Введение

Здоровье почвы, пригодность для выращивания

Структура почвы – это физическое состояние почвы, особенно в отношении ее пригодности для посадки или выращивания сельскохозяйственных культур. Факторы, определяющие структуру почвы, включают образование и стабильность агрегированных частиц почвы, содержание влаги, степень аэрации, почвенную биоту, скорость инфильтрации воды и дренажа. Структура почвы может быстро меняться в зависимости от факторов окружающей среды, таких как изменения влажности, обработка почвы и внесение почвенных улучшений. Целью обработки почвы (механического воздействия на почву) является улучшение структуры, тем самым повышение урожайности; однако, в долгосрочной перспективе, традиционная обработка почвы, особенно вспашка, часто оказывает противоположный эффект, вызывая окисление, разрушение и уплотнение почвенного углеродного губчатого слоя. Почва с хорошей структурой рыхлая, с большими порами для проникновения воздуха и движения воды. Корни растут только там, где структура почвы обеспечивает достаточный уровень кислорода. Такая почва также содержит разумное количество воды и питательных веществ. Обработка почвы, внесение органических веществ, удобрение и орошение могут улучшить структуру, но при чрезмерном использовании могут оказать противоположный эффект. Агрегация положительно связана со структурой почвы. В почвах с более мелкой текстурой агрегаты, в свою очередь, могут состоять из более мелких агрегатов. Агрегация подразумевает наличие значительных пор между отдельными агрегатами. Агрегация важна в подпочвенном слое, расположенном ниже обрабатываемого слоя. Такие агрегаты включают в себя более крупные (5-15 см) блоки почвы, которые имеют более угловатую форму и менее выражены. Эти агрегаты менее подвержены воздействию биологической активности, чем обрабатываемый слой. Подпочвенные агрегаты важны для роста корней вглубь профиля почвы. Глубокие корни обеспечивают лучший доступ к влаге, что помогает в периоды засухи. Агрегаты подпочвы также могут уплотняться, в основном под воздействием тяжелой техники на влажной почве. Еще одним значительным источником уплотнения подпочвы является вспашка с проездом колес трактора по открытой борозде. Кратковременная структура почвы может быть получена посредством механического и биологического воздействия.

Урожай

В 2021 году объем вспаханной почвы во всем мире оценивался в 1840 км³/год. Это значение на два порядка превышает общий объем всех инженерных земляных работ. Для сравнения, естественный процесс биотурбации почвы, вызванный корнями растений и дождевыми червями, в глобальном масштабе оценивался в 960 км³/год. Механическая обработка почвы, включающая первичную обработку (плужная или глубокорыхлильная вспашка), за которой следует вторичная обработка (боронование, культивация и т.п.), разрушает и аэрирует почву. Механическое уплотнение и интенсивные методы обработки оказывают негативное влияние на почвенные агрегаты, рыхлость, пористость и плотность почвы. Когда почва деградирует и уплотняется, такие методы обработки часто считаются необходимыми. Однако созданная обработкой почвы структура, как правило, нестабильна, поскольку агрегация достигается путем физического воздействия на почву, которое носит временный характер, особенно после многих лет интенсивной обработки. Последствия этих процессов циклически требуют увеличения объемов обработки и вмешательства, таким образом, методы обработки почвы способны нарушать биологические механизмы, стабилизирующие структуру почвы, способность почвы накапливать углерод и качество обработки.

