Ґрунтова волога: значення, вимірювання та способи її збереження

Ґрунтова волога – один з важливих показників, який впливає на врожай та ефективність використання добрив. Розглянемо, яким чином утворюється волога? Що називають продуктивною вологою? Як вимірюється продуктивна вологість?  Як впливає на врожай польових культур? Для чого потрібно знати продуктивну вологість?  Які фактори впливають на її накопичення у ґрунті?  Як зберегти ґрунтову вологість?

Дефіцит вологи – один з головних факторів у сільськогосподарському виробництві, прояв якого призводить до недобору врожаю і негативних змін якості продукції. Як показує практика останніх років, дедалі більше зростають ризики виникнення посушливих умов. Тому сучасні технології вимагають як від науковців, так і від аграріїв суттєвого їх удосконалення, і зокрема в пошуку комплексу заходів, спрямованих на раціональне використання природних ресурсів вологи.

Що таке  вологість ґрунту та вологоємкість грунту ?

Вологість ґрунту   – вміст вологи у ґрунті. Виражається у відсотках від маси сухого або від об’єму непорушеного ґрунтів, а також у міліметрах водяного стовпа. Вологість в об’єм. відсотках у шарі ґрунту завтовшки 10 см кількісно дорівнює запасу вологи в цьому шарі (у міліметрах водяного стовпа), зокрема якщо в шарі 0– 10 см утримується 10 % вологи, це відповідає шару води завтовшки 10 мм. В. ґ. показує забезпеченість рослин вологою і залежить від властивостей ґрунту (гранулометрич. склад, вміст гумусу та обмін. катіонів), стану його поверхні (тип обробітку та стан рослинності, мікрорельєф), кількості атмосфер. опадів, а також факторів, що зумовлюють інтенсивність випаровування вологи (т-ра повітря, сила вітру тощо). За ін. рівних умов вологішим буде ґрунт важкого гранулометрич. складу з високим вмістом гумусу. Щойно оброблений ґрунт має найвищу здатність нагромаджувати вологу і зберігати її.

Вологоємність ґрунту (водомісткість, водоутримуюча сила, капілярність ґрунту) — властивість ґрунту приймати і утримувати в своїх пористих порожнинах певну кількість крапельнорідкої води, не дозволяючи останній стікати.

Вологоємність ґрунту — величина, що кількісно характеризує водоутримуючу здатність ґрунту; здатність ґрунту поглинати і утримувати в собі від стікання певну кількість вологи під дією капілярних і сорбційних сил.

В залежності від умов, що утримують вологу в ґрунті, розрізняють кілька видів вологоємкості ґрунту: максимальну адсорбційну, капілярну, найменшу та повну.

Капілярна вологоємність ґрунту — максимальна кількість вологи, що утримується в ґрунті над рівнем ґрунтових вод капілярними (менісковимі) силами. Залежить від потужності шару, в якому вона визначається, і його віддаленості від дзеркала ґрунтових вод. Чим більша потужність шару і менше його видалення від дзеркала ґрунтових вод, тим вища капілярна вологоємність ґрунту. Капілярна вологоємність ґрунту характеризує культурний стан ґрунту. Чим ґрунт менш оструктурений, тим більше в ньому відбувається капілярний підйом вологи, її фізичне випаровування і, найчастіше, накопичення у верхній частині легкорозчинних, в тому числі і шкідливих для рослин солей.

Найменша — польова вологоємність ґрунту — кількість води, що фактично утримується ґрунтом в природних умовах в стані рівноваги, коли усунуто випаровування і додатковий приплив води. Ця величина залежить від гранулометричного, мінералогічного і хімічного складу ґрунту, його щільності і пористості. Застосовується при розрахунку поливних норм.

