Статті

Ущільнення ґрунту. Все, що треба знати

23 Січня 2019 756

Ущільнення ґрунту
Ущільнення ґрунту. Все, що треба знати
Traktorist.ua

Проблема ущільнення ґрунту у товарному виробництві виникла задовго до того, як були зроблені будь-які послідовні дослідження з цього питання. Ще на початку XIX століття було помічено, що тяглові тварини викликають ущільнення ґрунту під час вирощування сільськогосподарських культур — у процесі оранки тощо. Критичними ж стали останні 30 років, коли механізація досягла таких масштабів та інтенсивності, що проблема ущільнення набула всесвітнього значення.

Важливі факти:

  • Вологі ґрунти особливо схильні до ущільнення.
  • Важка техніка й ґрунтообробні знаряддя підсилюють пошкодження структури ґрунту, зменшуючи поровий простір та ще більше обмежуючи обсяг ґрунту і води.
  • Поліпшення структури ґрунту — найкращий захист від його ущільнення.
  • Добре структурований ґрунт утримує та проводить воду, поживні речовини й повітря, необхідні для здорової діяльності коренів рослин.

 Що таке ущільнення ґрунту?

Ущільнення ґрунту відбувається, коли його частинки стискаються разом, зменшуючи поровий простір між ними (Малюнок 1). Сильно ущільнені ґрунти містять незначну кількість великих пор, завдяки яким загальний об’єм пор зменшується, а щільність ґрунту, відповідно, збільшується.

Малюнок 1

Щільний ґрунт має занижену швидкість як проникнення води, так і дренажу. Це обумовлено тим, що великі пори більш ефективно переміщують воду вниз через ґрунт, аніж дрібніші пори. Крім того, в ущільнених ґрунтах сповільнюється обмін газів, викликаючи збільшення ймовірності проблем, пов’язаних з аерацією. Нарешті, тоді як ущільнення ґрунту збільшує його міцність — здатність протистояти переміщенню під дією прикладеної сили, воно змушує коріння докладати більше зусиль для того, щоб проникнути в ущільнений шар.

Ущільнення ґрунту змінює простір порового простору, розподіл і міцність ґрунту. Один зі способів кількісного визначення змін — вимір об’ємної щільності. Оскільки поровий простір у ґрунті зменшується, об’ємна щільність збільшується. Ґрунти з більш  високим відсотковим вмістом глини й мулу, які, природно, мають більше порового простору, мають меншу об’ємну щільність, аніж піщані ґрунти.

Міфи про ущільнення ґрунту

Існує два поширених міфи про ущільнення ґрунту:

  1. Цикли замерзання-розмерзання зменшать ущільнення ґрунту, створюване машинами.
  2. Глибока оранка чи рихлення — вирішення всіх проблем.

Віра в те, що цикли замерзання-розмерзання послаблюють ущільнені ґрунти, можливо, виникла багато років тому, коли ущільнення було відносно малим. Але ж тоді техніка важила менше, а аграрії дотримувалися сівозміни.

Використання важкої техніки в умовах вологого ґрунту збільшує глибину ущільнення в профілі ґрунту. Наприклад, навантаження 10 т на вісь чи й більше на вологих ґрунтах може привести до ущільнення на глибину близько 60 см або більше. Оскільки це значно нижче від глибини нормального обробітку ґрунту, ущільнення з більшою ймовірністю збережеться, у порівнянні з неглибоким ущільненням, яке значною мірою може бути виправлено обробітком ґрунту.

Техніка на полі

Однак у надмірно сухих ґрунтах ущільнення може бути обмежене. Тріщини, які утворюються в дуже сухих ґрунтах, вважаються природним інструментом для обробітку землі, вони руйнуватимуть ущільнення, але тільки до глибини тріщини.

Тепер щодо глибокої оранки або рихлення… Попри те, що глибокий обробіток ґрунту (понад 45 см) здатний руйнувати так звану «плужну підошву», навіть він може бути безсилим, якщо ущільнення розташовується на великій глибині (так зване підґрунтове ущільнення). Також не було доведено, що глибокий обробіток послідовно збільшує врожайність протягом тривалого періоду часу.

