Особенности водопроницаемости в верхнем слое черноземов лесостепи Западной Сибири

Цель исследований ‒ установить влияние агрофизических свойств верхнего слоя черноземных почв (плотность, агрегатный состав, увлажнение, мерзлотное состояние) и приемов обработки почвы на водопроницаемость верхнего слоя чернозема лесостепи Западной Сибири.

Условия, материалы и методы исследования

Лабораторные и полевые исследования проведены в стационарных и краткосрочных опытах лаборатории земледелия черноземной лесостепи ФГБНУ СибНИИСХ в 1980‒2016 гг. Почва опытного участка в полевых опытах и используемая в лизиметрических колонках при различном агрофизическом состоянии ‒ чернозем выщелоченный с содержанием гумуса до 6‒8 %. Определение водопроницаемости проведено прибором ПВН и методом трубок (А.Ф. Вадюнина, Э.А. Корчагина,1973 ) . Повторность в опытах 3‒4-кратная. Отсчеты брали через 10 мин. Время опытов – 3 часа.

Результаты исследований

Исследованиями установлено, что заметное влияние на водопроницаемость выщелоченного чернозема оказывает плотность его верхнего (0‒30 см) слоя, а скорость фильтрации влаги изменяется в зависимости от плотности и времени наблюдений, от 3,5 до 0,05 мм/мин или в 70 раз. Увеличение плотности верхнего слоя только с 0,92 до 1,24 г/см3

снижало объем инфильтрации почти в 13 раз, причем впитывание повышалось с уменьшением плотности верхнего слоя.

Основное влияние на продуктивность зерновых культур ‒ у осадков вегетационного периода, однако невегетационные также имеют определенное значение. Осенние осадки, количество которых в южной лесостепи за сентябрь ‒ октябрь в среднем 65 мм (17,6 %) от нормы годовых, оказывают, особенно во влажные годы, заметное влияние на гидрологические условия осеннего увлажнения почвы, усвоение талых вод, весенний поверхностный сток, в конечном итоге ‒ на урожайность зерновых культур.

Установлено, что основным фактором, определяющим аккумуляцию талых вод весной, является водно-физическое состояние верхнего слоя в осенний период [1‒6]. Как показал анализ многолетних данных, в южной лесостепи в 70‒80 % лет верхний 0‒20 см слой черноземных почв осенью увлажняется выше влажности разрыва капиллярной связи (ВРК), а в 30‒40 % ‒ выше НВ (32‒34 %). Длительное (более 20 лет) применение приемов и систем обработки почвы в зернопаровом севообороте оказывает влияние на сложение и водопроницаемость верхнего слоя выщелоченного чернозема (табл. 1).

Таблица 1

Водопроницаемость верхнего слоя почвы в зависимости от системы обработки почвы в севообороте, мм/мин

Время определения	Предшественник
	пар                    1		вторая культура
	система обработки почвы в севообороте
	отвальная	минимальная	отвальная	плоскорезная	минимальная
1 ч	1,56	1,24	3,12	2,28	1,28
2 ч	0,68	0,39	1,89	1,10	0,76
3 ч	0,62	0,42	1,64	0,95	0,71
Среднее	0,95	0,68	2,22	1,44	0,92

Водопроницаемость, определяемая в талом состоянии почвы, показывает ее потенциальную возможность к усвоению невегетационных осадков. В период снеготаяния почвенный профиль чернозема оттаивает медленно и в связи с увлажнением и промораживанием условия водопоглощения и поверхностный сток талой воды могут существенно отличаться на почвах в талом состоянии.

Основная причина низкой водопроницаемости мерзлой почвы ‒ превращение капиллярно-стыковой воды в лед, который сужает или полностью закупоривает поры. Так, при влажности почвы, близкой к наименьшей влагоемкости (НВ), количество стыковой воды в пахотном слое черноземов составляет 20‒25 % от абсолютно сухой почвы, то есть вода данной категории занимает до 40‒45 % всего объема порового пространства. Установлено, что при уплотнении верхнего слоя только с 0,9 до 1,1 г/см3 («нулевая» обработка почвы) свободное поровое пространство уменьшается с 65 до 57 %, а капиллярная скважность повышается с 39 до 43 %. Следовательно, с уплотнением и отказом от основной обработки почвы существенно возрастает доля капиллярной скважности, являющаяся основной емкостью капиллярно-стыковой воды. Если в талом состоянии почвы проблема передвижения воды практически отсутствует, то в мерзлом состоянии отмечается иная закономерность.

В случае, когда вода тонкого порового пространства, занятого водой, превращается в лед, существенно снижается водо- и воздухопроницаемость почвы. Так, при плотности 0,9 г/см3 и уровне увлажнения ВЗ свободное поровое пространство составляет 53,5 % объема почвы, при ВРК – 45,7 % и НВ – 38,9 %, при плотности 1,1 г/см3 (без обработки) соответственно ‒ 43,0; 33,0 и только 25,1 %. Следовательно, с увеличением плотности и увлажнения, в том числе при паровании поля, объем свободного порового пространства существенно уменьшается. Это главная причина снижения водопроницаемости мерзлой почвы и повышения поверхностного стока талых вод. Водопоглощение почвы в мерзлом состоянии значительно отличается от талой, взятой в качестве контроля, причем отличие выше при более высоком увлажнении почвенного профиля (табл. 2).

