Об’ємна щільність – індикатор агрофізичного стану та аргумент функції агрогідрологічних властивостей ґрунтів

Любов Голота

Національний університет водного господарства і природокористування

(науковий напрям: Сільськогосподарські науки)

Об’ємна щільність – індикатор агрофізичного стану

та аргумент функції агрогідрологічних

властивостей ҐРУНТІВ

Ключові слова: Об’ємна щільність, шпаруватість, вологоємність, поглинання, поливна норма.

Вступ

Землекористування в Україні характеризується значним рівнем сільськогосподарського освоєння території, зокрема, її розораністю, якій немає аналогів у світі. Тривале, часто нераціональне, використання ґрунтів, надмірний механічний обробіток, застосування важкої агро - і меліоративної техніки, значне внесення мінеральних і недостатнє органічних добрив, застосування отрутохімікатів, недотримання ґрунтозахисних технологій призвели до незворотного погіршення агрогідрологічних властивостей ґрунтів, втраті гумусу, значного ущільнення кореневмісного шару. Унаслідок цього у ґрунтах відбуваються кількісні та якісні зміни структури: послаблюється інтенсивність макроагрегації, погіршуються водно-повітряний і тепловий режими кореневого шару та умови живлення рослин.

Перераховані процеси посилюють ерозію і порушують екологічні і продуктивні функції ґрунтів. Крім того, на меліорованих землях спостерігаються процеси підтоплення, засолення й солонцювання ґрунтів, спрацювання торфу тощо.

На підвищення інтенсивності деградації ґрунту в умовах агроценозів впливає і некомпенсований кругообіг речовин у системі ґрунт-рослина. Порівняно із серединою ХХ ст. на даний час на 40 % зменшились площі під зерновими культурами при одночасному збільшенні у 3 рази технічних і десятки разів кормових культур (в основному за рахунок просапних культур – кукурудзи, буряків, соняшнику). Інтенсивність деградації ґрунтів цих площ зумовлена особливостями вирощування культур. Так втрата гумусу за період вегетації становить: під яровими зерновими – 0,5...0,6 т/га, кукурудзою – 1,0...1,1, цукровими буряками – 1,5 т/га [1].

Значну роль у процесі деградації ґрунтів відіграють лужно-кислотні умови ґрунтових розчинів. В Україні біля 10 млн. га земель схильні до кислої або лужної реакції, що відчутно погіршує їхню родючість. Так інтенсифікацію процесів осолонцювання, засолення і деструктуризації викликає руйнування макро - і мікроструктури, збільшує об’ємну щільність, знижує загальну шпаруватість, водопроникність та вологоємність ґрунтів.

До негативних факторів у землеробстві слід віднести інтенсивний механічний обробіток ґрунту та ущільнюючу дію сільськогосподарської техніки. Установлено, що майже 70 % площі поля щорічно покривається слідами від машин і механізмів. У коліях, що утворюються від колісних агрегатів, щільність ґрунту до глибини 30…40 см досягає 1,30...1,50 г/см3, тобто порівняно з не ущільненим аналогом вона зростає у середньому на 0,20...0,25 г/см3 [1].

Ступінь ущільнення ґрунту залежить не лише від типу агротехніки, але й від інших факторів і, насамперед, гранулометричного складу й ступеня зволоження ґрунту на час його обробітку. Ці фактори і визначають потенційну стійкість ґрунтів проти їхньої деформації. Відомо, що найбільше ущільнюються вологі ґрунти важкого гранулометричного складу і найменше – сухі ґрунти легкого складу.

До факторів перевищення допустимих рівнів антропогенного впливу на фізичний стан ґрунтів слід віднести зрошення земель, яке широко застосовують не тільки у степовій, а й у лісостеповій географічних зонах (біля 2,5 млн. га). Регулярні поливи у певній мірі погіршують фізичні властивості ґрунтів: різко зменшується вміст агрономічної цінної структури, погіршується кришіння ґрунту під дією сільськогосподарських знарядь, зростає об’ємна щільність (особливо під важкими меліоративними машинами). Підвищення доз азотних добрив та інших хімікатів при зрошенні сприяє посиленню руйнування структури, диспергації ґрунту та заповнення його шпарин зруйнованою тонкодисперсною частиною. Зміна природних автоморфних умов ґрунтоутворення на напівгідроморфні та гігроморфні призводить до промивного режиму, вимиву гумусу та кальцію, що спричиняє осолонцювання й залуження ґрунтів. Усе зазначене зумовлює, насамперед, підвищення об’ємної щільності поливних ґрунтів та погіршення їхніх водно-фізичних властивостей.

