Обработка почвы:
Почвозащитные технологии
В последние годы в Западной Европе при посеве кукурузы все шире используют почвозащитные технологии возделывания.
Под понятием «почвозащитные технологии» подразумевают все технологии, при которых не применяют ни осенней, ни весенней вспашки, но которые обеспечивают с учетом посевной техники покрытие почвы мульчей.
Только в последние 10 лет площади, на которых применялись такие технологии, увеличились больше чем в 10 раз. Это связано в первую очередь с ростом цен на энергоносители и, тем самым, дорогой плужной обработкой почвы, а также с опасностью водной и ветровой эрозии и возможностью применения гербицидов на основе глифосата, которые вносят уже за 7-14 дней до уборки зернового предшественника. Основной их принцип — уменьшение числа механических обработок. Климат, влажность и структура почвы влияют на выбор соответствующих операций и интенсивность ее рыхления (рис. 1).
Рис. 1. Необходимый уровень интенсивности рыхления почвы
При учете особенностей почвозащитной обработки почвы и применения соответствующих комплексных мероприятий (севооборот, применение гербицидов, фунгицидов и других средств защиты растений) с учетом условий данной местности можно достигать, по крайней мере, равных урожайностей.
Очень пригодны для почвозащитных технологий богатые известью глинистые и суглинистые почвы, хорошо дренированные суглинки и богатые гумусом песчаные почвы. Содержание гумуса у них, соответственно, не должно быть ниже 2%, у суглинистых — 3 и глинистых — 5%. Такие технологии:
- предотвращают водную и ветровую эрозию, чем снижается опасность пересева. При этом сток и смыв почвы уменьшается тем больше, чем гуще ее покрытие (табл. 1).
- снижают, особенно на пылеватых почвах, заплывание. Благодаря этому и повышенной активности дождевых червей (рис. 2) увеличивается инфильтрационная способность почвы для воды. Как видно из рисунка 3, разные рабочие органы и интенсивности воздействия на почву по-разному влияют на количество и активность дождевых червей.
- создают улучшенный инфильтрационный режим почвы для воды (табл. 2) за счет лучшего распределения капилляров при летней засухе. Вследствие заделки органической массы в поверхностный слой почвы повышается доля устойчивых к воздействию осадков стабильных почвенных частиц (рис. 4.)
- сохраняют благоприятное состояние почвы для осуществления технологических процессов. Она менее страдает от переуплотнения (рис. 5), не образуются уплотненные плужные подошвы. Глубина следов от проездов машин при уходе и уборке, а также переуплотнение под ними уменьшается (рис. 6).
- уменьшение числа рабочих приемов и переездов щадит не только почву, но и снижает затраты по возделыванию кукурузы.
| Покрытие почвы мульчей,% | Растительные остатки, т СМ/га | Поверхностный сток,% | Вынос почвы,% |
| 0 | 0 | 45 | 100 |
| 90 | 8 | не измерим | Таблица №2. Изменение инфильтрации воды на кукурузных полях при плужной и бесплужной обработке почвы |
| Способ обработки | Инфильтрация, мм/единицу времени | ||
| в начале мая 1996 г. | в конце июня 1996 г. | ||
| 8 лет бесплужно | 55 | 79 | |
| 8 лет бесплужно, 1996 с плугом | 45 | 33 | |
| Постоянная обработка плугом | 10 | 5 | |
Рис. 3. Влияние разных способов обработки почвы и рабочих органов на число особей дождевых червей, их биологическую активность, объем пор и экскременты
Рис. 45. Распределение растительных остатков в почве при разных способах обработки почвы.
Рис. 46. Глубина действия давления на грунт при проведении разных приемов по основной обработке почвы.
1 — одинаковое рыхление почвы в севообороте,
2 — дифференцированное рыхление почвы в севообороте,
3 — без рыхления
Рис. 47. Давление ходовых систем на грунт (10,6 т) при традиционной и консервирующей обработке почвы
В зависимости от использованных машин для обработки жнивья и основной обработки почвы значительно снижаются затраты труда и горючего (рис. 7).
