Определение  оптимальной структуры пахотного слоя почвы и возможности её обеспечения в процессе обработки.

Объемная масса почвы (и связанная с ней пористость) определяется удельным весом твердой фазы почвы, количеством органических включений  и в конечном итоге – размерами почвенных частиц из которых сложен пахотный слой.

Ведь например, для того чтобы увеличить объемную массу некой конкретной почвы, необходимо уменьшить размер частиц из которой она состоит (не меняя остальных составляющих). При этом автоматически уменьшится и ее пористость.

При рыхлении происходят противоположные изменения – мелкие почвенные частицы объединяются в более крупные, тем самым увеличивая поровое пространство и снижая объемную массу. Это подтверждается исследованиями А.С. Кушнарева [83] установившего, что объемная масса непосредственно комков почвы, образовавшихся после воздействия на почву плуга, в 1,24 раза больше, чем аналогичных по размеру комков до обработки.

Возможно, уменьшение плотности конечно и путем временной «переупаковки» почвенных частиц. Особенно наглядно это видно при рассмотрении «идеальной почвы» состоящей из шаров одинакового размера [121]. Например, при изменении взаимного расположения почвенных частиц от устойчивого гексагонального строения (когда каждая частица почвы соприкасается с двенадцатью соседними частицами, а теоретически объем пор составляет 26 % [121]) к неустойчивому кубическому строению (каждая частица соприкасается с шестью соседними при теоретическом объеме пор 47,6 % [121]). Или Н.А.Цитович [167] указывает, что характер сложения почвенного слоя зависит от характера контакта соседних частиц. При контакте «ребро в грань» получается рыхлое сложение, а при контакте «грань в грань» - плотное. На практике неустойчивое строение проявляется в виде некоторой «вспушенности» почвы на обработанном участке поля. Которая при любом внешнем воздействии, начиная от дождя и заканчивая последующей технологической операцией [156], сразу исчезает из за быстрой усадки почвы.

Поэтому ориентироваться на временно рыхлое состояние почвы при создании условий развития растений, на наш взгляд, не целесообразно.

При разработке новых почвообрабатывающих орудий или при модернизации существующих, они всегда проверяются на качество работы, в том числе и на обеспечиваемое ими изменение структурного состава обработанного слоя почвы. При этом качество крошения определяется непосредственно сразу после завершения работы того или иного рабочего органа или сочетания рабочих органов. Примеры подобных определений представлены в таблицах 18- 20.

Анализируя эти таблицы можно вполне однозначно констатировать, что непосредственно сразу после воздействия на почву деформирующих рабочих органов или их сочетания, структура почвы претерпевает вполне предсказуемые изменения.

Критерием, которых, является ГОСТ 26244-84 «Обработка почвы предпосевная (требования к качеству и методы определения)». Устанавливающий, что: «Обработанный слой почвы должен быть разрыхленным и мелкокомковатым. В обработанном слое допускаются комки почвы размером по наибольшему диаметру до 2,5 см не  более 80 %, а от 5 до 10 см – не более 10 %. Плотность обработанного слоя почвы должна быть 1,0-1,3 г/см³».

18. Качественные показатели работы рабочих органов для основной обработки почвы, в слое 0-20 см

Базовое орудие	Дополнительные рабочие органы	Количество агрегатов, % размером, мм
		10-0,25	> 50
Отвальный плуг	Без приставки	47,4	13,3
	Пружинные зубья КПС-4	49,4	13,1
	Игольчатые диски с углом атаки 00	33,9	16,7
Плоскорез-глубокорыхлитель	Без приставки	39,8	23,8
	Пружинные зубья КПС-4	34,4	30,8
	Игольчатые диски с углом атаки 00	30,7	32,0
	Игольчатые диски с углом атаки 200	29,7	29,3
Чизельный плуг	Без приставки	27,2	38,8
	Пружинные зубья КПС-4	33,1	27,6
	Игольчатые диски с углом атаки 00	37,6	22,4
Для сравнения: дисковая борона БДТ-3		41,0	21,9

 

19. Крошение почвы глубокорыхлителем с серийными (плоскими) и зубчатыми лемехами на стерне зерновых колосовых [82]

Тип лемеха	Содержание фракций, %, размером, мм
	Менее 10	10-25	25-50	50-100	Более 100
Плоский	16,36	9,94	9,01	13,02	51,67
Зубчатый	37,02	21,56	12,78	8,84	19,8

 

20. Крошение почвы агрегатом из плоскорежущих лап и различных ротационных приставок на стерне подсолнечника [36]

Тип дисков приставки	Содержание фракций, %, размером, мм
	Менее 10	10-25	25-50	50-100	Более 100
Наклонные игольчатые	65,8	18,6	10,4	5,1	0,4
Плоско- зубчатые	66,9	17,6	7,5	4,6	3,4
Игольчатые	55,5	13,2	7,0	9,8	14,6

 

При этом с агрономической точки зрения наиболее ценными для растения являются частицы почвы с размерами от 0,25 до 10 мм, содержание которых в обработанном слое ГОСТ практически не регламентирует. Аналогичный немецкий стандарт (ГДР) в этом отношении более конкретен: подготовленный для посева зерновых слой почвы должен содержать частицы с размерами менее 40 мм в количестве 75-80 %, в том числе частиц с размерами менее 10 мм не менее 45 % [182].

