Вологоємність різних типів ґрунтів

Що означає термін «вологоємність»?

Вологоємність ґрунту (водоємність) описує загальну кількість води, яку ґрунт може зберігати та зв’язувати. Це сума гравітаційної води (стікаючої води) і водоємності поля (польової вологоємності).

Капілярність, вологоємність ґрунту, вологоємність поля

Спочатку трохи теорії.

Процес зв’язування води в ґрунті відбувається за принципами капілярності та адсорбції: щільніші капіляри або пори призводять до більшого підйому води та більших капілярних і адсорбційних сил, які утримують воду в ґрунті. Якщо рослина хоче поглинати воду, вона повинна докладати більше сил поверхневого натягу, ніж капілярні та адсорбційні сили, які утримують воду в ґрунті.

Напруга, яка утримує воду в ґрунті проти сили тяжіння, вимірюється величиною pF — силою всмоктування. Чим вище значення pF, тим сухіший ґрунт.

Як простий показник водоутримувальної здатності можна визначити польову водоутримувальну здатність (ПВЗ) або максимальну водоутримувальну здатність. Вона відповідає кількості води, яку ґрунт може максимально утримати під дією сили тяжіння.

Кількість води, яка доступна для рослин, називається продуктивною вологою (ПВ) і обмежується коефіцієнтом вологості стійкого в’янення рослин (ВСВ). Цей коефіцієнт зазвичай має pF 4,2. Вода, що утримується в найдрібніших порах з напругою більше pF 4,2, недоступна для рослин і називається мертвою водою (МВ). Отже, ПВ відповідає вологості ґрунту при силі всмоктування pF = 2,0-4,2.

Скільки води може утримувати ґрунт, залежить від різних факторів

Пори в ґрунті

Найбільший вплив на вологоємність мають пори ґрунту. Середній орний ґрунт складається приблизно з 50% твердих мінеральних речовин, приблизно 7% гумусу та приблизно 43% пустот. Ці порожнечі заповнюються повітрям або водою залежно від їх діаметра та водопостачання на ділянці. Вони поділяються на широкі макропори (> 50 мкм), вузькі макропори (10-50 мкм), мезопори (10-0,2 мкм) і мікропори (< 0,2 мкм).

Широкі макропори заповнені повітрям. Під час дощів вони наповнюються водою, яка стікає глибше у ґрунт. Через 1-2 дні вони знову порожні, оскільки не можуть утримувати воду під дією сили тяжіння, і потім використовуються для аерації ґрунту. Вони є середовищем проживання мікроорганізмів і коренів рослин.

Читати також: Проблеми структури ґрунту, спричинені змінами клімату: погляд фахівця

У вузькі макропори вода може лише повільно просочуватися і все ще використовується рослинами протягом вегетаційного періоду. Як тільки вода відстоюється або поглинається рослинами, ці пори також заповнюються повітрям.

У мезопорах вода утримується силою тяжіння. Разом із запасами води у вузьких макропорах ця вода вважається продуктивною. Зрештою, вода в мезопорах є найважливішою для рослин. Вони зберігають воду, доступну для рослин, і можуть постачати рослини водою з глибших шарів за допомогою капілярної вологи. Коріння своїми тонкими бічними корінцями та кореневими волосками проникають у мезопори.

У мікропорах ґрунтова вода настільки міцно зв’язана силами адгезії, що рослина більше не може її поглинати. Її називають мертвою водою. Це означає, що натягу коренів уже недостатньо для всмоктування води з ґрунту. Якщо ґрунт висихає настільки, що лише дрібні пори містять воду (pF 4,2), багато рослин досягнуть рівня вологості стійкого в’янення (ВСВ).

