Влияние водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного на развитие водной эрозии

РЕФЕРАТ

Выпускная квлификационная работа на тему: Влияние водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного на развитие водной эрозии.

Работа содержит 66 страницы машинописного текста, 9 таблиц, 7 рисунков, 3 приложения, 3 вывода и предложения производству. Список используемой литературы — 32 источника.

Тема исследования рассматривает влияние водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного на развитие водной эрозии, а также определение зависимости водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного от структурности почвы.

В результате двухлетних исследований установлено, что водопроницаемость биологически активного слоя чернозема выщелоченного находится в криволинейной зависимости от структурности почвы и имеет вид уравнения у = -0,0081х² + 1,8499х. Увеличение смытости гумусового горизонта на 1% приводит к увеличению коэффициента стока на 1%, а при смытости всего гумусового горизонта коэффициент стока увеличивается в 2 раза. С увеличением степени смытости водопроницаемость чернозема линейно уменьшается.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ВЛИЯНИЕ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО СЛОЯ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО НА РАЗВИТИЕ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ

• ВВЕДЕНИЕ 4
• 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
• 2 ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 25
• 2.1 Почвенно-климатические условия проведения опыта 25
• 2.1.1 Общая характеристика климатических условий 25
• 2.1.2 Характеристика почв лесостепи 27
• 2.2 Описание почвенных монолитов 30
• 2.3 Определение водопроницаемости в полевых условиях методом заливки площадок 34
• 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
• 3.1 Водопроницаемость опытного участка и его связь со степенью эродированности 37
• 3.2 Зависимость водопроницаемости гумусового аккумулятивного горизонта от структурности 41
• 3.3 Структурность чернозема выщелоченного и ее агроэкологическая оценка 43
• 4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 48
• 4.1 Охрана труда 48
• 4.1.1 Значение и задачи охраны труда 48
• 4.1.2 Безопасность труда в агрохимических лабораториях 49
• 4.1.3 Требования безопасности при проведении немеханизированных работ 51
• 4.2 Охрана природы 52
• 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 57
• ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 60
• РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 60
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 61
• ПРИЛОЖЕНИЯ 63
• ВВЕДЕНИЕ

На Южном Урале, в России и во всем мире остро стоит проблема агрогенной деградации почв. Под агрогенной деградацией почв понимается неуклонное снижение запасов органического вещества в биологически активном слое и как следствие ухудшение агрофизических свойств. Проблема эта обостряется в связи с ростом населения, увеличением потребности в сельскохозяйственных продуктах питания и снижением площади пашни в расчете на душу населения. Это обстоятельство требует необходимости рационального использования и охраны сельскохозяйственных угодий и пашни в том числе. По данным М. Н. Заславского (1970), за последнее столетие эрозия и дефляция уничтожили около 2 млрд. га. Это больше, чем сейчас находится в обработке земель. Примерно 1/7 суши в результате эрозии и дефляции уже выбыла из сельскохозяйственного использования, отмечает В. А. Ковда (1974). Он пишет, что «ежегодно в мире теряется примерно до 6−7 млн. га почвы». С одной стороны при существующей средней урожайности сельскохозяйственных культур ежегодно находится в использовании около 30 млн. га, а с другой — человечество теряет ежегодно 6−7 млн. га пашни.

Чтобы удовлетворить растущую потребность населения в продуктах питания, необходимо развивать их производство в двух направлениях: в направлении повышения урожайности возделываемых культур и расширение посевных площадей за счет распашки залежей, вырубки леса и т. п. Приоритетным является первое направление. Непрерывный рост урожайности, необходимо проводить на основе повышения плодородия почв. Защита почв от эрозии является важнейшим направлением роста урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Трудно переоценить актуальность этой проблемы с точки зрения охраны и рационального использования земельных ресурсов планеты.

Защита почв от эрозии проблема актуальная для всех стран мира и в том числе для нашей страны. Около 55% территории нашей страны находится в северном полушарии, где земледелие испытывает дефицит тепла, большие горные массивы труднодоступные для развития земледелия. Примерно 1/3 всех сельскохозяйственных угодий нуждается в коренной мелиорации, и только 12% земель находится в степной и лесостепной зоне, наиболее благоприятных для земледелия, но и эти земли периодически подвергаются засухе.

«…Почва, будучи продуктом природы, при правильном использовании может и должна не изнашиваться, не выбывать из строя, как станки и машины».

Защита почв от эрозии — важное звено в проблеме охраны и рационального использования земельных ресурсов. Эрозия не только снижает плодородие почв на склонах и разрушает землю растущими оврагами, но и во многих случаях она активизирует проявление ряда других почворазрушающих процессов: дефляции, оползней, просадок, осыпей обвалов, селей, абразий и др. Отложение наносов подпочвы, особенно при их выносе из устий оврагов, резко снижает плодородие почв в балках. Рост русловых наносов в речной сети в связи с подъемом уровня грунтовых вод нередко приводит к заболачиванию пойменных земель на больших площадях, а при высокой концентрации солей — к засолению. Эрозия — одна из причин наводнений, при которых пойменные земли нередко заносятся мощным слоем аллювия. Дефляция на подветренных склонах влечет утрату плодородия почвы их погребение под менее плодородным слоем почвы, а иногда и подпочвы.

Кроме огромного ущерба, который эрозия почв и дефляция наносят состоянию земельных ресурсов, они отрицательно влияют на водные ресурсы. В результате сильной эрозии и дефляции резко возрастает мутность воды, снижается ее качество. При эрозии вместе со склоновым стоком в пруды, реки, водохранилища смываются вносимые в почву удобрения и другие химические препараты, применяемые в сельском хозяйстве.

На эродированных почвах ухудшаются условия жизни флоры и фауны. Уменьшение содержания ряда химических микрои макроэлементов может способствовать развитию болезней фитоценозов. Таким образом, защита почв от эрозии и дефляции является главной проблемой охраны окружающей среды.