Повна вологоємність ґрунту, водовмістимість ґрунту — вміст вологи в ґрунті за умови повного заповнення всіх пор водою. При повній вологоємністі ґрунту волога, що знаходилася у великих проміжках між частками ґрунту, безпосередньо утримується дзеркалом води або водотривким шаром. Водовмістимість ґрунту розраховується по її загальній пористості. Значення величини повної вологоємності ґрунту необхідно при підрахунку здатності водовсмоктування без утворення поверхневого стоку, для визначення здатності водовіддачі ґрунту, висоти підйому ґрунтових вод при рясних дощах або зрошенні.

Польова вологоємність — кількість води, що утримується ґрунтом протягом тривалого часу. Вологість піщаних ґрунтів при польовій вологоємності становить 4-10 %, супіщаних — 10-20 %, легко- і середньосуглинистих — 20-30 %, важкосуглинистих і глинистих — 30-40 %.

Величина польової вологоємності — важливий агрономічний показник. Знаючи вологість ґрунту у відсотках польової вологоємності, судять про забезпеченість рослин водою, а в поливному землеробстві встановлюють час поливу.

Оптимальна вологість кореневмісного шару ґрунту, за якої досягається максимальна інтенсивність росту рослин, змінюється для різних видів в межах 65-90% найменшої вологоємності, зокрема: 75-90% — для багаторічних трав, 65-80% — для зернових, 70-85% — для овочевих культур., плодових і ягідних культур 70-80 %, для овочевих — 75-90 %.

Об'ємний вміст води або Польова вологоємність (“VWC” або "ПВ" ) є чисельним показником вологості ґрунту. Вологість виражається у відсотках або відношенні кількості води, яку утримує ґрунт. Наприклад, один кубічний метр ґрунту з 30% VWC містить 0,3 кубічного метра або 300 літрів води.  Залежно від типу ґрунту показники VWC від 5% до 35%.

Вода, що утримується у ґрунті, може бути по різному зв'язана з ним, і тому рослини не завжди можуть використовувати її повністю. Запаси вологи також можуть бути різними при однаковій вологості ґрунту. При зменшенні вологості ґрунту настає такий стан, коли рослини починають в'янути. Вологість, при якій з'являються незворотні ознаки в'янення рослин, називають вологістю стійкого в'янення. Ця величина майже не залежить від характеру рослинності, вона залежить від структури, механічного складу і гуміфікації ґрунту. Чим менші часточки й більше гумусу у ґрунті, тим більше в ньому міцно зв'язаної води й там більша вологість стійкого в'янення. Тому оцінювати умови формування урожайності сільськогосподарських культур можна лише за тією кількістю вологи, яка перевищує вологість стійкого в'янення. Оскільки лише ця волога використовується рослинами для створення органічної речовини, її заведено називати продуктивною вологою.

Кількість води, яка рослина може спожити визначається комбінацією факторів:

  • Кількістю доступної для рослини води
  • Глибина коренів в грунтовому шарі
  • Сплетіння коренів в грунті

Кількість води, доступної для рослини, визначається діаметром пор. Важливо уникати ущільнення грунту, яке здавлює пори і зменшує доступ до води. Суглинок містить приблизно 20 мм рослинно-доступної води на 10 см ґрунту, але кількість, яке може бути використане залежить від глибини залягання коренів і їх сплетіння.

Тип грунту Кількість води, доступної для рослини на 10 см грунтового профілю, мм
 пісок  приблизно 10
 Іл  приблизно 20-25
 суглинок  приблизно 20
коричнева глина  приблизно 10-15

Джерело: Kerstin Berglund , SLU

Великі порожні пори. У цьому стані польової вологоємності, досить великі пори звільнені від води і замість цього заповнені повітрям, в той час як тонкі все ще залиті водою. Чим вище пори знаходяться в грунтовому профілі - тим вище ймовірність, що вони будуть заповнені повітрям. У грунтах, де 50% твердої речовини і 50% порожнин приблизно 10-20% заповнений повітрям, інші 30-40% - водою.