До аналогічних наслідків призводить і надмірне осушення земель (біля 3 млн. га), яке знижує протиерозійну стійкість і значно підвищує вітрову й водну ерозію та деградацію ґрунтів. На цих землях розклад органічних речовин триває в умовах дефіциту тепла і біологічних елементів (зокрема кальцію), на фоні домінування кислих форм продуктів, що викликає зміну гранулометричного складу, підвищення кислотності й оглеєння та ущільнення ґрунтів.

На погіршення агрофізичних властивостей ґрунтів впливає й ерозія земель. В Україні більше 17 млн. га сільськогосподарських угідь піддаються водній і вітровій ерозії. На її території щорічно випадає біля 50 млрд. м3 опадів. Частина з них (близько 10 млрд. м3) через зливний характер та значну порізаність рельєфу стікає у річки й водойми. Разом із стоками щорічно виноситься понад 180 млн. т дрібнозему, а за період землеробства зі схилів уже змито 30...35 млрд. т. Змив верхніх найбільш родючих шарів ґрунту призводить до деградації ґрунту, погіршення агрофізичних властивостей, зміни гранулометричного складу та підвищення об’ємної щільності кореневого шару.

Практика землеробства показує, що сталі врожаї вирощуваних культур та економне використання водних ресурсів і хімічних добрив мають місце на ґрунтах з об’ємною щільністю до 1,20…1,25 г/см3. Така щільність забезпечує оптимальні умови живлення, росту рослин, формування агрогідрологічних властивостей ґрунтів.

З підвищенням об’ємної щільності до 1,5…1,6 г/см3 вміст повітря у ґрунті зменшується майже удвічі, діаметр діючих ґрунтових шпарин зменшується на

30...40%, твердість ґрунту збільшується у 3-4 рази, а водопровідність знижується в 3-5 разів, значно понижується ефективність виробництва.

Такі несприятливі ґрунтові зміни та антропогенний вплив при сільськогосподарському використанні земель зумовлюють зниження родючості угідь, підвищують їхню агрофізичну деградацію. Ці процеси потребують систематичного контролю за зміною агрофізичного стану ґрунтів, погіршенням агрогідрологічних властивостей ґрунтів та розробки заходів із їхнього попередження.

Необхідний регулярний контроль здійснюється при проведенні масових польових та лабораторних досліджень, що потребують значних затрат часу й коштів.

Упровадження ландшафтних і контурних меліорацій, моніторингу та управління родючістю ґрунтів вимагає детального та постійного дослідження динаміки агрофізичних і гідрогеологічних властивостей ґрунтів.

Різноманітність характеристик ґрунтів, регулярність і ємність необхідних досліджень потребують пошуку й упровадження у практику раціональних, уніфікованих методів визначення значень їхніх властивостей.

При аналізі даних польових досліджень спостерігається взаємозв’язок між окремими властивостями та їхньою динамікою залежно від зміни агрофізичного стану ґрунтів. З агрофізичних властивостей мінеральних ґрунтів найбільш наглядно виділяється динаміка об’ємної щільності, на значення якої впливають майже всі ґрунтові процеси та антропогенні дії.

На наш погляд саме об’ємна щільність може бути індикатором агрофізичного стану ґрунтів і служити аргументом діагностики рівнів їхньої деградації та визначення значень деяких агрогідрологічних властивостей.

Об’ємна щільність, як аргумент визначення значень зміни властивостей ґрунтів, прийнята через легкодоступне визначення (наприклад, методом ріжучого кільця).