Целью исследований являлось определение влияния водопроницаемости биологически активного слоя чернозёма выщелоченного на развитие водной эрозии.

Задачи исследований:

1. Определить водопроницаемость целинного и пахотного чернозема выщелоченного на опытном участке и установить её связь со степенью эродированности.

2. Установить зависимость водопроницаемости биологически активного слоя чернозема выщелоченного от его структурности.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

На земной поверхности развиты различные процессы денудации (лат. denudatio — обнажение, совокупность процессов разрушения горных пород в пониженные участки, приводящих к выравниванию рельефа), связанные с отделением, переносом и отложением поверхностного слоя почвы и горных пород ледниками, талыми и дождевыми водами, ветром и другими агентами денудации.

Природные процессы денудации протекают очень медленно. Так, например, если со склонов, покрытых девственным лесом, в год с 1 га смывается 5−10 кг почвы, то при такой интенсивности процесса для смыва слоя почвы в 20 см потребуется 200−400 тыс. лет. В то же время ежегодно восстанавливается 1−5 т. почвы на 1 га. В этом случае на формирование 20 — сантиметрового слоя в различных почвенно-климатических зонах потребуется 400−2000 лет. Таким образом, в естественных условиях при хорошем растительном покрове почвы со склонов обычно смываются значительно медленнее, чем формируются.

И.П. Герасимов (1973) высказывал мнение, что постепенное обновление верхнего слоя почвы в результате сноса более выщелоченных поверхностных слоев и приближения к дневной поверхности подстилающих пород — для многих территорий полезный процесс непрерывного обновления почвы. Однако положительный процесс обновления почвы, который протекает в естественных условиях под сомкнутым растительным покровом, приобретает резко негативный характер, когда уничтожается растительный покров и неправильно используется земля. В этом случае создаются условия для чрезвычайно интенсивного проявления природных процессов, что приводит к быстрому и сильному разрушению почвенного покрова.

Под термином «эрозия» понимается разъедание, разрушение почвы вследствие ее смыва поверхностным стоком воды.

По скорости проявления эрозию почв разделяют на нормальную и ускоренную. Нормальная эрозия — когда снос почвы не превышает темп почвообразовательного процесса, а ускоренная — когда снос почвы превышает темп почвовообразования, в результате чего снижается почвенное плодородие. В разных природных зонах почвообразовательные процессы различаются между собой по интенсивности обмена массой и энергией между почвой и окружающей средой. У большинства почв скорость почвообразования колеблется от 0,2 до 0,5 мм/год. Однако следует признать, что количественная оценка темпа почвообразовательного процесса — очень сложный и весьма слабо изученный вопрос. В США для разных типов почв установлены допустимые величины эрозии в пределах от 2,25 до 11,25 т/га в год. На основе литературных источников М. Е. Бельгибаев и М. И Долгилевич (1970) приводят следующие предельно допустимые величины эрозии: для дерново-подзолистых почв — 0,87 мм/год, для черноземов — 0,28 мм/год, для каштановых почв — 0,36 мм/год, для сероземов — 0,27 мм/год. Однако, Н. Ф. Ганжара и Л. Н. Ганжара (1983) считают, что эти величины методически неправильно рассчитаны. Они предлагают определять предельно допустимую величину эрозии в различных регионах по количеству поступающей в почву органики в виде пожнивных остатков, корней и вносимых органических удобрений.

Иногда нормальную эрозию называют естественной или геологической, а ускоренную — антропогенной. Последнее название эрозии не совсем правильное, так как иногда ускоренная эрозия может проявляться и без воздействия человека и, наоборот, хозяйственная деятельность человека может не допустить проявления нормальной эрозии.

Выделяют различные виды эрозии в зависимости от того, стоками каких вод она вызывается: талых, дождевых или орошения (ирригационная эрозия). Кроме того, эрозия иногда возникает в результате сезонного выхода на поверхность грунтовых вод, а также сброса на почвенный покров сточных вод в процессе неправильной эксплуатации различных инженерных сооружений.

Эрозия подразделяется на поверхностную эрозию, или смыв почвы и линейную эрозию, или размыв почвы и подстилающих пород. Эти два процесса воздействия стекающей воды на почву образно можно сравнить с действием напильника и пилы.

Смыв почвы часто называют плоскостной эрозией; однако вместо этого термина лучше применять термин поверхностная эрозия, так как склон не представляет собой идеальной плоскости, по которой мог бы осуществляться именно плоскостной смыв почвы. Вода со склонов почти всегда стекает не сплошным слоем, а струями. Они-то и вызывают смыв поверхностного слоя почвы. В результате на пахотных склонах, если не применялись специальные меры против эрозии, то после стока талых вод, как и после выпадения ливней, мы часто видим струйчатые размывы различных размеров: глубиной от 2−3 мм до 25−30 см (на всю глубину вспашки) и шириной от 3−4 мм до 30−40 см. Иногда размывы достигают ширины 2−3 м. После вспашки или обработки почвы культиватором струйчатые размывы заравниваются. При очередном снеготаянии или ливне они снова образуются и снова заравниваются во время обработки почвы, и т. д. Многократное образование струйчатых размывов и их систематическое заравнивание постепенно приводят к тому, что мощность гумусового горизонта почвы уменьшается. Так в результате смыва поверхностного слоя образуются смытые почвы с укороченным почвенным профилем. В зависимости от величины смытого слоя выделяют слабосмытые почвы, среднесмытые почвы, сильносмытые почвы, а иногда и очень сильносмытые почвы.

Согласно классификации, разработанной Почвенным институтом им. В. В. Докучаева:

Слабосмытые — смыто до 30% первоначальной мощности гумусового горизонта; в пашню вовлекается небольшая верхняя часть горизонта В₁.

Среднесмытые — гумусовый горизонт смыт на 30−50%; при вспашке значительная часть или весь горизонт В₁ вовлекается в пахотный слой, последний подстилается переходным горизонтом В₂.

