Оценка водных свойств почвы различных биотопов

Оценка водных свойств почвы различных биотопов

Автор: Писаренко Надежда Ивановна

учитель биологии

МБОУ СОШ №23 с. Новозаведенного

Актуальность темы. Водообеспеченность растений определяется не только количеством поступающей в почву воды, но и ее водными свойствами, способностью впитывать, фильтровать, удерживать, сохранять воду и отдавать ее растению по мере потребления. В одинаковых природно-климатических условиях при равной влажности почвы могут содержать разное количество доступной воды, что зависит от гранулометрического состава почв, структурного состояния, содержания гумуса и других показателей, определяющих их водные свойства. Водные свойства почв существенно влияют на процессы почвообразования, отклонение показателей водных свойств почвы от оптимального состояния приводит к ухудшению водно-воздушного и теплового режимов, биологической активности, пищевого режима и в целом к снижению почвенного плодородия. К основным водным свойствам почвы относятся водоудерживающая способность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность. Георгиевский район по агроклиматическим и почвенным условиям относится к зоне неустойчивого (III) увлажнения, среднегодовое, количество осадков – 420-476 мм, ГТК 0,9-1,0 (Сторчак, Ерошенко, 2014). Поэтому изучение водных свойств почв особенно актуально в условиях недостаточного природного увлажнения.

Цель работы: изучение основных водных свойств почв различных биотопов при разных типах сельскохозяйственного использования.

Задачи:

1.Изучить водоудерживающую способность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемную способность почв.

2. Сравнить водные свойства почв различных биотопов.

Практическая значимость данной работы заключается в том, что результаты исследования можно использовать при проведении комплексного мониторинга плодородия почв.

Вода в почве необходима для прорастания семян и для последующего роста и развития растения. С ней в растение из почвы поступают питательные вещества, а испарение воды листьями обеспечивает нормальные температурные условия жизнедеятельности растения. Вода необходима для почвообразования и формирования почвенного плодородия. Без нее невозможно развитие почвенной фауны и микрофлоры. Процессы превращения, трансформации и миграции веществ в почве также требуют наличия воды. Недостаток воды в почве губительно отражается на урожае. Водный режим почвы зависит не только от количества атмосферных осадков, но и в значительной мере от водных свойств самой почвы. Термин «водные свойства» означает совокупность свойств почвы, обусловливающих накопление, сохранение и передвижение воды в почвенной толще. Благодаря своей водопроницаемости почва задерживает содержащиеся в воде загрязняющие вещества и препятствует их выщелачиванию в грунтовые воды. Кроме того, почва удерживает и сохраняет воду, обеспечивая ее доступность для сельскохозяйственных культур и, тем самым, сводит к минимуму испарение с поверхности и максимально повышает эффективность и производительность водопользования. Нормально функционирующие почвы, накапливающие и фильтрующие воду, играют ключевую роль в снабжении экосистем чистой водой и в обеспечении их устойчивости к наводнениям и засухам. Здоровые почвы с высоким содержанием органического вещества способны сохранять большие объемы воды. Количество воды, которое может удерживать органическое вещество почвы, примерно в 20 раз превышает его собственный вес. Это свойство полезно не только при засухах, когда почвенная влага жизненно необходима для роста растений, но и во время сильных дождей, поскольку почвы уменьшают вред от затопления и объем поверхностного стока, замедляя сброс воды в водотоки рек (Качинский, 1947).

Вода — это «живительная сила» агротехники. Поэтому более рациональное использование почвенной влаги имеет решающее значение для устойчивого производства продовольствия и водоснабжения. Уменьшение способности почвы впитывать, удерживать, высвобождать и передавать воду снижает ее продуктивность вне зависимости от того, идет ли речь о сельскохозяйственных или пастбищных культурах, деревьях или кустарниках. Для того чтобы свести к минимуму влияние засух на продовольственную безопасность, почвы должны обладать способностью впитывать воду, выпадающую в виде дождей, и накапливать ее в максимально возможном количестве, чтобы впоследствии растения могли ее использовать, а их корни – проникнуть вглубь и разрастись. Из-за проблем или ограничений, касающихся одного или нескольких из этих условий, почвенная влага может стать серьезным фактором, сдерживающим рост растений. Собственно говоря, плохие урожаи чаще бывают связаны с недостатком почвенной влаги, чем с недостаточностью осадков. Повышение температуры до 34—39 °С значительно снижает оводненность клеток вследствие уменьшения содержания свободной воды и возрастания осмотического давления клеточного сока. Это не всегда благоприятно для растений, так как при большом количестве связанной и отсутствии свободной воды их жизнедеятельность резко подавляется. С улучшением водного режима почвы увеличиваются количество и размер листьев, ускоряются биохимические процессы, рост плодовых и других органов (Агрохимические методы…,1976).