Схема засвоєння води в грунтової порі

1) Кореневий волосок 2) Грунт 3) Вода

Діаметр пори визначає, наскільки сильно вода пов'язана в порах. Чим менше діаметр, тим більше зв'язаної води, важкодоступній для коренів - кореневий волосок не може проникнути та  отримувати воду.

Вода в великих порах легко доступна, але зі зменшенням діаметра пор рослинам потрібно все більше енергії, щоб забирати воду. Цей процес показаний на зображенні вище «Кореневий волосок в грунтовій порі». Коли довжина кореневого волоска досягає свого максимуму і більше не може отримувати воду рослина в'яне. Однак на практиці рослини не можуть використовувати всю воду, тому "здаються" і в'януть.

Діаметр  пор заповнених водою, визначає наскільки легко чи важко коріння рослин витягти вологу з ґрунту. Пори - це результат складу і структури грунту.

Зусилля для вилучення води ( 'кореневе всмоктування'), метри водяній колони Еквівалентний діаметр пори (мм)
Легко-доступна  1-6 (10 -60 кПа)  0.03-0.005
доступна  6-50 (60-500 кПа)  0.005-0.0006
малодоступна  50-150 (500-1500 кПа)  0.0006-0.0002
недоступна  > 150 (1500 кПа)  <0.0002

Kerstin Berglund , SLU

Вологість стійкого в’янення : Кількість води, що залишається в ґрунті, коли рослина починає в’янути. Вода, що залишається в грунті , щільно утримується частинками грунту, і коріння рослин не можуть легко витягти воду. Точка в'янення - коли вода в грунті пов'язана з силою , що перевищує (1500 кПа), коріння більше не можуть її отримувати. Ця межа називається постійної точкою в'янення і являє собою воду, що міститься в порах з діаметром, меншим 0,002 мм.

Доступна ґрунтова вода або продуктивна волога (НВ) – це кількість води, яка доступна для рослин,  визначається як різниця  між польовою вологоємністю та вологістю стійкого  в’янення .

Запаси вологи на сільськогосподарських полях оцінюються тільки в міліметрах продуктивної вологи. Для цього на всіх ділянках спостереження визначаються за шарами (через кожні 10 см в метровому шарі грунту).

Як правило, верхнє зрошення повинно розпочинатися до того, як ґрунт досягне 50% доступної  води. Крапельне зрошення слід розпочинати до того, як ґрунт досягне 80% доступної ґрунтової води.

Продуктивну вологу в ґрунті необхідно враховувати для обґрунтування технології вирощування сільськогосподарських культур, визначення та оптимізації агротехнічних заходів (ефективності внесених у грунт мінеральних добрив, системи обробітку грунту, регулювання водного режиму і т.д.). Наприклад, А.П. Федосєєвим встановлено, що найбільша ефективність добрив відзначається при Вологозапасах що складають в середньому 80 ... 90% НВ. Більш низький або високий зволоження знижує ефективність добрив.

Тип ґрунту Вологість в’янення Польова вологоємкість
Пісок 5% VWC 10% VWC
Суглинистий пісок 5% VWC 12% VWC
Піщаний суглинок 8% VWC 18% VWC
Піщаний глинистий суглинок 17% VWC 27% VWC
Суглинок 14% VWC 28% VWC
Піщана глина 25% VWC 36% VWC
Мулистий суглинок 11% VWC 31% VWC
Мул 6% VWC 30% VWC
Глиняний суглинок 22% VWC 36% VWC
Мулистий глинистий суглинок 22% VWC 38% VWC
Мулиста глина 27% VWC 41% VWC
Мул 30% VWC 42% VWC

Оцінказапасівпродуктивноївологи

Високий урожай зерна озима пшениця формує в роки, коли на початку весни запаси доступної вологи в шарі грунту 0-100 см складають 150-200 мм, задовільний - 130-140, низький - 100 мм і менше.

При низьких запасах вологи навесні особливо сильно страждають посіви, які восени не кущилися. Навіть на полях з добре розвиненими посівами, при низьких запасах вологи навесні, рідко коли формується високий урожай зерна.