Сильносмытые — смыта большая часть гумусового горизонта, распахивается и часть горизонта В₂, окраска пашни близка к цвету породы.

Струйчатые размывы одновременно могут способствовать и зарождению линейной эрозии. Если струйчатые размывы не заравнивать, то при очередном снеготаянии или ливне они становятся коллекторами, концентрирующими поверхностный сток вод, и перерастают в типично линейные формы эрозии — сначала в промоины, а затем в овраги. Таким образом, в результате струйчатого стока и струйчатого смыва почвы развиваются как поверхностная, так и линейная эрозия.

Эрозия почв вызывается временным поверхностным стоком вод. Следовательно, она может проявляться на территориях, где выпадают осадки, способные образовать поверхностный сток воды. В зависимости от характера выпадения осадков создается различная степень потенциальной опасности для формирования стока талых вод или дождевых осадков.

Но для одних осадков недостаточно для формирования стока. Для этого местность должна иметь уклон. В зависимости от крутизны склонов и других условий рельефа, влияющих на скорость поверхностного стока осадков, создается различная степень потенциальной опасности эрозии.

На возможность и интенсивность проявления эрозии большое влияние оказывают свойства почв, определяющие их водопроницаемость и противоэрозионную устойчивость. Чем ниже водопроницаемость и противоэрозионная устойчивость почв, тем большая создается опасность для проявления эрозии. На развитие линейной эрозии большое влияние оказывает также характер подстилающих пород.

Еще одним условием для развития эрозии является разреженный растительный покров, не способный полностью защитить почву от эрозии.

Однако всегда следует помнить, что природные условия создают лишь предпосылки для возникновения антропогенной эрозии, но непосредственная причина ее проявления — это хозяйственная, вернее, бесхозяйственная деятельность человека, связанная с неправильным использованием склоновых земель.

Между всеми факторами, создающими возможность для проявления эрозии, существует тесная связь. И, рассматривая влияние даже отдельных факторов на ее развитие, мы всегда должны иметь в виду, что в действительности все явления и процессы в природе тесно взаимосвязаны. При одном сочетании условий климата, рельефа, геологии, почвенного и растительного покрова эрозия вообще не возникает; при другом сочетании может появиться небольшая опасность для ее возникновения; при третьем сочетании эрозия не только проявится, но и примет катастрофический характер.

Рельеф, почвенный покров и растительность, влияя на развитие эрозии, сами со временем изменяются под воздействием эрозионных процессов. Это одно из проявлений закономерной взаимосвязи причин и следствия. Поэтому природные условия необходимо рассматривать в тесной взаимосвязи с теми изменениями, которые происходят в результате проявления эрозии.

В природе редко встречаются случаи, чтобы на одной территории природные условия исключали возможность проявления эрозии, а на другой — создавали опасность сильного ее развития. Зная роль отдельных природных факторов и их сочетание в проявлении эрозии, можно соответствующими мерами предупредить или ограничить влияние неблагоприятных природных условий.

Значение природных закономерностей эрозионных процессов — необходимая основа для разработки системы мер против эрозии. Чем более территория эрозионно опасна, тем надежнее должны быть приемы защиты почв от нее. При этом меры, предупреждающие эрозию, должны быть в первую очередь направлены на то, чтобы уменьшить неблагоприятное влияние тех природных факторов, которые создают наибольшую опасность для проявления эрозии.

Почва — это тот самый объект, плодородие которого подвергается разрушению поверхностным стоком осадков. Поэтому свойства и состояние почв не могут не оказывать существенного влияния на развитие эрозионных процессов.

Опасность развития эрозии тесно связанна со следующими факторами: 1) водопроницаемость, которая наряду с интенсивностью осадков определяет возможность и интенсивность формирования стока; 2) противоэрозионной устойчивостью почв — их способностью противостоять смыву и размыву, водным потокам и 3) общим уровнем плодородия почв, во многом обусловливающим уровень способности сельскохозяйственных культур защищать почву.

Водопроницаемость является важнейшим свойством почвы, которое лучше всего характеризует почву в физическом отношении и определяет ее водный режим. От величины водопроницаемости в значительной степени зависит водный баланс почв, в том числе поверхностный сток, а, следовательно, и увлажнение почвы. С водопроницаемостью почв и грунтов связаны многие проблемы, имеющие актуальное хозяйственное значение.

Знание этого свойства почвы необходимо в гидрологической практике, ибо позволяет рассчитывать количество поглощаемой почвой воды, что имеет большое значение для повышения точности прогнозов по запасам продуктивной влаги в пахотном слое.

Водопроницаемость почвы, обеспечивая благоприятный водно-воздушный режим в почве, является одним из существенных факторов плодородия.

Итак, под водопроницаемостью почв понимается явление, происходящее в почве при поступлении воды на ее поверхность, то есть это способность почвы пропускать через себя воду. Явление водопроницаемости состоит из двух фаз: 1) насыщение почвы водой (впитывание или инфильтрация) и 2) проникновение воды через слой почвы максимально насыщенный водой (просачивание или фильтрация). Поэтому в процессе проведения опыта, мы определяем две величины, характеризующие водопроницаемость: скорость впитывания и скорость фильтрации. Скорость впитывания определяется количеством воды, прошедшем в единицу времени на максимальное насыщение исследуемого слоя почвы (до предельной полевой влагоемкости). Скорость фильтрации есть скорость прохождения воды через слой почвы максимально насыщенный водой. Естественно, что твердой границы между первой и второй фазами нет.

Первую фазу можно подразделить на две стадии. Первая стадия — чистое впитывание, когда вода попадает на почву, не достигшую полевой влагоемкости, и передвигается в ней под действием всасывающих сил поверхности частиц почво-грунтов и капиллярных менисков. Действие силы тяжести не значительно. Во второй стадии преобладает просачивание. На этой стадии абсорбирующая способность почвы уменьшается до минимума, а преобладает пленочное, капиллярное и гравитационное передвижение воды. Переход ко второй стадии происходит быстрее в тех почвах и грунтах, которые обладают большей некапиллярной скважностью. По некапиллярным порам вода передвигается под действием силы тяжести действие молекулярных сил в некапиллярных порах ничтожно. Таким образом, задерживание воды в почве обусловливается ее капиллярной скважностью, а фильтрация находится в зависимости от некапиллярных промежутков в почве. И, наконец, в фазе фильтрации вода передвигается через исследуемый почвенный горизонт под действием силы тяжести.

