Агроэкологическая оценка приемов обработки уплотненных южных черноземов Ростовской области

Актуальность работы определяется недостаточной изученностью свойств черноземных почв на склонах, подверженных процессу переуплотнения, усиливающему развитие эрозионных процессов и влияющему на уровень плодородия.

В условиях расчлененного рельефа юго-восточной части Донно-Донецкой равнины с высокой антропогенной нагрузкой на агроландшафты и чрезмерной распаханностью территории широкое распространение обрели процессы эрозии и переуплотнения почв. Последнее приводит к изменению физических, физико-механических и водно-физических свойств почвы, ухудшению их водного, воздушного и питательного режимов. В конечном итоге происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур. Вместе с тем, на склоновых землях уплотнение почвы тяжелой сельскохозяйственной техникой приводит к снижению водопроницаемости, что, в свою очередь, обуславливает большие потери осадков со стоком, усиливает смыв почвы. Поэтому решение проблемы разуплотнения почв современными сельскохозяйственными орудиями (чизели, щелеватели, глубокорыхлители и т. д.) позволит не только обеспечить их оптимальное сложение, но и предотвратить развитие эрозионных процессов.

Цель исследований — дать агроэкологическую оценку приемов основной обработки уплотненных южных черноземов и разработать мероприятия по улучшению агрофизических свойств и сокращению процессов эрозии.

Основные задачи исследований:

— установить характер изменений агрофизических свойств почвы под влиянием тяжелой сельскохозяйственной техники;

— создание экологически устойчивых элементов систем земледелия на переуплотненных склоновых землях, обеспечивающих уменьшение процессов эрозии и повышения урожайности сельскохозяйственных культур;

— провести агроэкологическую оценку предложенных приемов способов основной обработки на переуплотненных почвах.

Объект исследований — переуплотненные черноземы южные на склоновых землях северо-востока Ростовской области.

Предмет исследования — мелиоративные агротехнические приемы (чи-зелевание и щелевание), обеспечивающие разуплотнение почвенной толщи до полуметровой глубины.

Методология исследований. Исследования по разработке разуплотняющего действия агротехническими приемами проводилось с использованием общепринятых методик Б. А. Доспехова, С. С. Соболева, Г. П. Сурмача, ВНИИЗ и ЗПЭ и др. Математическая обработка полученных данных, установление закономерностей влияния изучаемых факторов на величину водопроницаемости, сток талых вод и смыв почвы, элементы водного баланса проводились с применением стандартных методов математической статистики.

Научная новизна. Установлены особенности изменения агрофизических свойств переуплотненных южных черноземов. Осуществлена агроэкологиче-ская оценка способов основной обработки почв для разрушения уплотненной прослойки в профиле почвы и сокращения эрозионных процессов. Оценена эколого-экономическая эффективность предлагаемых приемов.

Основные положения, выносимые на защиту:

— особенности изменения агрофизических свойств чернозема южного среднесуглинистого под влиянием сельскохозяйственных машин и орудий;

— пути агротехнического воздействия на свойства почвы, обеспечивающие снижение непроизводительных потерь влаги (сток талых и дождевых вод, сублимацию снега и др.), смыва почвы, повышающие урожайность сельскохозяйственных культур;

— эколого-экономическая оценка предлагаемых агротехнических мероприятий.

Личный вклад автора заключается в разработке программы работ, проведении полевых исследований, обработке полученных данных, внедрении результатов работы в производство.

Достоверность результатов исследований подтверждена большим объемом экспериментальных данных, полученных в полевых и лабораторных исследованиях, выполненных с использованием современных методикданными математического анализа результатов в полученных зависимостях и уравненияхданными производственной проверки.

Практическая значимость работы. Материалы исследований предназначены для широкого внедрения в производство для разуплотнения почв, находящихся в интенсивном сельскохозяйственном использовании, особенно склоновых земель с целью сокращения стока талых и дождевых вод, смыва почвы, повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в 2005;2006 годах: вошли в проекты агроландшафтной организации территории и систем земледелия с комплексом противоэрозионных мероприятий для ПК колхоза «Знамя труда» на площади 3,2 тыс. га Обливского района Ростовской области с суммарным экономическим эффектом 2576,0 тыс. руб.

Апробация работы. Основные теоретические и практические положения исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры мелиоративного почвоведения и земледелия ФГОУ ВПО «НГМА» (2002;2005 гг.), региональных научно-технических конференциях (ФГОУ ВПО ДГАУ в 2003 гФГОУ ВПО «НГМА» в 2005 г.- ФГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) в 2006 г.- ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет в 2006 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 6 статей, в том числе 1 монография.

Объем и структура работы. Работа изложена на 120 страницах компьютерного текста, состоит из 3 глав, выводов и предложений производству, списка используемой литературы из 241 наименования, в т. ч. 22 иностранных. Содержит 22 таблицы, 12 рисунков и 5 таблиц приложений.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Рациональное использование земель и специализация отраслей земледелия возможны только на базе глубокого знания особенностей почвенного покрова, специфики изменения его свойств под влиянием хозяйственной деятельности человека. Весьма часто из-за нерационального использования земледелец создает условия, приводящие к деградации почвенного покрова. Наиболее распространенные формы нарушения естественного плодородия — дегумификация, эрозия, машинная деградация или переуплотнение почв и др.

Деградационные процессы влияют на экосистемные функции почвы, обусловленные физическими и химическими свойствами. Наиболее важными являются такие физические свойства почвы, как структура, плотность, влагоем-кость, водопроницаемость и прочие. По данным исследователей и практиков, деградационные процессы ухудшают структуру почвы, увеличивают ее плотность, уменьшают общую порозность, снижают водопроницаемость, ухудшают водный и воздушный режимы почвы. На основании этого увеличиваются процессы эрозии и дефляции почв, а это — разрушение почвы, которое делает невозможным выполнение ею не только функций, связанных с физическими свойствами, но и других функций.