У даній роботі наводиться пошук установлення кореляційної залежності деяких агрогідрологічних властивостей мінеральних ґрунтів від їхньої об’ємної щільності.

При відборі зразків ґрунту для визначення об’ємної щільності на вибраній ділянці поля влаштовують ґрунтовий розріз (шурф) глибиною до 2 м. Слід відзначити, що значний об’єм земляних робіт при цьому призводить до строкатості ґрунтів та їхньої деформації на поверхні поля.

Для спрощення й прискорення відбору зразків мінерального ґрунту з глибини, без улаштування шурфів, можна використати об’ємний бур Колеснікова. (рис. 1).

При відборі зразка ґрунту буром Колеснікова слід звичайним буром діаметром трохи більшим за діаметр об’ємного буру вибрати зі свердловини ґрунт до необхідної глибини. У свердловину опустити об’ємний бур на штанзі і зробити на ній позначку на 8..9 см вище поверхні землі. Ударами спеціального молотка по штанзі забити бур до позначки.

Рис. 1. Бур для відбору ґрунту при визначенні об’ємної щільності: 1 – штанга металева; 2 – основа бура; 3 – об’ємне кільце (50 см3); 4 – наконечник із ріжучим окрайком

Далі нахилити штангу вліво-вправо, від і до себе та витягнути бур із свердловини. З буру слід скрутити наконечник з ріжучою окраїною і легким натиском із сторони останнього виштовхнути об’ємне кільце з ґрунтом. Гострим ножем з обох сторін кільця зрізати надлишки ґрунту. В кільці залишається зразок ґрунту об’ємом 50 см3. З кільця ґрунт перемістити у підготовлений чистий, сухий і

зважений алюмінієвий стаканчик (бюкс), закрити кришкою і зважити у лабораторії; зняти кришку, підставити її під дно та помістити у сушильну шафу. Сушити зразок упродовж 6 годин при температурі 105ºС. Після сушіння бюкс закрити, охолодити й зважити. Точність зважування до 0,01 г. Визначити об’ємну щільність за залежністю

г/см3 , (1)

де mc і mб – відповідно маса бюксу з кришкою і сухим ґрунтом та маса пустого бюксу з кришкою, г; V – об’єм зразка ґрунту, см3.

Основна частина

За величиною об’ємної щільності можна охарактеризувати агрофізичний стан та знайти значення деяких агрогідрологічних властивостей ґрунтів.

Так, аналіз зміни об’ємної щільності показує, що з підвищенням її значення знижується родючість ґрунту і, зокрема, зменшується вміст гумусу. Тіснота цього зв’язку підтверджується даними багатьох учених [1] та даними польових досліджень, проведених кафедрою гідромеліорацій НУВГП упродовж 1968–1971 рр. на землях Херсонської області (рис. 1). Цей зв’язок виражається через залежність (при коефіцієнті кореляції 0,87)

Nг=13,66 – 8,33·γ0, % м. с.гр., (2)

Від об’ємної щільності залежить шпаруватість ґрунту, тобто кількість і розмір шпарин, у яких мешкають ґрунтові організми, накопичуються вода, кисень, вуглекислий газ. Від шпаруватості залежить структура ґрунту, з якою пов’язані його найважливіші агрономічні й меліоративні властивості.

Рис 1. Залежність вмісту гумусу від об'ємної щільності ґрунту де Nг – кількість гумусу в кореневому шарі, % маси сухого ґрунту.

Основні гідрофізичні властивості ґрунтів залежать від їхньої водоутримуючої здатності. Вода є найважливішим ґрунтоутворюючим фактором, так як розчиняє й переносить хімічні елементи й органічні речовини, які необхідні для життєдіяльності ґрунтових організмів і вирощування рослин. Для цілей гідротехнічних меліорацій найважливішими гідрофізичними

показниками ґрунтів є повна й найменша вологоємність, вологість в’янення, водопоглинаюча здатність, водовіддача та висота капілярного підняття ґрунтових вод. На величину цих властивостей впливає, найперше, об’ємна щільність ґрунтів.