К рациональным агротехническим методам и практикам землепользования, способствующим повышению водоудерживающей способности почв, можно отнести: оставление на полях пожнивных остатков, организацию покровных насаждений и мульчирование; почвозащитную обработку земли; ресурсосберегающее сельское хозяйство; использование растений с глубокой корневой системой, засухоустойчивых или менее влаголюбивых культур; перехват поверхностного стока; сбор дождевой воды; использование систем точного орошения. В условиях недостаточного увлажнения применяют различные мероприятия, направленные на накопление, сохранение и рациональное использование влаги в почве – это задержание снега и талых вод; лесные полосы, кулисные растения, стерня, рыхление весной (Качинский, 1970). 

 Исследования по изучению водных свойств почвы проводились в окрестностях села Новозаведенного, которое находится на востоке Георгиевского района, на левом берегу реки Кумы, на высоте 245м над уровнем моря. По агроклиматическому районированию границы села Новозаведенного расположены в агроклиматической зоне рискованного земледелия, в третьей зоне недостаточного увлажнения, где в год выпадает 420-476 мм осадков. Географическое положение района исследования обуславливает континентальность климата, характеризующегося жарким летом, относи­тельно холодной зимой и невысоким снежным покровом.

Температура окружающего воздуха колеблется в интервале от –32 до +42 градусов по Цельсию. Среднегодовое количество осадков 476 мм. Температурный режим округа характеризуется следующими среднемесяч­ными темп ературами воздуха (от -4 до +20,2):

Температура наиболее теплого месяца – июля 23,2°С с абсолютным максимумом 42, самого холодного – января минус 3,9°С, с абсолютным минимумом минус 34. Отрицательные температуры наблюдаются только в декабре, январе и феврале месяцах. Зима сопровождается холодными вет­рами и частыми оттепелями, приводящими к сходу снежного покрова. Продолжи­тельность безморозного периода в среднем 189 дней, причем дата наступления первого мороза приходится на 20 ноября, а последнего – на 15 апреля.

Преобладающими направлениями ветров в годовом цикле являются ветры восточного и юго-восточного направлений, в теплый период – ветры восточного и западного направлений. Средняя относительная влажность воздуха самого холодного месяца в соответствии со СНиП П-А.6-62 составляет 82 процента. Георгиевский район располагается в переходной полосе от чернозёмов к зоне каштановых почв. Природные условия Георгиевского района способствуют развитию черноземов обыкновенных и южных. (Паспорт Георгиевского городского округа Ставропольского края за 2019 год).

Объектами исследования выбраны четыре участка: пашня (участок поля ООО «Заветное», после уборки пшеницы), лесополоса (вдоль федеральной автотрассы Мин-Воды –Кочубей, насаждения акации белой), пастбище (прибрежная зона реки Кума), яблоневый сад (ООО «Новозаведенское») приложение, 1 рис.1. Отбор проб проводился по методу «конверта» приложение 1, рис.2. Образцы почв отбирали в летний период 2020 г из верхнего слоя (5–10 см). Все почвенные образцы были отобраны и подготовлены согласно стандартным методикам отбора почвенных образцов (ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, ГОСТ 5180-84). Определение содержания органического вещества в почве проводили методом прокаливания до постоянной массы (ГОСТ 23740-2016). Оценку водных свойств почвы проводили согласно методике исследования водных свойств почв (Мазиров и др., 2012).

Почвенный покров исследованных территорий представлен суглинистыми каштановыми почвами. Почвообразующие породы представлены чехлом лессовидных карбонатных суглинков, иногда достигающих значительной мощности (3–4 м), или же маломощными щебнистыми, как правило, карбонатными суглинками (Атлас земель Ставропольского края 2000).