При характеристике водопроницаемости почвы помимо скорости впитывания и скорости фильтрации, дается, и суммарная величина впитывания за определенный промежуток времени — слой воды (в миллиметрах). Скорости впитывания и фильтрации даются, как правило, в миллиметрах в минуту.

Н.А. Качинским (1965) предложена градация почв по водопроницаемости. Если почва пропускает за 1 час более 1000 мм воды при напоре 5 см и температуре 10С, водопроницаемость считается провальной, от 1000 до 500 мм — излишне высокой, от 500 до 100 — наилучшей, от 100 до 70 мм — хорошей, от 70 до 30 мм — удовлетворительной, менее 30 мм — неудовлетворительной.

Наиболее широко применяемым в работах почвоведов является определение водопроницаемости почв с помощью рам (квадратов), погруженных в почву на глубину 5−10 см. Площадь квадратов колеблется в различных пределах (до 1 м?) и определяется, как правило, количеством воды, которое можно доставить к месту опыта. Для предотвращения растекания воды в стороны употребляются защитные рамы, площадь которых больше площади внутренних рам. С их помощью создается защитный экран переувлажненной почвы вокруг почвенного монолита, ограниченного внутренней рамой, по которой идет расчет водопроницаемости почвы. Во внутренней и внешней раме поддерживается постоянный уровень воды в 2−5 см. Опыты проводятся в нескольких повторностях. Для определения потерь, на впитывание воды в почву при расчетах максимальных ливневых расходов на малых водосборах, применяется двухрядное ограждение из колец. Недостатком этих способов определения водопроницаемости почвы является невозможность поддерживать постоянный уровень воды. При понижении уровня вода вновь подливается и измеряется объем залитой воды.

Существует и более совершенный способ определения водопроницаемости почвы, заключающийся в автоматическом поддерживании постоянного уровня воды при помощи сосудов Мариотта или других приспособлений. Все эти приборы имеют те или иные недостатки: малая глубина погружения прибора в почву, вследствие чего возможно боковое растекание воды, малая площадь внутреннего цилиндра, а также малый объем сосуда, из которого подается вода.

В настоящее время для определения водопроницаемости почвы широко применяется инфильтрометр Нестерова. Инфильтрометр ПВН состоит из двух цилиндрических колец высотой 150 см. Диаметр внутреннего кольца равен 226 мм, внешний — 450 мм, таким образом, площадь, ограниченная внутренним кольцом равна 400 см², внешним — 1600 см². Кольца забиваются в почву на глубину 8−10 см. Как во внутреннем, так и во внешнем кольцах во время опыта над поверхностью почвы с помощью сосудов Мариотта поддерживается постоянный уровень воды высотой 5 см. Слой впитывающейся воды в почву определяется по величине падения уровня воды в сосуде, установленном над внутренним кольцом. Цена одного деления на водомерном стекле сосуда равна 0,1 л, что в пересчете на слой почвы во внутреннем кольце составляет 2,5 мм.

И.С. Шпак применял инфильтрометр с цилиндрическими кольцами значительно большей высоты, которые забивались на глубину до 50 см. Инструментальная ошибка инфильтрометра складывается из ошибки определения величины падения уровня, которая соответствует объему впитавшейся за определенное время в почву воды, и ошибки времени. Возможная ошибка отсчета по водомерному стеклу равна половине наименьшего деления, что составляет 0,05 л. Так как наименьший интервал времени при установившейся величине инфильтрации равен 10 мин, а точность отсчета по секундомеру 0,2 сек, то относительная ошибка времени мала, и ею можно пренебречь. Таким образом, абсолютная инструментальная погрешность результатов исследований по инфильтрометру не превышает ±0,125 мм/мин. Наблюдения желательно проводить при одинаковом температурном режиме воды, воздуха и почвы, чтобы влияние этого фактора на точность измерения инфильтрации была незначительным.

С помощью инфильтрометра ПВН, как и при определении водопроницаемости почвы, методом заливаемых колец, определяется максимальное количество воды, которое данная почва способна впитывать и профильтровать через себя в определенное время. Водопроницаемость почвы, Г. П. Сурмач (1976) называет «максимальной», в отличие от «реальной», учитываемой при наличии дождя и стока.

Установленная с помощью инфильтрометра величина водопроницаемости почвы, как правило, больше, чем водопроницаемость, определяемая с помощью дождевания. При сплошном затоплении поверхности земли вода просачивается в почву под действием гидростатического напора и почти полностью заполняет капиллярные и некапиллярные поры, которые в этом случае работают всем сечением. При дождевании же, когда интенсивность дождя не превышает скорости впитывания, вода в почву поступает под действием силы тяжести, а также капиллярных и молекулярных сил. Увлажнение почвы при дождевании сельскохозяйственных полей должно проходить без образования луж и поверхностного стока (то есть без гидростатического напора). Поэтому метод заливаемых колец при определении водопроницаемости почвы и соответствующем расчете интенсивности дождя совершенно неприемлем.

На основании сопоставлении показаний инфильтрометра ПВН с данными, полученными при дождевании, пришли к выводу, что интенсивность впитывания (инфильтрации) по ПВН значительно выше, чем по дождевальной установке. Объясняется это тем, что интенсивность впитывания воды в почву просто равна интенсивности дождевания. Величины же фильтрации по данным дождевальной установки в основном довольно не плохо совпадают с величиной фильтрации, полученной с помощью ПВН, несмотря на то, что величина последней, может быть завышена.