Наконец, известна шкала качества крошения подготовленной к посеву почвы П.У. Бахтина [8], таблица 21.

Сравнение представленных данных вызывает больше вопросов, чем ответов. Например, почему так различаются требования по крошению почвы регламентируемые стандартами с требованиями учёных?  В какой части обработанного слоя должно выдерживаться строение, определяемое ГОСТом (рис. 10)? Почему не устанавливается связь с влажностью почвы и режимами выпадения осадков?

21. Классификация качества подготовки к посеву [8]

Классификация подготовки	Количество фракций, %
	> 50 мм	10-0,25 мм
Очень хорошая	0	70-80
Хорошая	20	50-60
Удовлетворительная	40	30-40
Плохая	60	10-20
Неудовлетворительная	70	0-3

Рис.10  Идеальное, с точки зрения фирмы Lemken,строение посевного слоя [186].

Для ответа на эти вопросы были проведены модельные опыты [59]. Опыты закладывались в сосудах без дна площадью 0,25м², размещаемых сразу после посева на производственном поле (в дальнейшем это позволяло избежать «краевого эффекта»). Сосуды в слое 5-20см заполнялись заранее подготовленными в лабораторных условиях частицами почвы с определенными размерами и в пропорциях соответствующих варианту опыта. Градация между вариантами соответствовала классификации П.У. Бахтина. Плотность слоя 5-20см была одинаковой для всех вариантов – 1,2 г/см³ (в соответствии с требованием стандарта). Верхний слой (0 - 5 см) на всех вариантах был одинаковый и состоял из частиц с размерами менее 10мм. Удобрения из расчета N₉₀Р₉₀К₉₀ вносились экраном под верхний слой. Режим начального увлажнения почвы в сосудах соответствовал влажности почвы на общем массиве поля. На первом этапе (два года) высевался овес.

Анализ результатов опытов показал, что в первый год, который характеризовался естественным переувлажнением почвы в первый месяц вегетации (2,1 нормы осадков) и последующим значительным снижением интенсивности выпадения осадков (2-й месяц – норма; 3-й – 0,25 нормы), наивысший урожай получен при плохом (по шкале П.У. Бахтина) сложении подсеменного слоя. Соответственно 190г/сосуд при содержании частиц размером более 50мм в количестве равном 60% и 113г/сосуд – при «очень хорошем» сложении подсеменного слоя.

На следующий год наблюдалась совершенно противоположная картина.  На фоне засушливого первого месяца вегетации (40 % нормы) и последующего возрастания количества выпадающих осадков (2-й месяц – норма; 3-й – более 2-х норм), наивысшую урожайность овса  обеспечил вариант с содержанием в подсеменном слое почвы частиц размером 0,25-10мм в количестве равном 60%. Она составила 107г/сосуд. При увеличении содержания частиц с размером более 50мм до 80%, урожайность снижалась до 75г/сосуд.

То есть в обоих случаях наибольшее влияние на урожай оказала не какая-то конкретная структура пахотного слоя, а соответствие структуры и количества осадков в начальный период вегетации растений овса. В дальнейшем переувлажнение или, наоборот, высыхание почвы на урожай повлияло одинаково на всех исследуемых вариантах и поэтому не сказалось на соотношении урожайности между вариантами (то есть, мы опять получили подтверждение вывода сделанного в разделе 1.2.2, только теперь  исходя из других показателей).

Для проверки этого положения опыт был видоизменен. В дальнейшем работа проводилась с тремя типами сложения почвы:

1. Обеспечившим наибольшую урожайность во влажный начальный период вегетации (? 50 мм – 60 %; 10–0,25 мм – 23 %), в дальнейшем  условно названным «крупнокомковатым».

2. Рекомендованным ГОСТом 26244-84 (<25 мм–80 %; ? 50 мм–10%), названным «средним».

3. Обеспечившим наибольшую урожайность в сухой начальный период вегетации (10-0,25 мм – 80 %; > 50 мм – 0 %), обозначенном как «мелкокомковатое».

