% (А.Л.Шенявский, 1965).
Существенные изменения в структуре применяемых приемов обработки почвы происходят в нашей стране. Так, если среднегодовой объём безотвальных обработок в Западно-Сибирском регионе за 9-ю пятилетку составил 5015 тыс. га, то в 10-й - 7290 тыс. га, в т.ч. в Омской области соответственно 550 и Т022 тыс. га (Комплексная программа по повышению плодородия почв в колхозах и совхозах РСЯ&СР, 1978). Б степной и южнолесостепной зонах Омской области более половины (55,4%) площадей, отводимых под посев зерновых с осени, оставлялись без обработки (В.Н.Слесарев, Л.В.Юшкевич, 1978).
Чем же объяснить столь существенный поворот земледелия к сокращению механических обработок? Какие объективные причины обуславливают это направление?Изучение и анализ литературного материала позволяет выделить следующие наиболее значительные моменты:- дальнейшая интенсификация сельскохозяйственного производства, его специализация, концентрация, предъявляют повышенные требования к механической обработке почвы и создают новые условия для ее совершенствования. Появилась настоятельная необходимость уточнить или пересмотреть ряд традиционных приемов и технологий обработки почвы с позиций их экономической эффективности;.- растущие объемы химизации (удобрения, пестициды) сокращают число задач, которые раньше решались за счет механических обработок почвы;- интенсивные обработки ведут к ухудшению физических свойств почвы, возникновению эрозии, нарушению оптимальных параметров плотности почвы;- обработки почвы, особенно глубокие, весьма энергоемкие опе^рации в земледелии. Например, на вспашку в СССР ежегодно расходуется около 3,3 млн. тонн нефтепродуктов (В.М.Халанский, Г974). Земледельцы земного шара,ежегодно обрабатывая около 500 млн. га на глубину 20 см, переворачивают 1000 км3 почвы. Это налагает особую ответственность в выборе и применении способа обработки зяби (Н.А.Качинский, 1946);- ходовые системы тяжелых энергонасыщенных машинно-трактор-ннх агрегатов распыляют, уплотняют почву и снижают урожай;- минимализация обработки почвы в засушливых зонах иногда не уступает по урожаю чем при более глубоком воздействии.
Как видим, проблема минимализации многогранная, имеет много положительных сторон, преимущества ее подтверждаются многочисленными и длительными научно-производственными опытами. Однако дальнейшее совершенствование этого направления возможно лишь на основе изучения, анализа существующих научных положений и поиска, разработки новых - более эффективных теоретических и прикладных решений.
Одним из главных разделов теории механической обработки почвы является ее физика, взаимодействие почвы с региональными факторами внешней среды, а также создание средств и путей оптимизации почвенных условий жизни растений.
Обобщая результаты исследований,И.Б.Ревут (Т962) писал: "Плотность почвы является первичным и определяющим фактором всей физики почвы. С ней непосредственно связаны водный, тепловой и воздушный режимы в почве." - и далее, - "Плотность почвы является наиболее значительным фактором ее плодородия".
Вопросы плотности почвы прямо или косвенно связаны со многими разделами общего земледелия. Они имеют отношение не только к режимам, но и к выбору орудия и способа обработки, борьбе с сорной растительностью, вредителям и болезням сельскохозяйственных культур,севооборотам и другим вопросам.
П.С.Роктанэн (1973) отмечает необходимость уточнения понятия плотности почвы. Он указывает на неполноценность показателя объемной массы. Пористость почвы лучше отражает состояние упаковки почвенных частиц (А.Н.Соколовский, 1956; Н.А.Качинский, 1958; 1965; В.Р.Вильяме, 1940; А.Г.Дояренко, 1963; й.ъ.Ва-^г f 1943, 1953; {дirtJuftei, 1957).
Значимость порозности в почвенных процессах велика - писалH.А.Качинский (1965). В порах размещается и передвигается вода и воздух, на поверхности твердых частиц идет мобилизация питательных веществ. В порах находятся корни растений, микроорганизмы и все другое живое население почвы. Поэтому можно утверждать, что от количества и качества пор в значительной мере зависит почвенное плодородие. От химических и механических свойств зависит динамика порозности, а следовательно, и состояние почвенных режимов (тепловой, водный, воздушный, биологический).
Проблема определения, создания и поддержания оптимального сложения корнеобитаемого слоя волновала многих ученых. В конце шестидесятых-начале семидесятых годов по инициативе и под руководством проф. И.Б.Ревута (Агрофизический институт им. А.И.Иоффе) во многих почвенно-климатических зонах велись исследования по уточнению параметров оптимальной плотности почвы и других важных пока-. зателей ее плодородия.
Работы по уточнению параметров оптимального сложения почвы проводились в Западной Сибири и Северном Казахстане. Так, М.М.Инспекторов (1938) на выщелоченном легкосуглинистом черноземе Прииртышья изучал влияние уплотнения почвы на водный режим, процессы нитрификации, развитие яровой пшеницы. Сложение почвы задавалось с 70, 60 и 50-процентной порозностью и 36, 24, 20, 12-процентной влажностью к абсолютно сухой почве. Исследования показали, что более плотная почва теряла воды больше чем рыхлая. Но при слабом увлажнении сложение не влияло на величину потерь. Лучше сохраняло воду сложение: сверху рыхлое, а ниже уплотненное. Содержание нитратов резко уменьшалось с глубиной на сильноуплотненной и увлажненной почве. При низкой влажности почвы во всех вариантах уплотнения разница по горизонтам сглаживалась. В почве, имеющей рыхлый верхний слой и уплотненные нижние слои, наблюдается резкое повышение нитратов в верхнем слое при всех уровнях увлажнения. Наибольший процент корней в пахотном слое был на самой рыхлой почве - 56,7%, а наименьший - на самой плотной - 35,8%. Наивысший урожай получен на самой рыхлой почве, средний на самой плотной и низкий с подповерхностным уплотнением.
На выщелоченных тяжелосуглинистых черноземах (ОПХ "Омское", СибНИИСХоз) А.И.Шевлягин (1966) установил, что оптимальная плотность для яровой пшеницы находится в пределах 1,0-1,2 г/см3, ячменя - Т,2-1,3 г/см3, кукурузы - 1,0-1,2 г/см3 кормовых бобов - 1,2-Т,3 г/см3. В отдельные увлажненные годы положительная реакция зерновых культур проявляется и на более высокую плотность (1,4 г/см3).
Слабо отзывается на уплотнение кормовые бобы, вика, сахарная свекла.
Руководствуясь вышеизложенными положениями, Х.В.Ензак (1968) изучал возможность создания оптимального сложения пахотного слоя путем предпосевного уплотнения катками. В результате исследований был установлен некоторый положительный эффект такого приема.
На южном карбонатном среднесутлинистом черноземе опытного поля ВНИИЗХ (Шортанды) С.С.Сдобников, В.И.Беспамятный (1970) установили оптимальную плотность для яровой пшеницы, равную 1,2 г/см3. На рыхлом (0,8 г/см3) варианте урожай снизился на 38,5%, на плотном (Т,3 г/см3) - на 12,5%. Изучалась динамика уплотнения и разуплотнения почвы. При этом замечено, что в засушливые 1965, 1967 гг. плотность к концу вегетации возрастает на всех вариантах уплотнения, а во влажные годы уменьшается. В работе не показан метод регистрации почвенных деформаций.
На среднеуплотненной почве (Г,2 г/см3) общая скважность составляла 50,3% при соотношении капиллярной скважности к некапиллярной 3,5:Т.
На более уплотненных вариантах отмечается снижение непродуктивных потерь влаги, фильтрационной способности и количества пылевидных частиц с 0,25 мм и увеличение > Г мм.A.M.Ситников (T980) указывает, что повышенная рыхлость почвы активизирует биологические процессы, повышает содержание нитратов в ней. Оптимальное сложение улучшает почвенные условия жизни растений. Наилучшие условия развития яровой пшеницы, отмечает В.А.Юферов (Г965)формируются при плотности почвы Т,1-1,Т5 г/см3.
В этом регионе вопросами плотности почвы также занимались В.Ф.Трушин (1964), П.П.Колмаков, А.М.Нестеренко (Т939, 1974), Н.А.Соснин (Х972), Л.М.Кудашева (1974), И.Н.Головченко, М.И.Рубинштейн (Т972) и др.
С.И.Долгов, С.А.Модина (1969) причины снижения урожайности культурных растений при плотной и рыхлой почве объясняют тем, что плотная и увлажненная почва заметно снижает ее аэрацию, что вызывает депрессию биохимических процессов, слабая фильтрация плохо возобновляет запасы почвенной влаги, а сток воды вызывает эрозию.
На рыхлой почве уменьшается объемная концентрация почвенной влаги и питательных веществ (в единице объема почвы), что усиливает развитие корневой системы. Осадка рыхлой почвы может повреждать молодую корневую систему и, наконец, рыхлая почва теряет больше влаги, особенно при сильном ветре.
Таким образом все материалы свидетельствуют о наличии границ оптимальной плотности и ее индивидуальности для культуры и почвы.
Из рассмотренных выше работ, преимущественная часть авторов стремилась установить пределы оптимальной плотности почвы. Однако плотность почвы динамична. На нее влияет множество факторов внешней среды. Поэтому формирование урожая происходит не при заданной в начале опыта плотности, а при изменяющейся. Особенно заметны эти изменения на очень рыхлой и плотной почве. В связи с этим 1/сТДолгов и С.А.Модина (1969) писали: "При закладке опытов с различной уплотненностью почв обычно задаются варианты с самым рыхлым и самым плотным сложением. Однако в течение вегетационного периода степень уплотнения почвы сильно изменяется и растения продолжают рост, развитие и формирование урожая при изменившихся почвенных условиях и изменяющейся плотности почв'.' Они нашли, что рыхлая почва уплотняется, плотная разрыхляется, стремясь придти к "равновесной" плотности. Эти изменения отмечаются в ряде исследований.
В модельных опытах С.С.Сдобникова, В.И.Беспамятного (Х970) в среднем за 1965-1967 гг. самый рыхлый вариант 0,8 г/см3 за вегетацию уплотнился на 0,085 г/см3, а плотный разрыхлился на 0,013 г/см? По данным Т.Т.Вилесова (Т975) серые лесные почвы (Томская с.-х. опытная станция) за вегетацию также существенно меняет свое сложение. Рыхлые (0,869 г/см3) уплотняются на 0,02-0,03 г/см3, средне-плотные (1,008 г/см3) разуплотняются на 0,04-0,05 г/см3, плотные (Т,296 г/см3) - на 0,2 г/см3. С мая по август уплотнение или разуплотнение Курских мощных черноземов составляет 0,01-0,04 г/см3 (С.И.Долгов, И.В.Кузнецова, 1972). Хорошую устойчивость к уплотнению темно-каштановых почв Саратовского Заволжья отмечает П.К.Иванов, Л.И.Коробова, Н.Балабашин (197Г). 0 характере уплотнения рыхлых южных черноземов Казахстана и разуплотнений плотных отмечают М.И.Рубинштейн, В.А.Сергиенко (1971), И.Н.Головченко, М.И.Рубинштейн (Т972). В литературе, к сожалению, мало работ, посвященных изучению причин почвенных деформаций, определения их количественных значений и роли их в динамике плотности.
Определяющим свойством плотности почвы,ее устойчивость к сохранению заданного сложения является механическая прочность и водоустойчивость почвенных агрегатов. Стабильное сложение почвы поддерживает заданные ее воднофизические показатели. Связь водопроч-ности структуры с устойчивостью почвы к уплотнению показана в трудах И.В.Кузнецовой (Т967, 1979), П.В.Вершинина (Г958), И.Б.Ревута(Г97Г).
И.В.Кузнецова (1967) утверждает, что при наличии в пахотном слое водопрочных агрегатов у 0,25 мм - 40-45$, почва устойчива к уплотнению, если их 10-20$ - неустойчива, и больше 60-75$ - высокоустойчива.
Водопрочность агрегатов формируется под воздействием почвенных биохимических процессов (В.Р.Вильяме, 1940; П.А.КостычевД940; К.К.Гедройц, 1955; А.Г.Дояренко, 1963; Н.А.Качинский, Т965; З.Рассел, 1955;'./А'"**/ » £971). Уплотненное сложение также повышает прочность агрегатов почвы (С.С.Сдобников, Г970; A.M.Ситников, 1980; В.А-.Юферов, 1965).
0 влиянии механических воздействий на характер их структурных состояний почв ученые высказывают разные мнения. В.Р.Вильямс (T93I), М.С.Цыганов (I960), утверждают, что машинные агрегаты разрушают структуру. Другие исследователи (А.Тюлина, 1938; Д.Г.Вилен-ский, Т940, Г954; П.В.Вершинин, 1958; И.К.Макарец, 1968; А.И.Шевлягин, Т963, Т972; С.А.Наумов, Г977).призирают это разрушение лишь при сухой почве. При влажности, близкой к наименьшей влагоемкости, по их данным,наоборот,наблюдается, агрегация почвенных частиц. На основе этого свойства почвы Д.Г.Виленский (Т940); И.К.Макарец (Х968) предложили машины для агрегации почвенных частиц.
В тесной взаимосвязи со структурой почвы, находится ее норовое пространство - скважность. Оптимальная скважность почвы, обеспечивающая формирование высокого урожая, лежит в пределах 50-65$ к общему объему почвы. Превышение или снижение указанных - значений ухудшает почвенные условия жизни растений (Н.А.Качинский, Х965; А.Г.Дояренко, Х966; М.И.Рубинштейн, В.А.Сергиенко, I97X; С.И.Долгов, Х972). Однако общая порозность не показывает истинного строения почвы. Видный агрофизик А.Г.Дояренко говорил, что картинастроения почвы становится понятной, если известно соотношение капиллярной к некапиллярной порозности. Для дерново-подзолистых почв оптимальным соотношением он считал от 1:1 до 3:Т, В.В.Квасников (Т958) - Г:Т, для суглинистых черноземов - Т:0,5, А.И.Носатовский (Г965) признавал 1:0,33. Аналогичного мнения придерживались Д.И. Буров.(Т968, 1969) и В.Е.Козаков (Г967), Л.С.Роктанэн (1963) указывал, что для районов с достаточным увлажнением лучшим соотношением может быть Т:1, для засушливых - 3:Г.
Важным элементом плодородия почвы является величина аэрации. Она зависит от плотности и влажности почвы и также имеет свои оптимальные и предельные значения для жизни растений и микроорганизмов.