Таким образом, в тех случаях, когда необходимо получить лишь сравнительные характеристики инфильтрационной способности различных почв на разных угодьях, а не определение величины «реальной» водопроницаемости, применение инфильтрометра ПВН весьма целесообразно. Важным обстоятельством является и то, что работа с инфильтрометром чрезвычайно проста и не требует громоздкого оборудования.

Водопроницаемость почв в основном зависит от механического состава, оструктуренности, а также от плотности и влажности верхнего горизонта почвы.

Водопроницаемость почв теснейшим образом связана с механическим составом, который определяет размер почвенных пор, что в свою очередь влияет на скорость просачивания воды через почву. Почвы, сложенные крупнозернистыми породами обладают широкими порами, по которым вода передвигается под влиянием силы тяжести. Почвы, сложенные из мелкозема, обладают меньшей водопроницаемостью, так как в таких почвах некапиллярных пор мало, в основном это капиллярные поры, движение воды, по которым из верхних слоев почвы в нижние происходит под действием капиллярных сил. Водопроницаемость бесструктурных почв полностью зависит от механического состава.

Однако прямая связь между свойствами механических элементов, слагающих почвы, и водопроницаемостью отмечена лишь для почв легкого механического состава (песок, супесь) и для тяжелых, но полностью оструктуренных почв. Водопроницаемость же почв, обладающих хорошей структурой, определяется не механическим составом, а почти полностью их структурно-агрегатным состоянием.

Почвы с тяжелым механическим составом, но хорошо оструктуренные, могут обладать гораздо лучшей водопроницаемостью, чем почвы более легкого механического состава, но плохо оструктуренные. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в таблице 1.

Таблица 1- Водопроницаемость различных типов почв

Содержание физической глины и ила в поверхностном горизонте (0−10 см), приведенных почв, растет от дерново-подзолистой почвы к краснозему, водопроницаемость же почв резко возрастает в том же направлении, что связанно с хорошей оструктуренностью чернозема приазовского и особенно краснозема.

На водопроницаемость существенное влияние оказывает оструктуренность почвы, которая в свою очередь зависит от минералогического состава и химических свойств почвы.

Первичные почвенные частицы, слипаясь или склеиваясь органическими и минеральными почвенными клеями в комочки или агрегаты различных размеров, образуют почвенную структуру.

«Способность почвы образовывать из механических элементов агрегаты носит название структурообразующей способности почв, а совокупность получающихся в этом процессе агрегатов различной величины, формы, прочности, водопрочности и пористости, характерных для данной почвы и отдельных ее горизонтов, составляет структуру почвы».

Структурная почва слагается из зерен и комков размером от 1 до 10 мм.

Структурная почва характеризуется высокими показателями общей и некапиллярной порозности, влагоемкости и водопроницаемости. Глубоко проникая в глубь почвы по крупным порам, вода рассасывается по капиллярам комков и зерен. Поверхностный сток на таких почвах, как правило, мал или отсутствует, а вследствие этого на них не развиваются эрозионные процессы.

Наиболее ценными почвенными агрегатами являются агрегаты, способные противостоять разрушающему действию воды, то есть не расплывающиеся в воде в бесформенную массу.

В настоящее время водопрочными агрегатами считаются те, которые в воздушно-сухом состоянии при быстром погружении в воду не теряют форму и не разрушаются до размеров меньших 0,25 мм. Агрегаты, капиллярно смоченные перед погружением в воду и не разрушающиеся в ней, называются условно водопрочными. Условная водопрочности одних и тех же агрегатов всегда выше истинной.

Еще в конце XIX века считалось, что в процессе структурообразования важнейшую роль играют корневые системы растений, гумус и илистые частицы почвы. Корни растений пронизывают почву во всех направлениях и раздвигают почвенные частицы, уплотняя их. Отмирая, корни и корешки способствуют накоплению в почве органического вещества, которое участвует в создании водопрочной структуры.

В настоящее время считают, что ведущую роль в явлении водопрочности структуры играет органическое вещество типа гуминовых кислот. Поглощенному Ca?⁺ принадлежит вторичная роль, сводящаяся к усилению образующихся водопрочных связей. Декальцирование почвы не приводит потери водопрочности структуры. Извлечение из почвы карбонатов и других соединений Ca привело лишь к снижению механической прочности агрегатов во влажном состоянии. Вымывание из почвы битумов, смол, восков и других веществ тоже существенно не сказалось на водопрочности агрегатов. Удаление же из почвы гуминовой кислоты (с помощью едкого натра) привело к полной потере ее структурности и водопрочности. Замена катиона Ca?⁺ катионом Na⁺ приводит к быстрому падению водопрочности почвенных частиц. Наиболее водопрочными являются агрегаты, связанные гуматами Fe, Ca и H.

Физико-химическая сторона явления водопрочности связана с насыщением ионов Ca в почве лишь косвенно. Кальций создает благоприятные условия для развития микроорганизмов, которые участвуют в создании гуминовых веществ в почве.

Решающую роль в процессе возникновения водопрочной микроструктуры в почве принадлежит не всему органическому веществу (гумус), а только гуминовым кислотам и солям этих кислот, которые способны склеивать частицы почвы, а под влиянием высушивания способны переходить в не растворимое состояние. В таблице 2 помещены данные о содержании гумуса и его составе в основных типах почв, в слое 0−20 см.

Таблица 2-Состав гумуса в пахотном горизонте основных типах почв

Для накопления общего гумуса и гуминовых кислот требуются одни и те же природные условия, эти два процесса идут параллельно. В направлении с севера на юг, от зоны подзолистых почв до мощных черноземов, наблюдается увеличение содержания гумуса, а также и процентного содержания гуминовых веществ, далее на юг количество гумуса и гуминовой кислоты резко уменьшается. Исключением из правил являются красноземы, у которых наблюдается довольно большое содержание гумуса и очень низкое содержание гуминовых кислот. Следует отметить, что в подзолистых почвах в слое 0−20 см сосредоточенно больше половины имеющегося в почвенном профиле гумуса, у черноземов в этом слое содержится лишь 25% всего гумуса. Отсюда становится ясным, почему черноземы обладают наиболее прочной структурой. В подзолистых же почвах и сероземах водопрочность микроструктуры выражена слабо.