Прогнозування наслідків рихлення є складним і пов’язане з наступним:

  • відмінностями у ґрунті;
  • ступенем ущільнення надр;
  • вологістю ґрунту;
  • майбутнім рухом сільгоспмашин;
  • погодними умовами;
  • вирощуваними культурами;
  • методами обробітку ґрунту.

Основні причини ущільнення ґрунту

Існує кілька сил — природних і техногенних, які ущільнюють ґрунт (Малюнок 2). Ця сила може бути великою, наприклад, від трактора, комбайна чи ґрунтообробного знаряддя, або вона може походити від чогось маленького, наприклад, від краплі дощу.

Малюнок 2

1.  Вплив дощової краплі

Це, безумовно, є природною причиною ущільнення, і ми спостерігаємо її у вигляді ґрунтової кірки (зазвичай, менш ніж 1,5 см завтовшки на поверхні ґрунту), яка може завадити появі сходів (Малюнок 3). Ротаційна борона у багатьох випадках полегшить дану проблему.

Малюнок 3

2. Обробіток ґрунту

Безперервна оранка або дискування на одній і тій же глибині призводить до виникнення ущільнених шарів («плужної підошви») трохи нижче від глибини обробітку ґрунту. Ця «плужна підошва», як правило, відносно тонка (від 2,5 до 5 сантиметрів), та може не мати значного впливу на вирощування рослин, а позбутися її можна шляхом зміни глибини обробітку ґрунту з часом або за допомогою спеціальних агрегатів.

3. Колісний трафік

Трафік (англ. traffic — «рух», «транспорт», «торгівля») — узагальнений термін, яким позначають інтенсивність руху, транспортування.

Колісний рух, без сумніву, є основною причиною ущільнення ґрунту (Малюнок 4). Особливо велику проблему він становить для фермерських господарств, у яких збільшення виробничих площ випереджає зростання виробничих потужностей, внаслідок чого вони мають обмежений проміжок часу, щоб зробити необхідні операції вчасно. Так, весняну посівну часто розпочинають до того, як ґрунт стане достатньо сухим (стиглим), щоб витримувати важке посівне обладнання.

Малюнок 4

Вплив ущільнення ґрунту залежно від погоди

Ущільнення може мати як бажаний, так і небажаний вплив на ріст рослин. Дослідження з Північної Америки та Європи свідчать, що сільськогосподарські культури реагують на ущільнення, як показано на малюнку 5.

Малюнок 5

Суха погода

У сухий рік, за дуже низької об’ємної щільності, врожайність поступово збільшується з невеликим збільшенням ущільнення ґрунту.

Злегка ущільнений ґрунт може прискорити швидкість проростання насіння, оскільки сприяє хорошому контакту з насінням. Саме тому для забезпечення помірного ущільнення на деяких сівалках встановлено прикочувальні колеса, які розміщені за висівальними сошниками. Для цих же цілей також використовують кільчасто-шпорові та зубчасто-кільчасті котки.

Коли ущільнення ґрунту зростає вище оптимального, врожайність починає знижуватися. У сухі роки ущільнення ґрунту може призвести до затримки росту рослин. Без своєчасних дощів і вчасно внесених добрив врожайність зменшиться.

Волога погода

У вологу погоду врожайність знижується за будь-якого збільшення ущільнення. Ущільнення ґрунту у вологі роки знижує аерацію, збільшуючи денітрифікацію. Ризик корінних захворювань також може збільшуватись. Усі ці фактори додають стресу культурі та, врешті-решт, призводять до втрати врожаю.

Наслідки ущільнення ґрунту

1. Руйнування структури ґрунту

Під впливом мікробної активності, ґрунтові частки зв’язуються у стабільні одиниці, які називаються агрегатами (Малюнок 6). Важке обладнання для обробітку ґрунту може пошкодити їх та зменшити структуру ґрунту.

