Способы измерения механического давления в почве
Прямое измерение давления роста корней в почве. Измерения максимального давления роста корней (bmax) отражают критическое значение механического давления, выше которого корни больше не в состоянии удлиняться. Необходимо определять 8 в наиболее типичных условиях, когда корни находятся под воздействием уплотнения, но еще продолжают удлиняться и проникать через плотную почву. Однако прямое определение 8 у растущих в почве интактных корней достаточно сложно. Силу роста корней можно измерить непосредственно взвешиванием массы корней, проникших в почву. Измерения должны быть произведены после того, как корни проникли на какую-либо глубину, но до того, как их кончики заякорились (закрепились) в почве. Этот подход был использован для измерения устойчивости к проникновению (пенетрации) корней гороха и кукурузы, составившей соответственно 0,16-0,33 и 0,26-0,47 МПа.
Определение силы роста корней в камерах механического давления. Рост корней и других органов растений определяется интенсивностью деления и последующего растяжения клеток. При росте корня растяжением происходит постоянное увеличение в клетках гидростатического давления на клеточные стенки, что позволяет корням преодолевать сопротивление почвенных частиц в процессе движения по почвенным порам. На кафедре физиологии растений РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева предложен способ определения максимального давления (силы роста), развиваемого корнями и ростками прорастающих семян (табл. 8.1).
Способ основан на измерении предельной величины пневматического давления в замкнутой камере, при котором рост проростков прекращается. Это давление и определяет максимальную силу роста семян. Предложенный метод — это своего рода модель для изучения физиологии прорастания семян кукурузы и других культур (наборов сортов, фракций семян) в условиях, имитирующих сопротивление почвы росту корня и проростка. В опытах максимальное гидростатическое давление корней кукурузы, при котором еще наблюдалось увеличение зоны растяжения корня кукурузы, составляло 300—600 кПа, что соответствует плотности почвы примерно 1,4—1,6 г/см3.
Оценка давления роста корней с использованием пенетрометра. В почвоведении всегда была потребность в быстрой и точной оценке состояния почвы в отношении условий проникновения в нее корней растений и сельскохозяйственных орудий. Поэтому было предложено понятие сопротивление пенетрации почвы, определяемое как сопротивление почвы внедрению в нее металлического зонда цилиндрической или конусообразной формы небольшого диаметра (обычно от 1 до 5 мм). В почвоведении в отношении сопротивления пенетрации используют также термин твердость почвы.
Определение сопротивления пенетрации проводят специальным прибором — пенетрометром (рис. 8.3), называвшимся ранее твердомером.
При его использовании экспериментально определяется сила, необходимая для внедрения штампа (конусного либо цилиндрического) в почву. Эту силу можно измерить с помощью пружины, как в пенетрометре MВ-2, причем пружинные пенетрометры необходимо регулярно тарировать, прикладывая известные грузы к пружине (или сдавливая пружину и одновременно измеряя сдавливающую нагрузку, например на весах, в кг или г) и определяя соответствующие показания шкалы пенетрометра. Значения регистрируемой силы (F) следует относить к постоянной площади цилиндрического основания или конусного штампа (S), получая в результате значения сдавливающего напряжения (или давления): P = F/S. Сопротивление пенетрации для пенетрометров ударного типа рассчитывается по массе скользящего груза, высоте и количеству падений.
Корни в основном имеют меньшую способность к проникновению, чем пенетрометры. При сравнении данных прямых измерений сопротивления проникновения корней и пенетрометра оказалось, что устойчивость к проникновению корней в среднем ниже в 1,8—3,8 раза, причем у гороха — в 2,6—5,8 раз, а у кукурузы — в 4,5—7,5 раз. Сильное завышение данных, полученных с помощью пенетрометра, обусловлено тем, что корни проникают в почву другими путями, нежели зонд пенетрометра. Действительно, кончики корней не следуют заранее заданному направлению и могут отступить от него уже при слабых локальных различиях в условиях их роста в почве. Трение при росте корней тоже намного меньше, так как корни проникают в почву гораздо медленнее, чем пенетрометр. Кроме того, трение в апикальной зоне корня из-за ее покрытия самоотслаивающимися клетками и слизью заметно ниже, чем при проникновении пенетрометра.
