Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
2. Условия
2.1. Почва 34
2.2. Климат 40
2.3. Погодные условия в годы исследований 42
3. Методы исследований и их совершенствование
3.1. Методика исследований . 47
3.2. Совершенствование методов. Отбор почвенных проб 49
Пробоотборник 54
Устройство для закладки целлофановой пленки в почву 55
Устройство для определения усадки и набухания почвы 59
Регистратор вертикальных деформаций почвы 63
Пучинометр 67
4. Почвенные 71
4.1. Структурные связи почвогрунтов 72
4.2. Деформации консолидации 78
4.3. Деформации набухания и просадки 90
4.4. Тепловые деформации 98
4.5. Усадочные деформации 100
4.6. Криогенные деформации 104
4.7. Полевые почвенные деформации 107
4.8. Машинные деформации 113
5. Оптимизация почвенных условий
5.1. Состояние вопроса 144
5.2. Физическое строение почвы 147
5.3. Агрегатный состав 151
5.4. Водный режим 153
5.5. Тепловые свойства 155
5.6. Пищевой режим и биологическая активность почвы 156
5.7. Урожайность 166
6. Особенности почвой осадков
6.1. Эффективность использования осадков 170
6.2. Гидротермические условия аккумуляции зимних осадков 178
6.3. Водопроницаемость почвы 184
7. Щелевание почвы
7.1. Состояние вопроса 210
7.2. Эффект щелевания на различно уплотненной почве 213
7.3. Параметры щелевания 220
7.4. Щелеватель 231
8. Эффективность щелевания на первой, второй пшенице после чистого пара и многолетних травах 235
8.1. Щелевание под первую и вторую пшеницу 236
8.2. Экономическая эффективность 260
8.3. Щелевание многолетних трав 262
Выводи 267
Предложения производству и научным учреждениям 273
Список литературы 275
Приложения 315
- Совершенствование методов. Отбор почвенных проб
- Деформации консолидации
- Физическое строение почвы
- Гидротермические условия аккумуляции зимних осадков
Совершенствование методов. Отбор почвенных проб
Процесс отбора почвенных образцов из почвогрунтов с использованием ручных буров AM-I7, Ш-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, ШМЗ-ІЗ 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 НИИСХа и устройство для отбора монолита почвогрунта (tfntunes da sieve . f 1974). При использовании этих устройств, равно как и вышеупомянутых, уплотняются все новые участки опытной делянки, портится растительный покров.
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 сушки. 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 Ш0 "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).
Проверка, 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).
Из 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 10 см) отбирались пробы. Затем из этих же скважин отбирались пробы пробоотборником, путем поворота за рукоятки X 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.
Деформации консолидации
Почвогрунты 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 прочностй 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 случав, 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.М.Васильев (1964) подчеркивают, что деформа-вдя консолидации продолжается длительное время и идет со всепони-жающейся 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 деформаций 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 исследований
Почва 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 (12,4/0, 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.
Почвенные пробы, массой 750 г каждая (в переводе на абсолютно сухое состояние), пересыпались в стеклянный цилиндр емкостью 2000 мл. На выровненную поверхность почвы устанавливался диск I (рис. 4.2) со стержнем 2. На диск насыпалась новая порция почвы той же массы. На ее выровненную поверхность ставился второй диск 3, несущий по центру трубку 4 и пластину 5. Стержень нижнего диска проходил через трубку 4. Таким образом, нижний и верхний диск с помощью стержня 2 и трубки 4 выходили на поверхность к индикатру и позволяли учитывать процесс осадания всей почвенно:. колонки з отдельно нижнего ее слоя. Индикатор 7 монет уста- ізгл-ваться Б центральную или боковую измерительную трубку 6. Э Л: труски регулируются по высоте, фиксируются контргайкой ііз. =:: :о-оа 9, Последняя аестко укрепляется в верхнє:! части ппллндрги
Тзменекие расстояния между трубками 6 и концом стсс-:: ля - : грубки 4, вызываемое- оседанием почвы, учитывалось лі-ідіїкатором 7. Замер делался так. Стержень индикатора осто -.огло опускался з трубку 6 вначале до упора головки з торпевую часті -: тараня, затем до упора корпуса в торец трубки. После таком установки снимались показания индикатора. Так через определенные периоды регистрировалось оседание верхнего и никнего слоев.