Що дає знання запасів вологи?

Знаючи запас вологи та прогноз середніх опадів можна прогнозувати врожайність та ефективно використовувати добриво.

Приклад Визначення потенційної врожайності пшениці
Запаси продуктивної вологи (в метровому шарі грунту) - 100 мм
Очікувана кількість опадів за вегетаційний період - 250 мм
Сумарна кількість вологи =100+250мм= 350 мм
Формування врожаю зерна  пшениці на одиницю витраченої рослиною води У= 20...25кг/га/мм

У=(1/Транспіраційний коефіціент)*10000;

У різних регіонах транспіраційні коефіцієнти для різних культур коливаються від 200 до 1000:

  • озимої пшениці — 400-600,
  • цукрового буряку — 340-450,
  • озимого жита — 500-800,
  • кормового буряку — 735,
  • вівса — 375-800,
  • соняшника — 500-600,
  • ячменю — 310-535,
  • конюшини — 310-900,
  • кукурудзи — 250-400,
  • картоплі — 300-635.

Непродуктивних витрат ґрунтової вологи на випаровування- 110 мм(залежать від технології, це випаровування та стікання води)

Встановлено, що втрати вологи на непродуктивне випаровування досягають 40-70 відсотків опадів, що випадають. Для ефективного накопичення і заощадження грунтової вологи застосовують осінню дрібну мульчують обробку, при якій створюється розпушений верхній шар грунту з замульчуваною поверхнею. Від обробки верхнього шару грунту залежить накопичення і збереження вологи не тільки в верхніх, але і в більш глибоких грунтових горизонтах.

Потенційна врожайність = У × (сумарна кількість вологи - непродуктивний витрата вологи) = 20 x (350 - 110) = 4800 кг / га (4.8 т / га) до 25 x (350 - 110) = 6000 кг / га

Визначення потреби в азотних добривах
Потенційна врожайність = 4.8 т / га
Потреба в азоті = 45 кг N / т зерна(з врахуванням втрат та % споживання ) = 216 кг N / га
Запаси мінерального азоту в ґрунті при посіві = 50 кг N / га (виміряно)
Вміст органічного вуглецю в грунті (Cорг.) = 1.2%
Мінералізація грунтового азоту за вегетаційний період = Cорг. × (кількість опадів за вегетаційний період) / 6 = 1.2 × (250) / 6 = 50 кг N / га
Надходження азоту з грунту = запаси мінерального азоту при посіві + мінералізація за вегетацію = 50 кг N / га + 50 кг N / га = 100 кг N / га
Потреба в азотних добривах для досягнення потенційної врожайності = (216 - 100) = 116 кг N / га

Аналогічний підхід можна використовувати і для визначення потреби рослин у фосфорі та калії. При цьому також визначаться потенційна врожайність, лімітована умовами зволоження, і, відповідно, очікуваний винос фосфору з грунту з урожаєм. Вміст фосфору в зерні зазвичай становить близько 3 кг P / т зерна, і при планованої врожайності в 4.8 т / га винос фосфору з урожаєм зерна дорівнює приблизно 15 кг P / га, або 15*2,8=42кг (P2O5). Дозу фосфорних добрив необхідно скорегувати з урахуванням потенційної буферної здатності грунту щодо фосфору, витрат добрив на підвищення вмісту рухомого фосфору в ґрунті (якщо це необхідно), а також втрат фосфору з грунту в результаті ерозії.

Як формується вологість ґрунту?

Джерелом води на поверхні суші найчастіше є атмосферні рідкі (дощі, зливи) і тверді (сніг, паморозь, іній) опади, а також ґрунтові води, що залягають у пронизаній коренями зоні ґрунту. Також частина вологи надходить у формі сконденсованої пароподібної вологи. Кількість води залежить від клімату, рельєфу, типу та виду рослинності, гідрогеологічних умов.