Для встановлення кореляційної залежності між об’ємною щільністю та агрогідрологічними властивостями ґрунтів були зібрані і використані результати польових досліджень за 7 ґрунтовими розрізами на землях Запорізької області [2]. Схема розміщення ґрунтових шурфів наведена на рис.2.

Рис 3. Схема розміщення ґрунтових розрізів (Запорізька обл.)

На кожному розрізі визначали агрогідрологічні властивості згідно прийнятих методичних вказівок [3]. Відбір зразків ґрунту проводили до глибини 1,5 м, через кожні 10 см. Загальна кількість зразків становить 105 шт. Для пошуку тісноти зв’язку нами використані дані з об’ємної щільності, щільності скелета ґрунту, загальній шпаруватості, повній і найменшій вологоємності та вологості в'янення [2].

На кожному розрізі були визначені агрогідрологічні властивості згідно прийнятих методичних указівок [3]. Відбір зразків ґрунту проводився до глибини 1,5 м, через кожні 10 см.

Загальна кількість зразків становить 105 шт. Для пошуку тісноти зв’язку нами використані дані з об’ємної щільності, щільності скелета ґрунту, загальної шпаруватості, повної й найменшої вологоємності та вологості в'янення [2]. Значення агрогідрологічних властивостей ґрунтів по 105 зразках виписані за формою табл. 1.

З наведених даних досліджень слід відмітити відсутність будь-якого зв’язку між об’ємною щільністю і питомою щільністю скелету ґрунту. Це пояснюється тим, що питома щільність скелету ґрунту залежить тільки від складу мінералів і є величиною близькою до постійної. Так у дослідних зразках її величина коливається від 2,66 до 2,74 г/см3. За розрахункове значення можна прийняти середню величину 2,70 г/см3. Відхилення граничних значень від середнього при цьому не перевищує 2%, що говорить про допустимість такого припущення у практичних розрахунках.

Таблиця 1

Агрогідрологічні властивості ґрунтів (Запорізька область, за )

№ ґрун-тового розрізу	№ ґрунтового зразка	Питома щільність скелету, г/см3	Об’ємна щільність, г/см3	Загальна шпаруватість, % м. с.гр.	Вологоємність, %	Вологість в’янення, %
пов- на	найменша

Що стосується інших агрогідрологічних властивостей ґрунтів перерахованих у табл. 1, то їхні величини змінюються при зміні об’ємної щільності. Для встановлення кореляційних залежностей і критеріїв зв’язку між ними, виконані математичні розрахунки із застосуванням статистичної обробки експериментальних даних, розроблені алгоритм і програма розрахунків на ЕОМ.

У результаті проведених розрахунків отримані рівняння регресії між об’ємною щільністю і зазначеними вище агрогідрологічними властивостями ґрунту та визначена тіснота їхнього зв’язку (табл. 2).

Наведені рівняння регресії з високими коефіцієнтами кореляції (табл. 2) показують можливість впровадження в агромеліоративну практику методу визначення більшості показників агрогідрологічних властивостей грунтів за значеннями об’ємної щільності останніх.

Таблиця 2

Рівняння регресії та тіснота зв’язку між об’ємною масою і

агрогідрологічними властивостями ґрунту

№ з/п	Властивості ґрунтів	Рівняння регресії	Коефіцієнт кореляції	Вид зв’язку
1	Загальна шпаруватість, %	А=96,06-34,06·γ0	0,96	тісний
2	Повна вологоємність, %	βпов=119,33-59,97·γ0	0,99	тісний
3	Найменша вологоємність, %	βнв=57,27-25,86·γ0	0,86	тісний
4	Вологість в’янення, %	βвн=31,45-13,93·γ0	0,73	тісний
5	Максимальна гігроскопічність, %	βмг=βвн/1,34	-	-

де γ0 – об’ємна щільність ґрунту, г/см3, 1,34 – гідрометричний коефіцієнт.

Крім перерахованих властивостей (табл. 2) важливими агрогідрологічними показниками є коефіцієнт водовіддачі, висота капілярного підняття ґрунтових вод та водопоглинаюча здатність ґрунту.