Наиболее детально этот вопрос рассматривается в работе А.Ка-нараке и Р.Талера (Т962). Они отмечают, что первые данные о нижнем пределе аэрации для разных групп культур показаны Капецким. Минимум аэрации колеблется от 6 до 20% общей порозности. Депрессия от недостатка воздуха проявляется при сильном уплотнении и увлажнении, когда аэрация почвы составляет всего 3%. В таких условиях растет содержание COg и падает Л/0д.
Критическая порозность аэрации на средне- и тяжелосуглинистых черноземах Западной Сибири наступает при 10-17,5% (В.П.Панфилов, Н.И Лапина, В.Ф.Гоф, 1976; А.П.Трубецкая и др., Т976).
Н.А.Качинский (1956) считает допустимой аэрацию в 20%, П.В. Вершинин (1958) - 15, А.Г.Дояренко (Т966) - 25%.
Т.Т.Вилесов (Т975) пришел к выводу, что оптимальная величина аэрации для активного роста растений и получения высокого урожая в 1,5-3 раза ниже необходимой для активного развития микробиологических процессов и накопления усвояемого азота. На темно-серых лесных почвах оптимальная аэрация для пшеницы при плотности0,85 г/см3 составляет 34,1-21,4, а для микроорганизмов - 40-34,9$; при плотности 1,0 г/см3 соответственно 30-15 и 37,5-22,5; при плотности Г,15 г/см3 - 19,5-10,9 и 28,0-19,5, а при плотности 1,3 г/см3 - 9 и 18,8-9,0$.
Ночвв с непромывным водным режимом в регулировании воздушного режима не нуждаются и нарушений газообмена в них, как правило, не наблюдается (М.З.Журавлев, 1973; А.Г.Бондарев, 1974).
В исследованиях В.М.Зерфуса (1976) на выщелоченных черноземах порозность аэрации в пахотном слое составляла 31-38$, а в увлажненном Т973 году она опускалась до 21,6-24,4$, что уже ослабляло биологическую активность почвы.
По данным Е.Н.Мшцустина (1957), Л.Н.Абросимовой (Г968) уплотнение и исключение вспашки почвы вызывает разнокачественность частей пахотного слоя по плодородию. Она выражается в различной численности микроорганизмов, содержании питательных веществ, активности ферментов и в интенсивности разложения и синтеза органического вещества.
Длительные мелкие плоскорезные обработки приводят к повышению плодородия верхнего слоя и снижению нижнего (Л.Н.Барсуков, Г953; А.Д.Лебедянцев, Г960; Е.Н.Мишустин, I960; В.А.Францесон, Г963; С.С.Сдобников, Т964; В.Ф.Трушин, 1964; С.С.Сдобников, Ю.Б. Мощенко, Г968; Л.Д.Тихомирова, Л.Н.Святская, 1972; В.М.Зерфус, Л.Н.Святская, Т978).
По мнению А.И.Бараева (Г966) и по данным многолетних исследований И.Ф.Татошина (1980) дифференциация горизонтов почвы по плодородию не оказывает отрицательного влияния на урожайность зерновых культур.
Важное место в системе минимальной обработки почвы приобретает питательный режим. Этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении и уточнении.
Целый ряд исследователей (А.Г.Дояренко, 1926; Г.П.Куликов, 1962; В.А.Юферов, 1965; И.Г.Зинченко, 1971; Б.Т.Иванов, А.Н.Ва-сецкая, 1971, 1973; П.П.Колмаков, А.М.Нестеренко, 1972; Г.Я.Палец-кая, 1972; Х.Сюндюков, 1973; А.А.Зайцева, И.П.Охинько, 1969; Г.Я.Палецкая, А.Г.Азиева, М.И.Белкина, 1974) указывают, что при минимальных обработках снижается образование нитратного азота по сравнению со вспашкой. Вместе с тем, ряд авторов утверждают, что в засушливых условиях, когда варианты минимальной обработки лучше увлажнены по сравнению со вспашкой, содержание нитратного азота в них не уступает, а в ряде случаев превосходит ее (В.И.Малышев, 1967; П.К.Иванов, Л.Коробова, Н.Балабашин, I97X; П.Ф.Ионин, 1975; Л.Д.Тихомирова, Л.Н.Святская, Ю.В.Шестаков, 1977; Л.Д.Тихомирова, В.М.Зерфус, 1978; Л.Д.Тихомирова, Л.Н.Святская, 1978).
Более пристального изучения требует вопрос фосфорного питания растений. На черноземах Западной Сибири он находится в первом минимуме (Н.И.Богданов, 1954; А.Е.Кочергин, 1967). Имеющиеся в литературе данные о влиянии механических обработок на мобилизацию доступных фосфатов носят противоречивый характер. Так, Г.П.Куликов (1962), исследуя этот вопрос на выщелоченных черноземах Ульяновской области, С.С.Сдобников (1964) - на черноземах Целиноградской области, В.А.Юферов (1965) и Г.Я.Палецкая (1967) - на выщелоченных черноземах Омской области, Х.Сюндюков (1973) - на черноземах Северо-Казахстанской области отмечают некоторое возрастание содержания подвижного фосфора при мелких и глубоких плоскорезных обработках.
В то же время Н.Т.Рудой (1962) на черноземах Красноярского края, А.Н.Каштанов (1965) на обыкновенных черноземах Омской области, Н.И.Николаева (1966) на выщелоченных черноземах Пензенскойобласти И.Г.Зинченко (1971, 1974), В.Т.Иванов, А.Н.Васецкая (1971) на южных карбонатных черноземах Северного Казахстана, не обнаружили увеличения доступного фосфора как при вспашке, так и при плоскорезных обработках.
С.П.Кравков, З.Д.Алмазова (1932), В.И.Востоков (1936), А.Н.Ле-бедянцев (I960), Д.Н.Прянишников (1963) указывали также, что рыхлое сложение черноземных почв приводит к избыточному преобладанию азота над фосфором, нарушая этим их сбалансированность. А это снижает количество и качество урожая (В.А.Францесон, 1963; Л.Н.Бараев, 1971; Б.Д.Волков, В.Н.Лапонников, 1973).
Важное место в жизни почвы и растений занимает почвенная влага. Ее приход и расход во многом зависит от физического состояния почвы. Н.А.Качинский (1950), Ф.Е.Колясев (1956) N.1. Яо^е^б7***? A!J.WlCl(i9 (1962), С.А.Вериго, Л.А.Разумова (1963), И.К.Макарец (I960) указывали на уменьшение полевой влагоемкости с уплотнением почвы.
Различную способность рыхлой и плотной почвы накапливать и сохранять влагу отмечали В.Г.Ротмистров (1913, 1918), А.Ф.Лебедев (I<336>),M.Z.Mi£hoes (1957), М.Г.Чижевский (1958, i960), Н.И.Бон-даренко (1959), И.Б.Ревут (1962), наоборот, считали, что уплотнение почвы лучше сохраняет влагу.
Ряд ученых (Ф.К.Колясев, 1948; Т.С.Мальцев, 1955; Э.Рассел, 1955; П.А.Яхтенфельд, 1961; В.А.Юферов, 1965) высказывали мнение, что более плотная почва не препятствует поглощению воды и лучше ее сохраняет, а рыхлая, благодаря конвенционно-диффузному испарению, быстрее ее теряет. Другие исследователи (Пухов, 1872; В.В.Яро-венко, 1946), опираясь на капиллярную теорию, утверждают, что уплотнение усиливает испарение влаги.
Ф.И.Колясев (1948) на основании работ В.Г.Ротмистрова (1918),А.Ф.Лебедева (1930) и своих исследований разработал теорию дифференциальной влажности. Согласно ее повышение потери влаги на плотной почве происходит лишь при высоком уровне ее увлажнения. С понижением влажности почвы капиллярная сплошность прерывается и движение воды замедляется. Благодаря появлению свободных от воды пор, начинает возрастать действие механизма конвекционно-диффузного передвижения парообразной влаги. В целях ослабления движения этой влаги Ф.И.Колясев (1948, 1956) и его последователи (А.И.Шевлягин, 1961; В.Ф.Трущин, 1964; А.К.Атаманюк, 1968; Д.И.Буров, 1968; Х.Ензак, 1968; В.С.Анохин, 1974) предлагали создание подпочвенных уплотненных экранов. В то же время Г.А.Гарюгин (1955), И.Б.Ревут (1962), В.В.Квасников (1964), Н.И.Максютов (1974), В.П.Сахончик, А.А.Лях, Л.А.Гончарова (1975), В.П.Панфилов (1977) и др. отмечают возможность ухудшения водопроницаемости уплотненных почв.
В.П.Панфилов (1977) указывает, что уплотнение снижает объем крупных и средних почвенных пор. При доведении некапиллярной скважности менее 2% у суглинистых почв и менее 10% у глинистых водопроницаемость прекращается. При уплотнении почвы от 0,8-1,0 до 1,1-1,3 г/см3 водопроницаемость падает в 20-30 раз (И.Б.Ревут, 1964).
Одной из самых значительных систематических причин уплотнения почвы является воздействие машино-тракторных агрегатов. Это воздействие на почву изучалось в основном в европейской части Союза (Ж.И.Икрамов, 1971; А.М.Кононов, 1973, 1977; В.С.Гапоненко, 1974; Г.Д.Белов, 1977; И.С.Рабочев, 1978).
В связи с минимализацией обработки почвы, использованием тяжелых, широкозахватных агрегатов, настоятельную необходимость изучения этого вопроса подчеркивает Б.А.Доспехов (1978). Между тем на черноземах юга Западной Сибири эта проблема практически не изучаяась.
Снижение водопоглощения на мелкообработанных, необработанных с осени стерневых фонах по сравнению с глубокими обработками от-мечаит К.П.Горшенин (1955), Г.П.Сурмач (1955, 1965, 1977), П.А.Ларин (1961), В.П.Вожов (1963), В.П.Сахончик (1974), С.И.Харченко (1975), Н.И.Богданов (1977), Н.З.Милащенко (1977).
Однако аккумуляция'воды, особенно талой, зависит не только от плотности почвы, но и от осенней ее влажности. В годы с сухим летне-осенним периодом, когда иссушенная почва в зиму уходит изрезанная трещинами, льдистость в порах отсутствует просачивание талых вод хорошее, стока нет. В такие годы зяблевая обработка необязательна (П.К.Иванов, X97I; Г.Г.Долгушин, 1973; Н.З.Милащенко, Х977, Х978; Ю.Б.Мощенко, 1978, 1979; И.Г.Зинченко, 1978).
В годы с влажным летне-осенним периодом почва промерзает, поры ее закупорены ледяными пробками, водопроницаемость резко снижается. На эту особенность указывали А.А.Шалабанов (1903), А.Федосеев (1941), А.В.Процеров (1948), П.Г.Кабанов (1940), Г.П.Сурмач (1955, 1978), А.К.Филиппова (1955), В.Д.Комаров (1957), Н.А.Моси-енко (1958), Е.Н.Цыкин (1958) ^МЛЬойсШег ^.U/ectZmaa (I960), Н.Н.Желтая (1962), А.И.Кузник (1963), П.Н.Ларин (1963), А.Д.Ко-пыт (1971) 1M.MUH&i/ (1971), В.В.Романов (1974), С.И.Харченко (1975).
Вопросы водопроницаемости мерзлых черноземов Западной Сибири, как отмечает Н.И.Богданов (1977), почти не изучались. Однако для повышения производительности сибирского земледелия они имеют большое теоретическое и практическое значение.
Повышенная льдистость верхних слоев почвы, попеременное оттаивание и замерзание существенно ослабляют водопроницаемость (Г.П. Сурмач, l955;C^7Vfite 6^-Sazts А.С.Реагае, 1958;Г.Н.Лысак, 1979). Это ведет к усилению стока, испарения и снижение коэффициента использования зимних осадков. В Омском Прииртышье он составляет 0,35 (М.З.Журавлев, 1959), на черноземах Приобья 0,030,25 (А.А.Лях, 1973). В зависимости от погоды он может колебаться от 0,3 до 0,8 (М.Е.Черепанов, С.А.Ковба, X97I). В степи и лесостепи Алтая в чистом пару и стержневом фоне поверхностный сток составляет 0,65 (Г.И.Серых, Б.А.Леконцев, М.Е.Черепанов, 1979). Слабое использование зимней влаги снижает глубину промачивания. Про-мачивание - до 40-50 см делает весенние запасы влаги неустойчивыми, легко податливыми к испарению. При более глубоком увлажнении - до 100-150 см, доля почвенной влаги в формировании урожая достигает 60-70% (Н.И.Богданов, 1977; В.П.Панфилов, 1977).
Особенно велики и нежелательны потери влаги на испарение в весенний период. В лесостепи Омской области за апрель-май они составляют 93 мм (А.Р.Макаров, 1976). По данным Н.И.Богданова (1977) от начала снеготаяния до боронования зяби эти потери составляли 49 мм.
Поэтому с давних времен ученые и практики ищут приемы и методы более полного использования зимних осадков. Особенно длительно и широко испытываются различные способы обработки почвы. В Западной Сибири вопросами совершенствования способов обработки почвы занимались П.С.Денисов (1959), А.И.Шевлягин (1963), С.С.Сдобников (1964), В.Ф.Трушин (1964, 1973), А.Н.Каштанов (1965), В.А.Юфе-ров (1965), Т.Т.Вилесов (1966),В.И.Малышев (1967),В.К.Баснак (1969), А.А.Самборский (1969),А.А.Конев (1970),Н.Г.Зинченко(197Х), П.М.Кузнецов (1972), А.И.Бараев (1972)Д.Р.Макаров (1972), П.И. Кузнецов, Д.С.Шеремет (1974), Н.М.Бакаев (1975), Н.И.Фольмер(1975), В.Т.Иванов (1976), А.Р.Макаров, В.Е.Загребельный (1977), А.Ф.Неклюдов, Л.Н.Орлова (1978), В.Н.Слесарев, Л.В.Юшкевич (1978, Х980,1981), П.И.Кузнецов, Ю.А.Раков (1979). Для лучшего усвоения снеговой воды испытывались приемы глубокой обработки почвы (П.Г.Кабанов, 1938; В.В.Пшебельский, 1958; М.З.Журавлев, 1973; В.П.Сахон-чик, 1975; Н.И.Ильинский, 1977). В ряде случаев в увлажненных зонах это было положительно, а в засушливой степи излишняя рыхлость усиливала непроизводительные потери влаги (Н.З.Милащенко, 1977, 1978; Р.А.Шмидт, 1974). Именно по этой причине в таких случаях минимальные обработки могут быть эффективнее глубоких. Это мнение разделяют А.А.Конев (1967), Н.Л.Воронова (1974), В.Т.Иванов (1974), Н.З.Милащенко (1974), Р.А.Шмидт (1974), В.Т.Иванов, Г.К.Коваленко (1976), М.И.Рубинштейн (1977), Н.Д.Лыхенко, А.В.Полупуднов (1980). Для улучшения водного режима растений предлагались и испытывались целый ряд интересных идей и способов обработки почвы. Так, С.И.Долгов, С.А.Модина (1969) указывают, что агрономическая наука во многих случаях рекомендует сразу же после вспашки прикатывать почву, то есть по существу уничтожать только что достигнутое вспашкой рыхление. Вероятно, проще производить такую обработку почвы, которая сразу придавала бы ей оптимальное сложение. Во всяком случае следует подумать об изменении способов обработки почвы с использованием результатов исследований оптимального сложения почвы.