Типи вологи:

Вільна (гравітаційна) вода заповнює великі грунтові пори, під дією сили тяжіння утворює спадний струм, формуючи верховодку і частково просочуючись в грунтові води. За рахунок гравітаційної води в грунті проходять грунтоутворюючі процеси, з неї утворюються всі інші форми грунтової вологи. Вільна волога  може конденсуватися з пароподібної, але переважно поповнюється за рахунок атмосферних опадів.

Пароподібна волога знаходиться в ґрунтовому повітрі, розміщеному між ґрунтовими частинками. Зазвичай ґрунтове повітря повністю насичене водяними парами.

Гігроскопічна волога утворюється внаслідок здатності дрібних частинок ґрунту поглинати молекули вологи з повітря. Завдяки цьому тверда частинка вкривається тонкою плівкою вологи.

Плівкова волога є однією з найпоширеніших у природі форм води. При надходженні вологи у ґрунт перші її порції йдуть на збільшення товщини плівки води навколо частинок і утримуються великими молекулярними силами, тому вони не доступні для рослин.

Лід утворюється в грунтах при зниженні температури з інших форм вологи послідовно - починаючи від вільних і закінчуючи пов'язаними. Так, гравітаційна вода замерзає в незасолених грунтах при температурах, близьких до 0 ° C, а максимально гігроскопічна - тільки при -78 ° С

Вимірювання вологості ґрунту

Вимірювання В. ґ. здійснюють найчастіше за допомогою термостатно-вагового методу, висушуючи ґрунт за температурири 105 °С і визначаючи вміст вологи за різницею маси. Для визначення вмісту вологи у ґрунті використовують також електр., тензіометричні та радіоактивні методи.

Гравіметричне вимірювання є прямим, точним і є «золотим стандартом» для всіх інших методів вимірювання. Для вимірювання  гравіметричним способом відбирають пробу з поля і доставляють у лабораторію в герметичному контейнері. В лабораторії зразок зважують, висушують у духовці після чого зважують знову. Це безпосередньо вимірює частку води, яка була у вихідній пробі:

Єдиними обмеженнями точності гравіметричних вимірювань є точність шкали. Однак гравіметричні вимірювання є трудомісткими і не практичні для повсякденного використання в сільському господарстві.

Як зберегти вологу?

Регулювання водного режиму - обов'язковий захід в умовах інтенсивного землеробства. У конкретних ґрунтово-кліматичних умовах способи регулювання водного режиму мають свої особливості. Поліпшенню водного режиму слабодренованих територій зони достатнього і надмірного зволоження сприяє планування поверхні і нівелювання мікро- і мезопонижень, в яких навесні і після літніх дощів спостерігається тривалий застій води.