Тип ґрунту

Тип ґрунту також має великий вплив на вологоємність. Ґрунти, як відомо, відрізняються за гранулометричним складом, структурою, вмістом органічної речовини та розподілом пор за розміром. Як правило, щодо водоємності застосовуються такі правила: пісок < мулисті ґрунти < суглинки < глина < торф. Легкі, піщані та злегка глинисті ґрунти мають низьку водоутримуючу здатність через великі частинки та високу кількість макропор. Вода швидко просочується в ґрунт і дуже довго не доступна рослинам. Ці ґрунти мають низький потенціал накопичення води.

Карта ґрунтів

Інтерактивна карта ґрунтового покриву України

Середні ґрунти, що варіюються від сильно суглинистих пісків до мулистих глин, мають середню водоутримуючу здатність, добре аеруються і легко піддаються обробітку, якщо їх структура хороша. Завдяки своїй дрібнозернистій структурі ці ґрунти можуть утримувати більше води, ніж піщані, оскільки дрібні частинки і більша частка середніх і дрібних пор можуть краще утримувати воду.

Важкі, глинисті або суглинисті ґрунти мають дуже високу водоутримуючу здатність. У цих ґрунтах, зокрема, частка дрібних пор, а отже, і частка мертвої води, дуже висока. Крім того, процеси набухання глинистих колоїдів і частинок гумусу утримують воду в ґрунті, так що вода, що залишилася, утворює тонкі шари навколо частинок ґрунту.

На практиці це означає, що в більш вологих умовах піщані ґрунти забезпечують набагато більше води, доступної для рослин, тоді як глинисті ґрунти та суглинки мають більшу здатність утримувати воду в посушливі періоди.

Рис. 1. Повітроємність, корисна водоємність та мертва вода у піщаному (ліворуч), мулистому (в центрі) та глинистому (праворуч) ґрунті з середнім рівнем ущільнення.

Хід вологоємності ґрунту представлений у вигляді кривої напруги води залежно від відносної частки води в ґрунті. Ця крива корелює зі згаданими вище факторами.

Рис. 2. Крива напруги води

Позначення: 

Ss = чистий пісок, Uu = чистий мул, Tt = чиста глина, Lu = мулиста глина

вісь Х: об'ємна частка води в ґрунті

вісь ординат: напруга ґрунту відносно сили тяжіння (див. тип ґрунту)

вісь У: значення сили всмоктування pF 

Якщо ми подивимося на криву натягу води для різних ґрунтів, то побачимо, що зі зменшенням об’ємної частки води в ґрунті натяг ґрунту відносно сили тяжіння зростає. Якщо ми візьмемо криву напруги води чистого піску як приклад, то побачимо, що вона зупиняється на напрузі 105 або значенні pF 5. Це означає, що чистий піщаний ґрунт майже не має дрібних пор, а отже, напруження зростає не в такій мірі. На противагу цьому, стає зрозуміло, що чисті глинисті ґрунти мають менше широких макропор.

Вміст гумусу

Окрім пор і типу ґрунту, вміст гумусу також відіграє важливу роль у вологоємності ґрунту. Оскільки гумус впливає на фізичні властивості ґрунту, він також впливає на його вологоємність. Гумус зв'язує мінеральні частинки ґрунту, створюючи структуру ґрунту з великою кількістю пустот, стабілізує ґрунтову тканину та покращує її структуру. Крім того, він збільшує об'єм пор і, таким чином, забезпечує оптимальні потреби в повітрі та воді. Зі збільшенням частки пор середнього розміру в ґрунті збільшується і вологоємність, а отже, і кількість продуктивної вологи.

Скільки води може утримувати ґрунт?

Як описано вище, загальна кількість води, яку може утримувати ґрунт, залежить від багатьох факторів. Загалом можна сказати, що:

• піщані ґрунти можуть накопичувати кількість води, що відповідає приблизно 6-10% їхньої ваги;
• глинисті ґрунти містять приблизно 20-30% їхньої ваги;
• глинисті ґрунти утримують до 40% і більше води від своєї маси.