К числу деградационных процессов, связанных с научно-техническим прогрессом, относится машинная деградация почвенного покрова и связанный с ней процесс уплотнения почвенной массы. Неоднородный по сложению верхний 0−40 см слой почвы существенно влияет на водопроницаемость, скорость просачивания воды. Данное положение подтверждают результаты полевых и лабораторных исследований.

Уплотнение почвы представляет собой процесс более тесного расположения агрегатов и почвенных частиц под воздействием механических и природных факторов. Прежде всего при уплотнении уменьшается поровое пространство между почвенными агрегатами и весьма незначительно внутри агреi и I гатов (J.A. Currie, 1984, Е.С. Dickey и др., 1985).

Одним из основных факторов уплотняющего воздействия на почву является масса тракторов и другой сельскохозяйственной техники. Во многих странах мира, в том числе и в России, наблюдается тенденция увеличения массы сельскохозяйственных машин. Так, масса трактора ДТ-75 в настоящее время составляет более 6 т, Т-150К — более 8 т и К-701 — 13,5 т (И.П. Макаров, 1984). Масса колесных тракторов, на долю которых приходится выполнение основной части полевых работ, повысилась в последние годы в 2−4 раза. Такая же тенденция сохраняется при создании других сельскохозяйственных машин и орудий. На основании исследований А. И. Попова с соавторами (1977), Б.А. Доспе-хова с соавторами (1979), A.M. Гуревича с соавторами (1980), М. А. Шипилова (1983), М. И. Ляско с соавторами (1985), существующие в настоящее время тракторы по мере возрастания уплотняющего воздействия на почву располагается в следующем порядке: Т-70С, Т-74, ДТ-75, Т-150, МТЗ-82, Т-150К, К-701. В США основными техническими средствами, вызывающими уплотнение почвы, считаются зерноуборочные комбайны (масса с нагрузкой 14 т и более) и прицепы (с нагрузкой на ось до 20 т), навозоразбрасыватели, а также тракторы массой 9 т и более (S. Marking, 1984; R. Fee, 1986). В Швеции одной из причин значительного уплотнения почвы считают применение свеклоуборочных комбайнов (L. Hendriksson, J. Hakansson, 1985). По заключению рабочей группы по механизации сельского хозяйства, входящей в состав Европейской экономической комиссии ФАО, опасность уплотнения почв усугубляется тем, что оно носит кумулятивный характер. Величина остаточного уплотнения зависит от уровня воздействия на почву (Г.Г. Черепанов, В. М. Чудиновских, 1987).

Уплотнение усиливается при буксировании, вибрации двигателей, высоком давлении в шинах, узких расстояниях между опорами ходовых систем и пр. Уплотнение почвы во многом определяется ее свойствами. В меньшей степени подвержены уплотнению почвы с высоким содержанием органического вещества (И.С. Рабочев и др., 1980; П. П. Колмаков, A.M. Нестеренко, 1981; Б. И. Потапов, 1993; А. И. Пупонин, 1984; В. А. Чернышев, Э. Г. Вальдгауз, 1984; А. Г. Бондаренко и др., 1985; А. В. Судаков и др., 1985; В. Ф. Вальков и др., 1995; C.R. Jatre, К. Seidel, 1983; О. Vitlok, 1984 и др.), что обусловлено сильно выраженными коллоидными свойствами гумусовых веществ.

Почва с содержанием углерода 1,48% в широком диапазоне влажности л л не уплотнялась выше уровня 1,62 г/см против 1,73 г/см для почвы с содержанием углерода 0,97% (A.M. Лыков, 1983). В настоящее время пока нет достаточно полных экспериментальных данных, позволяющих четко обосновать критические значения минимально необходимого для обеспечения устойчивости к уплотнению содержания органического вещества в почве. Многие исследователи отмечают наличие реальной опасности уплотнения почвы при содержании в ней органического вещества ниже 3%. По мнению английских специалистов, достаточно устойчивы по структуре почвы с содержанием органического вещества более 4,3% при критическом уровне 3,4% (Г.Г. Черепанов, В. М. Чудиновских, 1987). В. В. Медведев (1986) считает, что ухудшение агрофизических свойств черноземов и снижение способности почвы противостоять уплотнению происходит вследствие уменьшения содержания органического вещества до 3,9% и значительного увеличения его подвижности.

Необходимое для обеспечения устойчивости почвы к уплотнению содержание органического вещества в значительной мере обусловливается содержанием в ней глины. По данным исследований в штате Миннесота (США), более сильное уплотнение наблюдалось на тяжелом пылеватом суглинке с 6% органического вещества, чем на среднем суглинке с 4% органического вещества (Е.С. Dickey и др., 1985). Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше опасность уплотнения. С увеличением содержания физической глины в почве возрастает величина варьирования её объемной массы (Н.И. Картамышев, 1996). Исследования, проведенные в Баварии (ФРГ), показали, что устойчивее к уплотнению почвы с преобладанием «активных» глинистых минералов (смек-тит, вермикулит) по сравнению с почвами, в которых преобладают «неактивные» минералы (каолинит, флорит), если содержание глины не менее 25−30% (Н. Borchert, J. Mederer, 1985). Опытами, проведенными в Канаде, установлено, что индекс уплотняемости легких и средних суглинков находится в пределах 0,153−0,163, тяжелых суглинков — 0,217−0,245 (G.R. Saini и др., 1984).

Вместе с тем основной причиной уплотнения в последние десятилетия считают механическое воздействие ходовых систем тракторов, комбайнов, почвообрабатывающих машин, средств для внесения в почву удобрений, мелиорантов и др.

Основным показателем конструкций ходовых систем тракторов, определяющим уплотнение почвы, признано считать максимальное давление движителей на почву (Б.Я. Шнейсер, О. А. Поляков, 1976; A.M. Гуревич и др., 1980). Проведенные исследования позволили рекомендовать A.M. Кононову (1974) допустимые давления движителей сельскохозяйственной техники для дерново-подзолистых суглинистых почв при влажности 25−30% - не более 0,075 МПа у.