Рис. 48. Затраты рабочего времени (чел.-мин/га) и горючего (л/га) на обработку жнивья и основную обработку почвы разными орудиями при традиционной (1) и консервирующей технологии (2-6)
1 — ротационная борона с вырезными дисками,
2 — тяжелая сетчатая борона,
3 — тяжелый культиватор для рыхления почвы,
4 — культиватор сплошного рыхления,
5 — культиватор для междурядной обработки,
6 — щелеватель.
Для бесплужной основной обработки почвы пригодны дисковые бороны и дисковые культиваторы, тяжелые культиваторы и фрезы. Дисковые орудия хорошо работают на песчаных почвах, хуже — на сухих, а также суглинистых почвах. Рыхление на полную глубину пахотного слоя можно провести оборудованными 2-ярусными стрельчатыми лапами и параплугами (плоскорезами), которые оставляют почву в естественном сложении. Для рыхления почвы вблизи поверхности можно применять простые тяжелые культиваторы, которые рыхлят и перемешивают почву. Ограниченное рыхление почвы улучшает стабильность сложения почвы, чем снижается опасность вредного уплотнения.
Предпосевную обработку почвы проводят в различных вышеназванных комбинациях, используя частично такие рабочие орудия, как зубовые роторы, роторные фрезы и роторные бороны.
Все системы почвозащитной обработки под кукурузу — не примитивные формы хозяйствования. Напротив, они требуют высокого уровня культуры земледелия и профессиональных знаний крестьян и специалистов. Прежде чем принять окончательное решение по использованию одной из форм почвозащитных технологий, ее следует испытать применительно к конкретным условиям хозяйства. При этом следует учитывать, что преимущества вариантов почвозащитной технологии обработки почвы, как правило, выявляются только после их многолетнего применения в севообороте. Длительная бесплужная обработка по-разному отражается на физических, химических и биологических свойствах почвы (табл. 3).
| Свойство или признак | Глубина почвы, см | ||
| 0-10 | 10-25 | >25* | |
| Плотность почвы | +++ | ++ | — |
| Объем пор | — | — | + |
| Крупные поры | — | +/- | + |
| Непрерывные поры | +++ | +++ | +++ |
| Стабильность почвенных частиц | +++ | + +/- | +/- |
| Инфильтрация воды | +++ | +++ | +++ |
| Газообмен | +/- (-) | +/- (-) | +/- |
| Нагревание | — | — | +/- (-) |
| Cорг, N, P, K | +++ | — | +/- |
| рН | — | ++ | ++ |
| Почвенная флора и фауна | +++ | — | +/- |
| Дождевые черви | +++ | +++ | +++ |
| Минерализация азота | ++ | — | +/- |
| Проникновение корней | + (+/-) | — (+/-) | + (+/-) |
| * Плужная подошва + = больше; — = меньше; +/- = без изменения | |||
Следующие, отчасти отрицательные, действия почвозащитных технологий необходимо особенно учитывать при внесении удобрений и борьбе с сорняками, вредителями и болезнями:
- более позднее прогревание почвы;
- более низкая полевая всхожесть кукурузы;
- более медленное поступление и более низкий уровень минерализации азота;
- усиленное засорение корнеотпрысковыми, корневищными, а также менее распространенными сорняками, как, например, разными видами костра (Bromus spp.)
- возрастание поражения посевов мышами и слизнями.
С этими проблемами можно справиться, если осуществлять постоянный контроль за посевами и проводить соответствующие мероприятия.
Источник
Водопроницаемость, или фильтрационная способность почвы
Под водопроницаемостью понимают способность почвы впитывать и пропускать воду, которая поступает с поверхности. Этот процесс протекает в две фазы: первая фаза — впитывания, когда свободные поры последовательно заполняются водой. При избытке влаги впитывание ее продолжается до полного насыщения почвы. Вторая фаза — фильтрации, происходит при условии полного насыщения почвы водой, когда вода начинает двигаться в почвенных порах под действием силы тяжести.
Водопроницаемость почвы оказывает решающее влияние на образование грунтовых вод и накопление их запасов в недрах Земли. Это имеет непосредственное отношение к снабжению населения водой из подземных источников. От водопроницаемости почвы зависит возможность использования ее для очистки сточных вод, твердых и жидких бытовых отходов, которые образуются в населенных пунктах. С водопроницаемостью почвы связана возможность загрязнения подземных источников водоснабжения опасными в санитарном отношении поверхностными стоками с территории населенных мест и сельскохозяйственных угодий.