Малюнок 6

Структура є важливим захистом від ущільнення. Без хорошої структури окремі ґрунтові частки більш сприятливі до ущільнення від зовнішнього тиску. Це підвищує об’ємну щільність і зменшує поровий простір.

Ґрунти з великим обсягом трафіку зберігають вологу довше, перезаряджаються повільніше й повільніше прогріваються порівняно з менш ущільненими ґрунтами.

Використання більш глибоких ґрунтообробних знарядь (у поєднанні з дисками та боронами) знищує структуру ґрунту і розпушує землю на глибину від 25 до 40 сантиметрів. Хоча це тимчасово аерує ґрунт і знижує об’ємну щільність, а також може знизити контакт насіння й коріння з ґрунтом.

Введене в ґрунт повітря не має жодної несучої здатності, а тому ґрунт легко ущільнюється після обробітку. Доказом того є більш повільне проростання рослин і збільшення колісних колій на полях.

Зменшення структури та порового простору призводить до зменшення кількості повітря та вологи в ґрунті. Ця умова негативно впливає на всі фази вирощування сільськогосподарських рослин.

2. Зменшення поглинання поживних речовин

Ущільнення ґрунту підвищує його щільність. Внаслідок цього корені менш здатні проникати в землю і, як правило, неглибокі та неправильно сформовані.

Оскільки їхнє зростання обмежене, вони менш здатні експлуатувати ґрунт для поживних речовин і вологи. Дефіцит азоту й калію є найбільш поширеним. Це призводить до додаткових потреб у добривах і збільшує витрати на виробництво.

Поле з висоти пташиного польоту

3. Нерівномірність сходів

Попри те, що сходи рослин в ущільненому ґрунті можуть наздогнати чи й перегнати сходи рослин в неущільненому ґрунті, вони мають вищий ризик до захворювання, пошкодження шкідниками та дефіциту вологи.

Велика кількість трафіку створює значну кількість колій і нерівність поверхні після ущільнення, що призводить до погіршення контролю глибини посіву.

4. Зниження росту рослин та розвитку коренів

Ущільнення ґрунту може впливати на висоту рослин, запобігаючи нормальному розвитку коренів, що є найбільш шкідливим за неглибокого ущільнення (15-20 см.). Якщо своєчасні дощі не пом’якшують ущільнені шари, щоб коріння змогло проникати в ґрунт, рослини будуть низькорослими й матимуть менше тонких коренів і меншу загальну кореневу масу. Кукурудза найбільш чутлива, бо вона є однією з найвищих культур і до кінця сезону може бути на 5-15 сантиметрів коротшою за ту, яка росте на не ущільненому ґрунті.

5. Зниження врожаю

Врожайність культур знижується, коли ущільнення ґрунту зменшує сходи і ріст рослин, а також поглинання ними поживних речовин. Деякі дослідники рахують, що ущільнення ґрунту може знизити врожайність на 60%. Діапазони дій ущільнення на врожайність є дуже широкими, тому що результат ущільнення є змінним в результаті багатьох факторів. Ефекти ущільнення неоднакові по всьому полю.

6. Зменшення залізодефіцитного хлорозу

Більшість ефектів ущільнення завдає шкоди росту рослин. Однак є кілька винятків. Перший — слабко ущільнені ґрунти в сухий рік можуть підвищити врожайність сільськогосподарських культур. Інший виняток стосується дефіциту заліза в сої.

Залізодефіцитний хлороз індукується комбінацією таких факторів, як високий PH, рівень солі й карбонату кальцію. Проте спостерігалося, що колісні колії, які проходять територією, вражену хлорозом, матимуть зелені, здорові боби (Малюнок 7).

Малюнок 7

Показники пенетрометра (прилад для вимірювання щільності ґрунту) на зелених ділянках показують підвищену об’ємну щільність у верхній частині ґрунту від 18 до 45 сантиметрів у порівнянні з ділянками, ураженими хлорозом. Зменшення розміру пор призводить до зниження аерації, що збільшує денітрифікацію.