Вторым фактором являлся режим увлажнения сосудов в первый месяц вегетации. Соответственно половина, одна и две нормы осадков. Реализовывалось это путём защиты на период выпадения осадков сосудов, в которых имитировалась засуха, стеклянными навесами, с последующим их орошением. Остальные сосуды дополнительно орошались в соответствии со схемой опыта. Непосредственно количество естественных осадков в первый месяц вегетации составило: 58% - в первый год и 43% - во второй год исследований. Высевался ячмень сорта «Зазерский». Удобрения не вносились.

Обработка результатов опытов показала, что при недостатке влаги  в первый месяц вегетации, урожайность ячменя оба года устойчиво и достоверно повышалась по мере уменьшения размеров почвенных частиц в подсеменном слое. Увеличение урожайности составила от 26 до 41% (табл.14).

При среднемноголетнем (нормальном) увлажнении начала вегетации наивысшую урожайность обеспечило сложение подсеменного слоя в соответствии с требованиями ГОСТа 26244-84 (60г/сосуд). При этом как улучшение, так и ухудшение качества крошения подсеменного слоя приводило к снижению урожайности ячменя на 8-13,7% (табл.22).

 

22. Влияние сложения пахотного слоя и режима увлажнения на урожайность ячменя (г/сосуд)

начальный режим увлажнения (фактор А)	сложение пахотного слоя (фактор В)			Среднее по      фактору А (НСР05=3,96)
	крупно- комковатое	среднее	мелко комковатое
Недостаток влаги	46,4	52,0	65,7	54,7
Нормальное  увлажнение	55,1	60,0	51,8	55,6
Избыток влаги	51,4	57,7	63,6	57,6
среднее по фактору В (НСР05=3,96)	51,0	56,6	60,4

НСР ₀₅ = 6,9 гр/сосуд (для сравнения частных средних)

 

При начальном избытке осадков, наличие крупных межагрегатных  влагопроводящих пор и низкой естественной влагопроницаемости подстилающего горизонта, приводит к перенасыщению сначала подсеменного а затем и всего пахотного слоя влагой быстрее, чем при мелкодисперсном сложении,  а в результате кислородный стресс у растений получается более глубоким. Ячмень, который хуже переносит переувлажнение почвы по сравнению с овсом, отреагировал на это снижением на 7-17 % количества растений на делянках, а в итоге и меньшей продуктивностью. Преимущество по урожайности оказалось за мелкокомковатым сложением пахотного слоя – 63,6г/сосуд (табл.22). Прибавка урожайности составила от 9 до 19%.

Если же проанализировать влияние агрегатного состава подсеменного слоя почвы за все годы исследования, то получается, что наибольшую урожайность яровых зерновых обеспечивает мелкокомковатое сложение с параметрами: частицы размером 10 - 0,25 мм – 80 %;   10-50 мм –15 %.  Наличие комков крупнее 50 мм не допускается.

Для того чтобы установить соответствие качества крошения, обеспечиваемое серийными орудиями, определенному в модельных опытах, была проведена вторая серия опытов.

Методической особенностью опытов являлось определение крошения не непосредственно за анализируемыми орудиями, а после проведения всех предпосевных операций и посева, т.е. устанавливалась не некая абстрактная характеристика орудия, а возможность рабочих органов в технологической цепочке обработки почвы и посева создавать оптимальные условия для развития возделываемой культуры.

На первом этапе определялись качественные показатели после орудий, которые могут применяться в регионе для основной обработки почвы различной интенсивности. Показатели крошения фиксировались после внесения минеральных удобрений разбрасывателями под предпосевную обработку, проведения общим фоном культивации и посева. Результаты определения качества крошения представлены в таблице 23.

На втором этапе изучались показатели крошения почвы, обеспечиваемые различными сочетаниями орудий основной и предпосевной обработки почвы (двухфакторный опыт). Отбор образцов осуществлялся также после внесения удобрений, культивации с прикатыванием и посева, проведенных общим фоном (табл. 24).

Анализ полученных данных (табл.23,24) показывает, что из орудий основной обработки почвы, отвальный плуг превосходит остальные типы орудий по качеству крошения почвы, а из орудий предпосевной обработки лучшие показатели обеспечивает фреза.