Фильтрационную способность и механический состав почвы на практике можно оценить по времени всасывания воды почвой: выкапывают приямок размером 0,3 х 0,3 м и глубиной 0,15 м быстро заполняют водой (12,5 л) и по секундомеру определяют время впитывания воды. На основании полученных результатов можно прогнозировать способность почв к самоочищению от органических загрязнений и решать вопрос об использовании почвы для очистки бытовых отходов.
Кроме того, фильтрационную способность почвы характеризует коэффициент фильтрации, под которым понимают длину пути, которую проходит вода за единицу времени, вертикально двигаясь в почве под действием силы тяжести. Например, для среднезернистых песков коэффициент фильтрации, составляет 0,43 м/сут, для мелкозернистых — 0,043 м/сут, для суглинков — 0,0043 м/сут. Чем выше фильтрационная способность почвы, тем выше коэффициент фильтрации.
Источник
Инфильтрация (гидрология) — Infiltration (hydrology)
Инфильтрация — это процесс, при котором вода с поверхности земли попадает в почву . Он обычно используется как в гидрологии, так и в почвоведении . Пропускная способность определяется как максимальная скорость инфильтрации. Чаще всего оно измеряется в метрах в день, но при необходимости также может быть измерено в других единицах измерения расстояния с течением времени. Инфильтрационная способность снижается по мере увеличения влажности почвы в поверхностных слоях почвы. Если количество осадков превышает скорость инфильтрации, сток обычно будет происходить, если нет какого-либо физического препятствия.
Инфильтрометры , пермеаметры и имитаторы дождя — все это устройства, которые можно использовать для измерения скорости инфильтрации.
Проникновение вызывается множеством факторов, в том числе: сила тяжести, капиллярные силы, адсорбция и осмос. Многие характеристики почвы также могут играть роль в определении скорости инфильтрации.
СОДЕРЖАНИЕ
Факторы, влияющие на инфильтрацию
Атмосферные осадки
Осадки могут влиять на проникновение разными способами. Количество, тип и продолжительность осадков имеют значение. Дождь приводит к более высокой скорости инфильтрации, чем любые другие осадки, такие как снег или мокрый снег. Что касается количества, чем больше выпадает осадков, тем больше будет происходить инфильтрация, пока грунт не достигнет насыщения, и в этот момент будет достигнута проникающая способность. Продолжительность дождя также влияет на инфильтрационную способность. Первоначально, когда начинается выпадение осадков, инфильтрация происходит быстро, поскольку почва ненасыщена, но со временем скорость инфильтрации замедляется, поскольку почва становится более насыщенной. Эта взаимосвязь между количеством осадков и инфильтрационной способностью также определяет, сколько будет стока . Если дожди идут быстрее, чем пропускная способность, произойдет сток.
Характеристики почвы
Пористость почв имеет решающее значение в определения емкости инфильтрации. Почвы с меньшими размерами пор, такие как глина, имеют более низкую инфильтрационную способность и более медленную скорость инфильтрации, чем почвы с большим размером пор, такие как пески. Единственное исключение из этого правила — когда глина присутствует в сухих условиях. В этом случае в почве могут образоваться большие трещины, что приведет к более высокой инфильтрационной способности.
Уплотнение почвы также влияет на инфильтрационную способность. Уплотнение почвы приводит к уменьшению пористости внутри почвы, что снижает инфильтрационную способность.
После лесных пожаров могут образоваться гидрофобные почвы , что может значительно уменьшить или полностью предотвратить инфильтрацию.
Влажность почвы
Почва, которая уже насыщена, больше не может удерживать больше воды, поэтому способность инфильтрации достигнута, и скорость не может увеличиваться после этого момента. Это приводит к гораздо большему поверхностному стоку. Когда почва частично насыщена, инфильтрация может происходить с умеренной скоростью, а полностью ненасыщенные почвы имеют самую высокую инфильтрационную способность.
Органические материалы в почвах
Органические материалы в почве (включая растения и животных) увеличивают инфильтрационную способность. Растительность содержит корни настолько глубоко в почву, которые создают трещины и трещины в почве, что способствует более быстрой инфильтрации и увеличению емкости. Растительность также может уменьшить поверхностное уплотнение почвы, что опять же способствует увеличению инфильтрации. При отсутствии растительности скорость инфильтрации может быть очень низкой, что может привести к чрезмерному стоку и увеличению уровня эрозии . Подобно растительности, животные, зарывающиеся в почву, также создают трещины в структуре почвы.