Крім того, ущільнені колісні колії мають тенденцію до скидання води і менший загальний обсяг води, ніж менш ущільнений ґрунт між коліями. Це знижує розчинність бікарбонату, що також допомагає зменшити хлороз.

7.  Збільшення зусиль

Ущільнений ґрунт вимагає більшої сили та енергії для виконання операцій з його обробки. В одному з експериментів у штаті Іллінойс (США) енергетичні вимоги до підготовки насіннєвого ложа вимірювали в ущільненому та неущільненому ґрунтах.

Ущільнені ґрунти спричинили 10-16 кратне збільшення енергії, необхідної за низьких швидкостей і 4-8 кратне збільшення за високих швидкостей.

Стратегії управління ущільненням ґрунту

Найкращим способом управління ущільненням ґрунту є запобігання його утворенню. Старе прислів’я: «Залишайся поза полем, доки воно не буде готове для роботи» — все ще актуальне.

Поле

Проте можливі серйозні економічні наслідки відкладання посівної, збирання врожаю або інших операцій можуть переважити втрати або збиток від ущільнення. Дилему, з якою фермери стикаються вологою весною або осінню, не легко вирішити.

Оскільки фермери досить часто повинні бути на полі в умовах, котрі не відповідають ідеальній вологості ґрунту, мінімізація або контроль ущільнення є наступним варіантом управління ущільненням. Це включає в себе зменшення навантаження на вісь, належне накачування й розмір шин. Накачування шин до належного рівня тиску повітря зменшить ущільнення поверхні, а зменшення навантаження на вісь зменшить глибину ущільнення.

Запобігання ущільненню ґрунту буде:

  • збільшувати проникнення води та накопичувати її;
  • збільшувати своєчасність польових операцій;
  • зменшувати навантаження на коріння рослин;
  • зменшувати потенціал хвороб.

Контроль трафіку

У звичайний рік близько 90% поля може бути під колесами сільгоспагрегатів (Малюнок 8). Контрольований трафік обмежує обсяг ґрунту, по якому здійснюється пересування, використовуючи одні й ті ж самі колії.

Малюнок 8

70-90% загального ущільнення оранкового шару відбувається під час першої поїздки полем. За контролю трафіку, площа, відведена під колії, матиме дещо глибше ущільнення, але ґрунт між коліями не буде ущільнений.

Контроль трафіку вимагає належного узгодження руху всіх машин, включаючи комбайни, зернові перевантажувачі та обладнання для внесення гною.

Перетворення руху техніки на контрольований трафік не є простою заміною, швидше переходом, який може тривати роки. Тому кожне потенційне придбання треба розглядати у розрізі даної стратегії.

Управління осьовим навантаженням і тиском у шинах

Інша стратегія управління ущільненням — це дотримання необхідного рівня тиску в шинах та зменшення навантаження на вісь.

Важкі навантаження на вісь та умови вологого ґрунту збільшать глибину ущільнення у ґрунтовому профілі. При збільшенні навантаження понад 10 т на вісь також збільшується потенціал ущільнення через шар обробітку ґрунту.

Велика техніка може мати вагу від 18 до 40 т на вісь і створювати ущільнення до 60-90 см, незалежно від того, обладнана вона гусеницями чи шинами. Тримайте навантаження на вісь меншим від 10 т, щоб локалізувати ущільнення у верхній частині ґрунту від 15 до 25 см.

Загальне навантаження на вісь, а також контактний тиск між шиною і ґрунтом впливає на підґрунтове ущільнення. Історично складається так, що зі збільшенням ваги трактора збільшується розмір шин. Це дозволяє уникнути різкого збільшення контактного тиску шини.

Шини

Експерти сходяться на думці, що немає жодного простішого способу поліпшити ефективність трактора, ніж використовувати належний тиск у шинах. Правильне накачування шин не тільки покращує ефективність трактора, а й зменшує інтенсивність ущільнення від шин.

Припаркований гусеничний трактор створює тиск від 1,8 до 3,6 кілограма на один квадратний дюйм залежно від ширини колії, довжини і ваги трактора. Під час руху тиск змінюється.