У загальному вигляді коефіцієнт водовіддачі визначається за формулою

частках. (3)

Висота капілярного підняття (Нкп) у мінеральних ґрунтах для практичних розрахунків визначається як

Нкп=2,67·γ0 – 2,26, м, (4)

де γ0 – об’ємна щільність ґрунту, г/см3.

Швидкість поглинання води залежить від гранулометричного складу й агрофізичного стану ґрунту. З теорії поглинання води ґрунтами відомо, що швидкість поглинання змінюється за виразом

Kt=K1·t-α, мм/хв, (5)

де Кt і К1 – відповідно швидкість поглинання води ґрунтом на кінець часу t та першої години поливу, мм/хв; α – показник, що характеризує затухання швидкості поглинання і залежить від зміни вологості ґрунту.

Згідно наведеного аналізу джерел та експериментальних даних установлена можливість визначення наближених показників К1 і α залежно від агрофізичного стану ґрунту [4].

Так значення К1 можна визначити за об’ємною щільністю мінеральних грунтів за виразом

К1=4,52·γ0 – 3,10, мм/хв. (6)

Значення показника затухання швидкості поглинання води ґрунтом α залежить від вологості ґрунту і змінюється від 0,8 при вологості близькою до в’янення до 0,3 при найменшій вологоємності. Виходячи з цих умов наближене значення α можна визначити за залежністю

(7)

де βвих – вихідна вологість, % маси сухого ґрунту.

Вихідну вологість ґрунту можна визначити як

% м. с.гр. (8)

де mв, mс, mб – відповідно маси вологого і сухого ґрунту разом із масою бюкса та маса бюкса, г.

У процесі поливу земель дощуванням слід визначати ерозійно-допустимі поливні норми. Значення цих норм залежать від якості штучного дощу, а саме від інтенсивності й діаметра краплин, показника вільного поглинання верхнього шару ґрунту та визначається як

, мм (9)

де mе – ерозійно-допустима поливна норма, мм; Рі – показник вільного поглинання верхнього шару ґрунту; ρ – інтенсивність дощу, мм/хв; d – діаметр краплини, мм.

Величину Рі можна визначити за виразом

Рі=Р0 – С·(І – Ікр), (10)

де Р0, С – показники, що визначаються за формулами Р0=152,61 – 83,85·γ0; С=1,91-0,87·γ0; І та Ікр – фактичний та критичний допустимий похил поверхні поля, %о. Ікр визначається за формулою Ікр=34,47-13,84·γ0. Значення наведених коефіцієнтів визначені за результатами польових досліджень.

висновки

1. Наведені у роботі обґрунтування і розробки дозволять забезпечити регулярні і детальні спостереження за динамікою агрофізичного стану ґрунтів; прискорити й спростити визначення низки гідрологічних властивостей ґрунту; скоригувати меліоративні заходи з підвищення екологічної стійкості грунтів при їхньому сільськогосподарському використанні.

2. Індикатором агрофізичного стану та аргументом визначення більшості гідрогеологічних властивостей ґрунтів може бути прийнята їхня об’ємна щільність.

3. Мобільним і найлегшим способом визначення об’ємної щільності ґрунту є метод із застосування бура Колеснікова.

Список використаних джерел та літератури

1. Родючість ґрунту (моніторинг та управління) /за ред. єдєва.- К: Урожай, 1992.– 147 с. 2. Справочник агрогидрологических свойств почв в Украинской ССР /ред. .- Л.: Гидрометеоиздат, 1955.- С. 474-487. 3. Руководство по опре-делению агрогидрологических свойств почв на гидрометеостанциях.- Л.: Гидрометеоиздат, 195с. 4. Козішкурт М. Є., Козішкурт інтенсивності штучного дощу зі всмоктувальною здатністю поливних ґрунтів //Вісник НУВГП. Зб. наук. пр.- Випуск 4 (36).- Рівне.- 2006.- С. 71-78.

5. Козішкурт ерозійно–допустимі поливні норми при дощуванні земель півдня України // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Зб. наук пр.- Випуск 21.- Рівне.- 1997.- С. 74-78.