Все исследованные почвы имеют примерно один и тот же механический состав (тяжелосуглинистый). Следуя от мощных черноземов в направлении с севера на юг, происходит уменьшение гумуса, запаса гуминовых кислот в почве и количестве водопрочных агрегатов. Особое положение, занимают красноземы, что связано с повышением содержания в них железа и алюминия, закрепляющие гуминовые кислоты. Таким образом, между водопрочностью почвенной структуры, количеством органического вещества и его составом существует тесная связь в широком географическом аспекте.

Д.В. Хан (1969) считает, что агрегатное состояние почвы в основном осуществляет совокупность органического вещества, глинистых минералов и поглощенных оснований. Неудовлетворительное структурное состояние подзолистой почвы обусловлено низким содержанием органического вещества, глинистых и других минералов, обладающих высокой адсорбционной способностью. Для улучшения же структурного состояния песчаной почвы требуется не только органическое вещество, но и соответствующие минералы, и поглощенные основания.

По данным того же автора, поглощенные кальций и водород способствуют быстрому распаду органического вещества и, вследствие чего ускоряют образование максимального количества водородных агрегатов почвы уже в течение первых месяцев. Под влиянием поглощенных железа и алюминия органическое вещество разлагается медленно, вследствие чего максимальное количество водопрочных агрегатов почвы образовались только через 12 и 18 месяцев.

Огромное влияние на водопроницаемость оказывает величина агрегатов. Влияние размеров структурных агрегатов на водопроницаемость изучалась С. С Бракиным (1965) на южных черноземах.

Определение водопроницаемости проводилось на водопрочных и неводопрочных агрегатах. Данные этих наблюдений приведены в таблице 3.

Таблица 3-Водопроницаемость почв с различными размерами агрегатов (мм/мин)

Водопроницаемость водопрочных агрегатов размером крупнее 1−5 мм значительно выше, чем неводопрочных агрегатов тех же размеров. По мере уменьшения величины неводопрочных агрегатов от 7 до 1 мм водопроницаемость возрастает, у водопрочных же агрегатов наибольшая водопроницаемость наблюдается у агрегатов величиной 3−2 мм с уменьшением величины агрегатов, наблюдается падение водопроницаемости. Водопроницаемость прочных и неводопрочных агрегатов, меньших 1 мм, примерно одинакова. Крупные неводопрочные агрегаты при воздействии на них воды разрушаются, а затем расплываются на более мелкие элементы значительно быстрее, чем водопрочные. Об этом свидетельствуют данные, уменьшения скорости просачивания за второй час наблюдений. Просачивание за второй час наблюдений уменьшилась по сравнению с первым часом наблюдений для водопрочных агрегатов размером от 2 до 3 мм на 38%, у неводопрочных — на 49%. Для третьего часа наблюдений оно уменьшение составило соответственно 42 и 55%. У водопрочных агрегатов размером от 1 до 2 мм скорость просачивания за второй час опыта уменьшилась на 24%, у неводопрочных — на 34%. Снижение водопроницаемости почвы с водопрочными агрегатами протекало интенсивнее, за третий час и она составила соответственно 53 и 37%.

Очень важным фактором, влияющим на водопроницаемость почвы, является ее влажность. Для оценки инфильтрационной способности почвы в зависимости от степени ее увлажнения используется величина дефицита влажности почвы, вычисленную как разность между полной влагоемкостью и ее фактической влажностью в момент опыта.

По данным Г. В. Назарова (1970) суглинистые почвы по мере увеличения влажности становятся менее водопроницаемыми.

Из данных в таблице-4 видно, что при увеличении влажности поверхностного почвенного горизонта и подпочвы с 20 до 45% их водопроницаемость уменьшилась в 6 раз.

Таблица 4-Влияние влажности почвы на ее водопроницаемость

При увеличении влажности почвы в слое 0−10 см с 14 до 23% водопроницаемость почвы при дождевании уменьшилась с 47 до 11 мм (64,3 раза), а при влажности 30% впитывание прекратилось.

В опытах М. Н. Заславского (1970) увеличение влажности чернозема карбонатного среднегумусного с 16,8 до 35,5% в слое 0−10 см привело к уменьшению водопроницаемости. При интенсивности дождевания i = 1,0 мм/мин в течение одного часа скорость впитывания уменьшилась с 41,8 до11,4 мм/час, а при интенсивности дождевания i = 2,0 мм/мин в течение 30 мин — уменьшилось с 24,9 до 9,4 мм/час (в 2,6 раза).

Однако существует мнение, что «сухая почва, трудно смачиваясь, оказывает большое сопротивление движению воды, чем относительная влажность». Правда, при этом он отмечает, что в почвах богатых коллойдными соединениями, способных к сильному набуханию, может наблюдаться обратное явление, то есть с увеличением влажности почвы уменьшается ее водопроницаемость.

Для каждого генетического типа почвы существуют свои зависимости между инфильтрацией и различными почвенными характеристиками. Так, инфильтрация подзолистых почв имеет наиболее тесную связь с механическим составом почвы, а инфильтрация черноземов — с содержанием органического вещества.

2. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования явился чернозем выщелоченный, на склоне опытного поля Института агроэкологии. Поле используется с 1914 года, и находилось в землепользовании Красноармейского совхоза, а затем с образованием Красноармейского аграрного колледжа этот участок отошел к нему. Основными культурами, возделываемыми на поле, были яровые зерновые и картофель. Исследования начаты в 2003 году. Выкопав почвенные монолиты, на целине и пашне мы отметили, что мощность гумусово-аккумулятивного горизонта на пашне вверху склона значительно отличалась от его мощность у подножия склона. Вверху склона она составляла 18 см, а внизу — 37 см. На целине же мощность гумусово-аккумулятивного горизонта изменялась в пределе 2 см.