Гумус и его качественно-количественные показатели находятся в ряду важнейших свойств почв, определяющих как их экологические функции в биосфере, так и хозяйственные свойства (Верхошенцева, 2015). В результате проведения анализа общего содержания гумуса в почвах различных биотопов были получены данные, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели гумуса и рН в почвах изученных биотопов

Почвы изученных биотопов обладают довольно небольшими запасами органического вещества от 2,4% до 3,9% и относятся к категориям малогумусированных (пашня, сад) и среднегумусированных (лесополоса, пастбище). Минимальное содержание органического вещества наблюдается в яблоневом саду и пашне 2,4 и 2,6% соответственно. Максимальное значение данного показателя наблюдается в лесополосе – 3,9%. Вероятно, это связано с тем, что в самой лесополосе, ввиду наличия подстилки, большого количества корней и опада, наблюдается большое количество поступающей органики (Русанов,1995; Верхошенцева, 2015). Кислотно-щелочной показатель рН увеличивается от 6,8 до 8,4, что влияет на доступность элементов питания из почвы растению приложение 1, рис.3. Перечисленные особенности почвы оказывают существенное влияние на водно-физические свойства почв.

Важное значение при изучение водных свойств почвы имеет водопроницаемость, под которой понимают ее способность впитывать и пропускать через себя воду. Этот процесс складывается из поглощения воды почвой, прохождения ее от слоя к слою в ненасыщенной почве и фильтрации воды сквозь толщу почвы (Роде, 1965.) Величина водопроницаемости почв весьма изменчива и в значительной мере зависит от их влажности. При поступлении воды в почву вначале она быстро поглощается в результате образования пленочной и капиллярной форм почвенной воды. В дальнейшем происходит только процесс просачивания (фильтрации) воды, в котором принимает участие лишь гравитационная вода. В зависимости от механического состава, структурного состояния и уплотненности почвы ее водопроницаемость различна. Водопроницаемость в значительной степени зависит как от агрегатного состава почвы, так и от уже имеющихся запасов влаги в ней.

По результатам анализа водопроницаемости почвы по шкале оценки водопроницаемости почвы (по Н.А. Качинскому) хорошая водопроницаемость у образцов почвы пашни, пастбища и сада количество поступившей воды за 1 час составило 80-100 мм. В лесополосе водопроницаемость удовлетворительная таблица 3.

Таблица 3

Оценка водопроницаемости почв изученных биотопов

От водопроницаемости зависит степень использования водных ресурсов. При слабой водопроницаемости часть атмосферных осадков или оросительной воды стекает по поверхности, что приводит не только не к продуктивному расходованию влаги, но может вызвать эрозию почвы. Чем легче почвы и чем больше в них органического вещества, тем они более водопроницаемы приложение 1, рис.4. Водопроницаемость распыленных почв меньше, чем структурных. Улучшают водопроницаемость почвы посев многолетних трав, глубокая вспашка, органические удобрения, особенно сидераты.

Для обеспечения растений доступной влагой, в почве важную роль играет ее способность удерживать в себе воду. Количественной характеристикой водоудерживающей способности почвы является ее влагоемкость. Влагоемкость – это способность почвы удерживать определенное количество влаги после избыточного ее увлажнения при свободном оттоке гравитационной воды. В лабораторных условиях полную влагоемкость определяли в стеклянных цилиндрах без дна обвязанных марлей с нижнего конца. В предварительно взвешенные на технических весах цилиндры насыпали образцы почвы, слегка уплотняя постукиванием на высоту 10 см. Определили массу цилиндра с почвой. Далее цилиндр с почвой поместили в специальную ванночку с водой. Через каждый час цилиндр взвешивали на технических весах до тех пор, пока его масса не перестала возрастать.

Величина влагоемкости любой почвы зависит главным образом от её механического состава и количества перегнойных или органических веществ. Из рисунка 1 видно, что влагоемкость почвенных образцов лесополосы и пастбища несколько выше 40-43 %, чем почвы пашни и сада 25-26 %. Относительно низкая влагоемкость свидетельствует о разрушенной структуре почвы.

Рис.1. Полная влагоёмкость почв изученных биотопов

В летний период 2020года с недостаточным количеством осадков в почвах лесополосы наблюдался дефицит влаги и был отмечен период (в конце июля-начале августа), когда растения акации белой страдали от недостатка влаги и у них наблюдалось завядание и потеря тургора.

Влагоемкость почвы зависит и от её порозности (пористости), т.е. суммарного объема всех пор в единице объема почвы. Отдельные гранулометрические (механические) элементы и агрегаты обычно неплотно прилегают друг к другу. Поэтому между ними образуются промежутки, различные по величине и форме, которые называются порами. Совокупность этих пор составляет пористость (порозность, скважность) почвы. Чем мельче и однороднее почвенные поры, тем выше поднимается по ним влага. Благодаря этой способности над водоносным пластом образуется увлажненный слой — капиллярная зона. С общей пористостью связаны водо- и воздухопроницаемость, влагоемкость и некоторые другие важные характеристики почв. Результаты определения пористости проб почвы представлены на рисунке 2. Показатели пористости в пашне и саду изменяются в пределах 41,1%-54,2%, в лесополосе и на пастбище 30,4%-39,9%. Чем выше показатель пористости, тем больше данная почва населена элементами био- и зооценозов (Зонн, 1954)