А.Г.Дояренко (1963, 1966) для нечерноземной зоны предлагал вертикальный дренаж почвы, П.К.Иванов (1967) периодически глубокую вспашку. Для Сибири В.П.Панфилов (1977) считает целесообразным иметь в период вегетации растений оптимальную плотность почвы, а в осенне-зимний и ранневесенний периоды - рыхлое, крупнопористое сложение, которое придает низкую объемную теплоемкость, быстрое гравитационное передвижение влаги и полную аккумуляцию талых вод. Для этого нужно осенью рыхлить почву на глубину 25-30 см.
Интересное решение родилось в отделе земледелия СибНИИСХоза (Н.З.Милащенко, 1978). Предложено щелевание с одновременной плоскорезной обработкой. Такой прием обработки в основном сохраняет оптимальное сложение почвы, защищает ее от эрозии и, благодаря щелева-нию, улучшает водопроницаемость мерзлой почвы. Эта идея нашла признание и стала прорабатываться в лаборатории агрофизики, а полученные материалы исследований широко представлены в предлагаемой работе.
Предложения по щелеванию почвы в нашей стране возникли в 50-х годах текущего столетия. Этой темой в различной степени занимались П.С.Волков (1954), А.И.Димо (1957), В.П.Волков (1966), Н.Н.Аксенов (1969), В.А.Чешко (1969), Я.Н.Мухортов, А.Н.Коваленко (1973), В.П. Сахончик (1974), В.И.Столяров (1976), М.Н.Комаров (1978), Н.И.Сулима (1978), Г.И.Серых (1979), В.Н.Зайцев (1981), Ф. Т.Моргун (1981). На озимых культурах в целом по стране средняя прибавка зерна от щелевания составила 3,6 ц/га. Отмечалось снижение стока и смыва почвы (Н.Я.Сидоренко, 1980).
В Сибири положительные результаты получены при щелевании многолетних трав (В.И.Столяров, 1976) и зерновых на микролиманах (В.П.Сахончик, 1974).
Эффективность приемов зависит от агрофона, способа щелевания, погодных условий (Г.П.Сурмач, 1977). На уплотненных фонах (многолетние травы, необработанная почва) щелевание, как правило, обеспечивает положительный результат. На легких и рыхлых почвах он снижается. При щелевании отмечается улучшение водного режима, биологической активности почвы (А.И.Трощий, i960; В.А.Чешко, 1969; Н.И. Сулима, 1978).
В опытах А.Д.Агаева (1969), Н.И.Аксенова (1969), Г.П.Сурмача (1971), Я.Мухортова (1975), В.И.Столярова (1976) испытывались расстояния между щелями от 0,6 до 6 м, причем этот показатель и глубина щели обычно представлялись одним, реже двумя параметрами. Видимо, авторы хотели установить сравнительную,эффективность щелевания, а не выявить наилучших способ щелевания. В опытах использовались различные недостаточно приспособленные рабочие органы почвообрабатывающих орудий.
Из зарубежных источников имеются данные применения щелевания в США (опытные станции центра Великих равнин). Здесь щелевание сочеталось с заполнением щели растительными остатками. Это дополнительно сохраняло 16% воды в сравнении с простой щелыо и 41% в сравнении с контрольной обработкой почвы, что повышало урожай на 37-150$ (В.П.Жигульский, 1973).
Завершая обзор литературы, можно сформулировать следующее заключение и задачи исследований:Сибирское научное земледелие сформировалось на основе длительных, многочисленных исследований и широкой производственной практики. Из отдельных разработок построены эффективные зональные технологии возделывания сельскохозяйственных культур.
Много работ посвящено совершенствованию способов механической обработки зяби. Выявлены положительные и отрицательные стороны. Стало также очевидным, что современная интенсификация земледелия, осуществляемая за счет роста энерговооруженности, химизации, более тщательного учета зональных особенностей, несколько меняет и сокращает число задач, которые раньше решались механической обработкой почвы. Наряду с этим высокая интенсивность обработок вызывала отрицательные последствия. Поэтому сибирское засушливое земледелие за счет минимализации обработок все больше обретает почвозащитную направленность.
Это направление.обладая рядом существенных преимуществ,полностью еще не раскрыло своих возможностей. Одной из серьезных причин, сдерживающих это развитие, недостаточная изученность агрофизических основ совершенствования приемов создания оптимальных почвенных условий жизни растений,В ряде работ показывается лишь связь урожая с приемом обработки зяби. Недостаточно вскрываются водно-физические, механические свойства при том или ином способе обработки почвы, хотя именно они предопределяют характер почвенных режимов. Нуждается в дальнейшем развитии учение об оптимальном сложении пахотного слоя почвы, почвенных деформациях, машинных уплотнениях, аккумуляционных свойствах мерзлой, различноувлажненной и уплотненной почвы.
В связи с этим для изучения были поставлены следующие вопросы:1. Установить показатели оптимальной плотности черноземных почв для зерновых культур.
2. Научно обосновать физические параметры провальной фильтрации мерзлой почвы - как условия полного усвоения талых вод.
3. Выявить влагопроводную и агротехническую роль щелевания почвы при различном ее уплотнений.
4. Разработать и экономически обосновать наиболее эффективные способы и технические средства для щелевания почвы на равнинном рельефе.
5. Исследовать основные виды почвенных деформаций, уточнить их роль в уплотнении и разуплотнении почвы.
6. Исследовать количественные и качественные значения машинного уплотнения почвы. Установить его влияние на плодородие почвы и урожай.
2. П(ЛВЕШ0-1ШШТИтаКИЕ УСЛОВИЯПолевые и лабораторные исследования проводились на опытных полях ОПХ "Омское" и в вегетационных помещениях СибНИИСХоза в 1972-1982 гг. Объекты исследований находились в 1-2 км от отдела наблюдений Омской МО. Метеорологические показатели по данным отдела типичны для климата южной лесостепной зоны. Территория этого региона ровная с незначителъными микропонижениями и слабым уклоном к р.Иртыш. Грунтовые воды залегают на глубине 5-6 м.
2.1. ПочваЧерноземы Западносибирской провинции занимают около 4 млн.га, или 16$ ее земельного фонда (Р.В.Ковалев и др., 1967; Н.Д.Градобоев и др., I960; Л.Н.Каретин, 1974).
Провинциальные особенности заключаются в небольшой мощности гумусового горизонта (А + АВ = 30-60 см), но с высоким (5-9$) содержанием гумуса и резким его снижением вниз по профилю, что обусловило неглубокое размещение корневой системы растений.
Среди черноземов значительную долю, например, в Омской области, составляют выщелоченные и обыкновенные черноземы - 69,4$ (П.Д.Градобоев и др., I960).
Выщелоченные черноземы приурочены к приречным массивам, тянущимся вдоль рек Иртыша, Оми, Ишима, Тобола и к высоким гривам. Обыкновенные черноземы распространены в основном в центральной и южной частях провинции и располагаются преимущественно на равнинных массивах, иногда комплексируясь с солонцами.
Механический состав выщелоченных и обыкновенных черноземов преимущественно тяжело- и среднесутлинистый, реже глинистый.
Мшсрооструктуренность пахотного слоя удовлетворительная: фактор дисперсности по Н.А.Качинскому (1958) находится в пределах 3-16%, в подпахотном - эта величина возрастает. Макрооструктурен-ность, наоборот, невысокая.
По наблюдениям А.И.Шевлягина (1972) в пахотном слое выщелоченного тяжелосуглинистого чернозема (ОПХ "Омское") количество агрегатов > 0,25 мм колебалась от 30 до 70% от массы почвы. Объемная масса пахотного слоя 0,9-1,1 г/см3, увеличивается вниз до 1,41,6 г/см3, а удельная масса соответственно составляет 2,50-2,59 г/см3 и 2,6-2,7 г/см3. Гумусовый горизонт отличается высокой общей порозностью - 55-63%, в нижележащих слоях она снижается до 40-50%. В составе общей порозности обычно преобладают микропоры менее 3 мк и активные капиллярные поры (60 - 3 мк). Так, по данным Н.И.Чащи-ной (1969) микроспоры меньше 3 мк в обыкновенном старопахотном черноземе составляют 67,2%, капиллярные от 3 до 60 мк - 9,6% и больше 60 мк - 23,2%. С глубиной качественный состав пор мало изменяется.
При увлажнении, соответствующем наименьшей влагоемкости (НВ), объем пор, занятых воздухом, составляет 18-27% от общего объема,что обеспечивает нормальный газообмен. Водопроницаемость черноземов средняя, но может сильно колебаться. Максимальная гигроскопичность (МГ) по профилю колеблется от 6 до 11% к массе почвы. Влажность завядания (ВЗ) составляет 1,3 МГ.
Запасы влаги, соответствующие влажности завядания в слое 0-100 см тяжелосуглинистых черноземов, составляет 142-175 мм, среднесу-глинистых II7-I23 мм, или 41-52% от наименьшей влагоемкости. В нижнем полуметре эта доля возрастает до 54-58%. Наименьшая влагоем-кость определяется в основном механическим составом, содержанием гумуса и сложением почвы. В гумусовом горизонте ее величины достигает 30-45% от массы почвы, в нижележащих - 18-22%. Запасы влаги при НВ в слое 0 - 100 см на средне- и тяжелосуглинистых чернозвмах составляют соответственно 299 и 334 мм, в т.ч. продуктивной 176 и 192 мм, или 57-59$. В обыкновенных глинистых и тяжелосуглинистых черноземах запасы продуктивной влаги несколько меньше: 163 мм,или 48$.
Черноземы лесостепной зоны, согласно классификации В.Н.Димо (1972), относятся к типу длительно сезоннопромерзаюшх к подтипу холодных почв. Глубина промерзания в среднем составляет 120 см и колеблется от 210 до 80 см ( А.Г.Ермакова, Л.Н.Каретин, Н.С.Сидорова, 1973).
Черноземы степной и лесостепной зон (Обь-Иртышское междуречье) отличаются высокой влажностью завядания, слабой мобильностью активной влаги, уплотненным и низкопористым сложением подпахотных горизонтов. Это определяет необходимость оптимизации плотности, агрегированности и порозности указанных горизонтов (В.П.Панфилов, 1977; Н.И.Чащина, 1969).
Содержание валового фосфора в почве небольшое: 1348-1756 мг на I кг, подвижного (по Чирикову) 6-8% от валовых запасов. Последний в основном сосредоточен в гумусовом слое. Калия (KgO) содержится 583-812 мг на I кг почвы (по Масловой), рН водное - 6,7-6,8. Емкость поглощенных оснований 28,1-34,1 мг экв/100 г почвы, из них 80-90% приходится на катион Са. Водно-физические свойства почвы представлены в табл. 2.1, 2.2, а механический состав в табл. 2.3. Механический состав, судя по преобладанию песчано-иловатых или пыле вато-песчаных фракций, сформировался на лессовых отложениях.
Годовое количество осадков невелико - 300-430 мм, а в южных районах - 200-250 мм. Преимущественная их часть выпадает в теплый период года.
Снег ложится в конце октября-иачале ноября. Высота его составляет 30-50 см в лесной и 20-30 см в лесостепной зонах. Средняя скорость ветра 4-5 м/сек, главное направление западное и юго-западное.
Характер среднемноголетнего хода метеорологических элементов (данные отдела наблюдений Омской IM0) можно видеть на рис. 2.1.
Месяц2 3 V 5 в 789 /О// /2 \ Го,"t ^•а ' й£fc? ■(Ко от* /гч.
Ч ГГ»v лUbцО ку ^А20Lх х * Относительная влажность'воздуха >—х Лб оо лат.мак с и м.те мпе ратуры пов-ти почвы- Среднемесячн. температура воздуха*—* Среднемесячн. температура пов-ти почвы о—о Абсолютн.минимум температ. пов-ти почвы цисло дней с осадками > 5 мм.-0 Число дней с относите ль н. в лажн.воздуха 4 30% ■223 ОсадкиРис. 2.1 Средне многолетние показатели годового хода метеорологических элементов. (Справочник по климату СССР, 1568, Омская Г МО, отдел наблюдений)|Гкуж»рстким |I Ии>ЛИОТЕНД II СССР IД ш,. ч и. ЛаиитАОсадки даны в среднем за I89I-I968 гг., температура воздуха за X88I-I960 гг., почвы - за 1900-1960 гг. Влажность воздуха - за 1936-1960 гг.
Главной отрицательной климатической особенностью региона является недостаточность атмосферных осадков в холодный зимний и весенне-летний периоды. В апреле, мае и часто в июне недостаток осадков сопровождается сухостью воздуха, ветрами и повышенным испарением почвенной влаги. Хотя в июне, особенно в июле (максимум) и августе, заметно улучшается увлажнение почвы и условия роста и развитие растений, С учетом этой особенности климата сформировался агротехнический комплекс возделывания сельскохозяйственных культур.
Наиболее губительны майская и июньская засухи. В мае она отмечалась в 1972, 1976 и 1980 гг., в июне - в 1975 г.
Пагубное влияние на растения оказывает низкая влажность воздуха, часто сопровождаемая сильными ветрами. Такое явление отмечалось в мае и июне Х974, 1975 гг. (табл. 2.6). Число дней со скоростью ветра > 15 м/сек и низкой влажностью воздуха в мае и июне в 1974 году достигало 17, а в 1975 г. 24.
Таким образом период проведенных полевых исследований охватывает различные по климатическим особенностям годы.
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ 3.1. Методика исследованийВ процессе работы руководствовались следующими методическими пособиями: В.М.Купревича (1951), А.Ф.Вадюниной, З.А.Корчагиной (X96I), Т.В.Аристовской (1962), А.В.Соколова, Д.А.Аскиназе (1965), Агрофизические методы исследований почв (1966), Е.Г.Чаповского (1966), С.А.Воробьева и др. (1971), Б.А.Доспехова (1972), Б.А.До-спехова, И.П.Васильева, А.М.Туликова (1977), Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1980.