0,75 кгс/см) — при влажности 17−21% - 0,125 МПа и при влажности 8−12% -0,15 МПа. Для Украины при основной обработке типичного тяжелосуглинистого чернозема давление на него не должно превышать 0,08−0,1 МПа, при посеве и в условиях орошения — 0,04−0,06 МПа. По рекомендациям ВИМ для кубанских мощных черноземов сохранение оптимальной плотности пахотного слоя почвы с влажностью 0,6−0,65 НВ возможно, если давление на нее не будет превышать 0,1 МПа. При влажности более 0,7 НВ давление на почву не должно быть выше 0,05−0,07 МПа (А.Г. Бондарев и др., 1985). Шведские ученые при выполнении весенних полевых работ рекомендуют удельное давление на суглинистых почвах не более 0,5−0,6 кгс/см (J. Hakansson, 1967). Исследованиями M.Z. Nichols и С.A. Reaves (1955) установлено, что свежевспаханная почва среднесуглинистого гранулометрического состава излишне уплотняется при л давлении 0,2−0,3 кгс/см и выше.

При десяти проходах тракторов по одной колее плотность слоя чернозел мов 0−20 см возрастает: трактор Т-150К — до 1,4−1,45 г/см — Т-74 — до 1,37−1,38 г/см3- МТЗ-52 — до 1,36−1,42 г/см3. Тогда как предельно допустимая величина плотности чернозема 1,3 г/см3. Однако тракторы способны уплотнять черноземы до 1,45−1,5 г/см3 в слое 0−20 см. Общее возрастание плотности при этом прослеживается до глубины 60−70 см, а водопроницаемость почв снижается в 1,5−4 раза, что влечет за собой эрозию (В.М. Ивонин, 2004).

Наибольшему и непосредственному воздействию уплотнения подвергается пахотный слой. Однако значительное воздействие испытывает и более глубокий (примерно на 10 см), чем пахотный слой (J. Giles, 1983; А. В. Судаков, А. А. Охитин, 1981; L. Hendrikson, J. Hakansson, 1985; Г. Г. Черепанов, 1986). На эродированных почвах, где в той или иной степени утрачен горизонт А, опасность уплотнения возрастает. Давление от колес и гусениц распространяется тем глубже, чем больше общая нагрузка на почву и меньше отношение длины отпечатка колеса к его ширине (В.А. Русанов, 1982; М. А. Шипилов, 1982; J. Monerief и др., 1984). Установлено, что уплотнение пахотного слоя определяется в основном величиной максимального контактного давления, в то время, как деформации подпахотных слоев (глубже 0,3 м) зависят от среднего давления единичного движителя на почву, площади его распределения и его геометрии (А.И. Пупонин, 1984; А. В. Судаков и др., 1986). По данным В. А. Русанова (1987), уплотнение слоя почвы 0−20 см тракторами К-701 и Т-150К, имеющими близкие значения контактных давлений, было примерно равным, в то время как уплотнение подпахотных слоев по следам К-701 оказалось существенно большим, чем по следам Т-150К, так как площадь контакта колеса первого трактора с почвой (общая нагрузка на колесо) больше, чем колеса второго, примерно в 2 раза. Таким образом, использование тяжелых тракторов может привести к уплотнению не только пахотного, но и подпахотного горизонта на глубину 50−70 см и более (Г.Г. Черепанов, В. М. Чудиновских, 1987). Даже при однократном проходе тяжелых колесных тракторов плотность сложения пахотного слоя почвы возрастает на 20−40%, уплотняющие деформации распространяются на глубину 40−60 см, а в отдельных случаях — до 1 м (Г.Я. Воробьев, 1987). По данным А. Г. Бондарева с соавторами (1984, 1987) статистически значимое изменение плотности сложения наблюдается в слое 0−40 см. Наибольшее уплотнение почвы отмечено в слое 10−30 см под воздействием ходовых систем колесных тракторов Т-150К и К-701. Отрицательное действие на почву тяжелых колесных тракторов отмечают также С. В. Яблонский (1979), М. А. Шипилов (1982, 1983), В. П. Ашихмин (1983), С. И. Скребялис (1984), Р. А. Мелуа, В. Ф. Кивер (1985), Г. Я. Воробьев (1987), И. П. Макаров (1987). Гусеничные и легкие колесные тракторы уплотняют почву лишь на глубину 20−30 см (А.И. Попов и др., 1977; В. Н. Шептухов, 1979; М. А. Шипилов, 1983).

Существующие технологии возделывания сельскохозяйственных культур предусматривают большое число проходов тракторов и другой техники (Системы ведения АПК Ростовской области, 2001). Число выполняемых операций колеблется от 10−15 при возделывании зерновых культур до 20−25 — для пропашных культур. В результате суммарная площадь следов колес и гусениц тракторов и уборочно-транспортных средств составляет 100−200% площади поля. Отмечено, что 10−20% площади поля (поворотные полосы) подвергаются воздействию ходовых систем от 6 до 20 раз, 65−80% - от 1 до 6 раз и лишь 1015% не подвергается их воздействию (А.И. Попов и др., 1977; А. С. Кушнарев, 1981; А. Г. Бондарев и др., 1985). Только при весенней подготовке почвы и посеве зерновых культур воздействию ходовых систем тракторов подвергается не менее 40−65% площади поля (А.В. Вражнов, 1965; А. В. Королев, 1967; B.C. Га-поненко и др., 1971; А. П. Шехурдин, М. Я. Турушев, 1974; К. Jaggard, 1984). Согласно данным Молдавского НИИ почвоведения и агрохимии уплотнению ходовыми системами подвергается 60−80% площади полей до уборки и до 98% - после уборки. При этом значительная площадь (до 40%) испытывает в течение года трехкратное уплотнение (В.Г. Унгурян, 1981).