  1.  Одним із найбільш відомих методів накопичення вологи у зимовий період, над яким все частіше починають задумуватись господарники, є затримання снігу і талих вод. Для цього використовують стерню, кулісні рослини. Вали зі снігу. Для зменшення поверхневого стоку води застосовують зяблеву оранку впоперек схилів, обвалування, переривчасте борознування, щілювання.
  2.  Збагачення ґрунту органікою, яка одночасно є вихідним матеріалом для побудови зернистої водостійкої структури – один з істотних факторів у боротьбі з посухою. Здатність органічної частини ґрунту утримувати воду у 2,5-3 рази вища, ніж у мінеральної.
  3.  Реальним і найменш затратним методом розв'язання цього питання є сидерати. Багатогранний позитив від сидератів (підвищення біологічної активності, розпушення підорного шару, зниження кислотності, відбивання сонячного проміння, запобігання перегріванню землі тощо).
  4.  Застосування препаратів за участі пектинів та амінокислот. Пектини входять до складу рослинних клітин у вигляді біополімерів за участю солей кальцію, магнію та натрію. Разом з іншими компонентами клітинних стінок рослин вони забезпечують їхню міцність і еластичність, оберігають рослини від висихання, забезпечують посухостійкість і морозостійкість, виконують захисну роль рослин у взаєминах з фітопатогенами, сприяють ліквідації пошкоджень та виходу рослини зі стану стресу.
  5.  Відмова від оранки й використання лише глибокого рихлення. Завдяки цьому способу не буде утворюватись ущільнена плужна підошва, оскільки ґрунт матиме стабільну структуру з залишками рослинних решток на поверхні. Волога буде накопичуватись та зберігатись, а рівень випаровування значно знизиться.
  6. Поверхневе розпушування грунту навесні або закриття вологи боронуванням дозволяє уникнути непотрібних втрат в результаті її фізичного випаровування.
  7.  Регулювання густоти посівів рослин. Від густоти посівів залежить чи вистачить вологи для росту та гарного врожаю рослинам.
  8.  Сівозміна. Враховуючи біологічні особливості й здатність польових культур не тільки використовувати, а й активно відновлювати родючість ґрунту, сівозміна істотно впливає на такі фактори як родючості, як забезпеченість поживними речовинами й вологою, вміст гумусу, біологічний режим та фізичні властивості.
  9. Полосное розміщення культур.
  10. Застосування органічних і мінеральних добрив сприяє більш економічному використанню вологи.
  11. Виняткова роль в накопиченні грунтової вологи належить полезахисних смугах. Оберігаючи сніг від здування в зимовий час, вони сприяють збільшенню запасів вологи в метровому шарі грунту до початку вегетаційного періоду на 50-80 мм і до 120 мм в окремі роки. Під впливом лісових смуг скорочується непродуктивне випаровування вологи з поверхні грунту.

Система вертикального обробітку

Концепція вертикального обробітку полягає у системному підході, заснованому на методах, спрямованих на запобігання формування глибоких надмірно ущільнених прошарків ґрунту, які погіршують капілярність ґрунтів та обмін вологи і розвиток кореневої системи. В результаті коріння культурних посівів може активно розвиватися вглиб та отримувати ще більше поживних речовин і вологи, такі рослини більш посухостійкі і в цілому мають набагато краще розвинену кореневу систему, що забезпечує на всіх типах грунтів і всіх культурах збільшення врожаю.

Глибоке рихлення та вертикальний обробіток ґрунту

 Система збереження вологи WTS

Даний спосіб обробки грунту є не тільки оптимальним для розвитку кореневої системи рослин, а й найкращим як для влагосбереження, так і по вологозабезпеченню рослин в період вегетації:

- Сформований верхній мульчуючий шар грунту забезпечує ефективну акумуляцію вологи від опадів, що випадають, ранкових і вечірніх ріс в нижчих ґрунтових горизонтах і перешкоджає її випаровуванню в атмосферу.

- Середній ущільнений шар грунту (насіннєве ложе), що утворюється за рахунок подповерхностного прикочування, формує ефективний капілярний приплив вологи з ущільненням-пухкого шару в зону розміщення насіння. Мінімальна капілярність у верхній частині середнього ущільненого шару дозволяє мінімізувати приплив грунтової вологи до верхнього мульчувати шару грунту, що дозволяє значно підвищити його ефективність для збереження вологи в порівнянні з традиційними технологіями, утворюючи так званий «гідрозамок» .

- Сукупність середнього ущільненого шару (підгрунтове коткування) і ущільнення-пухкого шарів грунту з оптимальною щільністю і капиллярностью забезпечує продуктивне використання запасів ґрунтової вологи з нижніх шарів грунту (з глибини до 1 м) протягом усього періоду вегетації рослин.

Саме завдяки цим методам в аграріїв є можливість вплинути на збереження ґрунтової вологи та покращити стан ґрунту. На жаль на даний час нераціональне використання земель призвело до деградації ґрунтів. Деградація ґрунтів сьогодні є однією з найбільших екологічних проблем планети.

Також може бути цікавим:

Скачать: Гид по сохранению и рациональному использованию влаги почв

Джерела:

Метки: ,