Опыты сопровождались следующими наблюдениями:1. Содержание почвенной влаги определялось в почвенных пробах методом их сушки. Пробы отбирались в метровом слое через 10 см осенью (перед уходом в зиму), весной (перед боронованием зяби и посевом), в фазу трубкования и при уборке в 3-4-кратной повторности.
2. Содержание азота и фосфора определялось в слое 0-60 см. Пробы отбирались в 3-4-кратной повторности после посева, в фазу трубкования. Нитратный азот учитывали дисульфофеноловым методом по Грандваль-Ляжу, фосфорная кислота - по Францесону.
3. Структурный состав почвы изучался в слоях: 0-10, 10-20, 20-30 см. Повторность 5-6-кратная. Рассев почвы на фракции - по Саввинову.
4. Плотность почвы устанавливалась приспособлением Качинско-го и прибором, созданным в лаборатории агрофизики. Повторность 4-6-кратная. Сроки отбора почвенных проб: весной (фаза физической спелости почвы), после посева, уборки и после осенней обработки почвы.
5. Биологическая активность почвы изучалась методом закладки-целлюлозных пленок в мае и июне в слоях 0-10, 10-20, повторность 3-4-кратная. Способ закладки - по Л.Д.Тихомировой (1973) и пленочный*.
6. Численность микроорганизмов учитывали методом высева на твердые питательные среды. Число бактерий, мобилизующих органические фосфаты, определяли на среде Менкиной с добавлением фитина, а мобилизующие минеральные фосфаты - на среде Муромцева, нитрифицирующие бактерии - на водном агаре с добавлением двойной аммо-нийно-магниевой соли фосфорной кислоты, целлюлозоразлатающие - на среде Гетчинсона.
7. Активность гидролитических ферментов - сахаразы устанавливали по В.Ф.Купревичу с дальнейшим учетом Сахаров по Бертрануи уреазы - по Гофману, аммиака реактивом Несслера, каталаза - газометрическим методом, фитаза - по Марковой с дальнейшим определением Р205 по Труогу.
8. Урожай учитывался методом сплошной уборки прямым и раздельным комбайнированием СКД-5 ("Нива"), "Сампо" и "Сибмайстер". С учетом степени засоренности зерна и влажности, урожай приводился к Ю0$-ной чистоте и 14%-ной влажности.
9. Данные урожайности зерновых культур, содержание продуктивной влаги и ряд других агрофизических показателей подвергались математической обработке по Б.А.Доспехову (1968), по Ю.Г.Буянов-ской и А.А.Самборскому (1974), многолетние материалы по урожайности и другим показателям - по Л.С.Роктанэну и В.П.Томилову (1975).
Агротехнические особенности. С 1972 по 1977 год в опытах высевалась пшеница Саратовская 29, а позже Омская 9 в оптимальные сроки (18-25.У). Норма высева 4-4,5 млн. всхожих семян на гектар. Посевные качества семян высокие (прил. I).
Вспашка проводилась плугом ПН-4-35 на глубину 20-24 см, плосх) Описан в третьей главе.корезная обработка на 10-14 см - плоскорезом КПП-2,2. Другие способы основной обработки осуществляли экспериментальными орудиями, о которых будет сказано в последующих разделах данной работы.
Отвальные фоны боронились боронами "ЗИГ-ЗАГ", стерневые ШГ-3 в два следа. Предпосевная культивация на глубину 5-7 см проводилась культиватором КПН-4А. Для посева в чистом пару использовалась дисковая навесная сеялка СН-24, а на стерневых фонах - СЗС-2,1. Посевы прикатывались катками ЗКК-6, а в фазу кущения, как правило, обрабатывались гербицидами 2,4-Д.
Дополнительные сведения по частным методикам представлены в соответствующих главах и разделах, а исследования, проведенные с целью совершенствования методологических решений, изложены ниже.
Диссертация подготовлена с учетом общих требований и правил оформления ГОСТ 71-76, ГОСТ 7,12-77, ГОСТ 16265-80, ГОСТ 7,32-81. Научно-технический бюллетень, вып. I. Новосибирск, Сиб. НИИ мех. и электриф. сел. хоз-ва, 1976. - 74 с.
3.2. Совершенствование методов. Отбор почвенных пробПроцесс отбора почвенных образцов из почвогрунтов с использованием ручных буров AM-I7, ЕП-44, бура Малькова и других систем, отнимают у исследователя много времени и сил. Особенно трудно выбирать пробы на тяжелых и иссушенных почвах. Попытки избавиться от ручного бурения за счет применения механических буров (мотобуры, буровой станок ПВБС, БЗШЗ-13 и др.) пока существенно не изменили положение (В.А.Емельянов, 1970).
В последнее время появились новые предложения. К ним относится бурильная установка ЕП-3 Ставропольского ПИИСХа и устройство для отбора монолита почвогрунта (//ntuties t 1974). Прииспользовании этих устройств, равно как и вышеупомянутых, уплотняются все новые участки опытной делянки, портится растительныйпокров.
Применение радиационных влагомеров и плотномеров также не обходится без предварительного бурения почвенных скважин. Этими приборами нельзя отобрать почвенные образцы.
Как видим, техническая задача отбора проб все еще надлежащим образом не решена. Поэтому в исследовательской практике опытных учреждений до последнего времени преобладает ручное бурение скважин. Изучение этого вопроса и поиск возможных решений, навело на мысль многократного использования одной и той же скважины в течение летнего сезона. Сущность метода заключается в том, что в намеченных точках (делянках) обычно до или сразу после посева механическим буром подготавливаются почвенные скважины. Из них специальным пробоотборником отбирается сразу 10 проб (через 10 см на глубину I м) для последующей их сутки. После отбора, скважина закрывается пробочным устройством до очередного срока отбора. При повторном взятии почвенных проб, пробочное устройство извлекается из скважины, а пробоотборником вновь выбираются почвенные образцы. Таким методом из одной скважины в течение лета можно выбирать пробы 3-4 раза, существенно снизив трудоемкость процесса отбора, повысив производительность труда и точность информации.
В 1979 г. для механизированного бурения скважин 'опытно-конструкторское бюро ЕЛО "Колос" совместно с лабораторией Агрофизики разработало и испытало новую бурильную установку, навешиваемую на трактор Т-40. Она состоит из подвижной I и неподвижной рамы 2 (рис. 3.1). К подвижной раме подводится вращательное усилие к буровым наконечникам 3. Последние выбуривают скважины. Затем установка поднимается в верхнее положение и переезжает на новое место.
3,а 1-1,5 минуты выбуривается одновременно 3 скважины глубиной 1,2 м и диаметром 60 мм (рис. 3.2).
Рис. 3.1. Бурильный станок JУ '/• ■Ч * *# ''Si" I >,' <л *<-- ЩЛЖРис. 3.2. Вид скважиныРис. 3.3. ПробоотборникРис. 3.4. Пробочное устройствоПроверка, проведенная- отделом испытаний ОКБ, показала хорошую эксплуатационную надежность машины.
С целью уточнения сходимости показателей влажности почвы, взятой из контрольных (ручным буром - AM-I7) и экспериментальных скважин,.пробы со стенок скважин выбирались с глубины 0-15 мм (табл. 3.1).
Таблица 3.1Влажность почвы (%) при различном способе отбора пробСлой {Контрольная! Экспериментальная! рячттштя ! ттпр а почвы,см ! скважина ! скважина ! ; пиг05» /00-50 19,0 18,3 -0,7 1,0150-100 17,1 16,4 -0,7 0,740-100 18,0 17,4 -0,7 0,80Из таблицы видно, что пробы, взятые из экспериментальной скважины, близки по показателям влажности к контрольной скважине, что явилась основанием для внедрения способа в практику работы нашего отдела.
Для отбора почвенных проб из горизонтов почвенной скважины, разработан и испытан пробоотборник (а.с. 658430, 827999). Он состоит из рукояток I, цилиндра 2, скребков 3 (рис. 3.3).
Испытания показали хорошую работоспособность прибора. Проверка сходимости показателей влажности почвы проводилась так: ручным буром бурились скважины, послойно (через Ю см) отбирались пробы. Затем из этих же скважин отбирались пробы пробоотборником, путем поворота за рукоятки I цилиндра 2 вокруг оси. Отведенные скребки 3, срезая почву со стенок скважины сбрасывают ее через окно 4 в камеру 5. Результаты показателей влажности приведены в таблице 3.2. Уровень влажности проб, отобранных ручным буром и пробоотборником, одинаков.
В качестве пробочных устройств для закрытия скважины испыты-вался целый ряд материалов. Наиболее практичным, дешевым, обеспечивающим оптимальный почвенный климат в пристенной зоне скважины, оказался пенопласт. Диски I из пенопласта вырезаются и нанизываются на металлический стержень 2, формируя пробку в целом длиной 60 см (рис. 3.4). Для лучшего удержания пенопласта через 10-15 см ставятся резиновые диски 3. Чтобы не просыпалась почва в скважину, сверху ставится капроновый диск 4, а выше, с целью удобного извлечения пробки из скважины, стержень изогнут в виде крючка 5 (а.с. 675341).
Результаты проверки показателей влажности почвы свидетельствуют о том, что пробочное устройство из пенопласта, простоявшее 30 дней, обеспечивает в пристепной зоне скважины влажность, близкую с контрольной (табл. 3.3, прил. 2).
Специальные исследования показали, что пенопласт, находящийся в "агрессивной", биологически активной почве, в течение двух лет практически не меняет своей прежней массы и механической прочности.
Послойная влажность почвы, % в контрольной и экспериментальной скважинеГоризонт,! Контрольная! Экспериментальная! Отклонение !НСРпСг,% см ! скважина ! скважина ! - ! иою 25,3 24,7 -0,6 1,420 25,4 23,3 -1,5 2,030 22,3 22,0 -0,3 2,840 19,4 19,2 -0,2 2,950 16,4 16,6 -0,2 2,860 15,2 16,8 +1,6 0,370 15,7 ' 16,7 +1,0 0,580 16,5 17,8 +1,3 1,290 17,0 17,6 +1,6 2Д100 16,3 16,9 +0,6 0,93.2. ПробоотборникПлотность почвы - важный агрофизический показатель, особенно при изучении приемов обработки почвы. Точность определений существенно зависит от конструктивных особенностей прибора.
О методах и особенностях устройства пробоотборников детально рассматривается в работе Л.С.Роктанэна,(1973). Давая оценку бурам системы П.А.Некрасова, Калентьева, И.М.Литвинова и на основе своих экспериментальных исследований, он усовершенствовал конструкцию стакана, обеспечивающего лучшую точность определения плотности. Однако и в этом случае приходится откапывать ямки, а исполнителю обладать достаточным навыком: готовить площадку, погружать и извлекать стакан из почвы, очищать от нее и т.д.
Из патентной литературы известны ручные буры В.М.Соколова и Г.Ф.Каримова (а.с. 185542, 1966), Ю.И.Ковтуна (а.с. 24I2I4, 1969)и др. Они также существенно не улучшают качественные показатели отбираемых проб.
Учитывая указанное положение, нами совместно с ОКБ СибНИИСХоза создан и внедрен в практику исследований пробоотборник (а.с.467250, 500488). Его технологические особенности заключаются в том, что пробоотборник погружается в почвенную скважину (после выборки проб на влажность) и из ее стенок в трех слоях (2-Ю, 10-18, 18-26 см), одновременно в двух повторностях вырезаются почвенные образцы. Последние переносятся в полиэтиленовые мешочки и взвешиваются. Определив мдссуабсолютно-сухой почвы и зная объем камеры пробоотборника, находится объемная масса почвы в заданном горизонте. Объем камерыСравнительные испытания пробоотборника и контрольного способа - с помощью стального стакана объемом 100 см3, показали, что пробоотборник позволяет повысить производительность труда в 2-3 раза, сокращает субъективные моменты в процессе отбора, повышает точность показателей (табл. 3.4), уменьшает разрушенную площадь растительного покрова.
Устройство для закладки целлофановой пленки в почвуРаботами b,£tmcch, 968),К.Кихы'аг (i950)tjtd.wetvt (1959),Л.Д.Тихомировой (1973) показана связь между степенью разложения целлюлозы, интенсивностью биологических процессов в почве и урожаев сельскохозяйственных культур.
С целью получения текущей.контрольной информации о ходе биологических процессов в почве И.С.Востров и А.Н.Петрова (I96X)137 см3 (рис. 3.5).
Однако подходящих устройств для ввода в почву целлофановой пленки не было. Правильность закладки, результаты опыта, во многом зависели от навыков и квалификации исполнителя. Первой попыткой решения этой задачи является прибор для определения плодородия почвы (а.с. 480016, И.К.Пукинец, Л.Д.Тихомирова, 1972). Практика использования этого прибора выявила ряд его недостатков - это трудоемкость введения кассеты в почву и извлечения ее, особенно на тяжелых уплотненных и сухих почвах. При введении кассеты в почву пристенный профиль щели деформируется, в результате чего в слое 0-Ю смобразуется зазор между почвой и целлюлозной пленкой. Это ухудшает контакт и ослабляет процесс разложения пленки. А в горизонте 1020 см наоборот пленка очень плотно прилегает к почве, вызывая пристенное переуплотнение, подток влаги и повышенное ее разложение.
Из-за высокой теплопроводности стального корпуса кассеты может повышаться температура почвы и, как следствие, искажаться процесс разложения пленки.
С целью устранения указанных недостатков нами бшго разработано новое устройство, при использовании которого отпадает необходимость в изготовлении стальных кассет, существенно облегчается введение пленки в почву и извлечение из нее (а.с. 516958, В.Н.Слеса-рев, 1978).
Трубка-обечайка I (рис. 3.6) имеет продольный вырез 2.
Рис. 3.6. Устройство да введения в почву целлофановой пленкиПленочное устройство состоит из пленочной основы 3 (очищенная фотопленка) на которую крепится сетчатый мешочек 4 из лавсановой ткани. Б него вкладываются две взвешанные целлюлозные пленки для горизонта 0-10 и 10-20 см.
Пленочное устройство в почву вводится так. В почвенную скважину, выбуренную на глубину 22 см, опускается трубка-обечайка вместе с пленочным устройством, предварительно свернутым и вставленным в трубку. Затем пальцем вдоль продольного выреза проталкивают пленочное устройство вниз, и трубку-обечайку одновременно извлекают из скважины. Пленочная основа, обладая упругостью, прижимает мешочек с целлюлозной пленкой к стенке скважины. Для лучшего контакта пленки с почвой в полость скважины засыпается ранее извлеченная почва. На поверхности остается конец пленочной основы, за который впоследствии извлекаются все устройство.