Растительного покрова
Если земля покрыта непроницаемыми поверхностями, такими как тротуар, инфильтрация не может происходить, поскольку вода не может проникать через непроницаемую поверхность. Это соотношение также приводит к увеличению стока. На непроницаемых территориях часто есть ливневые стоки, которые стекают непосредственно в водоемы, что означает отсутствие инфильтрации.
Растительный покров земли также влияет на инфильтрационную способность. Растительный покров может привести к большему улавливанию осадков, что может снизить интенсивность, что приведет к уменьшению стока и большему улавливанию. Увеличение обилия растительности также приводит к более высокому уровню эвапотранспирации, что может снизить степень инфильтрации. Обломки растительности, такие как листовой покров, также могут увеличить скорость инфильтрации, защищая почву от сильных осадков.
В полузасушливых саваннах и лугах скорость инфильтрации конкретной почвы зависит от процента почвы, покрытой подстилкой, и базального покрытия пучков многолетних трав. На супесчаных почвах скорость инфильтрации под подстилкой может быть в девять раз выше, чем на голых поверхностях. Низкая скорость инфильтрации на голых участках в основном связана с наличием почвенной корки или поверхностного уплотнения. Проникновение через основание пучка происходит быстро, и пучки направляют воду к собственным корням.
Склон
Когда уклон земли выше, сток происходит быстрее, что приводит к более низкой скорости инфильтрации.
Процесс
Процесс инфильтрации может продолжаться только в том случае, если на поверхности почвы есть место для дополнительной воды. Доступный объем для дополнительной воды в почве зависит от пористости почвы и скорости, с которой ранее пропитанная вода может уходить от поверхности через почву. Максимальная скорость, с которой вода может попасть в почву при заданных условиях, — это способность проникновения. Если поступление воды к поверхности почвы меньше, чем способность инфильтрации, это иногда анализируется с использованием гидрологических моделей переноса , математических моделей, которые учитывают инфильтрацию, сток и сток в русле для прогнозирования скорости потока реки и качества воды в ручье .
Результаты исследований
Роберт Э. Хортон предположил, что способность проникновения быстро снижается в начале шторма, а затем стремится к приблизительно постоянному значению через пару часов до конца события. Ранее пропитанная вода заполняет доступные места для хранения и уменьшает капиллярные силы, втягивающие воду в поры. Частицы глины в почве могут набухать при намокании и тем самым уменьшать размер пор. В областях, где земля не защищена слоем лесной подстилки, капли дождя могут отделять частицы почвы от поверхности и смывать мелкие частицы в поры поверхности, где они могут препятствовать процессу проникновения.
Инфильтрация при сборе сточных вод
Сточные системы сбора состоят из множества линий, узлов и насосных станций для передачи сточных вод до очистки сточных вод завода. Когда эти линии нарушены разрывом, растрескиванием или вторжением корней деревьев , часто происходит проникновение / приток ливневых вод. Это обстоятельство может привести к переливу бытовой канализации или сбросу неочищенных сточных вод в окружающую среду.
Методы расчета инфильтрации
Инфильтрация является составной частью гидрологического бюджета общего баланса массы. Есть несколько способов оценить объем и / или скорость проникновения воды в почву. Строгий стандарт, который полностью связывает грунтовые воды с поверхностными водами через неоднородную почву, — это численное решение уравнения Ричардса . Более новый метод, который позволяет одномерное соединение грунтовых и поверхностных вод в однородных слоях почвы, и который связан с уравнением Ричардса, — это решение уравнения скорости влажности почвы методом конечной влажности в вадозной зоне . В случае равномерного начального содержания влаги в почве и глубокого хорошо дренированного грунта существует несколько превосходных приближенных методов решения для инфильтрационного потока для единичного выпадения дождя. Среди них метод Грина и Ампта (1911), Парланж и др. (1982). Помимо этих методов, существует множество эмпирических методов, таких как метод SCS, метод Хортона и т. Д., Которые представляют собой не более чем упражнения по построению кривой.