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 І974 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 в первом опыте, простоявшая под наблюдением 1185 и во втором 720 суток, уплотнилась на очень незначительную величину, особенно в закрытых сосудах, где было исключено испарение воды, а следовательно и явление усадки. Однако деформация консолидации, вызываемая давлением слоев почвы (силами гравитации), зависит от уровня увлажнения.
Физическое строение почвы
В полевых и вегетационных опытах наиболее благоприятное со отношение различных фаз почвы достигалось при уплотнении почвы от 1,0 до 1,2 г/см3. Так, в вегетационном опыте порозность аэрации составляла от 38,8 до 11,6$ от объема почвы, а при оптимальной плотности (1,0-1,2 г/см3) - от 32,0 до 18,5$ (табл. 5.2). В полевых опытах в связи с худшим увлажнением доля жидкой фазы уменьшается, а газообразной увеличивается. Даже перед посевом первой пшеницы по чистому пару, когда обычно по этому предшественнику накапливается больше влаги, степень аэрации остается на самых уплотненных вариантах достаточной высокой: на пшенице при плотности 1,3.. г/см3 она составила 23,4%, а на ячмене 27,5%. В более поздние фазы развития растений содержание почвенной влаги падает, создавая еще большую степень аэрации. Ниже приводится соотношение фазических фаз почвы перед посевом пшеницы при традиционных приемах основной и предпосевной обработки почвы (табл. 5.3).
Практика многолетних наблюдений за плотностью и влажностью почвы также свидетельствует о том, что к началу сева зерновых культур пахотный слой обычно излишне рыхлый и недостаточно увлажненный. Рыхлость почвы и ее высокая аэрация активизируют обмен почвенного воздуха, что ведет к усиленному испарению почвенной влаги.
Детально изучая влияние количественного соотношения фаз почвы на серых лесных почвах, Т.Т.Вилесов (1975) пришел к выводу, что урожай культур в первую очередь зависит от содержания влаги, а затем уже от плотности и аэрации (табл. 5.4).
Как видим из приведенных данных, оптимальная влажность зависит от плотности почвы. Однако при всех уровнях уплотнения она остается достаточно высокой. Снижение урожая при значительной плотности и влажности объясняется недостаточной аэрацией и ослаб-ленной микробиологической деятельностью.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что на черноземных почвах лесостепи, и тем более степи Западно-Сибирского региона с использованием современных технологий обработки почвы, условия аэрации, из-за недостаточной плотности и влажности, явно завышены, и естественно не могут тормозить биологические почвенные процессы. Это отмечалось в выше упомянутых работах M.S.Журавлева (1973), А.И.Шевлягина (І96І), А.Г.Бондарева (1974), Р.А.Шмидта (1974). Скорее это торможение наступает в связи с недостатком воды.
Минимализация обработки почвы предполагает пре імущественно поверхностное (0-Ю см) ее рыхление и подповерхностное (глубже 10 см) уплотнение. Последнее вызывается в основном работой машинных агрегатов. Так, по данным С.С.Сдобникова, В.И.Беспамятного (1970), Г.Я.Палецкой (І975) в условиях беспахотной технологии возделывания зерновых культур слой 10-30 см на 2-3-й год уплотняется до 1,1-1,2 г/см3. Это, по мнению В.АЛОферова (1965), А.И.Шевлягина (1972), при повторных плоскорезных обработках сибирских черноземов способствует увеличению количества водопрочных агрегатов 0,25 мм в слое І0-30 см. По данным же И.В.Кузнецовой (1979) на курских мощных черноземах, В.М.Сорочкина, В.А.Шепту-хова (1979) на дерново-подзолистых почвах, воздействие машинных агрегатов разрушает структуру почвы, ухудшают ее физико-механические показатели, снижает урожайность.
Н.А.Качинский (1964), объясняя механизм структурообразования, ведущее значение придает капилляршм силам, проявляїоїщш свое цементирующее действие в процессе высыхания почвы. И.Б.Ревут (І97І, 1972) также указывает на большое значение в этом процессе попеременного увлажнения и высыхания почвы.
Изложенные взгляды позволяют предположить, что уплотненное состояние почвы при постоянном влиянии гидротермических, биологических факторов усиливает процесс структурообразования. Правомерность этого положения подтверждается и нашими материалами (табл. 5.5 и 5.6).