Вміст гумусу також визначає кількість води, що зберігається в ґрунті. Значення кількості води, що утримується завдяки утворенню гумусу, варіюються. Загалом, є таке правило: гумус може зберігати в три-п'ять разів більше води, ніж він важить сам. У статті Федерального міністерства продовольства та сільського господарства (Польщі, - ред.) наводяться дані про збільшення на 2-4% ємності води та на 13-28% ємності поля в результаті накопичення 500 гумусових еквівалентів/га (один гумусовий еквівалент відповідає 1 кг гумусового вуглецю). Таким чином, утворення гумусу є одним з найефективніших способів збільшення водонакопичувальної здатності.

Значення вологоємності на практиці

Через зміни клімату та пов’язані з ними екстремальні погодні явища все більше уваги приділяється забезпеченню ґрунтів вологою та повітрям. Під час вологих періодів ґрунт повинен якнайшвидше відводити зайву воду на глибину та у ґрунтові води. У періоди посухи ґрунт повинен накопичувати якомога більше вологи, доступної для рослин, і таким чином досягати максимально можливого коефіцієнта продуктивної вологи. Для виробництва однієї тонни пшениці необхідно приблизно 40-85 мм/м² опадів. При врожайності 8 т/га це відповідає потребі у воді 320-680 мм/м2 протягом вегетаційного періоду. Для порівняння, середньорічна кількість опадів у Польщі становить приблизно 500-600 мм/рік. Тому споживання води здається недостатнім, особливо якщо врахувати, що така кількість дощу має випасти в оптимальний час. Швидко стає зрозуміло, що вода часто є обмежуючим фактором.

Втрата води на ріллі в основному відбувається за рахунок транспірації (транспірація через листя рослин), випаровування з ґрунту, поверхневого стікання та просочування в нижні шари. Транспірація рослин є природним процесом і необхідна для росту рослин і, отже, отримання врожаю. Тому слід мінімізувати принаймні інші шляхи втрати вологи, тобто пов'язані із ґрунтом. Ця мета тісно пов’язана зі способом обробітку ґрунту.

Як можна максимально використати ґрунт та його вологоємність з точки зору систем землеробства?

Метою обробітку ґрунту є поліпшення умов росту і розвитку сільськогосподарських культур без руйнування структури ґрунту, його родючості та ґрунтових організмів, а в кращому випадку навіть покращуючи їх. Наразі в сільському господарстві використовуються різні системи обробітку ґрунту, які по-різному впливають на водозабезпечення й аерацію.

Оранка

Класичним способом обробітку є оранка. Ґрунт не тільки глибоко розпушують, а й перевертають, закладаючи в ґрунт пожнивні рештки та бур’яни. Що це означає для водопостачання ґрунту?

Глибоке розорювання та перемішування ґрунту порушує його структуру та суцільність пор, обмежуючи швидкий дренаж води в глибші шари. Крім того, кожен обробіток ґрунту плугом турбує популяцію дощових черв’яків. У результаті зменшується кількість водопровідних каналів і пор. Це також порушує капілярне відведення і, таким чином, постачання води рослинам із глибших шарів ґрунту. Крім того, можна створити декілька шарів: плужну підошву, шар “мазка” на дні борозни та шар солом’яної підстилки. Іншими можливими шарами, які можуть бути створені, є розмитий шар на глибині обробітку за допомогою ротаційної борони.

Читати також: Система землеробства Овсінського: як вирощують рослини з імунітетом

Порушення верхнього шару ґрунту, що виникає в результаті, також впливає на безперервність пор і водопостачання ґрунту. Ці антропогенні шари також перешкоджають утворенню і росту коренів вниз. Все це призводить до низької ефективності інфільтрації і, як наслідок, збільшення поверхневого стоку. Більші втрати води викликані також повним оголенням поверхні поля після оранки. Ґрунтова вода у верхньому шарі легше витрачається в атмосферу завдяки випаровуванню. Крім того, голий темний ґрунт без поверхневого шару органічної речовини поглинає сонячне світло, сприяючи випаровуванню та нагріванню ґрунту.

