Вологоємність різних типів ґрунтів
Надлишок або нестача вологи – яку роль у цьому відіграє ґрунт?
Контраст між перезволоженими ґрунтами навесні й надміру сухими влітку стає все сильнішим. Ранньої весни ґрунти достатньо насичуються водою внаслідок танення снігу або рясних опадів, тоді як влітку вони явно пересихають. Наскільки сильно вираженими можуть бути ці процеси, залежить від ґрунту, зокрема, такої його характеристики як вологоємність.
Що означає "вологоємність"?
Вологоємність — це кількість води, яку здатний поглинати ґрунт й утримувати в собі тривалий час. Вона складається з суми гравітаційної (такої, що стікає) та підвішеної (що утримується під дією капілярних і сорбційних сил) ґрунтової води.
Капілярна, адсорбційна, польова вологоємність...
Накопичення вологи в ґрунті відбувається під дією капілярних і сорбційних сил: що вужчі капіляри або шпари ґрунту, то вищими є капілярні й сорбційні сили, й то більше вологи утримується в ґрунті протягом тривалого часу. Для того, щоб поглинати ґрунтову вологу, всмоктувальна сила коренів рослин повинна бути більшою за капілярні та сорбційні сили ґрунту.
Сила натягу, яка утримує воду в ґрунті, протидіючи силі гравітації, називається капілярною й вимірюється показником pF. Що вищий показник pF, то сухішим є ґрунт.
Простим показником визначення вологоємності є польова або загальна вологоємність ґрунту (зВҐ). Вона відповідає кількості води, яку здатен утримувати ґрунт, протидіючи силі гравітації.
Доступну для рослин вологу позначають як корисну польову вологоємність (кПВ), яка має визначену межу — вологість гальмування або ж постійну точку в'янення (ПТВ). ПТВ зазвичай перебуває на рівні pF 4,2. Вода, яка утримується найменшими капілярами із силою pF 4,2 і більше, недоступна для рослин і називається мертвим запасом вологи(МЗВ). Таким чином, кПВ є різницею зВҐ і МЗВ й перебуває в діапазоні pF 1,8–4,2.
Здатність ґрунту утримувати вологу залежить від багатьох факторів
Шпаруватість ґрунту
Вірогідно, найбільший вплив на вологоємність ґрунту справляє його шпаруватість. Середньостатистичне поле має ґрунти, що на 50% складаються з мінералів, приблизно на 7% — з гумусу й на 43% — з просторового об'єму (шпар). Залежно від діаметру цих шпар і рівня опадів у певному регіоні вони заповнюються або повітрям або водою. Шпари поділяють на дуже крупні (> 50 мкм), крупні (10- 50 мкм), середні (10-0,2 мкм) та дрібні (< 0,2 мкм).
Дуже крупні шпари заповнені повітрям. Під час дощів вони заповнюються водою й пропускають її в нижні горизонти. За день-два вони знову спорожнюються, оскільки вода вільно стікає під дією сили тяжіння. Тому ці шпари слугують аерації ґрунту. Вони забезпечують також життєвий простір для мікроорганізмів і коренів рослин.
Великі шпари пропускають воду повільно й у період вегетації активно використовуються рослинами. Після того, як вода опуститься в нижні горизонти або буде поглинена рослинами, ці шпари знову заповнюються повітрям.
Середні шпари або капіляри здатні утримувати вологу під дією капілярних сил. Ця вода в сукупності з вільним запасом вологи належить до корисної польової вологоємності. Ця волога є найбільш значущою для рослин. Середні шпари утримують доступну для рослин вологу й за рахунок капілярного підняття води забезпечують її споживання з глибших шарів. Дрібні корені й кореневі волоски здатні проникати у шпари середніх розмірів.
У дрібних капілярах ґрунтова вода зв'язана за рахунок сильних сорбційних сил і недоступна для рослин. У такому разі говорять про мертвий запас вологи. Це означає, що усмоктувальної сили коренів недостатньо для того, щоб поглинути цю вологу. Якщо вологість ґрунту опускається до рівня мертвого запасу (pF 4,2), багато рослин досягають точки в'янення й гинуть. У такому випадку відбувається розрив капілярного зв'язку вологи й коренів рослини, що призводить до їх висихання.