Влияние переуплотнения на агрофизические свойства почв.

Плотность сложения считается одним из основных агрофизических свойств, так как от нее зависят значительная часть режимов и процессов, происходящих в почве. Еще И. Б. Ревут (1972) писал, что «плотность следует рассматривать как первичный элемент не только всей физики почв, но и жизни растений».

Установлено, что уплотняющему воздействию движителей сельскохозяйственной техники подвержены все почвы, но особенно влажные (более 0,65−0,7 НВ) суглинистые и глинистые. В наибольшей мере уплотняют влажную почву и разрушают её структуру автомобили, транспортные и тяжелые уборочные агрегаты. Так, по данным Почвенного института, пойменная дерново-глеевая почва при многократном проходе автомобилей переуплотнялась на глубину до 50 см. В этом же слое зафиксировано разрушение структуры. Плотность почвы пахотного слоя достигала 1,47−1,53 г/см и в течение трех лет оставалась более.

3 3 высокой (на 0,2 г/см), чем на контроле (1,30 г/см), несмотря на многократную механическую обработку (JI.O. Карпачевский, 1997; В. Ф. Клез, 1985; А. И. Крупчатников, 1984; Э. Ю. Нугис, 1987 и др.).

Уплотняющим деформациям после прохода сельскохозяйственной техники подвергаются также и почвы с более благоприятными исходными физическими свойствами, чем дерново-подзолистые и серые лесные. В опытах Почвенного института на типичном мощном черноземе плотность пахотного слоя по следу трактора МТЗ-50 во время сева кукурузы повышалась на 0,16 г/см3, и в течение вегетационного периода в междурядьях, по которым проходили колеса трактора, она удерживалась на уровне 1,30 г/см3 против 1,06 г/см3 на контроле.

Работами ряда украинских исследователей выявлено, что плотность типичного тяжелосуглинистого чернозема при многократных проходах тракторов повышается на глубину до 60 см и в слое 0−10 см может превысить верхний предел оптимального значения (1,30−1,40 г/см).

В опытах на обыкновенных тяжелосуглинистых черноземах ЦЧО наблюдалось изменение физических свойств почвы от действия ходовой системы трактора МТЗ-50, и хотя плотность ее в пахотном слое не выходила за верхний предел оптимума, эти изменения вызывали существенное снижение урожая, особенно в засушливые годы (А.Г. Бондарев, 1981).

В многолетних стационарных опытах ВИМ на тяжелосуглинистом карбонатном кубанском черноземе выявлено значительное уплотнение пахотного и подпахотного слоев почвы под воздействием проходов тракторов и другой сельскохозяйственной техники. По следам гусеничных тракторов уплотнение физически спелой почвы распространялось на глубину 30−40 см, а по следам колесных тракторов Т-150К и К-701 — на 50−70 см. При этом плотность чернозема по следам движителей колесных тракторов К-701 и Т-150К при одном проходе была на 0,08−0,1 г/см3 выше верхнего предела ее оптимального значения, а по следам гусеничного трактора Т-150 — на 0,03 г/см3. При трех проходах по одному следу плотность по следам колесных тракторов достигала 1,44−1,47.

3 3 г/см при плотности на контроле 1,15−1,20 г/см. Установлено, что даже черноземная почва после одного прохода тракторов Т-150К и К-701 не восстанавливает свою плотность в течение года, в то время как после одного прохода ДТ-75 плотность самовосстанавливается до исходного уровня.

По данным ВИМ, при проходах в уборочный период по чернозему с влажностью почвы 18−22% комбайна СК-6, автомобиля ЗИЛ-13 ОБ и транспортного агрегата из трактора К-701 с прицепами 1ПТС-9 и ЗПТС-12 плотность почвы в слое 0−30 см возрастала соответственно с 1,26 до 1,40−1,43 и 1,51 г/см3. В слое 0−10 см по следам транспортного агрегата плотность почвы повышалась до 1,58 г/см3. Ухудшение структуры легкои среднесуглинистых черноземов и повышение их плотности за пределы оптимума в междурядьях кукурузы и сахарной свеклы (1,34−1,45 и 1,36−1,48 г/см3), по которым проходили колеса тракторов МТЗ-50 и МТЗ-5ЛС, наблюдали и другие исследователи. Переуплотнение сохранялось особенно при четырехкратном проходе трактора Т-150К и в период уборки урожая (В.К. Бугаевский, 1990; А. А. Гортлевский и др., 1993; А. К. Кострицыи и др., 1989; П. Д. Кошкин, 1997 и др.).

Уплотнение почвы даже однократным проходом тракторов (Т-150К, К-701) увеличило глыбистость агрегатов 10 см в пахотном слое дерново-подзолистых почв на 13%, в черноземе — на 17%, а плотность соответственно на 0,06−0,10 г/см3 до глубины 30−40 см и 0,15−0,31 г/см3 до глубины 40−50 см. Трехкратные проходы тяжелых тракторов по чернозему с влажностью равной 0,8 НВ (наименьшая влагоемкость) уплотняли его в фазу всходы ячменя до 1,09−1,21 г/см, а дерново-подзолистую почву до 1,41−1,45 г/см. У обыкновенного чернозема при плотности 1,1−1,3 г/см некапиллярная скважность очень мала или практически отсутствует, а у дерново-подзолистых и каштановых почв она отсутствует при плотности сложения 1,5 г/см (В.Н. Шептухов и др., 1982).

По результатам исследований, проведенных на Кубани (П.Н. Рыбалкин и др., 2001), Центрально-черноземной зоне (Н.И. Картамышев, 1996) и в других регионах страны установлено, что уплотненная техникой почва способна к саморазуплотнению в течение 2−3 лет после прекращения действия факторов ее обуславливающих. Если такое негативное действие техники продолжается ежегодно, то саморазуплотнения почвы не происходит и требуется применять специальные приемы ее обработки. Критерий этого — плотность почвы выше оптимальной в целом по горизонту и в плотной прослойке.