Швидко стає зрозуміло, що оранка не кращий вибір з точки зору ефективності використання води. Використання плуга в сухих районах або в період сильної посухи є проблематичним, оскільки подальше надходження води з глибших шарів не може бути забезпечене через пошкодження капілярних каналів. При використанні цього способу потреба у воді має задовольнятися регулярними опадами.

Рис. 3. Рух капілярної вологи залежно від способу обробітку ґрунту

Прямий посів

Прямий посів — це спосіб сівби без попереднього обробітку ґрунту. Для прямого посіву потрібні спеціальні сівалки, які відкривають насіннєве ложе, в яке поміщається насінина. Потім її покривають і засипають землею. Таким чином стимулюється структура ґрунту та його організми. Але що система no-till означає для водопостачання ґрунту?

Ґрунти, які обробляються методом no-till, характеризуються високою водопроникною здатністю та високими капілярними силами. Однією з причин є чітка безперервність пор, що сприяє вертикальному транспорту води. При цьому агротехнічному прийомі зберігаються природні шари ґрунту. Завдяки цьому постійно існуючі капіляри сприяють безперервному підйому води з глибших шарів ґрунту. Крім того, дощова вода, що стікає, краще проникає в ґрунт і затримується там. До того ж безплужний спосіб обробітку сприяє розвитку ґрунтових організмів, головним чином великих популяцій дощових черв’яків, які покращують структуру ґрунту та його родючість. Капілярність і ефективність інфільтрації ґрунту також підтримуються.

Завдяки рослинним залишкам, що лежать на поверхні ґрунту, і підвищеній перколяційній (фільтраційній) стійкості агрегатів верхнього шару ґрунту поля, які обробляються за системою no-till, захищені від замулення. Шар мульчі не тільки запобігає замуленню та ерозії, а й має ефект утримання. Ключове слово: ефект альбедо поверхні поля (альбедо — це здатність поверхонь або окремих тіл відбивати сонячну радіацію, — ред.). Якщо порівняти поле, оброблене без плуга, з полем, обробленим плугом, то рівень відбиття випромінювання у поля, обробленого без оранки, значно вище. Відбите випромінювання менше нагріває ґрунт, що призводить до меншого випаровування. Волога, яка підтягується із глибших шарів ґрунту, залишається в ґрунті, а верхні шари пересихають з меншою ймовірністю. Результатом є вищий вміст вологи в глибших шарах ґрунту, а в періоди посухи рослини менше страждають від водного стресу. На додаток до шару мульчі, нерозораний ґрунт перешкоджає підвищеному випаровуванню.

Загалом прямий посів виявився надзвичайно водоекономним методом та відіграє важливу роль, особливо в Північній та Південній Америці. Через екстремальні кліматичні умови та дедалі частіші періоди посухи прямий посів стає все більш актуальним і в наших регіонах.

Сівба в мульчу

Йдеться про сівбу основної культури в післяжнивні рештки попередньої або проміжної культури. Перед сівбою ґрунт глибоко або неглибоко розпушують, але не перевертають. Зазвичай використовують культиватори, а також дискові борони або механічні ґрунтообробні знаряддя (активні борони). Перед або під час сівби можна провести підготовку посівного ложа у вигляді неглибокої культивації. Залежно від виду і глибини розпушування цей обробіток по-різному впливає на рух води і повітря в ґрунті.

Глибоке розпушування та перемішування ґрунту впливають на водопостачання подібно до оранки: порушується структура ґрунту, суцільність пор, черв’якові канали та капілярність. Наслідки включають утруднене постачання води рослинам із глибших шарів, зниження ефективності інфільтрації та збільшення поверхневого стоку.

Неглибоке розпушування можна порівняти з прямим способом сівби. Проводиться лише неглибока культивація, щоб максимально зберегти структуру ґрунту з усіма його природними шарами, безперервністю пор, каналами дощових черв’яків і ростом капілярів. Тому водопостачання рослин із глибших шарів і ефективність інфільтрації кращі, ніж у випадку глибокого розпушування. 