 

23.Влияние орудий основной обработки почвы на агрегатный состав обработанного слоя почвы

 

Марка орудий*	Содержание агрегатов по фракциям в обработанном слое после посева, %
	> 50 мм	50-10 мм	10-0,25 мм	< 0,25 мм
ГУН-4М	13,0	36,2	46,2	4,6
ОПТ-3-5	4,5	39,5	50,3	5,7
БДТ-3	2,9	37,2	51,9	8,0
КПЭ-3,8	6,8	36,6	50,8	5,8
ПЧМ-4,5	4,4	34,9	52,6	8,1
ЧКУ-4	7,5	33,8	51,0	7,7
ПН-5-35	4,0	36,1	54,4	5,5
НСР05 %	9,2	6,8	7,5	2,9

*ГУН-4М – плоскорез-глубокорыхлитель с приставкой из ротационных дисков; ОПТ-3-5 – плоскорез;  БДТ-3 – дисковая борона;

КПЭ – 3,8 – противоэрозионных культиватор; ПЧМ-4,5 – чизельный плуг; ЧКУ-4 – чизельный культиватор; ПН-5-35 – отвальный плуг.

 

В то же время можно констатировать, что при различной влажности почвы  (первая  серия  опытов  проведена при влажности в слое 0-20 см – 12-14%; вторая при влажности 18-20 %), в результате воздействия непосредственно рыхлящих рабочих органов и их сочетаний, а также ходовых систем агрегатов, содержание агрономически ценных фракций (10-0,25 мм) достигает в пахотном слое 50-55 %, а в слое 0-10 см – 55 –65 %. При этом пестрота сложения пахотного слоя очень большая (НСР05 при десятикратной повторности, принятой в опытах, колебалась от 2 до 18 %).

В результате разница между показателями отдельных орудий находится в пределах ошибки опыта и проявляется в виде тенденции к увеличению или снижению содержания частиц определенного размера. А в целом ни одно сочетание орудий не может создать параметры сложения пахотного слоя, обеспечивающую максимальную урожайность.

 

24. Влияние типов почвообрабатывающих орудий на агрегатный состав обработанного слоя

Орудия основной обработки почвы (фактор «А»)	Орудия предпосевной обработки почвы (фактор В)						Средние по фактору «А»         (НСР 05 –12,7 %)
	Дисковборона БДТ-3	Фреза ФБН-1,5	Культ КПЭ-3,8	Чиз. культ. ЧКУ-4	КультКПС-4	Сеялка в режиме культив. СЗС -2,1
Агрегаты размером 10,0-0,25 мм (%)
Отвальный плуг ПН-4-35	62,7	67,2	59,2	66,2	65,4	62,4	63,85
Глубоко-рыхлитель ГУН-4М	62,5	65,9	60,0	64,0	61,3	61,8	62,58
Чизельный плуг ПЧМ-4,5	56,8	63,9	47,8	56,7	47,2	53,6	54,33
Средние по фактору «В»         (НСР05=18,0 %)	60,67	65,67	55,67	62,30	57,97	59,27
Агрегаты размером 10-50 мм (%)
Отвальный плуг ПН-4-35	23,0	20,2	26,7	20,2	21,4	24,3	22,64
Глубокорых-литель ГУН-4	23,0	21,32	30,23	26,34	27,14	26,8	25,82
Чизельный плуг ПЧМ-4,5	32,5	27,7	32,2	36,1	43,0	38,3	34,97
Средние по фактору «Б» (НСР05=2,0 %)	26,16	23,07	29,75	27,56	30,51	29,81

 

Весьма симптоматичен и тот факт, что лучшие по качеству крошения варианты имели и повышенную плотность нижних слоев почвы (табл.25), т.е. возможность создать оптимальное сложение пахотного слоя и одновременно уйти от ее переуплотнения при общепринятой агротехнике выполнения работ выглядит весьма проблематично.

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1.Наибольшую урожайность яровых зерновых обеспечивает мелкокомковатое строение подсеменного слоя.

2.Все известные в настоящее время сочетания рабочих органов в рамках применяемых технологий не обеспечивают необходимое качество крошения подсеменного слоя. В зависимости от используемого сочетания оно хуже требуемого на 16-32,8%. Количество агрегатов размером 10-50мм также превышает оптимальную величину.

3.Но даже при недостаточном крошении плотность подсеменного слоя            превышает оптимальную (соответственно следует ожидать, что при дальнейшем увеличении крошения, плотность увеличится ещё больше).

 

25.  Влияние типов почвообрабатывающих орудий на объемную массу почвы (после посева)

Орудие предпосевной обработки	Объемная масса почвы в слое 10-20 см (г/см3) по фону
	Глубокорыхлителя ГУН-4М	Отвальной вспашки ПН-4-35
БДТ-3	1,30	1,51
ФБН-1,5	1,26	1,44
КПЭ-3,8	1,22	1,42
ЧКУ-4	1,32	1,44
КПС-4	1,28	1,41
СТС-2,1 мл	1,29	1,51
НСР 05	0,24	0,16

Таким образом, существующие технологии не позволяют, на момент начала развития растений, обеспечить оптимальное крошение и плотность подсеменного слоя.