С целью сравнительной оценки достоинств пленочного устройства проводились лабораторные и полевые испытания. В лабораторных испытаниях использовался выщелоченный среднесуглинистый чернозем. В просеянную, увлажненную и уплотненную почву закладывали кассетное и пленочное устройство, выдерживали 16 дней, а затем пленки обрабатывались.
Полученный материал (табл. 3.5) свидетельствует о том, что с повышением влажности почвы растет и степень разложения пленки в обоих случаях. Однако при закладке пленочного устройства разложение пленки в слое 0-20 см увеличивается с 28,6 до 43,0$, то есть на 14,4$, а при закладке кассет - с 28,6 до 35,6$, или на 7$. Как видим, пленочное устройство более чувствительно реагирует на почвенные условия. Проверка в полевых условиях показала аналогичные результаты.
Коэффициент корреляции ( 8 ) между показателями разложенияСтепень разложения целлюлозной пленки в зависимости от увлажнения почвы и способов закладки (плотность почвы 1,1 г/см3, 1975Г.)Слой почвы, смУвлажнение, % к массе абсолютно сухой почвы12,4!пленочное! !устройст-! ! во !21,4!пленочное! !устройст-! ! во !28,6пленочное! устройст-! во !кассетакассетакассета0-10 29,2 15,8 28,1 10,5 40,6 15,4 10-20 28,0 40,4 30,1 41,1 45,5 55,7 0-20 28,6 28,1 29,1 25,8 43,0 35,6целлофановой пленки и урожаем по наиболее деятельному горизонту почвы (10-20 см) при кассетном способе составил 0,34, при закладке пленочного устройства 0,37.
Устройство для определения усадки и набухания почвыПри исследовании почвенных деформаций возникла необходимость выявить характер объемных изменений различно уплотненной почвы в процессе ее увлажнения и сушки.
Ознакомление с методической литературой показало, что величина набухания почвы обычно определяется на приборе ПНГ-I. На нем можно учесть начальные и конечные показатели набухания и усадки индикатором ИЧ-Ю.
В.А.#ранцесон (1963) динамику усадки и набухания изучал по методу М.Х.Пигулевского (парафинирование глыбок почвы), но изменил метод таким образом, что стало возможным многократно определять объем одной и той же глыбки почвы при различной влажности.
Б.А.Доспехов, И.П.Васильев, А.М.Туликов (1977) считают возможным процесс усадки изучать методом сушки и периодических замеров почвенного образца.
Исследование усадочных деформаций другими методами, проведенные А.И.Куценко (1953), Б.И.Потаповым (а.с. 346280) и В.И.Уваровым (1972), показало, что существующие методы и приборы не позволяют установить усадочные показатели почвы с различным исходным уплотнением. Поэтому мы вынуждены были модифицировать прибор ПНГ-1, предназначенный для определения величины набухания, придав ему возможность фиксировать объемные изменения образца через заданные интервалы сушки.
На рис. 3.7 показана схема прибора. Определение усадочных показателей производится следующим образом: заданное количество почвы увлажняется до расчетного уровня, засыпается в цилиндр и уплотняется. Так заряжаются все цилиндры. Сблокированные четыре кассеты ставятся на подставку в шкафу, а пятая (отдельная) на чашку весов.
Как только масса кассеты с почвой становится меньше установленной массы разновесов, положение чашек весов меняется, происходит замыкание ртутного контактного устройства и включение сигнального звонка.
В процессе сушки монолит почвы уменьшается в объёме, что через диск и пластину регистрируется индикаторами, затем задается новая меньшая масса разновесов и чашка с контактом вновь занимает прежнее "выключенное" положение. Так периодически на различных уровнях увлажнения записываются показатели вертикальной и горизонerРио.ЗДПринципиальная схема прибора для определения объемной усадки почш.
1. Решётка2s Лампа накаливания 3. Термометр 4* Сигнальный звонок 5* Электросеть6. Выключатель7. Ртутное контактное устройство8. Груз 94 Весы 10* Кассета11. Блок кассетОСРис. 3<St Схема устройства кассеты для определения объемной усадки почт.
12. Индикатор ИЧ-Ю; 13» Регулирована я тру ока, 14. Цилиндр; 15» Корпус,16.-Решетчатый диск;17. Пластина;18. Индикатор J14-10;19. Почва,20. Решетчатое дно.тальной деформации монолита, что в конечном итоге позволяет рассчитать общий объем усадки при различном уровне плотности и влажности. Набухание происходит в результате капиллярного подпитывания образца до постоянных показателей индикатора.
Регистратор вертикальных деформаций почвыВ практике земледелия и в почвенных исследованиях часто необ& ходимо знать динамику уплотнения и разуплотнения почвы, происходящую в течение вегетационного периода. Однако.до сего времени эти показатели учитываются недостаточно. Отчасти это происходит из-за их недооценки, а главным образом, из-за отсутствия на местах: простых, точных и дешевых контрольных приборов.
Попытки создания устройств для регистрации изменений плотности почвы делались давно. Так, А.Г.Дояренко (1963) слеживаемость почвы учитывал плоскостным профилемером конструкции П.А.Некрасова. П.И.Андрианов (1928), детально рассматривая оседание почвы, замерял этот процесс разработанным им высотомером. Состоял он из неподвижного и подвижного стержня. Первый, нижним концом упирался в "подошву" пахотного слоя, а второй - в его поверхность. С помощью штангенциркуля по нониусу с точностью до 0,1 мм замерались изменения высоты пахотного слоя.
В.В.Квасников (1959) предложил метод стержней. Отличается он от метода П.И.Андрианова тем, что в слой Ю, 20, 30 см закладываются рядом по двадцать стержней и по их среднему вертикальному смещению судят о деформации того или иного слоя почвы.
Б.И.Потапов (а.с. 346280) предложил устройство, состоящее из полой штанги и двух пластинчатых индикаторов для замера деформации всего пахотного слоя и его части. Общим недостатком вышеуказанных устройств является мелкая фиксация неподвижного стержня (зона "подошвы"), относительно которого учитывают вертикальные деформациипахотного слоя. Сама "подошва" в связи с изменением температуры и влажности почвы также вертикально перемещается, не показывая размеры оседания подпахотного слоя. Недостаточно совершенны конструкции и точность индикаторных устройств.
Наряду с этим направлением оценки изменений плотности почвы в исследовательской практике широко используется метод периодического отбора почвенных проб, по показателям плотности которых судят о динамике. Однако в силу большой пространственной пестроты сложения, особенно в пахотном слое, результаты таких определений сильно колеблятся и часто не отражают истинную картину происходящих в почве деформаций.
Анализируя многочисленные собственные данные и результаты других, исследователей (С.И.Долгов, И.В.Кузнецова, 1969; С.С.Сдобников, В.И.Беспамятный, 1970; И.Г.Головченко, И.И.Рубинштейн, 1972 и др.), полученные разными методами, мы пришли к выводу, что методика и устройство.для регистрации процессов деформации почвы недостаточно совершенны.
Разработанное и проверенное нами устройство позволяет учитывать процесс уплотнения и разуплотнения почвы в полевых и вегетационных опытах с точностью до 0,01 мм (В.Н.Слесарев, Ю.Ф.Бетехтин, 1976). Устройство устанавливается на почву после механических обработок, посева сельскохозяйственных культур и убирается перед уборкой урожая.
Регистратор вертикальных деформаций состоит из крестовины 3, состоящей из четырех прутков, приваренных к ступице 6 (рис. 3.9). На каждом прутке прикрепляется по две измерительных трубки 9 и 14. Такое устройство крестовины позволяет учитывать показатели деформации сразу в четырехкратной повторности и в двух слоях пахотного горизонта. Ступица к основанию 7 крепится шайбой 5 и гайкой 4.
456А АItwaРис.3.9. Полевой регистратор вертикальных деформаций почвы.
Рис.ЗЛО.Регистрация деформаций почвы в вегетационном сосуде.
Для регистрации деформации более глубоких слоев пахотного слоя рядом с пауком под внутреннюю измерительную трубку ставится почвозацеп. Он состоит из упорной пластины 15, навинченной на стержень 17 и закрепленной гайкой. Стержень на нижнем конце несет поч-возацепляющую острозаточенную пластину 18.
Для снижения трения между почвой и стержнем на него свободно надевается трубка 16 (металлическая или полиэтиленовая).
Устройство для учета почвенных деформаций в вегетационных сосудах (рис. 3.10) отличается тем, что измерительные трубки 2 для установки индикатора I приварены к пластине 3, а последняя винтами крепится к стенкам сосуда. В почву на заданную глубину устанавливается "паук" 4.
Принцип действия устройств для полевого и вегетационного опытов одинаков и основан на периодическом замере индикатором или штангенциркулем (при значительных деформациях расстояния между измерительной трубкой (неподвижная часть) и торцов головки болта"паука" (подвижная часть устройства). Периодически замеряя и записывая расстояния в миллиметрах, делаем вывод об уплотняющей или разрыхляющей деформациях почвы. Новую объемную массу находим по формуле:нпР = Р0(----), 0 Н0 ± Игде: PQ - исходная ОМ, г/см3; HQ - высота исследуемого слоя, мм; h - деформация почвы, мм.
Проверка нового метода определения с контрольным методом Н.А.Качинского показала высокую степень сходимости показателей объёмной массы пахотного слоя почвы (прил. 3). Предложенный метод менее трудоемок, точен и не требует нового отбора почвенных проб и их последующей обработки.
ПучинометрМорозное пучение почвогрунтов является одним из видов деформаций. Этот процесс сопровождается вертикальным выпучиванием горизонтов. Величина этого явления может регистрироваться прибором.. С целью изучения объемных изменений почвы при ее замерзании Н.С.Морозов (1975) использовал усовершенствованный прибор ПНГ-1 для определения набухания почвы. Понятно, что послойно в почвогрун-тах им нельзя замерять морозное пучение. В.О.Орлов (1962) указывает на возможность регистрации пучения с помощью пучинографа. При этом послойно в почвогрунт закладываются шашки, от которых информация передается на записывающее устройство. Недостаток прибора -нарушение естественного сложения почвогрунта.при установке шашек. Он устранен в приборе.ИДГ-I,' разработанном Б.Н.Мельниковым совместно с В.Б.Швецом и Л.М.Морозовым (1969). Принцип действия прибора основан на взаимодействии короткозамкнутых витков с автогенератором (датчиком). Для измерения деформаций в скважину послойно устанавливают кор откоз амкнутые витки, служащие марками. Датчик опускается в скважину по трубе, состоящей из диэлектрика на специальной мерной ленте. При прохождении датчика внутри любого из помещенных витков меняется ток в схеме,прибора. Отсчет по мерной ленте берется в момент максимального изменения тока, которое фиксируется миллиамперметром.
Величину деформации по глубине измеряют путем периодического определения отметок марок. Для этого ни&лированием определяют высотное положение одной из них относительно неподвижного репера. Положение других марок определяется с помощью прибора по отношению к занивилированной.
Сложность прибора и отсутствие детальных чертежей и объяснительной записки, вынудило нас разработать, изготовить (совместно с ОКБ НПО "Колос") прибор - пучинометр (рис. 3.II). Конструктивно он проще и рассчитан только для измерения процессов пучения с поверхности почвы на глубине 30, 80 и 160 см, то есть в той толще почво-грунта, где в основном происходят эти явления.
В основу работы прибора положено явление пучения, вызывающее вертикальную подвижку слоев почвы. Устройство устанавливается в почвенную скважину без нарушения естественного сложения почвогрунта.
Пучинометр погружается в скважину путем вращения трубы 2. Вит-ковый выступ I, взаимодействуя со стенкой скважины, способствует продвижению трубы вниз и ее фиксации в конечном нижнем положении. Передача движения морозного пучения на индикатор обеспечивается через диск 3, который врезается рукоятками II в стенки скважины, над ними ставятся индикаторы 5.
Периодически замеряя изменения положения дисков 3, вызываемое пучением, составляется динамика процесса в горизонтах почвогрунта.
4. ПОЧВЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИЙВ земледельческой науке все еще недостаточно полно разработано учение о почвенных деформациях. Именно они вызывают изменения физического состояния почвы. Это состояние динамично, особенно в деятельном корнеобитаемом слое почвы. На него оказывают влияние множество факторов: воздействие рабочих органов и ходовых систем машино-тракторных агрегатов, атмосферные осадки, положительные и отрицательные температуры, гравитационные силы, растения, микроорганизмы и т.д.Проблема эта сложна и в то же время актуальна.Современное научное земледелие должно знать пути, средства регулирования и поддержания оптимальных почвенных условий жизни растений,Для этого необходимо изучить количественные значения основных внешних факторов, воздействующих на физическое состояние почвы.
В связи с этим проведены исследования с целью уточнения, а в отдельных случаях и установления параметров некоторых почвенных деформаций при тех физических условиях почвы, которые преобладают в практике земледелия. Основные положения этих исследований показаны в нашей книге "Почвенные деформации и методы их исследования". Новосибирск, 1981, 60 с.
В науке встречаются попытки установить причины изменения сложения деятельного слоя почвы. В исследованиях и особенно в производственной практике,показатели сложения и его динамика часто недооцениваются и определяются по объемной массе или интуитивно. Научное земледелие не может мириться с таким положением. Между тем в промышленном, дорожном, городском строительстве вопросы деформации почвогрунтов изучены более глубоко и обстоятельно, - главным образом в трудах М.Ф.Киселева (1953), Н.Я.Хархуты и Ю.М.Васильева (1957,1964), Д.А.Соколова (1962),Н.А.Цитовича (1973).В своих исследованиях с целью правильного методического подхода (в отдельных случаях) мы обращались к этим работам.
Результаты исследований, излагаемые в настоящей работе, позволяют лучше понять и развить дальше это направление в земледелии.
4.1. Структурные связи почвогрунтовПочвогрунты представляют сложнейшие органо-минеральные дисперсные образования, прочностные свойства которых в основном определяются структурными связями между отдельными частицами и их агрегатами.
В основе природы этих связей лежат молекулярные силы электромагнитного происхождения. Эти силы проявляют свое действие между твердыми частицами (силы Ван-Дер-Ваальса) лишь при очень тесных контактах между частицами с расстоянием между ниш не более десятка слоев молекул.
Согласно физико-химической классификации дисперсных тел по П.А.Ребиндеру структурные связи водонасыщенных грунтов могут быть отнесены к к§)бгуляционным (при свертывании коллоидов), конденсационным (возникающие при уплотнении коагуляционных структур) и кристаллизационным связям, образующимся путем возникновения зародышей твердых кристаллических тел, их роста и взаимного срастания под действием межатомных химических сил (Н.А.Цитович, 1973).
Коагуляционные и конденсационные связи - шише, в большей или меньшей степени, восстанавливающиеся после их нарушения; кристаллизационные - хрупкие, прочные; не восстанавливаются после их разрушения.