В принципі, сівба в мульчу може зменшити нагрівання ґрунту, а також випаровування завдяки шару мульчі з рослинних залишків і, таким чином, зменшити втрати води.

Якими ще заходами можна поліпшити водопостачання ґрунту?

Звичайно, обробіток ґрунту є важливим фактором, який впливає на водопостачання ґрунту, а в ідеалі навіть покращує його. Однак необхідно враховувати й інші важливі фактори, що впливають на водопостачання ґрунту. До них належать:

Прикочування ґрунту

Прикочування після культивації необхідне для відновлення контакту насіння з ґрунтом і капілярного відведення. Крім того, воно покращує розподіл макропор, середніх і дрібних пор, а отже, подачу повітря та води. Для оптимізації умов для насіння після сівби, а особливо для полегшення його доступу до води, насіння слід помістити на водоносний шар і прикатати для кращої капілярності.

Проміжні культури

Покривні культури мають багато позитивних впливів на ґрунт і, отже, впливають на водопостачання. Вони сприяють покращенню структури ґрунту та утворенню гумусу, наприклад, завдяки цілорічному вкоріненню та органічним речовинам. Це сприяє підвищенню водомісткості та поліпшенню ефективності інфільтрації ґрунту, що, у свою чергу, запобігає поверхневому стіканню. Крім того, проміжні культури сприяють збереженню вологи взимку. Постійний ґрунтовий покрив також забезпечує захист від перегрівання та зменшує випаровування.

Читати також: Віктор Філатов: Сидерати можуть зробити доступними для рослин поживні елементи як від 100-400 кг/га міндобрив

Усунення шкідливих наслідків

У всіх системах вирощування польові роботи мають бути адаптовані до погоди та вологості ґрунту. На момент вирощування ґрунт має бути сухим. Вирощування у вологих умовах створює багато проблем. Два приклади шкідливих наслідків неправильного обробітку ґрунту — ущільнення ґрунту, спричинене важкою технікою, а також ущільнення та розмивання шарів у горизонті обробку ґрунту лапами та сошниками.

Ущільнення призводить до обмеженого поглинання та зберігання води. В ущільненому ґрунті руйнуються макропори та суцільність пор. У результаті пори обмеженого об’єму, які спочатку були заповнені повітрям, заповнюються водою, в результаті чого вода з ґрунту стікає, а не просочується. Крім того, ріст і розвиток коренів обмежений, а значить, немає водопостачання рослини. Властивості просочування ущільнених ґрунтів із низькою ефективністю інфільтрації можна покращити шляхом цілеспрямованого глибокого розпушування та правильного обробітку ґрунту. Однак для цього потрібен абсолютно сухий ґрунт! В основному, однак, важко повністю відновити належну структуру раніше пошкодженого ґрунту шляхом культивації ґрунту за короткий час.

Рис. 4. Розвиток кореневої системи залежно від структури ґрунту

Джерело: Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

Підсумки

Девіз: чим рідше ви обробляєте ґрунт, тим менше води втрачаєте. Якщо проводиться культивація, то діє таке правило: чим мілкіше культивація та менш інтенсивне перемішування, тим більше води економиться. Обробіток ґрунту призводить до висихання верхнього шару ґрунту та порушення капілярності. Якщо ви дбаєте про капілярне просочування / послідовне надходження води з нижніх шарів ґрунту, слід обмежити (відмовитися) від глибокого обробітку ґрунту. Ще одним заходом запобігання втрат води є покриття ґрунту рослинними рештками. Мульча має ізоляційний ефект і забезпечує захист від ерозії та поверхневого стоку. Пожнивні залишки та проміжні культури позитивно впливають на підвищення родючості ґрунту, що безпосередньо покращує умови зберігання води на сільськогосподарських полях.

Підготувала Алла Гусарова, SuperAgronom.com

Ми у Telegram

Тримай руку на пульсі важливих агрономічних новин та подій