С помощью нивелира марки Н-3 определили уклон участка вдоль склона по схеме (геометрическое нивелирование «вперед»), предварительно забивали через каждые 10 метров колышки и отбирали пробы почвы для анализа их в лабораторных условиях. Масса пробы составляла приблизительно 1 кг (Приложение А, таблица А1)

В лабораторных условиях выполнили моделирование степени оструктуренности почвы и выполнили определение водопроницаемости отлично, хорошо, удовлетворительно, плохо и очень плохо оструктуренной почвы (Приложение Б, таблица Б1).

2.1 Почвенно-климатические условия проведения опыта

2.1.1 Общая характеристика климатических условий

Опытное поле Института агроэкологии расположено в лесостепной зоне Челябинской области.

Челябинская область в силу географического расположения вдоль Уральского хребта обладает резко выраженными природными особенностями. Климат континентальный, характеризуется холодной и продолжительной зимой с частыми метелями, теплым летом, с периодически повторяющимися засушливыми периодами (А.П. Козаченко, 1997).

Сумма температур воздуха за период с температурой выше 10⁰С составляет 2000;2200⁰С, продолжительность этого периода 125−135 дней (5−10 мая по 15−19 сентября). Период с температурой выше 15⁰С длится 80−90 дней. Заморозки прекращаются в конце мая. Продолжительность безморозного периода составляет 100−120 дней. Лимитирующим фактором для успешного ведения сельскохозяйственного производства в районе, является влага. Годовая сумма осадков в северной лесостепной зоне Челябинской области составляет в среднем 200−250 мм. За время активной вегетации растений осадков выпадает 172−225 мм.

Нередко встречаются годы с явно выраженной летней засухой. При этом наибольшая вероятность засушливого периода приходится на май, июнь, а наиболее вероятный максимум осадков — на июль.

Быстрое нарастание температуры вызывает в конце апреля и в начале мая сильное испарение влаги из почвы и ее подсыхание. Осадки в мае практически не пополняют запасов влаги в почве. Имея ливневый характер, они быстро испаряются из почвы.

Лето жаркое, сухое, особенно первая его половина, наблюдается недостаток влаги. Август и сентябрь более благоприятны для роста и развития растений, в этот период невысокие дневные температуры сочетаются с достаточным количеством влаги для растений.

Осень обычно ранняя, пасмурная, нередко дождливая, что затрудняет уборку зерновых культур (Г.В. Воронцов, 1998).

Бывают годы, когда осадков выпадает меньше средней многолетней нормы, а большая часть годовой суммы осадков приходится на тёплое время.

Наблюдения Г. В. Воронцова (1998) показывают, что в зимнее время путем проведения различных мероприятий можно задержать на полях значительную часть выпадающего снега. Обычно к концу марта толщина снежного покрова достигает 25−35 см, что может дать 80−90 мм влаги. П. И. Кузнецовым (1980) установлено, что снегозадержанием толщину снежного покрова можно увеличить на 15−25 см, а запасы влаги в снеге довести до 120−130 мм.

В последние годы наблюдается большая засушливость климата. Осадков выпадает недостаточно, распределяются в году они неравномерно.

Для формирования высоких урожаев нужно, чтобы растения не испытывали дефицита влаги, т. е. необходимо проведение ряда мероприятий по накоплению и сохранению влаги (орошение, снегозадержание и другие), а также подбор засухоустойчивых сортов.

2.1.2 Характеристика почв лесостепи

Челябинская область расположена на Южном Урале. Более трех четвертых ее территории лежит в степном и лесостепном Зауралье, около одной четверти заходит в пределы горно-лесного Урала. Рельеф и почвенный покров Южного Урала чрезвычайно разнообразный.

Челябинская область отличается многообразием форм поверхности. В ее пределах имеются низменности и холмистые равнины, плоскогорья и горы. Причем повышение поверхности идет в виде уступов с востока на запад.

Горная часть Челябинской области занимает южный, наиболее низкий и узкий участок среднего Урала и северную наиболее широкую и высокую часть Южного Урала. Географической границей между ними является гора Юрма, которая является северным форпостом южной высокогорной зоны.

Челябинская область находится на стыке трех крупных природных зон: лесной, лесостепной и степной, что имеет немаловажное значение для создания разнообразного хозяйства на ее территории (Ф.Я. Кирин, 1969).

Солонцово-солончаковые почвы занимают значительные площади в административных районах Челябинской области, расположенных на Западно-Сибирской низменности. В березовых колках встречаются солоди. Солодь — тип почвы, характеризующийся сильно вымытым верхним горизонтом, имеющим белесоватый цвет. Они чаще всего встречаются в лесостепной зоне в блюдцеобразных западинах и лиманах с повышенным увлажнением (Ф.Я. Кирин, 1969).

Основу почвенного покрова лесостепной зоны Челябинской области составляют черноземы выщелоченные, в том числе и тучные черноземы. На долю выщелоченных черноземов приходится 58% всего фонда пахотно-пригодных почв лесостепной зоны.

В этих черноземах удачно сочетаются благоприятные физические свойства с обеспеченностью основными элементами питания растений (А.П. Козаченко, 1997).

На большей части Челябинской области по свидетельству Г. А. Маландина (1963), Ю. Д. Кушниренко (1968) и А. П. Козаченко (1997), черноземы выщелоченные имеют суглинистый гранулометрический состав.

Одним из важнейших факторов плодородия почв являются элементы питания — азот, фосфор и калий. Анализы показали, что в пахотном слое концентрация азота на опытном поле составляет в А_пах — 0,264%. С глубиной количество элемента уменьшается и в горизонтах В₁ и В₂ содержится 0,172 — 0,174%. Запас азота пахотном слое составил 7,84 т/га.