Исходя из изложенного и опираясь на работу акад. П.А.Ребинде-ра, проф. Н.Н.Маслова, Н.Я.Денисова, А.К.Ларионова, коагуляционные и конденсационные связи еще называют водно-коллридными, вязко-пластичными, мягкими и обратимыми (Н.А.Цитович, 1973). Водно-коллоидные связи обусловливаются электромолекулярными силами взаимодействия между минеральными частицами,с одной стороны, и пленками воды и коллоидными оболочками - с другой. Чем тоньше водно-коллоидные оболочки, тем сильнее связи, так как увеличивается молекулярное притяжение диполей связанной воды и склеивающее действие веществ, обусловленное и некоторым растворением в воде глинистых частиц.
Н.А.Цитович (1973), ссылаясь на У.Лемба, указывает, что структура грунтов зависит не только от природы их структурных связей, но и от величины и характера контактов глинистых частиц между собой: "ребро в грань" (при рыхлом сложении) или "грань с гранью" (при более плотной укладке).
В научной агрономической литературе мало работ, посвященных изучению природы структурных связей почвы. Исследования, проведенные П.В.Вершининым (1958), М.М.Филатовым (1963), И.Б.Ревутом, Н.А.Соколовской, А.М.Васильевым (1971), показывают, что формирование связей в органо-мкнеральной, дисперсной среде, которая подвергается постоянному физическому воздействию внешней среды и человека, - процесс довольно сложный, недостаточно еще изученный и управляемый.
М.М.Филатов, рассматривая деформации в связи с микроструктурой грунтов, большое разнообразие гранулометрических элементов делит на два комплекса: на глинистый и песчаный. Последние существенно различаются по своим механическим свойствам: по связанности, пластичности, по упругим и остаточным деформациям, по усадке. Эти различия объясняются неодинаковой формой, размерами частиц, а отсюда и различным проявлением сил поверхностной энергии.
Значительный интерес представляют обобщенные данные П.В.Вершинина (1958). Устойчивость почв к уплотнению, утверждает он, связана с водопрочноетъю почвенной структуры, содержанием гумуса и Тумановых кислот в нем. Кривая плотности различных типов почв СССР является как бы зеркальным отражением одинаковых кривых и характеризующих количество водопрочных агрегатов, содержания гумуса и гуминовых кислот (рис. 4.1). Иначе говоря, чем больше в почве гумуса, структурных отдельностей и выше прочность их связей, тем ниже плотность почвы, тем более устойчива она к уплотнению.
И.В.Кузнецова (1979), рассматривая критерии оценки физических свойств почвы,указывает, что устойчивость сложения во времени зависит от механической прочности структурных отдельностей. Пахотный слой обладает устойчивым сложением, если в нем содержится не менее 40-45$ водопрочных агрегатов > 0,25 мм. При меньшем их содержании почва уплотняется быстрее. Физические свойства при этом, особенно воздухо-водопроницаемость, ухудшаются.
По содержанию в почве водопрочных агрегатов > 0,25 мм можно прогнозировать устойчивость пахотного слоя к уплотнению, а также является важной теоретической основой совершенствования приемов механической обработки почвы.
На основании исследовательских материалов, полученных на черноземах Курской, Ростовской областей, на дерново-подзолистых почвах Московском области, на светлокаштановых почвах Волгоградской области, и обобщения литературных данных.И.В.Кузнецова предлагает ориентировочную шкалу оценки структуры и плотности пахотного слоя почвы среднего и тяжелого механического состава (табл. 4.33.
Делается вывод о том, что при содержании в почве 60-75$ водопрочных частиц, она может быть эффективна для различных видов минимальных обработок. Такой вывод, видимо, не может быть правомерным для всех случаев земледелия и нуждается в дополнительной экспе?йс,4ЛСбяэь между водопрочностыо почвеннойструктуры,общий запасом гумуса,гуминовых кислот в нем и плотностью в различных почвенных типах. I-количество водопрочных агрегатов; - П-содернание гумуса по отношению к мощному чернозему,принятому за 100%, ш-содержание гуминовых кислот (т/га) в слое 20 см. I-подзолистке почвы;2 -деградированные черноземы;3-ыощные черноземы; ^-обыкновенные черноземы;5-каштановые почвы;ь-сбооземк;/-красаоземы^-подзолистые почвы субтропиков (по П.Б.Вершинину).
Оценка структуры и плотности пахотного слоя (по И.В.Кузнецовой)С оде ржание! Оценка}водопрочность!устойчивость фг5 \ п о?! структуры !сложения поти $ !!Равновесная плотность сложения, г/смзОценка плотности<10 неводопрочная 10-20 неудовлетворит.
20-30 недостаточно удовле творит.
30-40 удовлетворит.
40-60 хорошая60-75 отличная> 75 избыточно высокаянеустойчиваянедостаточно устойчиваустойчиваявысокоустои-чивая1,51,4-1,51,3-1,4 1,2-1,3 1,1-1,21,0очень плотноеплотноеуплотненноеоптимальная (типично для пашни)рыхлое (пашня)рименталъной проверке в конкретной почвенно-климатической зоне и технологии возделывания сельскохозяйственных культур.
Руководствуясь ориентировочной шкалой оценки структуры и сложения почвы и обобщив материалы по этим показателям, полученные исследователями Западной Сибири, черноземы различных подтипов можно отнести к устойчивому и недостаточно устойчивому типу сложения (табл. 4.2). Так, содержание водопрочных агрегатов > 0,25 мм на выщелоченных черноземах в пахотном слое колеблется от 12,4 до 93$, обыкновенных от 32,4 до 37,8$, южных от 32,8 до 70,4$, а плотность составляет соответственно от 0,93 до 1,17 г/см3, от 1,05 до 1,08 и от 1,08 до 1,13.
Деформации и методы их исследования. Почвенные деформации в литературе часто описываются как процесс усадки, набухания, просадки, механического рыхления, уплотнения и т.д. Между темСодержание водопрочных агрегатов > 0,25 мм и плотностьпахотного слоя черноземовМесто положения!Содержа-! !нпе arpe-f !гатов !! > 0,25мм! • % •Автор!Плот-Место !ность положения!почвы, !г/см5 tАвторГорьковский р-н, Омская областьПрокопьев-ский ГСУ, Кемеровская областьСибНИИСХоз, Омская областьСибШШСХоз, Омская областьОмский р-нS3,047,6 45,573,412,424,0Москаленекий р-н, Омская областьTJволщшшскии р-н Алтайского края32,4 37,8Черноз ем выщелочепныйс-зский",ТюН.Д.Градобоев, Б.М.Прудникова, И.С.Сметанин, I960К.П.Гортенин, 1956с-з "Багайменекая областьм0,95с-з 71ШШский", ТКЬ менекая область"О..Н.Слесарев, 19791,09 1,17А.И.Шевлягин, 1972A.Н.Мищенко,B.И.Прудникова, 1971с-з "Абат-ский",Тюменская областьс-з "Красноярский" Омская обл.0,93СибШИСХоз 0,91Чернозем обыкновенныйК.П.Горшенин, 1955В.П.Панфилов, 1973Южный черноземс-з Центр.-Любинекий, Омская обл.1,05с-з "Осо-кмнекий", Омская обл.1,08Б.С.Соколов, 1968Русско-Полян-ский ГСУ, Омская область 70,4Новосибирская область 41,0Новосибирская: область 32,8Н.Д.Градобоев, В.Ж.Прудникова, И.С.Сметанин, I960В.П.Панфилов, 1973с-з«Русоко-Полянский!1 Омская область 1,08с-з "Черлак-ский", Ом- 1,16екая обл.с-з "Розовский", Ом- 1,13екая обл.
Н.Я.Хархута и Ю.М.Васильев (1964), изучая устойчивость и уплотнение грунтов дорожных насыпей, делают попытку классифицировать деформации почьогрунтов в зависимости от причин их вызывающих.
Они выделяют:- деформацию консолидации, вызывает постоянно действующей нагрузкой вышележащих слоев почвы;- деформацию, вызываемую ходовой системой транспортных средств;- деформацию просадки и набухания, вызываемую воздействием воды, уплотняющей рыхлую и разуплотняющей плотную почву, и деформации морозного пучения и оттаивания.
Видимо, в эту классификацию следует внести и деформацию усадки, связанную с высыханием почвы, и деформацию, вызываемую ростом корневых систем растений.
Известно, что в природе, как правило, те или иные почвенные деформации протекают совместно или в р;акой-то последовательности, оказывая то или иное влияние на физическое состояние почвы. Для уточнения количественных характеристик целесообразно их рассмотреть отдельно, а также в том сочетании, в каком они наблюдаютсяона сельскохозяйственном поле.
4.2. Деформации консолидацииПочвогрунты в отличие от твердых горных пород обладают важным свойством изменяться в объеме под влиянием внешних воздействий. Это свойство обусловлено дисперсностью, пористостью и мягкими структурными связями.
При уплотнении (сжимаемости) почвы под влиянием сплошной постоянной нагрузки (компрессии грунтов) Н.А.Цитович (1973) выделяет два диапазона давлений: когда внешнее давление меньше прочности структурных связей; и когда эти связи преодолеваются. В первом случае уплотнение грунта не происходит, так как под действием внешней нагрузки возникают упругие деформации структурных связей и грунт деформируется как сплошное квазптвердое тело. Во втором случае, то есть когда структурные связи преодолены, грунты уплотняются значительно, В грунтах с водно-коллоидными связями уплотнение будет происходить за счет сжатия водно-коллоидных оболочек минеральных частиц с выдавливанием некоторого количества воды, а также в известной мере за счет ползучести грунта. Для грунтов, обладающих одновременно и мягкими водно-коллоидными и жесткими кристаллизационными связями, процесс уплотнения будет значительно сложнее.
Следует подчеркнуть, что такое объяснение процессов уплотнения вытекает из природы самого грунта, физико-механические свойства которого отличаются от почвы.
Почвенный корнеобитаемый слой, состоящий из органической, минеральной части, почвенной влаги и воздуха, обладает мягкими и жесткими структурными связями.
Каковы параметры структурных прочностных связей под действием сплошной равномерно распределенной нагрузки (например, массы вышележащих слоев почвы) при прочих равных условиях, недостаточно ясно.
Например, С.А.Воробьев (1972) пишет, что сложение и строение почвы в течение года значительно изменяется под воздействием ряда причин: оседания под влиянием собственной массы и т.д. Об оседании почвы говорит также Н.А.Майсурян (1971). Деформация консолидации (сжимаемость) почвы частично изучалась А.Г.Дояренко (1963), регистрировавшим ее с помощью профиломера конструкции П.А.Некрасова.
Н.Я.Хархута и Ю.1Л.Васильев (1964) подчеркивают, что деформация консолидации продолжается длительное время и идет со всепонижающейся скоростью.
П.В.Вершинин и др. (1959), рассматривая вопрос уплотнения почвы, указывают, что этот процесс происходит под влиянием давления и увлажнения почвы. Как видим, попытки уточнения количественных значений деформации консолидации делались и раньше.
С целью установления количественных величин этого вида деформации на слабовыщелоченном средне суглинистом черноземе Прииртышья нами проведены соответствующие исследования.
Методика и результаты исследованийПочва для лабораторного опыта бралась из слоя 0-25 см, тщательно перемешивалась. Затем определялись ее влажность и агрегатный состав. Доля водопрочной фракции > 0,25 мм в пробах составляла 39,6$. По оценочной шкале И.В.Кузнецовой - это устойчивая к уплотнению почва.
Почва делилась на три части. Одна часть увлажнялась до влажности завядания (12,4$), вторая - до влажности разрыва капиллярной связи (21,4$) и третья - до наименьшей влагоемкости (28,6$). По истечении 8-Ю дней влажность смоченной почвы выравнивалась и образцы почвы были готовы к опыту.
С целью уточнения процессов оседания рыхлой и плотной почвы в одной группе цилиндров создавалась насыпная плотность, а в другой искусственная, доведенная до 1,23 г/см3(предположительно равновесная плотность).
Для исключения усадки почвы нужно было предупредить процесс испарения вода. В связи с этим половина рыхлых и уплотненных вариантов была герметизирована полиэтиленовой пленкой 8. В этом случае головка стержня индикатора упиралась в стержень.диска через слой пленки, герметизирующей цилиндр. Зная величину оседания почвы в открытых и герметизированных цилиндрах, устанавливалось значение усадки, вызванное высыханием почвы.
В августе 1973 г. по данному методу был заложен первый, а в сентябре 1974 г. - второй (дублирующий) опыт. Регистрация показателей почвенных деформаций и температуры почвы проводились через каждый месяц. Итоги наблюдений представлены в табл. 4.2 и рис. 4.3, 4,4, 4.5 и 4.6.
Полученный материал позволяет сделать следующие выводы.
Почва плотная,увлажненная до:1-НВ;2-ВРК;3-ВЗ. Почва рыхла я', у план-ночная до;'иНВ;5-ВРК;6-ВЗ;7-гемпература воздуха.ш о»/№г X Ml/9/dr. /У V!Рис А-6 Деформация почвы в закрытых (А) и открытых (Б) сосудах при переменныхтемпературах. Почва плотная, увлажненная до: I - НВ: 2 - ВРК: 3 - ВЗ.
Почва рыхлая, увлажненная до: - НВ; 5 - ВРК; ь йЗ; 7 - температура воздуха, J- 0,015 и 0,022 г/см3. Аналогичная закономерность, но количественно менее выраженная, наблюдалась и на плотной почве с объемной массой - 1,23 г/см3.
Из выше изложенного следует, что рыхлая слабоувлажненная почва самоуплотняется сильнее, чем более увлажненная.
Учитывая крайне небольшие величины самоуплотнения плотной почвы, следует предположить, что величина 1,23 г/см3 близка к равновесной плотности слабоЕЫщелоченннх средне суглинистых черноземов Омского Прииртышья.
Анализ количественных значений почвенных деформаций, происшедших в открытых сосудах в условиях положительных температур, показывает, что уплотнение также зависит от уровня исходной влажности, но б меньшей степени. В открытых сосудах почва уплотнилась больше, чем в закрытых. Объясняется это тем, что в первом случае идет усадка и самоуплотнение, а во втором только самоуплотнение.
Характер почвенных деформаций при воздействии положительных и отрицательных температур несколько отличается от деформаций, происходящих только при положительных температурах (рис. 4.5, 4.6). На рыхлой и плотной, различно увлажненной почве, при отрицательных температурах в отрытых и закрытых сосудах отмечаются лишь незначительные объемные изменения, связанные с зимними температурными колебаниями.