Агрофизические характеристики почвы, влияющие на степень ее уплотнения. Степень уплотнения почвы изменяется по глубине и зависит от ее физического состояния (твердая или рыхлая, сухая или влажная), механического и структурного состава, рыхлости, степени задернения, содержания органического вещества, а также от динамической нагрузки, характера опорной поверхности, скорости передвижения и числа последовательных проходов машинно-тракторных агрегатов. Уровень оптимальных значений плотности почвы поддерживается приемами механической обработки, а длительность нахождения ее в данных пределах (от нескольких месяцев до нескольких лет) зависит от гумусированности и оструктуренности почвы, водопрочности структурных агрегатов, мощности разрыхленного слоя, а также от гидротермических условий вегетационных периодов.
Установлены интервалы влажности, при которых различные почвы наиболее сильно уплотняются. Так, для черноземов он составляет 19—28; сероземов — 11—22, светло-каштановых — 15—26, темно-каштановых — 17—31; дерново-подзолистых — 19—30%.
Роль органического вещества в уплотнении почв достаточно четко не выяснена, но повышение гумусированности в целом уменьшает их чувствительность к деформации. Ухудшение агрофизических свойств при уплотнении происходит в почвах как с низким, так и с высоким содержанием органического вещества. Максимальная плотность почв с высоким содержанием гумуса (6,57%) составила всего 1,35 г/см3, с низким (2,20%) — 1,62 г/см3. При одинаковом уровне уплотняющего воздействия рыхлая почва деформируется сильнее, чем плотная, а влажная сильнее, чем сухая.
Оптимальная плотность суглинистых дерново-подзолистых почв для выращивания зерновых культур находится чаще всего в пределах 1,1—1,3 г/см3, пропашных — 1,1—1,2 г/см3; для песчаных и супесчаных почв — 1,2—1,5 г/см3 (рис. 8.4).
Важным агрофизическим показателем состояния почвы является пористость, особенно соотношение объема капиллярных и некапиллярных пор, которое определяет ее влагоемкость и водопроницаемость, испаряемость и аэрацию, влияющих в свою очередь на условия жизнедеятельности почвенной зоо- и микрофауны. Для нормального газообмена между почвой и атмосферой и создания благоприятных условий для роста и развития растений поры аэрации должны составлять не менее 10—15% от объема почвы, а общая пористость должна быть в пределах 50—60%.
Твердость (сопротивление пенетрации) почвы, наряду с плотностью и пористостью, характеризует ее сложение. Высокая твердость почвы препятствует росту проростков и корней растений, увеличивает сопротивление почвообрабатывающим орудиям, что приводит к ухудшению качества обработки и увеличению материально-денежных затрат. Между твердостью пахотного слоя дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и ее плотностью наблюдается средняя прямая корреляционная зависимость, а между твердостью и влажностью — обратная. Оптимальные значения твердости дерново-подзолистой почвы находятся в пределах 8— 18 кг/см2, а ее показатели выше 25—30 кг/см2 являются отрицательными для зерновых культур.
Зависимость степени уплотнения почвы и проникающей способности корневой системы растений от способа обработки почвы. При различных способах обработки и при использовании тракторов с разными типами ходовой системы плотность почвы в более глубоких слоях (глубина более 30 см) существенно не отличается (рис. 8.5). Зато уплотнение поверхностных слоев (глубиной до 30 см) максимально при обработке почвы колесными тракторами в осенний и весенний периоды (более 1,6 г/см3). Оно немного снижается при единственной весенней обработке колесными тракторами (1,5 г/см3) и при совмещении осенней обработки с чизелеванием или дискованием (1,4 г/см3) и значительно ниже при использовании гусеничных (1,3 г/см3) или колесных тракторов, но с обязательной осенней отвальной обработкой (около 1,2 г/см3).
Сопротивление пенетрации корней в почву также напрямую зависит от способа обработки почвы, причем различия наиболее существенны в поверхностных слоях почвы (рис. 8.6). Так, наибольшее сопротивление пенетрации наблюдается при дисковой обработке. Далее в порядке убывания следуют нулевая обработка (отсутствие обработок), чизелевание, отвальная вспашка.