Общий гидрологический бюджет
Общий гидрологический бюджет, со всеми компонентами, по отношению к инфильтрации F . Учитывая все другие переменные и проникновение — единственное, что неизвестно, простая алгебра решает вопрос проникновения.
F знак равно B я + п — E — Т — E Т — S — я А — р — B О <\ displaystyle F = B_ + PET-ET-S-I_ -R-B_ 
F — инфильтрация, которую можно измерить как объем или длину; B я <\ displaystyle B_ > — граничный вход, который, по сути, является выходным водоразделом из смежных, непосредственно связанных непроницаемых участков; B О <\ displaystyle B_ — граничный выход, который также связан с поверхностным стоком, R , в зависимости от того, где выбрать точку выхода или точки для граничного выхода; P — осадки ; E — испарение ; Т — транспирация ; ЕТ — эвапотранспирация ; S — хранилище через места задержания или задержания ; я А <\ displaystyle I_ > — начальный забор, который представляет собой краткосрочное поверхностное хранилище, такое как лужи или даже, возможно, отстойные пруды, в зависимости от размера; R — поверхностный сток .
Единственное замечание по этому методу — нужно знать, какие переменные использовать, а какие опускать, так как двойные значения могут быть легко обнаружены. Простой пример двойного подсчета переменных — это когда в уравнение включены испарение E и транспирация T , а также суммарное испарение ET . ET включил в него T , а также часть Е . Также необходимо учитывать перехват, а не только сырые осадки.
Уравнение Ричардса (1931 г.)
Стандартный строгий подход для расчета инфильтрации в почвы — это уравнение Ричардса , которое представляет собой уравнение в частных производных с очень нелинейными коэффициентами. Уравнение Ричардса требует больших вычислительных ресурсов, не гарантирует сходимости и иногда имеет трудности с сохранением массы.
Метод потока вадозной зоны с конечной влажностью
Этот метод представляет собой приближение уравнения в частных производных Ричардса (1931), которое не акцентирует внимание на диффузии почвенной воды. Это было установлено путем сравнения решения адвективного члена уравнения скорости влажности почвы и сравнения с точными аналитическими решениями инфильтрации с использованием специальных форм определяющих соотношений почвы. Результаты показали, что это приближение не влияет на расчетный поток инфильтрации, потому что диффузионный поток невелик и что метод потока вадозной зоны с конечным содержанием воды является допустимым решением уравнения, состоящего из трех обыкновенных дифференциальных уравнений , гарантированно сходящегося и для сохранения массы. Это требует допущений, что поток происходит только в вертикальном направлении (одномерном), и что эта почва однородна внутри слоев.
Грин и Ампт
Названо в честь двух мужчин; Грин и Ампт. Метод оценки проникновения Грина-Ампта учитывает многие переменные, которых нет в других методах, таких как закон Дарси. Это функция высоты всасывания почвы, пористости, гидравлической проводимости и времени.
∫ 0 F ( т ) F F + ψ Δ θ d F знак равно ∫ 0 т K d т <\ Displaystyle \ int _ <0>^
ψ <\ displaystyle <\ psi>> увлажняет переднюю всасывающую головку почвы (L); θ <\ displaystyle \ theta> — содержание воды (-); K <\ displaystyle K> — гидравлическая проводимость (л / т); F ( т ) <\ Displaystyle F (т)> совокупная глубина инфильтрации (L).