Тип ґрунту
Іншою важливою характеристикою ґрунту, що впливає на вологоємність, є його тип. Ґрунти різняться за гранулометричним складом, структурою, вмістом органічних речовин і величиною, формою та конфігурацією шпар. Як правило, ґрунти за вологоємністю можна розташувати у такій послідовності: піщані < супіщані < суглинкові < глинисті < торф'яні.
Легкі, піщані та легкі суглинкові ґрунти мають низьку вологоємність, оскільки містять велику кількість крупнозернистих частинок і велику кількість крупних шпар. Такий ґрунт швидко пропускає воду й вона доступна рослинам лише протягом короткого періоду. Такі ґрунти мають низьку здатність накопичувати вологу.
Середньоважкі ґрунти — наприклад, глинисто-піщані або суглинкові з оптимальною структурою мають середню вологоємність, достатній повітряний режим і добре піддаються обробітку. Маючи більше тонкозернистих частинок, ці ґрунти здатні накопичувати більше вологи порівняно з піщаними й краще утримувати її за рахунок більшої кількості середніх і дрібних капілярів.
Важкі (з високим вмістом глини) ґрунти мають дуже високу вологоємність. Вони містять велику кількість дрібних капілярів, а отже, й великий відсоток мертвого запасу вологи. Крім того, здатність глиняних колоїдів і часточок гумусу набухати затримує воду в ґрунті. При цьому залишкова вода утворює навколо ґрунтових часточок плівку.
На практиці це означає, що піщані ґрунти за рясних дощів набагато краще забезпечують рослини водою, тоді як суглинкові й глинисті ґрунти утримують більше вологи за посушливих умов.
Динаміка зміни вологоємності ґрунту залежно від загального вмісту вологи в ґрунті представлена у вигляді кривої на графіку. Ця крива корелює з обома вище описаними факторами.
Динаміка зміни капілярних сил
Якщо подивитись на криву динаміки капілярних сил різних ґрунтів, помітимо, що зі зменшенням питомої частки об'єму води капілярні сили ґрунту зростають. Якщо ж, наприклад, розглянемо цю криву на виражено піщаних ґрунтах, то побачимо, що вона переривається за досягнення показника pF 5 або капілярної сили 105. Це дає змогу зробити висновок, що виражено піщані ґрунти мають лише крупні шпари і майже не містять дрібних капілярів, а тому динаміка зміни капілярних сил є нерівномірною. Майже протилежною виглядає ситуація з важкими ґрунтами з високим вмістом глини, які майже не мають крупних шпар.
вісь x: Загальний об'єм води в ґрунті
вісь y: Водопідйомна здатність ґрунту; (див. різні типи ґрунту)
вісь y праворуч: показник pF
Вміст гумусу
Окрім типу ґрунту та його шпаруватості на вологоємність значною мірою впливає також рівень гумусу. Оскільки гумус змінює фізичні властивості ґрунту, то само собою, він позначається й на вологоємності. Гумус склеює мінеральні частинки ґрунту, утворюючи пористі структури, стабілізуючи будову ґрунту та оструктурюючи його. Крім того, він збільшує загальний об'єм шпар, а тому створює сприятливі передумови для повітряного і водного режимів ґрунту. Оскільки, збільшується, насамперед, частка середніх шпар, то, відповідно, зростає й показник вологоємності, зокрема, кПВ.
Яку кількість води здатен утримувати ґрунт?
Як вже згадувалось вище, загальна питома вага води, яка здатна утримуватись ґрунтом, залежить від багатьох факторів.
Загалом можна сказати, що...
… піщані ґрунти здатні утримувати 6–10% води від власної питомої маси
… суглинкові ґрунти здатні утримувати 20–30% води від власної питомої маси
… глинисті ґрунти здатні утримувати до 40% води чи навіть більше від власної питомої маси.