Увеличение плотности сложения почвы в результате уплотнения влечет за собой изменения порозности (общей, некапиллярной и капиллярной), величины водопроницаемости. Согласно исследованиям В. М. Сорочкина (1975) увеличение плотности сложения с 1,13 до 1,80 г/см уменьшало коэффициент фильтрации от 2,8 до 0,01 м/сут. Особенно заметен был переход в интервале плотности от 1,3 до 1,4 г/см3. По-видимому, в этом интервале происходит качественный скачок в соотношении некапиллярных и капиллярных пор. На серых лесных почвах увеличение плотности с 1,0 до 1,4 г/см3 сопровождалось снижением водопроницаемости с 0,78 до 0,11 мм/мин. О почти функциональной зависимости между инфильтрацией в первоначальной фазе впитывания и плотностью сложения сообщают А. Г. Барабанов, А. Г. Бондарев, В. М. Гармашов, И. В. Кузнецов, Е. В. Полуэктов, Г. П. Сурмач и др.

По результатам исследований A.M. Бурыкина (1987) при плотности сложения почвы 1,10 г/см3 — скорость впитывания за 1-й час составила 5,2 мм/мин, коэффициент фильтрации 0,54 мм/мин, соответственно при 1,28 г/см3 — 1,24 и 0,33 мм/мин, при 1,34 г/см3 — 1,18 и 0,23 мм/мин, при 1,40 г/см3 — 0,40 и 0,20 мм/мин и при 1,47 г/см3 — 0,38 и 0,11 мм/мин. Особенно резко снижалась скорость водопроницаемости при увеличении плотности 0,10−0,18 г/см3.

По данным В. В. Медведева (1988), на целине или залежи агрофизические свойства черноземов характеризуются устойчивыми во времени параметрами равновесной плотности сложения (1,06−1,18 г/см3), содержанием структурных агрегатов агрономически ценного размера (от 10 до 0,25 мм), близким к 80% при их водоустойчивости около 53%, механической прочности 80% и пористости 42%. Водопроницаемость в этих условиях составляет 65−80 мм/ч. В результате воздействия тракторов при обычной технологии возделывания сельскохозяйственных культур (2−4 прохода по одному следу) в колее до глубины в 20−30 см плотность достигает верхнего предела оптимального уплотнения для большинства сельскохозяйственных культур — 1,30−1,40 г/см3 (в среднем возрастает на 0,18 г/см3 по сравнению с неуплотненной почвой), содержание воздуха — 15% (ниже почти в 2 раза), твердость достигает 1,96 МПа и выше (возрастает в 3−4 раза), водопроницаемость уменьшается до 10−15 мм/ч (в 3−5 раз).

В исследованиях НИИ сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы им. В. В. Докучаева (М.А. Шипилов, 1983) на обыкновенных черноземах на неуплотненной почве водопроницаемость пахотного слоя составляла 0,31,13 мм/мин, а на уплотненной она снижалась до 0,009−0,012 мм/мин. По данным В. И. Румянцева, Р. А. Салихова (1986), при увеличении объемной массы слоя 0−20 см дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы на 0,19 г/см3 после трехкратного прохода трактора Т-150К водопроницаемость снизилась в 16 раз, а коэффициент фильтрации стал близким к коэффициенту фильтрации подпахотного слоя. В результате формируется поверхностный сток и значительно снижаются запасы влаги в почве.

По данным исследований Е. В. Полуэктова (1994), осенью, после культивации ранней отвальной зяби, обрабатываемой по типу полупара, скорость во-допоглощения по колее гусеницы трактора в среднем за 3 часа составила 0,81 мм/мин., а за пределами действия движителей — 2,54. На обыкновенных супесчаных черноземах Ставропольского края водопоглощение по колее трактора МТЗ-80 после посева озимых по вспашке на глубину 20−22 уменьшилось в 4 раза (25 мм/ч против 96), чем вне колеи, а по корпусному лущению на глубину 12−14 см в 1,8 раза (24 мм/ч против 43) (Л.И. Желнакова и др., 1993).

Уплотненная почва плохо впитывает и фильтрует влагу, что способствует усилению поверхностного стока, вызывая при этом смыв верхних наиболее плодородных горизонтов. Модельными опытами на черноземах обыкновенных тяжелосуглинистых выявлено влияние плотности сложения на водопроницаемость и интенсивность поверхностного стока (Н.И. Болокан, 1986). Установлено, что при дождях большей интенсивности (4−8 мм/мин) скорость промачива-ния почвенного профиля уменьшается в 10−20 раз при увеличении плотности сложения от 0,9 до 1,5 г/см3. Еще меньше скорость движения фронта увлажнения при увеличении плотности сложения почвы наблюдается для дождей меньшей интенсивности.

Для увлажнения 10-сантиметрового слоя почвы плотностью 1,3 г/см3 при выпадении дождя интенсивностью 1,0 мм/мин требуется 47 мин, а плотностью 1,4 г/см3 — больше часа.

С увеличением плотности почв изменяются и другие ее физические характеристики — порозность, структурный состав. Все это отражается на скорости водопоглощения, а через нее — на величине поверхностного стока. В исследованиях Н. И. Болокан (1986) на модельных опытах при дождевании почвенных образцов в течение 180 минут и увеличении плотности почвы от 0,9 до 1,5 г/см3 средняя интенсивность поверхностного стока в зависимости от интенсивности осадков увеличивалась до сотен раз.

С уменьшением плотности сложения для того, чтобы сформировался поверхностный сток, требовались дожди высокой интенсивности. Так, при плотности 1,1 г/см3 поверхностный сток наблюдался только при дождевании с интенсивностью 4−8 мм/мин, а при плотности 0,9 г/см3 даже при дождевании в течение 300 минут стока не наблюдалось.