Рис.2. Пористость проб почвы изученных биотопов

Пористость почвы обеспечивает передвижение воды в почве по капиллярам снизу-вверх, т.е. водоподъемную способность (капиллярность). От объема пор почвы зависит ее аэрация. Существенное влияние на водоподъемную способность почвы оказывает и ее структурный состав: почва с разрушенной, распыленной структурой обладает лучшей капиллярной способностью, чем почва структурная. Большое значение на водоподъемную способность почвы оказывает уплотненность почвы: чем больше уплотнена почва, тем сильнее в ней проявляются капиллярные свойства, тем выше может подниматься в ней влага. На рисунке 3 видно, что скорость водоподъемности почвенных образцов пашни несколько больше, чем почвенные образцы лесополосы, сада и пастбища. Почвенные образцы пашни полностью увлажнились через 20 мин, а почвенные образцы сада, лесополосы и пастбища полностью увлажнились только через 40 мин.

Рис. 3. Водоподъемность капиллярной воды в изученных биотопах

Таким образом, водные свойства почв различных биотопов зависят от климатических факторов, определяющих сезонную динамику температуры и влажности почвы, а также от типа почв, наличия и характера растительности, периодичности и интенсивности обработок пахотных почв, их окультуривания. Летом пахотный слой окультуренной почвы сильнее прогревается, чем верхние слои целинной почвы (Роде, 1965).

Выводы

Анализируя полученные в ходе исследования данные можно отметить, что почвы различных биотопов при всех типах использования обладают благоприятными водными свойствами в условиях недостаточного увлажнения, но имеют некоторые особенности. Поэтому на основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Почвы пашни, пастбища и сада имеют хорошую вопроницаемость; водоподъемная способность капиллярной воды почвенных образцов пашни выше чем лесополосы и пастбища; влагоемкость образцов почв лесополосы и пастбища по сравнению с пашней и садом выше.

2. Наиболее благоприятными водными свойствами характеризуются почвы пастбища. Водные свойства почв различных биотопов ухудшаются в ряду: пашня - пастбище – лесополоса - сад.

Таким образом, проведенный анализ водных свойств почв различных биотопов при разных типах сельскохозяйственного использования показывает, что все изученные выше водные свойства почвы имеют большое значение в обеспечении растений влагой в условиях недостаточного увлажнения. Изученные водные свойства почвы зависят от её механического состава, содержания гумуса, структурности, порозности, а в окультуренных почвах еще и от влияния интенсивности обработок и их периодичности.

Литература

1.Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1976. 656 с.

2.Атлас земель Ставропольского края / Комитет по земельным ресурсам и землеустройству Ставроп. края. –. Ставрополь, 2000. –. 118 с.

3.ГОСТ 23740-2016 Грунты. Методы определения содержания органических веществ ГОСТ Р ИСО 22030 – 2009, 2010.

4.Верхошенцева, Ю. П. Изменение физических и химических свойств почв придорожных территорий под воздействием лесомелиоративных насаждений [Электронный ресурс] / Верхошенцева Ю. П., Хардикова С. В., Укенов Б. С. // Вестник Оренбургского государственного университета,2015. - № 10. - С. 152-156. - 5 

5.Зонн С. В. Влияние леса на почвы / С. В. Зонн. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – С. 147–152.

6.Качинский Н.А. Физика почвы. Часть 2. Водно-физические режимы и свойства почв. Издательство: Высшая школа, 1970 г. 359 с.

7.Качинский Н.А. О структуре почвы, некоторых водных ее свойствах и дифференциальной порозности // Почвоведение. – 1947. – №6. – С. 336–348.

8.Мазиров М.А., Шеин Е.В., Корчагин А.А., Шушкевич Н.И. и др. Полевые исследования свойств почв: учеб. пособие к полевой практике для студентов, обучающихся по направлению подготовки 021900 – почвоведение. Издательство: ВлГУ, 2012 г.

9.Паспорт Георгиевского городского округа Ставропольского края за 2019 год

10.Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 663 с.

11.Русанов А.М. Влияние эрозии на гумусное состояние черноземов Приуралья / А.М. Русанов // Экология. – 1995. – №2 – С. 150-154

12. Сторчак И.Г., Ерошенко Ф.В. Биологические науки /4. Ресурсоведение и интродукция растений, 2014.