Радіальні шини створюють тиск на 0,5-1 кілограм вищий, аніж їхній власний тиск накачки. Наприклад, якщо радіальна шина накачана до 2,7 кілограма на квадратний дюйм, то вона створює тиск від 3,2 до 3,7 кілограма на квадратний дюйм.

Шини старих зразків, накачані до тиску 2,7-3,7 кілограма на квадратний дюйм, не можуть ефективно працювати й легко зношуються, тому вони надуваються до 9-11 кілограмів на квадратний дюйм, що має відповідні наслідки для ущільнення ґрунту.

Щоб зберегти ущільнення ґрунту в зоні плуга, потрібно підтримувати радіальний тиск у шинах близько 4,5 кілограма на квадратний дюйм.

Коли на трактор встановлюються спарені колеса («спарки»), це зменшує навантаження на кожну шину, знижуючи тим самим необхідний рівень накачки шин. Даний прийом також зменшує глибину та інтенсивність ущільнення.

Польові роботи

Що ж до зерновозів або інших причепів з великою вантажопідйомністю, то про зменшення навантаження на ґрунт повинні дбати їхні виробники, збільшуючи кількість осей.

Висновки

Хоч як прикро це констатувати, але єдиної методики боротьби з ущільненням ґрунту не існує — «диявол криється в деталях». Потрібно системно підходити до вирішення даного питання, виявляти взаємозв’язки та прогнозувати можливі наслідки.

Кожен фермер повинен відштовхуватись від якості землі, кліматичних умов та розміру свого гаманця, але потрібно пам’ятати, що земля — не безмежний ресурс, про неї треба дбати. Якщо тільки брати й нічого не віддавати, то настане час, коли брати буде нічого.

Джерела

  1. Abu-Hamdeh, N.H., Carpenter, T.G., Wood, R.K., & Holmes, R.G. (1995). Ущільнення ґрунту 4-х приводних і гусеничних тракторів за різними тяговими навантаженнями (SAE Technical Paper # 952098).
  2. Abu-Hamdeh, N.H., Carpenter, T.G., Wood, R.K., & Holmes, R.G. (1995). Комбінат тягових пристроїв: вплив на ущільнення грунту (SAE Technical Paper # 952159).
  3. Daum, D.R. & Shipp, R.F. (2004). Сільськогосподарське ущільнення ґрунту - причини, наслідки та лікування (публікація Пеннського державного університету B-79).
  4. DeJong-Hughes, J.M., Swan, J.B., Moncrief, J.F., & Voorhees, W.B. (2001). Ущільнення грунту: причини, наслідки та контроль (перегляд). (Університет Міннесоти Extension BU-3115-E).
  5. Krmenec, A.J. (2000). Автомобільний рух і ущільнення ґрунту. Середземноморський фермерський прогрес шоу, IL.
  6. Reichenberger, L. (2002). Використовуючи всі ваші кінські сили. Успішне землеробство, видання березня 2002 р., 34-38.
  7. Sidhu, D., & Duiker, S.W. (2006). Ущільнення ґрунтів при консерваційному обробітку ґрунту. Журнал агрономії, 98 (1), 257-1,264.
  8. Soane, B.D., & van Ouwerkerk, C. (1994). Глава 12. Ущільнення ґрунту в рослинництві (с. 265-286).
  9. Voorhees, W.B., Nelson, W.W., & Randall, G.W. (1986). Ступінь і стійкість ущільнення надр через великі навантаження на вісь. Журнал Soil Science Society of America, 50, 428-433.
  10. Voorhees, W.B., Senst, C.G., & Nelson, W.W. (1978). Ущільнення і зміна структури ґрунту колісним рухом у Північному кукурудзяному поясі. Журнал Soil Science Society of America, 42, 344-349.
  11. Wolkowski, R., & Lowery, B. (2008). Ущільнення ґрунту: причини, проблеми та засоби (публікація Університету Вісконсина №3367).

Джерело зображень: extension.umn.edu

(с) Ігор Бромот, 2019, Traktorist.ua



Радимо почитати