В исследованиях Е. В. Полуэктова (2003) величина поверхностного стока при проведении искусственного дождевания (интенсивность дождя 1,5−2,2 мм/мин) во многом определялась плотностью сложения пахотного слоя и наличием растительного покрова или его остатков на поверхности почвы. Незадолго до уборки ярового ячменя, когда плотность сложения почвы в пахотном слое л составляла 1,25−1,27 г/см, величина стока составила от 13,0 до 23,1 мм при коэффициенте стока 0,28−0,35. На полях, занятых чистым паром во второй половине лета, когда с глубины 6−8 см сформировалась «культиваторная подошва» с л плотностью сложения 1,18−1,20 г/см, слой стока составил 32,0 мм (коэффициент стока 0,62). В то же время, на только что обработанных плугом и плоскорел зом участках на глубину 20−22 см с плотностью сложения 0,96−0,98 г/см даже подача воды общим слоем 127−130 мм не вызвала поверхностного стока. Аналогичные данные были получены в других зонах страны (А.И. Пупонин, 1984; А. И. Шабаев, 2003; Г. И. Швебс, 1981).

Таким образом, воздействие человека на почвенный покров существенно влияет на его свойства. Еще В. В. Докучаев (1892) писал, что сплошная распашка полей, уничтожение густой растительности дерна, задерживающей большое количество снега и воды, и защищающей почву от воздействия морозов и ветров, а также уничтожение свойственной черноземам благоприятной для удержания влаги зернистой структуры, обусловило усиление испарения степных вод.

Установлено, что при распашке целины значительно изменяется соотношение основных компонентов сложения и дифференциальная порозность: возрастает мелкоагрегатная пористость, снижается объем твердой фазы макроагрегатов и общий объем твердой фазы почвы.

У обрабатываемых черноземов и целинных участков плотность и пористость отдельных агрегатов различная. Так, у чернозема обыкновенного в агрегатах размером 3 мм плотность сложения достоверно выше, а пористость соответственно ниже, чем на целине. В более мелких агрегатах изменения менее значительны. В черноземе южном получены аналогичные результаты (В.В. Медведев, 1988).

В порах шириной менее 60 мкм происходит резкое снижение подвижности влаги и уменьшение возможности снабжать микроорганизмы питательными веществами и влагой. Микроморфологический анализ порового пространства чернозема типичного (С.И. Санжарова, 1988) показал, что на целине почва отличается высокой видимой пористостью. Здесь поры всех размеров и самой разнообразной формы. Преобладают поры упаковки агрегатов, среди которых выделяются тонкие сильно разветвленные микротрещины между агрегатами второго и третьего порядков, а также изометричные более крупные поры на стыках агрегатов первого порядка. Подсчет площадей пор разного размера показал, что свыше 50% видимой пористости приходится на пусто ты более 2 мм. Тонкие макропоры (менее 0,4 мм) составляют менее 10% видимой пористости. Ниже по профилю общая видимая пористость снижается, поровое пространство состоит в основном из пустот, в почвенной массе увеличивается количество губчатого и неагрегированного материала.

После распашки верхний горизонт приобретает более рыхлое микросложение, общая изрезанность поровым пространством возрастает. Появляется большое количество пор неправильной формы с шероховатыми стенками. Некоторые крупные поры заполняются тонкодисперсным веществом, в результате чего в видимом поровом пространстве доля таких макропор (0,05−0,5 мм) возрастает до 27% и уменьшается площадь грубых макропор (более 1 мм). Сеть постоянных межагрегатных трещин отсутствует. Почвенная масса сложена в основном губчатым материалом.

При длительном сельскохозяйственном использовании чернозема происходит диспергирование почвенной массы и уплотнение пахотного слоя. При этом существенно меняется структура порового пространства. Резко уменьшается количество и суммарная площадь пор более 1 мм, обуславливая этим сокращение общей видимой пористости. Площадь тонких пор (ОД-0,5 мм) возрастает по мере заполненности пор мелкозернистым материалом.

Наиболее существенные изменения в структуре порового пространства отмечены на участках бессменного пара, где видимая пористость снижается до 6−12%, а площадь пор размером 1−2 мм составляет не более 0,5%, поры более 2 мм полностью отсутствуют.

Таким образом, при вспашке существенно изменяется сложение почвы, приобретая новые черты, наблюдаются иное соотношение основных компонентов, заметное сокращение водопроводящих пор.

Еще в большей степени уменьшается количество водопроводящих пор под колесами тракторов. Исчезают межагрегатные поры, почвенные агрегаты деформируются и вытягиваются в горизонтальном направлении (Г.Д. Белов и др., 1977; B.C. Гапоненко и др., 1971; П. С. Иванов и др., 1968; А. Е. Кухарук, 1983; М. М. Ломакин, 1988, В. И. Потапов, 1983 и др.).

Существует несколько путей снижения переуплотнения почв, а вместе с ним и целого ряда других деградационных процессов сопутствующих этому явлению. Для ликвидации излишнего уплотнения почвы в США и Англии широко используют на сельскохозяйственных машинах специальные флотационные шины колес или машины с низким давлением на грунт. Сейчас на мировом рынке насчитывается около 50 моделей машин с низким давлением на грунт. Кроме того, часто используют тракторы на полугусеничном ходу. Флотационные шины представляют собой гладкие или протекторные колеса, имеющие широкую опорную поверхность и пониженное давление воздуха внутри них. Трактор Форд 4600 с флотационными шинами оставляет на поле колею глубиной всего 2 см, а трактор Фиат 880 на полугусеничном ходу — 2,3 см. Самоходный опрыскиватель общей массой 1,75 т и вместимостью 600 л в специальном исполнении оставляет колею глубиной 4,3 см. Производительность его составляет 120 га/дн. при использовании жидких препаратов или 160 га/дн. при внесении минеральных удобрений. К новым конструктивным разработкам относится самоходный опрыскиватель массой 9,56 т и вместимостью 2500 л, который имеет высокую проходимость. При такой массе он оставляет след глубиной 6 см, тогда как обычный трактор с сопоставляемыми весовыми параметрами — 9 см (Г.Г. Черепанов и В. М. Чудиновский, 1987).