Таблица 2

Водопроницаемость (мм /мин) в талом и мерзлом состоянии в зависимости от увлажнения и плотности верхнего слоя выщелоченного чернозема (среднее за 3 ч)

Плотность почвы, г/см3	Состояние почвы
	талое			мерзлое
	Исходные уровни увлажнения
	ВЗ	ВРК	НВ	ВЗ	ВРК	НВ
0,9	1,27	0,67	0,64	0,43	0,21	0,04
1,1	0,39	0,23	0,21	0,30	0,03	0,006
Снижение водопроницаемости от уплотнения, раз	в 3,30	в 2,90	в 3,00	в 1,40	в 7,00	в 6,70

Установлено, что с наметившимся потеплением климата Западной Сибири на 20‒30 % увеличилось количество невегетационных, в том числе предзимних осадков. За последние годы значительно повысился поверхностный сток в связи с ухудшением впитывания талых вод. В результате подтопление и весеннее переувлажнение весной 2015‒2017 гг. отмечается в отдельных районах Омской области (Одесский, Полтавский, Исилькульский, Называев-ский, Оконешниковский, Омский и другие). В наибольшей степени значительное снижение впитывания талых вод и весенний поверхностный сток ‒ на террасах рек и озер, расчлененном рельефе местности, паровых (без осеннего рыхления) и необработанных с осени полях, количество которых достигает 0,5‒1,0 млн га.

Водопроницаемость почвы во многом определяется сложением верхнего слоя, размером агрегатов, капиллярной скважностью и состоянием почвы. В мерзлом состоянии, что наблюдается в период снеготаяния, при увлажнении почвы до НВ и размере агрегатов 0,5‒3,0 мм, снижение водопроницаемости по сравнению с талым состоянием происходит в 19,3, у фракций менее 0,25 мм – более чем в 57 раз. В мерзлой почве водопроницаемость в сравнении с талым состоянием существенно снижается, причем уменьшение водопоглоще-ния тем выше, чем почва сильнее увлажнена и меньше размеры ее почвенных агрегатов. В сухом или слабоувлажненном состоянии почва (до ВЗ-ВРК), наоборот, ускоренно оттаивает, при слабом промораживании, даже в мерзлом состоянии, рыхлом и недостаточном увлажнении ее водопроницаемость остается достаточно высокой для усвоения (до 70‒90 %) талых вод.

Итоговым комплексным показателем изучаемых приемов и технологий возделывания зерновых культур, в том числе и более уплотненных полей в конце севооборота, являются повторные посевы яровой пшеницы. Наблюдения показали, что периодическое рыхление почвы в севообороте РН-4,0 орудием Омского экспериментального завода способствует повышению водопроницаемости и урожайности зерна яровой пшеницы (табл. 3).

Таблица 3

Урожайность зерна (т/га) 3-й пшеницы после пара сорта Омская-36 в зависимости от технологии возделывания (южная лесостепь), 2014-2016 гг.

Система обработки почвы (А)	Контроль (без химизации)	Средства химизации (В)			Среднее по обработке почвы (А) НСР 05 = 0,17 т/га
		гербициды (Г)	гербициды + удобрения (Г+У)	комплексная химизация (К/Х)
Отвальная на гл. 20‒22 см	0,81	1,53	1,61	3,02	1,74
Плоскорезная на гл. 10‒12 см	0,60	0,88	1,58	2,90	1,49
Рыхление РН-4,0 на гл. 25‒30 см	0,76	1,46	1,70	3,12	1,76
«Нулевая» + глифосат	0,57	1,31	1,58	2,88	1,58
Среднее (В) НСР 05 = 0,19 т/га	0,69	1,30	1,62	2,98

При комплексном применении средств интенсификации на варианте рыхления почвы РН-4,0 урожайность зерна яровой пшеницы составила 3,12 т/га, это на 0,24 т/га (8,3 %) превышало «нулевую» обработку почвы с применением гербицида сплошного действия (Раундап).

Установлено, что наиболее экономный расход влаги в течение вегетации на фоне комплексного применения средств интенсификации при урожайности зерна до 3 т/га и более. В данном варианте коэффициент водопотребления на 1 т зерна на фоне «нулевой» обработки с дополнительным внесением глифосата составил 84,6 мм, при обработке почвы РН-4,0 (1 раз за ротацию севооборота) только 76,8 мм/т зерна, или на 9,2 % экономнее.

В какой же степени осенние влагозапасы влияют на конечную продуктивность зерна? Длительный (11 лет) ряд наблюдений показал, что в наибольшей степени они определяют урожайность зерна на второй пшенице – в среднем до 51,1 %, на пшенице по пару – 20,7 % и ячмене (согласно коэффициенту детерминации) ‒ только 12,6 %.

Установлено, что влияние осенних влагозапасов на формирование продуктивности зерновых культур, в отличие от осенних осадков, во многом определяет применение средств химизации. Так, на контроле (без удобрений и гербицидов) это в среднем 12,7 %, с внесением удобрений – 29,2 % и при комплексном применении средств химизации достигает 39,7 %. В среднем по всем предшественникам в вариантах с химизацией и системами обработки почвы в севообороте продуктивность зерновых культур формируется осенними влагозапасами до 26 %.

Заключение

Следовательно, в южной лесостепи Западной Сибири водопроницаемость черноземных почв и усвоение невегетационных осадков определяется уплотнением, приемами обработки и уровнем осеннего увлажнения верхнего слоя. Снижение водопроницаемости и повышение стока талых вод тем больше, чем сильнее она увлажнена, плотнее ее сложение, выше некапиллярная скважность, особенно на расчлененном рельефе местности. Осенними продуктивными влагозапасами обусловлена урожайность зерна в среднем до 26 %.

• L.V. Yushkevich¹, V.L. Ershov², A.V. Lomanovsky¹

• ¹Siberian Scientific Research Institute of Agriculture, Omsk

• ²Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Features of water penetration of the top layer of black soil in the forest-steppe of Western Siberia