Вміст гумусу також напряму впливає на вологоємність ґрунту. Однак, показники — яким чином накопичення гумусу змінює рівень здатності ґрунту утримувати вологу — різняться. Загалом можна сказати, що гумус здатен утримувати у 3–5 разів більше вологи від власної маси. Федеральне міністерство продовольства та сільського господарства Німеччини опублікувало статтю, в якій зазначає, що накопичення 500 еквівалентів гумусу на 1 га (один еквівалент гумусу відповідає 1 кг органічного вуглецю) збільшує загальну вологоємність на 2–4% і корисну польову вологоємність — на 13–28%. Тому накопичення гумусу — це один з найефективніших способів збільшити вологоємність ґрунту.
Значення показника вологоємності на практиці
З огляду на зміни клімату й пов'язані з ними екстремальні погодні явища, питання аерації і зволоження ґрунтів стає все актуальнішим. За рясних опадів бажано, щоб надлишкова вода якомога швидше просочувалася в нижні горизонти й поповнювала запаси підземних вод. У посушливі періоди бажано, щоб ґрунт накопичував й утримував якомога більше вологи, тобто мав якомога вищий показник кПВ.
Для виробництва однієї тонни пшениці потрібно приблизно 40–85 мм/м2 опадів. Для отримання врожаю 10 т/га потрібно 400–850 мм/м2 води протягом вегетаційного періоду. Для прикладу, середньорічна кількість опадів у Німеччині становить 830 мм. Проте для забезпечення пшениці вологою важливо, зокрема, щоб опади траплялися в оптимальний час. З цього одразу стає очевидним, що вода часто є обмежувальним фактором урожайності.
Витрата ґрунтової вологи на сільськогосподарських полях відбувається в основному через транспірацію (випаровування води через листя рослин), евапорацію (випаровування вологи з поверхні ґрунту), просочування й опускання води у нижні шари.
Транспірація — це природній процес, необхідний для росту рослин і формування врожаю. Оскільки цього виду втрат вологи не уникнути, важливо звести до мінімуму інші види витрати води полем. Ця задача тісно пов'язана з агрономічними технологіями й особливо зі способом обробітку ґрунту.
Який спосіб обробітку обрати, щоб отримати максимальну віддачу від ґрунту та його вологоємності?
Мета обробітку ґрунту — створити оптимальні умови для розвитку сільськогосподарських культур, не зруйнувавши при цьому його структури, родючості й ґрунтового середовища життя організмів, а, навпаки, навіть поліпшивши їх.
Наразі у рослинництві існують різні технології й системи обробітку ґрунту й сівби, які по-різному впливають на повітряний і водний баланс ґрунту.
Оранка
Плуг — це надійна і перевірена технологія. При цьому відбувається не лише глибоке розпушування ґрунту, а ще й перевертання верхнього шару із заробленням пожнивних решток і бур'янів на глибину. Як оранка впливає на водний баланс ґрунту?
Глибоке розпушування й перемішування ґрунту руйнує його структуру й цілісність шпар, внаслідок чого уповільнюється швидке просочування води у глибші шари. Крім того, кожна наступна оранка руйнує популяцію дощових черв'яків. Унаслідок цього зменшується кількість водопроникних ходів і шпар. Оранка також перешкоджає капілярному підняттю вологи й, отже, забезпеченню рослин водою з нижніх горизонтів. Крім того, за такої технології можуть утворюватися декілька шарів, до яких, наприклад, належать ущільнений нижній шар, плужна підошва й прошарок соломи. Іншими шарами, що можуть виникати, є збитий шар внаслідок застосування борін з приводом від ВВП або замулена поверхня ґрунту. Це також негативно впливає на цілісність капілярів і водний баланс ґрунту. Такі антропогенні шари ґрунту перешкоджають росту коренів углиб. Все це в сукупності призводить до меншої інфільтрації і як наслідок — посиленої водної ерозії ґрунту. Подальша втрата вологи відбувається через різке збільшення поверхні площі ґрунту внаслідок оранки. Ґрунтова волога з верхнього шару легше випаровується в атмосферу. До того ж, "гола" чорна земля без органічної маси на поверхні поглинає сонячні промені, швидше прогрівається й посилює процес випаровування.