Другой путь — это широкое внедрение широкозахватных и комбинированных агрегатов, способных за один проход осуществлять несколько агротехнических операций (Дифференцированная система основной обработки, 1988; В. П. Ермоленко, 2001; А. Н. Кащеев, 1984; А. В. Клочков, 1984; Комплекс про-тивоэрозионных машин, 1989; С. М. Скорняков, 1989; А. П. Спирин, 1999; А. Тюнджюлис и др., 1985 и др.).

Из агротехнических мер для предотвращения уплотнения суглинистых, тяжелосуглинистых и глинистых почв рекомендуется:

— на предпосевной обработке почвы и посеве при влажности выше 0,6 НВ применять гусеничные тракторы или колесные с широкопрофильными шинами, а при влажности меньше 0,65 НВ на предпосевной обработке допускается использование К-701 и Т-150К;

— на посеве и при уходе за посевами применять широкозахватные или комбинированные агрегаты, реализующие тяговые возможности трактора, уменьшающие число проходов техники по одному следу;

— при использовании на посеве колесных тракторов проводить рыхление следов трактора и их заравнивание;

— более широкое использование минимальной обработки почвы (по числу операций);

— глубокое безотвальное рыхление почвы (60−80 см) один раз в 3−5 лет;

— вспашку с почвоуглублениями в промежутках между глубокими рыхлениями;

— щелевание и кротование склоновых земель.

Задачу поддержания благоприятных физических свойств в подпахотных слоях наиболее эффективно решают орудия чизельного типа — чизельные плуги, чизели-глубокорыхлители. Чизельные орудия не образуют плужной подошвы. Профиль дна борозды при обработке этими орудиями получается неровный с чередованием разрыхленных и неразрыхленных участков, что предохраняет почву от уплотняющего действия колес сельскохозяйственных машин и орудий. При этом выполняется основная задача глубокого рыхления — нарушаются жесткие связи плотной структуры подпахотного горизонта без выноса его частиц на поверхность с улучшением фильтрационной способности.

Проведение чизелевания почвы позволяет (по К. И. Саранину и др., 1990):

1. На почвах с переуплотненным подпахотным слоем проводить для снижения плотности сложения и окультуривания подпахотного слоя перед возделыванием наиболее требовательных к агрофизическим условиям плодородия культур: пропашных, многолетних трав, озимых. Благодаря этому расширяется возможность использования минимальных обработок в севооборотах.

2. На почвах, подверженных эрозии, глубокое чизелевание позволяет переводить часть поверхностного стока во внутрипочвенный, увеличения влаго-запасов и снижая смыв почвы.

3. Степень разрыхления подпахотного слоя достигается изменением расстояния между рабочими органами и проходами агрегата, скорости его движения и срока проведения обработки.

4. Для закрепления на длительный срок положительных изменений свойств подпахотного горизонта необходимо избегать проходов тяжелой сельскохозяйственной техники сразу после чизелевания, проводить под углом или поперек направления чизелевания.

5. Повторное глубокое чизелевание следует проводить под углом или поперек по отношению к предшественнику.

Исследования, проведенные в различных регионах нашей страны, показали достаточно высокую эффективность всех вышеперечисленных приемов и мероприятий (А.И. Пупонин и др., 1980; Ю. И. Митрофанов и др., 1986; М. М. Ломакин, 1988, В. А. Русаков, 1987; А. Н. Каштанов и др., 1984; В. В. Труфаков, 1989; А. П. Спирин и др., 1990; А. А. Гортлевский и др., 1991; В. И. Нечаев и др., 2004). При этом особое внимание уделяется таким агротехническим приемам, как глубокое рыхление, щелевание, почвоуглубление, чизелевание.

Как показал анализ существующего материала, по данной проблематике в Ростовской области основное внимание было уделено созданию комбинированных сельскохозяйственных орудий для основной послойной обработки с возможностью разуплотнения нижних почвенных горизонтов (В.Б. Рыков, 2001).

Значительно в меньшей степени изучались агротехнические приемы, обеспечивающие одновременно разуплотнение почвы и снижение эрозионных процессов. Поэтому нами на основе анализа состояния проблемы ставилась задача:

— изучить особенности уплотнения эродированных южных черноземов среднесуглинистого гранулометрического состава;

— определить пути агротехнического воздействия на почвенный профиль обеспечивающие снижение уплотнения, улучшающие агрофизические свойства почв, сокращающие непроизводительные потери талых и дождевых вод со стоком;

— оценить с эколого-экономических позиций предложенные агротехнические приемы с целью дальнейшего их внедрения в производство.

выводы.

1. Широкое применение тяжелой сельскохозяйственной техники привело к изменению агрофизических свойств почвы, ухудшению их водного, воздушного и питательного режимов, что, в конечном итоге, снижает выход сельскохозяйственной продукции с единицы площади.

В исследуемых черноземах южных суглинистых на глубине 32−45 см сформировалась уплотненная прослойка с плотностью сложения 1,37−1,45 г/см, порозностью 46−48% и величиной водопроницаемости 0,49 мм/мин, что значительно ниже экологически оптимальных агрофизических показателей для почв черноземного типа, обеспечивающих нормальный рост и развитие сельскохозяйственных культур.

2. Для разуплотнения профиля этих почв предложены агротехнические мелиоративные приемы, осуществляемые современными сельскохозяйственными орудиями (чизели, щелеватели) на глубину формирования уплотненной прослойки — 40−45 см. Применение этих орудий позволило уменьшить плотность сложения с глубины 30−50 см от 1,36 до 1,45 г/см3 до 1,14 и 1319 г/см3 соответственно.