Гидротермические условия аккумуляции зимних осадков
Среди условий, определяющих величину весенних влагозапасов в почве, большое значение имеет приходная и расходная часть невегетационных атмосферных осадков. По данным А.Р.Макарова, В.Е. Загребельного (1976) потери на испарение в южной лесостепи за сентябрь-октябрь (осень) составляют 49 мм, или 87,5% от нормы выпадающих осадков, в апреле, мае (весна) 93 мм, или 186%.от нормы осадков. Потери зимой (ХІ-Ш) по данным В.С.Мезенцева, И.В.Карна-цевича (1969) составляют 6% годовой нормы осадков (18-20 мм), или 30% к многолетней зимней норме. Таким образом, основные непродуктивные потери приходятся на осень и весну. Это вытекает и из анализа материалов наблюдений, проведенных отделом Омской ШО за 91 год (І89І-І98І гг.). В 46,6% лет этого периода осенью выпадает осадков меньше нормы испарения (49 мм), при этом 56% лет со среднемесячной температурой выше нормы. Весной с осадками выше нормы выпадает лишь 34% лет, и только 3,4% из них отмечаются с хорошим увлажнением, превышающим норму испарения (93 мм). Недо статок осадков сопровождается повышенным тепловым режимом. 60% лет имеют среднемесячную температуру выше нормы.
Как видим, характерной чертой осени и весны южной лесостепи являются засушливость и интенсивное испарение влаги. Осенью это ведет к увлажнению в основном верхнего слоя 0-20 см. В таких условиях для полной и глубокой весенней влагозарядки в преобладающее число лет необходимы механические обработки на глубину, близкую к глубине осеннего промачивания.
Немаловажное значение в аккумуляции талых вод имеет характер снего- и почЕотаяния. Ряд исследователей, изучая этот вопрос, установили некоторые закономерности этого процесса. Так, А.К.Филиппова (1955) указывает на хорошее просачивание воды сильно и умеренно мороженых тяжелосуглинистых черноземов при безморозном режиме снеготаяния. Попеременное оттаивание и замораживание снижает впитывание на 20-50%. По данным А.Н.Карпова (І936), В.Ф.Ани-ковича (1962) талая вода лучше просачивается при постепенном оттаивании почвы.
В.М.Мосолов (І925), Г.П.Сурмач (1955) утверждают, что к концу снеготаяния слой почвы, оттаивающий на глубину 0-20 см, за счет снеговой воды и перегонки ее из нижних горизонтов, насыщается обычно до полной влагоемкости. Повышенная влагоотдача снега, ночные заморозки - характерный процесс этого периода. Он часто усиливает потери на сток и испарение.
Анализ материалов отдела наблюдений Омской ІМ0 также указывает на типичность процесса суточных колебаний температуры воздуха (рис. 6.1, 6.2). Если в апреле и октябре в среднем преобладают положительные суточные температуры, то в период с 8/Ш по 20/ЇІІ и с 8/Х по 3/ХІ положительные и отрицательные величины выравниваются. Суточные колебания в мае составляют 9,9С, в июне
Ю,2С затем снова уменьшаются (Климат Омска, 1980). Следует отметить, что ни в какой другой момент года суточные колебания температур не ведут к фазовым превращениям почвенной влаги и не оказывают столь решающего влияния на ее аккумуляцию, как в период снеготаяния. Осенью и весной, в момент перехода температуры воздуха через 0С, эти суточные изменения отрицательно сказываются на весеннюю водопроницаемость почвы. Дело в том, что в эти периоды, а иногда и зимой дневное повышение температуры ведет к образованию снеговой воды, последняя насыщает верхние слои почвы, ночные заморозки цементируют ее, блокируя поровое пространство почвы. Это существенно ослабляет просачивание талой воды и усиливает потери на сток. В связи с этим Г.П.Сурмач (1955) пишет, что если найти способ рыхления почвы под снегом на глубину 5-7 см перед снеготаянием, то можно значительно сократить сток талых вод. Q.fl/.Blo-U , ЛЛІоЬЬ (1938), П.И.Аксенов (1969), Я.Мухор-тов, А.Коваленко (І973), придерживаясь этого же мнения, с целью активизации водопоглощения рекомендуют щелевание почвы.
На возможность образования ледяного панциря и его отрицательное влияние на процесс впитывания воды указывают И.Ф Идзон (1951), Н.И.Богданов (1977), Ж.Н.Лысак, М.М.Ломакин, Н.Ф.Гончаров (1979), В.М.Володин, Н.Ф.Коптев (1979).