Однако существенного уплотнения рыхлой почвы зимой не происходит. Это и понятно, так как связанная кристаллами воды почвенная масса удерживается в стабильном объеме. Заметное уплотнение рыхлой различно увлажненной почвы происходит в период положительных температур. Суточные и сезонные колебания температур, вызывая объемные изменения почвы в открытых и закрытых сосудах, практически одинаково уплотняли почву. На плотной почве произошли очень слабые (особенно в закрытых сосудах) объемные изменения почвы.
Таким образом, рыхлая увлажненная почва при отрицательных температурах слабо уплотняется, а в период положительных температур уплотнение идет более высокими тешам, чем в сосудах при постоянной положительной температуре. Плотная почва четко сжимается от отрицательных температур и расширяется от положительных, существенно не отклоняясь от исходного объема.
Выше рассматривались деформации происходящие во всей массе почвенной колонки. А программа опытов предусматривала раздельный учет и нижнего слоя почвенной колонки (табл. 4.3).
Полученная информация однозначно свидетельствует о том, что за 1X85 дней в открытых сосудах четко прослеживается большее уплотнение нижнего слоя почвенной колонки и меньшее верхнего. В закрытых сосудах это выражено лишь при низком и высоком уровнях увлажнения.
Как видим, статическая нагрузка верхних различно увлажненных слоев почвы оказывает дополнительное уплотняющее воздействие, формируя более высокую плотность нижележащих слоев.
4.3. Деформация набухания и просадкиВ настоящее время существует две ведущих теории, объясняющих механизм набухания: капиллярная и теория сольватных оболочек (Б.Н.Рутковский, 1959; , 1974). Первая процесс набухания объясняет силами внутреннего капиллярного давления. Внутри почвогрунтов капиллярное давление отрицательное, а на поверхности оно равно нулю, следовательно вода будет передвигаться от поверхности во внутрь до тех пор, пока в массе почвы не исчезнет капиллярное давление. Вследствие этого почва набухает.
Теория сольватных оболочек исходит из представлений о двойном электрическом слое и рассматривает почву как конденсатор, одна обкладка которого находится в твердой, а другая в жидкой фазе.
Теория набухания, разработанная Б.В.Дерягиным и его сотрудниками (1947), объясняет это явление с несколько иных позиций: при гидратации почвенных частиц тонкие слои воды наращивают свою толщину до величины, равной 10-20 толщинам молекул воды, то есть до 30-60 S со строгой полярной ориентацией молекул по отношению к поверхности твердого тела. При увеличении толщины слоя воды гид-ратируемые частицы расклинивают смежные частицы почвы. Процесс продолжается до тех нор, пока расклинивающее действие не уравновешивается внешними силами, действующими на скелет почвы (обычнодавлением выше лежащих слоев).
В исследованиях Б.И.Рутковского (1959) чернозем среднегли-нистый с содержанием гумуса 7,6$, при начальной влажности 8,7$ и плотности 1,32 г/см3 в процессе набухания увеличивался в объёме на 25$. При увеличении исходной влажности до 15,5$ и при плотности 1,36 г/см3 величина набухания снижалась до 14$, а при дальнейшем увеличении исходной влажности почвы, величина набухания становилась еще меньше.
С увеличением начальной плотности почв в пределах одной исходной влажности возрастает величина набухания. Например, при плотности 1,32 г/см3 набухание составило 25$, а при 1,57 г/см3 -35$.
Величина набухания находится в зависимости от величины начальной влажности и плотности почвы. С увеличением толщины водной пленки, обволакивающей частицы грунтов в момент, предшествующий насыщению грунта водой и его набуханию, относительное набухание уменьшается. Объясняется это тем, что с увеличением начальной толщины водной пленки уменьшается количество слоев молекул воды, которые могут быть адсорбированы поверхностью частиц грунта при его насыщении. Расклинивающий эффект Дерягина, следовательно, будет определяться расстоянием между частицами (плотностью сложения), количеством слоев молекул воды, находящихся под влиянием адсорбционных сил твердых частиц грунта.
С целью уточнения количественных значений набухания местных среднесуглинистых выщелоченных черноземов был использован метод А.М.Васильева (Е.Г.Чаповский, 1966) и модифицированный прибор ПНГ-Х (рис. 3.7, 3.8).
При всех трех уровнях увлажнения (ВЗ, ВРК и НВ) задавалась плотность 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 и 1,3 г/см3. Определение проводилосьв 8-кратной повторности. Для исследования процесса набухания почва вначале просеивалась через 3-миллиметровое сито, доводилась по расчету до заданной влажности, выдерживалась 5-7 дней,а затем использовалась для опытов. Навеска почвенных проб в переводе на абсолютно сухое состояние во всех случаях была одинаковой - 41,8 г.
Насыщение почвы водой на приборе проводилось до стабильных показаний индикатора ИЧ-Ю.
Сопоставляя величину набухания абсолютно сухой почвы в зависимости от ее плотности, наблюдаем довольно существенное ее разуплотнение (табл. 4.4, рис. Причем расклинивающее действие воды возрастает по мере увеличения плотности. Эта закономерность проявляется и с возрастанием начальной влажности почвы от 12,4 до 28,6%. Однако величины набухания становятся все меньше, а при уровнях увлажнения ВЗ, ВЕК и НВ при самом рыхлом сложении (0,9 г/см3), в связи с насыщением почвы водой, происходит даже её просадка. Связь между набуханием и плотностью почвы при различном исходном ее увлажнении может быть представлена следующими уравнениями:V, 44,5- 32,7; 49,8 d - 48,4;V3W#&= 34,8 of - 34,1,где Vi Vi Уз - набухание, соответственно при абсолютно сухой почве, влажности завядания t при влажности разрыва капиллярной связи И наименьшей влагоемкости; d - объёмная масса, г/см3.
Таблица 4.5Динамика деформации различно уплотненной почвы в сосудах за летний период (1974 г.)Заданная плот-!Исходная высота!Деформа- Шзменение ность почвы, ! слоя почвы, ! ция, ! ^/^.з г/смЗ ! мм ! ± мм ! г/смСосуды с растениями пшеницыНСР,050,9 235 -8,09 0,0331,0 212 -2,04 0,0101Д 193 -0,55 0,0031,2 177 +0Д7 0,0021,3 167 +0,45 0,003ММ 1,50 Сосуды без растений 0,9 235 -9,73 0,0391,0 212 +0,51 0;0021,1 193 +0,95 0,0051,2 177 +0,65 0,0041,3 167 +0,17 0,002■ мм 1,32 НСР05Примечание. - уплотнение, + разуплотнение почвенного слоя, мм.
После создания в сосудах различного сложения, почва в течение лета много раз поливалась с целью поддержания необходимой влажности. Поливы в форме дождя вели к уплотнению, просадке рыхлой почвы и разуплотнению более плотной. Однако в сосудах с растениями пшеницы, просадка затухала при плотности 1,1 г/см3, а без растений - при 1,0 г/см3. Повидимому, корни, разрастаясь,также сжимают почву.
После механических обработок почва уходит в зиму с различной плотностью. Многочисленные опыты показали также, что плотность почвы после одной и той же обработки, но с различной исходной влажностью, имеет различное сложение (табл. 4.6).
4.4. Тепловые деформацииОдним из важных физических факторов, вызывающих объемные изменения почвы, является переменное (сезонное, суточное) тепловое воздействие. Особенно интенсивно оно в ее верхних слоях. В результате в почве идет регулярное сжатие и расширение почвенных агрегатов, оказывая механические и другие воздействия на меж- и внутриагрегатные связи. При этом может усиливаться или ослабляться процесс деформации, уплотняя или разуплотняя почву. С целью уточнения величины и характера этого процесса в поле устанавливалось специальное устройство, изготовленное на базе регистратора вертикальных деформаций почвы (рис. 4.II). Оно состоит из регистратора, включающего стержень 6, крестовину 4, "паук" I и индикатор 5, а также записывающее устройство, включающее барабан 3 и рычаг с пером 2.
Учет тепловых деформаций проводился на рыхлой (0,9 г/см3) и плотной (1,2 г/см3) почве. Температура воздуха записывалась термографом.
4.5. Усадочные деформацииП.В.Вершинин (1958), рассматривая вопрос усадочных явлений, отмечает, что высушивание почвы, без давления из вне, ведет к ее уплотнению. Оно возникает под влиянием капиллярных сил, обеспечивающих взаимное сближение почвенных частиц и уменьшение объема почвы. Ввиду неоднородности (анизотропности) почвы направление этих сил различно. Поэтому возникают и различные напряжения, в результате которых появляются трещины. В работах М.С.Острикова, Г.Д.Диброва, Е.П.Даниловой, А.С.Аведикова и др. (1958-1963 гг.) показана природа сил, вызывающих сжатие пористых и дисперсных систем при высыхании.
Было установлено, что в начале сушки усадочные напряжения незначительны, в середине резко возрастают и в конце затухают. Такой характер объясняется тем, что в начальный период сушки капиллярные силы действуют только в жидкой фазе, создавая в ней относительно малое отрицательное давление. Далее по мере постепенного обезвоживания, распространения сил и роста поверхности раздела вода-воздух, проявляются более существенные сжимающие усилия с образованием трещин. Дальнейшая сушка приводит к полному исчезновению напряжения капиллярной контракции.
В.А.Францесон (1963), исследуя вопросы набухания и усадки обыкновенного глинистого чернозема Каменной степи и используя усовершенствованный им метод, определил параметры и коэффициент объемных усадок. При высушивании почвы с влажностью от 44,5 до 6$ объемная усадка составила 21,6$, а коэффициент усадки 0,47.
На черноземных почвах юга Западной Сибири усадочные показатели не изучались. Рассматривая почвенные деформации и учитывая важное значение процессов набухания и усадки в обосновании и совершенствовании приемов обработки почвы, возникла необходимость уточнить параметры объемных изменений при высыхании местных черноземов. Определение усадочных показателей осуществлялось по методике, изложенной в разделе 3.2.
Результаты определений свидетельствуют о том, что средне-и тяжелосуглинистые черноземы лесостепной и степной зон (ОГК "Омское", "Новоуральское11) в результате высыхания подвергаются значительным объемным изменениям. Величина их зависит от уровня плотности и влажности почвы (табл. 4.7).
Анализ полученного материала показывает, что объемная усадка с«повышением плотности почвы уменьшается. Так, на выщелоченном черноземе (ОПХ "Омское") в слое 0-20 см общий объем ро-едв! уменьшается от 12,62 до 5,10$, а в слое 20-40 см от 10,76 до 7,52$. На обыкновенном черноземе (ОГК "Новоуральское") соответственно от 11,7 до 3,68 и от 5,96 до 4,31$. Снижение величины усадки можно объяснить тем, что более уплотненная почва имеет меньшую порозность, в процессе сжатия агрегаты быстрее входят в соприкосновение и образуют мало сжимаемый остов, препятствующий силам сжатия.
Усадка среднеуплотненной (1,1 г/см3) и переуплотненной (1,3 г/см3) почвы в верхнем 0-20 см слое и нижнем 20-40 см мало отличаются. Это объясняется сходством физико-химического состава слоев. Например, на выщелоченном черноземе емкость поглощенных оснований (мг-экв/100 г почвы) в верхнем слое составляет 24,1, а в нижнем 23,1. Сумма частиц размером < 0,01 мм соответственно 34,9 и 37,2$.
Объем усадки рыхлой (0,9 г/см3) почвы значительно выше иВлияние высушивания на величину усадки почвып f. Шлот- ! ' !ность !-см !почвы, 129-21,7 ! К,г ! г/см3 ! ! усИнтервалы влажности и объемная усадка, %!21,7-12,4! К сI I!12,4-9,2 ! К„с I т!Общая •j усадка,г/оСредний 1{УСВыщелоченннй среднесуглинистый чернозем (ОПХ "Омское")0-20 0,9 5,35 0,74 3,11 0,33 4,18 1,30 12,64 0,82 0,791Д 2,83 0,38 2,72 0,29 1,77 0,55 7,32 0,401,3 2,42 0,30 1,08 0,11 1,60 0,50 5,10 0,31 26 ,1-19,6 19,6-12,2 12,2-9,0 0,9 4,70 0,72 3,82 0,51 2,24 0,70 10,76 0,6420-40 1,1 3,02 0,46 2,56 0,34 2,38 0,74 7,96 0,71 0,511,3 3,71 0,57 2,27 0,30 1,55 0,48 7,53 0,45Обыкновенный тяжелосуглинистый чернозем (ОПХ "Новоуральское")0,9 3,03 0,34 5,73 0,47 2,94 0,81 11,70 0,540-20 1,1 1,96 0,22 3,03 0,25 2,66 0,73 7,65 0,90 0,401,3 1,38 0,15 1,12 0,09 1,18 0,32 3,68 0,18 28,4-21,3 21,3-14,0 14,0-10,5 0,9 2,19 0,30 2,45 0,33 1,32 0,37 5,96 0,3320-40 1Д 1,59 0,22 2,04 0,28 1,67 0,47 5,30 0,80 0,321,3 2,16 0,30 0,98 0,13 1,17 0,33 4,31 0,25отличается по слоям, особенно на обыкновенном тяжелосуглинистом черноземе.
Что касается объема усадки на единицу испарившейся воды, то наиболее значительное уменьшение объема выщелоченного чернозема происходит в интервале среднего и низкого увлажнения. Так, например, при снижении влажности с 29,0 до 21,7$ рыхлая почва (0,9 г/см3) имеет коэффициент усадки 0,74, от 21,7 до 12,4$ - 0,33 и от 12,4 до 9,2$ он составляет 1,3. К кощу сушки коэффициент усадки возрастает и при более плотной почве, однако на меньшую величину.
На тяжелосуглинистом обыкновенном черноземе коэффициент усадки возрастает по мере высушивания почвы. Если в интервале влажности от 28 до 21,4$ на рыхлой почве (0,9 г/см3) в слое 0-20 см он составил 0,34; от 21,4 до 12,4$ - 0,47; то при сушке от 12,4 до 9,2$ он возрос до 0,81. Подобная зависимость отмечается и в слое 20-40 см.
Повидимому, такой характер усадки связан с более высокой дисперсностью, меньшим содержанием гумуса, иным количественным и качественным составом поглощенных катионов. На обыкновенных глинистых черноземах В.А.Францесон (1963) также отмечал возрастание коэффициента усадки к концу сушки.
4.6. Криогенные деформацииУвлажненные почвогрунты при отрицательных температурах увеличивают свои объем, что ведет к пучению, причем с глубиной этот процесс ослабляется 1930; М.С.Успенский, 1957; Д.А.