Чернозем выщелоченный, опытного поля, характеризуется большей степенью потерь азота при сельскохозяйственном освоении — 7,09 т/га или 24,4% и крайне низкой подвижностью азотных соединений. Поэтому при достаточно высокой гумусности и общей обеспеченности азотом многие сельскохозяйственные культуры при возделывании на черноземах выщелоченных Южного Урала будут нуждаться в азотных удобрениях даже после хороших предшественников (И.В. Синявский, 1998).

Фосфор, как один из важнейших элементов питания растений, изучен еще в меньшей степени, чем азот. Работы Г. А. Маландина (1963), Н. Н. Макеева (1954), А. Ф. Бахаревой, А. В. Терпугова (1969) и Ю. Д. Кушниренко (1993) свидетельствуют, что содержание Р₂О₅ в пахотном слое черноземов выщелоченных колеблется в широких пределах — от 0,057 до 0,168%. Этот вывод подтверждают и исследования опытного поля. В пахотном слое А_пах концентрация фосфора составила 0,135%, в горизонте АВ — 0,089%. С глубиной его содержания резко уменьшается в В₁ и В₂ — 0,36 — 0,50%, а в переходном горизонте ВС составило 0,034%. Валовое содержание Р₂О₅ в материнской породе опытного поля — 0,035, в горизонтах А_пах в 3 — 4 раза больше. Обогащение фосфором гумусовых горизонтов обязано длительной биологической аккумуляции Р₂О₅ растительностью.

Валовой запас фосфора в черноземах выщелоченных, во-первых, невелик, во-вторых, он сосредоточен в аккумулятивном гумусовом горизонте А_пах и составляет 3,72 т/га. Все приведенные данные свидетельствуют о напряженном режиме фосфорного питания растений и необходимо применения удобрений под все сельскохозяйственные культуры.

Чернозем выщелоченный опытного поля имеет высокое содержание калия. В пахотном слое и горизонте, А содержится 2,22- 2,23%, а в материнской породе (горизонте С) — 2,03%. Запас калия в почвенном слое составляет 351 т/га.

Таким образом, азотный фонд чернозема выщелоченного опытного поля достаточно большой, но содержание подвижных форм азота невысокое. Содержание и запасы фосфора в черноземах низкие даже в гумусово-аккумулятивном горизонте. Калийный фонд, судя по результатам анализа чернозема выщелоченного опытного поля Института агроэкологии ЧГАУ, относится к группе высокой обеспеченности (И.В. Синявский, 1998).

На основании вышеизложенного, можно отметить, что почвы опытного участка обладают хорошим естественным плодородием и агрофизическими свойствами.

2.2 Описание почвенных монолитов

Описание профиля чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого, отобранного на целине.

Шурф № 1.

А₀ 0−5/5 см. Травянистый войлок; состоит из не разложившихся или полуразложившихся растительных остатков. Окраска темно-серая (черная).

Структура мелкокомковатая, размер агрегатов 1−0,25 мм. Сложение рыхлое. Много корней многолетних травянистых растений.

А ————— Гумусово-аккумулятивный. Окраска черная. Структура мелкоглыбистая, размер агрегатов от 10 до 1 см. Сложение плотное. Встречаются новообразования в виде корней растений и включения в виде гальки.

АВ ————- Переходный, горизонт гумусовых затеков. Окраска языков серая, а горизонта В коричневая, Структура столбчатая. Сложение очень плотное. Встречаются новообразования в виде корней растений и включения.

В₁————— Иллювиальный, в нем откладываются вещества, которые вымываются из выше расположенных горизонтов. Окраска коричневая. Структура крупнопризматическая, размер агрегатов 5−3 см. Сложение плотное. Новообразования в виде корней многолетних растений.

В_к————— Карбонатный. Окраска коричневая. Структура крупнопризматическая. Сложение очень плотное. Карбонаты начинают вскипать на глубине от 70 см, встречаются в виде белоглазки и присыпки. Новообразования в виде корней многолетних растений.

Описание почвенного профиля чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого, отобранного на целине. Шурф № 2.

А₀ ————- Травянистый войлок; состоит из не разложившихся растительных остатков. Окраска черная. Структура мелко комковатая, более или менее правильной формы, поверхность ровная, грани не выражены, размер агрегатов 7−5 мм. Сложение рыхлое. Большое количество корней многолетних травянистых растений.

А ————— Гумусово-аккумулятивный. Окраска черная. Структура ореховатая, размер агрегатов от 10 до 7 мм. Сложение плотное. Новообразования в виде корней растений.

АВ ————- Переходный, горизонт гумусовых затеков. Окраска языков серая, а горизонта В темно-бурая, Структура столбовидная, от 3 до 5 см — отдельности слабо оформлены, с неровными гранями и округленными ребрами. Сложение очень плотное. Новообразований нет.

В ————— Иллювиальный, выщелоченный от карбонатов горизонт. Окраска темно-бурая. Структура крупнопризматическая, размер агрегатов 5−3 см, грани хорошо выражены, с ровной глянцевой поверхностью, с острыми ребрами. Сложение очень плотное. Новообразований нет.

В_к————— Карбонатный. Окраска коричневая. Структура столбчатая — правильной формы с довольно хорошо выраженными гладкими боковыми и вертикальными гранями, размер 3 см. Сложение очень плотное. Карбонаты вскипают от 2% HCl на глубине 80−90 см, встречаются в виде белоглазки и присыпки. Включения в виде гальки.

Описание почвенного профиля чернозема выщелоченного тяжелосуглинистого, отобранного на пашне. Шурф № 3.

А_пах—————-Пахотный горизонт, расположенный с поверхности на пахотных землях, образуется за счет поверхностных слоев почв в него входит весь гумусовый горизонт. Окраска черная. Структура зернистая, размер агрегатов 3−1мм. Сложение рыхлое. Новообразования в виде корневых остатков злаковых растений.

АВ ————- Переходный, горизонт гумусовых затеков. Переход в горизонт В виде «кармана». Окраска темно-серая. Структура крупноореховатая. Сложение плотное. Новообразований нет.