Цілком зрозуміло, що плужний обробіток ґрунту містить недоліки з огляду на вологозабезпеченість. Застосування плуга у посушливих регіонах або у періоди посухи є проблематичним, оскільки надходження вологи з глибших горизонтів більше не відбувається через зруйновані капіляри. Для технології плужного обробітку ґрунту важливо, щоб було достатнє забезпечення водою "зверху" у вигляді регулярних опадів.
Прямий посів
Під прямим посівом розуміють технологію нульового обробітку ґрунту. Для сівби "по нулю" потрібна спеціальна посівна техніка, яка відкриває борозну, закладає в неї насіння й потім надійно закриває. Така технологія сприяє збереженню структури й ґрунтового середовища життя. Як технологія ноу-тілл впливає на водний баланс ґрунту?
Ґрунти, на яких застосовують технологію ноу-тілл, мають високий ступінь інфільтрації та високий рівень капілярного підняття води. Причиною цьому є виражена цілісність шпар, яка сприяє вертикальному транспортуванню вологи. Природні шари ґрунту за такої технології зберігаються неушкодженими. Це забезпечує постійне надходження вологи з глибоких горизонтів системою неушкоджених капілярів, що пронизують усі шари. Крім того, дощова чи тала вода швидше просочується в ґрунт й краще утримується в ньому.
Відмова від обробітку ґрунту, крім того, сприятливо позначається на середовищі життя організмів, зокрема, збільшується популяція дощових черв'яків, що своєю чергою поліпшує структуру й родючість ґрунту. Покращуються також капілярність та інфільтраційні властивості ґрунту.
Завдяки наявності рослинних решток на поверхні й підвищеній перколяційній стабільності верхніх шарів ґрунти за нульової технології мають високий ступінь захисту від замулювання.
Шар мульчі запобігає не лише замулюванню та ерозії, а й справляє ефект інтерцепції. Ключовий термін: ефект альбедо, який описує властивість поверхні відбивати та розсіювати випромінення. Якщо порівняти поверхню поля, яке не обробляють, з орним, то коефіцієнт відображення світла у першого помітно вище. Відповідно, такі ґрунти менше нагріваються й втрачають менше вологи через випаровування. Волога, яка піднімається з нижніх горизонтів у верхній, залишається в ґрунті й таким чином верхні шари менше пересихають. Вміст води у нижніх шарах збільшується й рослини менше потерпають від стресу в період посухи. Окрім шару мульчі посиленому випаровуванню перeшкоджає також відсутність розпушування ґрунту.
Загалом прямий посів вважають найбільш вологоощадною технологією, яка поширена у Північній і Південній Америці. З огляду на екстремальні зміни клімату й все частіші посухи технологія прямої сівби набуває особливого значення також у наших широтах.
Висів у мульчу
Висів у мульчу — це найбільш поширена технологія. Під нею розуміють сівбу після безвідвального обробітку ґрунту (поверхневої або глибокої культивації) з наявністю пожнивних решток на поверхні. Для обробітку застосовують культиватори або дискові борони, можливо, інші ґрунтообробні агрегати з приводом від ВВП. Безпосередньо перед сівбою або одночасно з нею може ще здійснюватись підготовка посівного ложа у вигляді поверхневого обробітку ґрунту.
Така технологія по-різному може впливати на водний баланс і аерацію ґрунту — залежно від типу й глибини розпушування. Глибока культивація ґрунту з перемішуванням справляє подібний до оранки вплив на водний баланс: руйнується структура ґрунту, цілісність капіляр, ходи дощових черв'яків та шпаруватість. Як наслідок, порушується забезпечення рослин вологою з глибших шарів, зменшується інфільтрація й посилюється водна ерозія.
Поверхневу культивацію ж, навпаки, можна порівняти з нульовою технологією. У такому разі проводять обробіток лише поверхневого шару, структура ґрунту, природні горизонти, цілісність шпар, ходи дощових черв'яків та капілярне підняття води залишаються неушкодженими. Тому забезпечення рослин водою з нижніх горизонтів та інфільтрація є набагато кращими порівняно з глибокою культивацією.