Наиболее эффективным разуплотняющим действием обладает чизельный плуг ПЧ-2,5 с рыхлительными лапами.

3. Резкая дифференциация верхнего 0−50 см слоя по плотности сложения существенным образом отразилась на величине водопроницаемости. При глубине обработки почвы на 20−22 см хорошая и удовлетворительная водопроницаемость наблюдалась только лишь в первый час эксперимента (1,96−2,31 мм/мин.), затем наступал резкий спад (0,87−1,09), что объясняется наличием во-доупора из слоев с повышенной плотностью.

Разрушение уплотненной прослойки чизелем ПЧ-2,5 и щелевателем ЩП-3−70 коренным образом позволило повысить скорость водопроницаемости в среднем за 3 часа до 3,66 и 3,00 мм/мин. Результаты натурных исследований были подтверждены модельными опытами с насыпными образцами почв.

Выведена математическая зависимость между плотностью сложения и водопроницаемостью почвы, которая характеризуется высоким коэффициентом корреляции — 0,74.

4. Способы основной обработки с сохранением стерни и пожнивных остатков на поверхности почвы (плоскорезная и чизельная) обеспечили в зимний период большее в 1,3 раза накопление снега по отношению к отвальной вспашке.

Низкие температуры воздуха зимой 2003 г. с чередованием частых оттепелей и выпадением жидких осадков вызвали интенсивное развитие эрозионных процессов на вариантах, обработанных на глубину 20−22 см. Слой стока на отвальной вспашке составил 13,5 мм, плоскорезной — 18,6 мм и чизельной -14,1 мм. Незначительный сток (5,7 мм) имел место при щелевании почвы на фоне плоскорезной обработки, не было стока талых и дождевых вод при обработке почвы чизелем на глубину 40−45 см, что объясняется увеличением водопроницаемо&tradeпочвы в 67−88 раз по отношению к способам обработки на 20−22 см. Смыв почвы колебался от 7,3 т/га по отвальной вспашке до 1,8 т/га на варианте со щелеванием.

5. Способы основной обработки оказывают существенное влияние на элементы водного баланса почвы, динамику доступной влаги за период вегетации ярового ячменя. Общий запас влаги весной в среднем за 3 года в 0−150 см слое почвы на варианте отвальной вспашки составил 343 мм. На 14 мм ее было больше по плоскорезной зяби, что связано с дополнительным накоплением снега зимой. Глубокая чизельная обработка, разрушившая уплотненную прослойку, обеспечила свободное проникновение атмосферных осадков вглубь почвы. Это способствовало увеличению запасов влаги по отношению к контролю на 33 мм. Коэффициент усвоения почвой осадков холодного периода на отвальной вспашке составил 0,26, на плоскорезной и чизельной обработках на 20−22 см соответственно 0,33 и 0,35 и на вариантах с чизельной на 40−45 см и щелеванием-0,41 и 0,35.

Изучение динамики доступной влаги по фазам развития растений показало, что в период от посева до фазы колошения расходуется до 40−50% доступной влаги, содержащейся в почве при глубине обработки 20−22 см. На делянках с чизельной обработкой на 40−45 см расход влаги составил в среднем 32%, что связано с более равномерным ее распределением по профилю почвы. В фазу полной спелости остается минимальное количество доступной влаги в 1,5 м слое почвы, а в отдельные годы (2003) с экстремальными значениями температуры воздуха и осадков они опускаются ниже влажности завядания.

6. Самая низкая урожайность ярового ячменя в среднем за период исследований (2002;2004 гг.) получена на варианте с отвальной вспашкой на 20−22 см — 1,64 т/га. Безотвальные способы обработки почвы на такую же глубину превысили контроль по плоскорезному фону на 0,11 т/га и чизельному — на 0,22 т/га. Достоверность наблюдаемых различий была только по чизельной обработке в 2002 и 2004 гг.

Наиболее существенная прибавка урожайности была на участках, обработанных чизельным плугом ПЧ-2,5 на 40−45 см, она составила 0,47 т/га по отношению к вспашке. На варианте со щелеванием прибавка урожайности ярового ячменя по отношению к отвальной вспашке составила 0,20 т/га с достоверной разницей в 2002 и 2004 гг.

7.Анализ эколого-экономических показателей по способам основной обработки дал возможность оценить их применение с точки зрения экономической и экологической целесообразности.

Большие потери почвы от эрозии на участках, обработанных плугом, определили довольно существенный годовой ущерб в прямых затратах, который составил 888,97 руб./га. Значительно меньше он был при применении плоскореза и чизеля (глубина обработки 20−22 см) соответственно 528,6 и 293,5 руб./га. На варианте со щелеванием он уменьшился по отношению к вспашке в.

5,2 раза и отсутствовал полностью при рыхлении почвы чизелем на глубину 4045 см.

Несмотря на то, что производственные затраты были максимальными на варианте с глубокой обработкой чизелем — 1467,9 руб./га, все остальные экономические показатели (себестоимость 1 т зерна, условно-чистый доход, рентабельность) здесь были лучшими по сравнению с другими способами обработки почвы. Так, себестоимость 1 т зерна составила 695,69 руб., что в 2 раза ниже, чем по вспашке и в 1,5 раза по плоскорезной обработке. Условно-чистый доход составил 2963,1 руб./га, что на 1810,5 руб./га больше, чем по вспашке и на 668 руб./га на варианте со щелеванием.

Все это позволяет говорить нам о эколого-экономической целесообразности широкого внедрения данных приемов, обеспечивающих разуплотнение почвы, снижение интенсивности эрозионных процессов и повышающих уровень урожайности.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

На черноземах южных среднесуглинистых с уплотненной прослойкой с целью ее разрушения рекомендуется в качестве основной обработки рыхление чизелем на глубину 40−45 см. При отсутствии данного орудия можно использовать щелеватели.