После интеграции можно легко выбрать решение для объема инфильтрации или мгновенной скорости инфильтрации:
F ( т ) знак равно K т + ψ Δ θ пер [ 1 + F ( т ) ψ Δ θ ] . <\ Displaystyle F (t) = Kt + \ psi \, \ Delta \ theta \ ln \ left [1+
Используя эту модель, можно легко найти объем, решив для . Однако решаемая переменная находится в самом уравнении, поэтому при решении этого необходимо установить, чтобы рассматриваемая переменная сходилась к нулю или другой подходящей константе. Хорошее первое предположение — большее значение либо или . Эти значения могут быть получены путем решения модели с логарифмом, замененным его расширением Тейлора, около единицы, нулевого и второго порядка соответственно. Единственное замечание относительно использования этой формулы состоит в том, что нужно исходить из того , что напор воды или глубина затопленной воды над поверхностью незначительны. Используя объем инфильтрации из этого уравнения , то один может заменить в соответствующем уравнение скорости инфильтрации ниже , чтобы найти мгновенную скорость инфильтрации в то время, , было измерено. F ( т ) <\ Displaystyle F (т)> F <\ displaystyle F> K т <\ displaystyle Kt> 2 ψ Δ θ K т <\ Displaystyle <\ sqrt <2 \ psi \, \ Delta \ theta Kt>>> час 0 <\ displaystyle h_ <0>> F <\ displaystyle F> т <\ displaystyle t> F <\ displaystyle F>
ж ( т ) знак равно K [ ψ Δ θ F ( т ) + 1 ] . <\ displaystyle f (t) = K \ left [<\ psi \, \ Delta \ theta \ over F (t)>+ 1 \ right].>
Уравнение Хортона
Названное в честь того же Роберта Э. Хортона, упомянутого выше, уравнение Хортона является еще одним жизнеспособным вариантом при измерении скорости или объемов инфильтрации грунта. Это эмпирическая формула , которая говорит , что инфильтрация начинается при постоянной скорости, и уменьшается экспоненциально со временем, . Через некоторое время, когда уровень насыщения почвы достигнет определенного значения, скорость инфильтрации выровняется до уровня . ж 0 <\ displaystyle f_ <0>> т <\ displaystyle t> ж c <\ displaystyle f_
ж т знак равно ж c + ( ж 0 — ж c ) е — k т <\ displaystyle f_
Другой метод использования уравнения Хортона приведен ниже. Его можно использовать для определения общего объема инфильтрации F по истечении времени t .
F т знак равно ж c т + ( ж 0 — ж c ) k ( 1 — е — k т ) <\ displaystyle F_
Уравнение Костякова
Эмпирическое уравнение, названное в честь его основателя Костякова, предполагает, что уровень потребления со временем снижается в соответствии с степенной функцией.
ж ( т ) знак равно а k т а — 1 <\ Displaystyle е (т) = акт ^ <а-1>\!>
Где и — эмпирические параметры. а <\ displaystyle a> k <\ displaystyle k>
Основным ограничением этого выражения является его зависимость от нулевой конечной скорости приема. В большинстве случаев скорость инфильтрации приближается к конечному постоянному значению, которое в некоторых случаях может произойти через короткие промежутки времени. Вариант Костякова-Льюиса, также известный как «Модифицированное уравнение Костякова», исправляет это, добавляя к исходному уравнению член постоянного поступления.
ж ( т ) знак равно а k т а — 1 + ж 0 <\ Displaystyle е (т) = акт ^ <а-1>+ е_ <0>\!>
в интегрированной форме совокупный объем выражается как:
F ( т ) знак равно k т а + ж 0 т <\ Displaystyle F (t) = kt ^ + f_ <0>t \!>
Закон Дарси
В этом методе проникновения используется упрощенная версия закона Дарси . Многие возразят, что этот метод слишком прост и его не следует использовать. Сравните это с решением Грина и Ампта (1911), упомянутым ранее. Этот метод аналогичен методу Грина и Ампта, но не учитывает совокупную глубину инфильтрации и поэтому является неполным, поскольку предполагает, что градиент инфильтрации возникает на некоторой произвольной длине . В этой модели предполагается, что запруденная вода равна, а напор сухой почвы, который существует ниже глубины переднего напора всасывания почвы, принимается равным . L <\ displaystyle L> час 0 <\ displaystyle h_ <0>> — ψ — L <\ displaystyle - \ psi -L>
ж знак равно K [ час 0 — ( — ψ — L ) L ] <\ displaystyle f = K \ left [
ж знак равно K [ L + S ж + час 0 L ] <\ displaystyle f = K \ left [ж <\ displaystyle Скорость инфильтрации f (мм час −1) ) K <\ displaystyle K> — гидравлическая проводимость (мм час −1) ); L <\ displaystyle L> — неопределенная общая глубина рассматриваемого подземного грунта (мм). Это расплывчатое определение объясняет, почему следует избегать этого метода. S ж <\ displaystyle увлажняет переднюю всасывающую головку почвы ( ) = ( ) (мм) — ψ <\ displaystyle <- \ psi>> — ψ ж <\ displaystyle <- \ psi _ час 0 <\ displaystyle h_ <0>> — глубина залегающей воды над поверхностью земли (мм);
Источник