Загалом, технологія сівби в мульчу зменшує нагрівання поверхні ґрунту й випаровування вологи за рахунок наявності рослинних решток на поверхні, а отже, й зменшує втрати води.
Які ще підходи можуть покращити водний баланс ґрунту?
Зрозуміло, що обробіток ґрунту — це найсуттєвіший фактор впливу на водний баланс ґрунту й інструмент, за допомогою якого можна навіть покращити вологоємність. Проте існують ще інші важливі фактори, які впливають на забезпечення ґрунтів вологою. До них належать:
Прикочування
Прикочування ґрунту після його обробітку є важливим, щоб закрити вологу й забезпечити капілярне підняття води. Ущільнення забезпечує оптимальну конфігурацію крупних, середніх і дрібних шпар, й відповідно покращує водний і повітряний режими ґрунту. Щоб створити оптимальні умови для проростання насіння й полегшити доступ до води, його необхідно закласти у вологий шар й провести ущільнення, щоб відновити капілярність.
Сидерати
Проміжні культури забезпечують низку переваг й позитивно впливають на водний баланс ґрунту. Вони поліпшують його структуру й сприяють накопиченню гумусу, пронизуючи його профіль коренями й утворюючи органічну масу. Це збільшує вологоємність і покращує інфільтраційні характеристики ґрунту та запобігає водній ерозії. Крім того, сидерати здатні утримувати зимову вологу. Постійний покрив ґрунту захищає його від перегрівання й зменшує випаровування вологи.
Усунення шкідливого впливу
Усі робочі процеси незалежно від технології обробітку повинні бути адаптовані до погодних умов і вологості ґрунту. Важливо, щоб на момент обробітку ґрунт був просохлим. Робота машин на перезволоженому ґрунті тягне за собою низку проблем. Ущільнення ґрунту важкою технікою, а також ущільнені й збиті шари на глибині обробітку лапами — це лише дві з них.
Ущільнені шари погіршують водопроникність і вологоємність ґрунту. Ущільнення руйнує крупні шпари й цілісність капілярів. Це призводить до того, що заповнені повітрям і водою капіляри спресовуються, внаслідок чого вода виступає на поверхню й більше не може просочуватися вниз. На додачу до цього, ріст і розвиток кореневої системи у такому ґрунті гальмується, що на практиці означає недостатнє забезпечення рослин вологою.
Ущільнений і збитий ґрунт з низьким рівнем інфільтрації можна поліпшити шляхом розпушування плужної підошви й оптимізації технології обробітку ґрунту. Але обов'язковою умовою для цього є абсолютно сухий ґрунт! Та для відновлення структури ґрунту самого лише обробітку ґрунту недостатньо.
Висновок
Отже, правило наступне: що менший обробіток ґрунту, то менші втрати вологи. Якщо все ж існує необхідність обробітку ґрунту, то для заощадження вологи слід обирати мінімальний поверхневий обробіток з незначним перемішуванням. Будь-який обробіток спричиняє висихання верхнього шару й руйнує капіляри. Якщо рослини отримують воду в основному з нижніх шарів шляхом капілярного підняття, варто відмовитися від (глибокого) обробітку ґрунту.
Додатково збереженню вологи в ґрунті сприяє його покрив рослинними рештками. Шар мульчі працює як ізоляція й, крім того, захищає від водної та вітрової ерозії.
Джерело:
GEFA FABRITZ: www.gefafabritz.de/amfile/file/download/file/427/
Wikipedia: de.wikipedia.org/wiki/Wasserkapazit%C3%A4t
Ahabc.de: www.ahabc.de/bodeneigenschaften/wasserspeichervermoegen/;
Hyper SoiL: hypersoil.uni-muenster.de/1/01/02.htm
Bodenwelten: www.bodenwelten.de/content/boden-wird-versiegelt
Topagrar: www.topagrar.com/dl/3/8/1/8/3/1/5/T_092_097_03_21.pdf