Соколов, 1962; М.Ф.Киселев, 1956). Показатели криогенных деформаций зависят также от плотности и структуры почвы. Рыхлые (из-за пустот) и плотные (из-за малой влагоемкости) почвы слабопучини-сты. Среднеуплотненные при полном замолнении пор водой деформируются более значительно за счет собственной воды и ее подсоса снизу. Структурность почвы ослабляет пучение (Н.Я.Хархута, Ю.М.Васильев, 1957).
В.О.Орлов (1962) указывает на равномерность и неравномерность процесса пучения почвогрунтов. Пучение верхних слоев за сутки может достигать 7-9 мм, а максимальная общая величина в двухметровой толще 80-150 мм.
Пленочная вода способна цементировать минеральные частицы грунта и вызывать пучение. Первые очаги зарождения кристаллов наблюдаются в свободной воде.
Основным свойством пучинистости грунтов является наличие в них пылевидных частиц от 0,5 до 0,005 мм. Наиболее пучинистые содержат их от 30 до 80$. Пески мшюдиспарсны, поэтому слабопу-чинисты.
С целью уточнения показателей криогенных деформаций на выщелоченном среднесуглинистом черноземе в сентябре 1974 г. в подготовленные почвенные скважины были установлены пучинометры. Замеры температуры и послойных деформаций почвогрунта производились через каждый месяц.
Для выяснения влияния уплотнения и увлажнения почвы на величину пучения пахотного горизонта (0-25 см) изучались следующие варианты: почва рыхлая (плотность 0,9 г/см3) и плотная (плотность 1,2 г/см3) увлажняемая атмосферными осадками и неувлажняемая (поверхность почвы закрывалась пленкой). Анализ хода послойных деформаций показывает (рис. 4.ХЗ), что наибольшие изменения а»о 33 РЧ 20- (V,Vf 53о £Сс: 10- го ргда а &>» fH О СП a -10• crjCD С £Я - азрн ш О | о ft iо 0>X хн 1974 fiIV 1/1 1975г.» x im*r""wsr? mРисАШослоЙные криогенные деформации почвогрунта. А-увлакняемого осадками, увлажнения осадками.Регистрация деформаций в слоа:1-деформация охотного слоя при плотности 0,9 г/см3,2-деформацин при плотности ).?- г/см3,3-поолойные деформации, ^-температура почвы.сложения происходят в пахотном слое почвы. Воздействие осенних осадков, отрицательных температур на более увлажненной (20,8$) рыхлой и плотной почве ведет к незначительному пучению. С повышением температуры и весеннем влагонасыщении рыхлая почва оседает, а плотная, набухая, разуплотняется. Далее по мере высыхания идет процесс сжатия и уплотнения почвы.
Менее увлажненная почва при отрицательной температуре сжимается, а при положительной - расширяется, приближаясь к первоначальному состоянию.
М.Ф.Киселев (1971) отмечает, что почвогрунты, сухие и дахе маловлажные, при промерзании в объеме не увеличиваются, а уменьшаются, то есть сжимаются, как всякое тело при охлаждении.
Деформация пучения на глубине 30, 80, 160 см незначительна (в пределах I мм) и с глубиной уменьшается. Таким образом, на выщелоченных среднесуглинистых черноземах криогенные деформации в пахотном слое в зависимости от плотности и уровня увлажнения почвы могут оказывать незначительное уплотняющее и разрыхляющее действие.
4.7. Полевые почвенные деформацииПочвенные деформации, рассмотренные выше, возникают под действием одного какого-либо фактора. Между тем в полевых условиях при непрерывном и совокупном воздействии физических агентов внешней среды направление и характер почвенных деформаций может быть совсем иным. Изучение их динамики весьма важно для создания и поддержания необходимого физического строения почвы.
Показатели сложения почвы в исследовательской и земледельческой практике учитываются еще недостаточно. Это происходит не только из-за недооценки этой информации, но и из-за отсутствия контрольных устройств, обеспечивающих достаточно точную регистрадию изменений сложения почвы.
Использование разработанного в лаборатории регистратора вертикальных деформаций почвы, устройство и действие которого изложено выше, позволило получить данные динамики уплотнения и разуплотнения почвы.
В вегетационных сосудах с растениями пшеницы и без них влажность почвы поддерживалась на уровне наименьшей влагоемкости, а в чистом пару в слое 0-30 см - 0,6-0,8 НВ.
Наблюдения показали, что если в почве в течение лета удерживается относительно одинаковый уровень увлажнения, то рыхлая почва уплотняется, а плотная разуплотняется на величины большие, чем среднеуплотненная (1,1 г/см3). Это подчеркивает более равновесное состояние последней (табл. 4.8).
При сопоставлении величин деформации почвы с растениями пшеницы и без них можно заметить, что растения, хотя и незначительно,но больше уплотняют рыхлую почву и разуплотняют плотную.
На чистом пару в 1972 г", при большом снижении влажности почвы к концу наблюдений происходит четкое уплотнение рыхлых вариантов 0,9; 1,0; 1,1 г/см3 и разуплотнение более плотных 1,2; 1,3 г/см3 (табл. 4.9).
Уровень увлажнения почвы в 1973 г. был значительно выше в начале и конце наблюдения и поэтому лишь на самом рыхлом варианте отмечается уплотнение на +0,0006 г/см3, на всех же.остальных из-за набухания почвы происходило разуплотнение (табл. 4.9).
В 1974, сравнительно засушливом году, начальный и, особенно, конечный уровень увлажнения почвы был ниже. Если начальный уровень в 1974 и 1972 гг. по вариантам уплотнения одинаков, то конечный в 1974 г. существенно ниже, что не могло не сказаться на уплотнении почвы. В результате в этом году, несмотря на разное исходное уплотнение почвы, во всех случаях наблюдается усадка, особенно высокая на рыхлых и плотных вариантах. В среднем же за 3 года отмечается уплотнение рыхлой и разуплотнение плотной почвы.
Почва, засеянная пшеницей, во все годы исследований закономерно и существенно снижала влажность почвы, что и приводило к усадке почвы (табл. 4.10). По вариантам уплотнения и по годам (1974> 1975 гг.) отмечается примерно одинаковая усадка. Лишь в 1973 году, видимо в связи с пониженной первоначальной влажностью почвы, когда в ней уже произошла усадка, последующие изменения сложения, особенно на уплотненных вариантах, оказались не значите льными.
Все материалы полевых и вегетационных опытов свидетельствуют о том, что в течение вегетационного периода плотность даже самых рыхлых и плотных вариантов изменяется очень слабо. Естественно, такие отклонения в сложении почвы едва ли могут оказывать какое-либо влияние на продуктивность растений. Поэтому из этого можно сделать твердый вывод о том, что именно начальная плотность определяет почвенные режимы и величину урожая, причем наименьшие изменения плотности происходят при более равновесном сложении.
Каковы же изменения сложения почвы за более длительный период? Ежегодные наблюдения, проводимые в первой декаде октября, также подтверждают вывод о медленном процессе уплотнения рыхлой и разуплотнении плотной почвы. С.И.Долгов, С.А.Модина (1969) совершенно справедливо указывают о том, что из обоих неустойчивых (рыхлое и плотное сложение) состояний почва постепенно переходит к средней - "равновесной" плотности. Однако несмотря на большую длительность полевого опыта, остаточная плотность к концу опыта все еще близка к первоначальной. Видимо, первоначальная укладка почвенных частиц, благодаря их хорошей связности и механической прочности, существенно не нарушается от периодического воздействия осадков, температурных колебаний и других факторов.
Этот вывод хорошо согласуется с предшествующими наблюдениями А.И.Шевлягина (1965). На необработанной залежи плотность слоя 0-27 см за 4 года возросла с 1,03 до 1,08 г/см3, при ежегоднойвспашке за 10 лет уменьшилась с 1,10 до 1,06 г/см3, на ежегодной минимальной обработке с 1,15 до 1,0 г/см3. Эту же особенность черноземов подчеркивают В.А.Юферов (1965), С.С.Сдобников, В.И.Беспамятный (1970), Б.В.Личманов, Ж.И.Личманова, С.И.Долгов (1979), A.M.Ситников (1980), П.П.Колмаков, А.М.Нестеренко (1981).
4.8. Машинные деформацииПо характеру воздействия машинные деформации могут вызывать уплотнение и разрыхление почвы. В земледелии они неизбежны и играют большую роль при достижении оптимальных параметров физических свойств почвы. В предшествующем разделе рассматривались деформации, связанные с воздействием природных факторов. Они протекают медленно, человеком практически неуправляемы, но в земледелии играют важную роль. Как отмечает А.Б.Бондарев (1977), в связи с нарастающим объемом антропогенных воздействий на почву, более решающее значение в регулировании почвенных режимов приобретают деформации, вызываемые работой машинных агрегатов. Они отличаются скоротечностью, более глубоким воздействием на почву, подвластны человеку. Учитывая эти особенности и недостаточную изученность на черноземах Западной Сибири, мы провели исследования по уточнению их роли в системе почвозащитного земледелия. Необходимость исследования диктуется и тем обстоятельством, что в последние годы получила широкое распространение минимальная технология обработки почвы с использованием тяжелых, широкозахватных и энергонасыщенных машинных агрегатов. Все это послужило основанием для уточнения следующих вопросов:- определения пределов оптимального удельного давления (особенно ходовых систем) машинных агрегатов, оказываемое на различно уплотненную и увлажненную почву;- агротехнической оценки уплотняющих и разрыхляющих воздействий современных мобильных агрегатов;- определения размеров ежегодного машинного уплотнения площади поля при пахотной и беспахотной технологии земледелия.
Машинные уплотняющие деформации среди множества подобных воздействий в современном высокомеханизированном земледелии занимают особое место.
Влияние машинных агрегатов на свойства почвы и урожай сельскохозяйственных, культур изучалось А.В.Королевым (1965), В.С.Га-поненко, Б.Т.Федотовым (1974), А.М.Кононовым, В.А.Гарбаром (1974),A.И.Пупониным, Н.П.Липецким, Н.А.Полевым (1977), И.С.Рабочевыми др. (1978). В большинстве работ отмечается отрицательное влияние машинного уплотнения на физические показатели почвы и урожай.
Остроту проблемы и слабую ее изученность подчеркивают Б.А.Доспехов и В.В.Бузмаков (1978).
Изучая влияние ходовых аппаратов машин на плотность почвыB.С.Гапоненко и Б.Т.Федоров (1974) установили, что трактор МТЗ-80 при однократном проходе уплотняет почву с 1,01-1,09 г/см3 до 1,161,21 г/см3, a T-I5CK - до 1,28-1,31 г/см3.
По данным А.П.Шехурдина и М.Я.Турушева (1974) трактор МТЗ-50 с удобрителем ПТУ-3,5 на дерново-подзолистых почвах в колее уплотняет их с 1,03 до 1,56 г/см3. Общая скважность при этом уменьшалась на 11-12%, а глубина колеи достигала XI см. Аналогичные результаты получены при использовании трактора К-700.
0 сильном переуплотнении почв Белоруссии отмечают А.М.Кононов и И.П.Ксеневич (1977). Объемная масса после прохода трактора ДТ-75 в колее возрастала от 1,07 до 1,4 г/см3, после МТЗ-50 - до 1,40, а после К-700 - до 1,46 г/см3. Существенно снижалась скважность и аэрация почвы. Глубина колеи трактора МТЗ-50 на почве, увлажненной до 25$, достигает 6-12 см; при влажности 25-30$ - 1317 см, а более 30$ почва начинает выдавливаться из-под колеи, колеса теряют сцепление с почвой.
П.Д.Белов, А.П.Подолько (1977) - дерново-подзолистые почвы: уплотняли тракторами МТЗ-80 и Т-74. Это снизило влажность почвы на 2,2$, задержало всходы ячменя на 3-5 дней, увеличило твердость почвы в 2 раза, глыбистость с 11,6$ возросла до 28$. Однократное уплотнение снижало урожай на 2,8$, а пятикратное на 14,8$.
С целью предупреждения переуплотнения почвы предлагаются различные варианты: увеличение опорной поверхности ходовых систем машин, снижение массы машин, сокращение числа полевых операций, работа с учетом влажности почвы (Б.Я.Шнейсер, О.А.Поляков, 1976; В.Х.Кац, С.В.Кузнецов, 1974).
Сложность создания в поле необходимых исследовательских условий для определения пределов механических напряжений в различно увлажненной и уплотненной почве и для составления количественной и качественной характеристик уплотнений заставила нас прибегнуть к лабораторным исследованиям.
Для правильного методического решения мы руководствовались работой члена-корреспондента АН СССР А.А.Цитовича (1973). В соответствии с его методикой испытания грунтов на сжимаемость под действием нагрузки производится в условиях одномерной задачи, когда деформации происходят только в одном направлении и никакие другиеII г»силы, кроме внешней нагрузки, не действуют.
Для исследования грунтов на сжимаемость применяются специальные приборы с жесткими стенками - одометры. Они обеспечивают сжатие в одном направлении без бокового расширения. Такие граничные условия соответствуют в натуре сжатию отдельного слоя грунта под действием сплошной равномерно-распределенной нагрузки. Нагрузкана поверхность грунта прикладывается отдельными ступенями: 0,05; 0,1; 0,3 кгс/см2 и т.д. Для изучения этого вопроса был подготовлен и использован прибор, работающий по принципу одометра (рис. 4.14). Меняя нагрузочное напряжение путем перемещения груза I, можно регулировать удельное давление на прессовальном диске от 0 до 1,5 кгс/см**.
Для установления величины и длительности процесса уплотнения в цилиндр засыпалась почва массой 800 г (в переводе на абсолютно сухую). Высота почвенных колонок была близкой к мощности пахотного слоя почвы.
Вреда воздействия заданной удельной нагрузки на почву начиналось с момента касания прессовального диска ее поверхности и заканчивалось стабильными показаниямипоследних 3 минут. ВеличинаРис. 4.14. Прибор-одометр для опре- « „1 деформации почвенной колонкиделения несущей способности почвы ирелаксации и затухания напряжения(релаксация) записывалось на ленту 3.
Специальная тарировка прибора на стальной пружине (вместо почвы) показала высокую точность (0,19$) работы механизма, передающего информацию от прессовального диска на записывающее устройство.
Результаты наблюдения за длительностью процессов уплотнения почвы представлены в табл. 4.II.
Дяительность деформаций в зависимости от высоты почвенной колонки, её влажности и удельной нагрузкиВлаж- Шысота ! Насыпная!.Идите льность деформации (мин.) в зависимо-ность !почвен-!плот- Юти от удельной нагрузки, кгс/см, кв.почвы,!ной ко-!ность !% !лонки, !почвы. ! 0,06 ! 0,1 ! 0,3 ! 0,6 ? мм ? г/см5 