Биологические

Предпочтительным сценарием для достижения хорошей структуры почвы является результат естественных процессов почвообразования, обеспечиваемых деятельностью корней растений, микроорганизмов, дождевых червей и других полезных организмов. Такие стабильные агрегаты разрушаются при обработке почвы и посеве, легко обеспечивая хорошую структуру. Биота почвы и органическое вещество действуют согласованно, связывая почвенные агрегаты и обеспечивая естественную стабильность почвы – своеобразную губку для удержания углерода. Корневые выделения растений питают бактерии, которые выделяют внеклеточные полисахариды (EPS), и стимулируют рост грибных гиф, формируя почвенную углеродную губку с диспергированными частицами глины. Эти активные процессы формирования структуры способствуют образованию и стабилизации почвенной структуры. Полученная структура почвы снижает прочность на разрыв и плотность почвы, при этом продолжая формировать почвенные агрегаты благодаря абиотическим и биотическим механизмам связывания, устойчивым к разрушению при насыщении водой. Сети грибных гиф могут играть роль сцепления с EPS и ризодепозицией, тем самым повышая стабильность агрегатов. Однако эти органические материалы сами подвержены биологическому разложению, что требует регулярного внесения органических веществ и минимальной механической обработки почвы. Качество структуры почвы сильно зависит от этих естественных процессов связывания между биотическими микроорганизмами и абиотическими частицами почвы, а также от постоянного поступления органического вещества. Все компоненты этой естественной связующей сети должны обеспечиваться или управляться в сельском хозяйстве для поддержания их устойчивого присутствия на протяжении вегетационных сезонов.

Ротация

Смена посевов может помочь восстановить структуру почвы в уплотненных почвах. Этому способствуют два процесса. Во-первых, ускоренное разложение органического вещества, вызванное обработкой почвы, прекращается под покровными культурами. Другой способ достижения этого – отказ от обработки почвы. Во-вторых, травы и бобовые развивают обширные корневые системы, которые постоянно растут и отмирают. Отмершие корни служат источником активного органического вещества, питающего почвенные организмы, создающие агрегацию – почвенный углеродный губчатый слой. Полезным организмам требуется постоянное поступление органического вещества для поддержания жизнедеятельности, и они откладывают переработанные материалы на почвенные агрегаты, тем самым стабилизируя их. Кроме того, живые корни и симбиотические микроорганизмы (например, микоризные грибы) выделяют органические вещества, питающие почвенные организмы и способствующие агрегации. Поэтому травяные и бобовые культуры вносят в почву больше органического вещества, чем большинство других культур. Некоторые однолетние культуры в севообороте, такие как гречиха, также обладают плотной, волокнистой корневой системой и могут улучшить структуру почвы. Смеси культур с различными типами корневых систем могут быть полезны. Например, посев красного клевера в озимую пшеницу обеспечивает дополнительные корни и более богатую белком органическую материю почвы. Другие культуры в севообороте более ценны для улучшения подпочвенного слоя. Многолетние культуры, такие как люцерна, имеют мощные, глубоко проникающие стержневые корни, которые могут пробивать плотные слои, особенно в периоды увлажнения, когда почва размягчается. Эти глубокие корни создают каналы для воды и будущих корней растений, а также производят органическое вещество почвы. Смена посевов может увеличить продолжительность периода активного роста по сравнению с традиционными рядовыми культурами, оставляя больше органического материала. Например, в севообороте кукурузы и сои активный рост происходит в 32% случаев, в то время как в севообороте сухой фасоли – озимой пшеницы – кукурузы активный рост наблюдается в 72% случаев. Культуры, такие как рожь, пшеница, овес, ячмень, горох и злаки прохладного сезона, активно растут в конце осени и начале весны, когда другие культуры находятся в состоянии покоя. Они полезны как в качестве культур севооборота, так и в качестве сидератов, хотя интенсивная обработка почвы может нивелировать их эффект.

Типы почв

Методы управления почвой, необходимые для поддержания ее структуры, зависят от типа почвы. Песчаные и гравийные почвы от природы бедны мелкими порами и поэтому склонны к засухе, в то время как суглинки и глины способны удерживать и, таким образом, обеспечивать растения большим количеством воды.

Груботекстурные песчаные почвы

Песчаные почвы обладают меньшей способностью удерживать воду и питательные вещества. Воду вносят чаще, но меньшими порциями, чтобы избежать вымывания и уноса питательных веществ за пределы корневой зоны. Регулярное внесение органических веществ увеличивает способность песчаной почвы удерживать воду и питательные вещества в 10 раз или более.

Глинистые почвы с тонкой текстурой

Глинистые почвы лишены крупных пор, что затрудняет движение воды и воздуха. Во время полива или дождей ограниченное количество крупных пор в мелкозернистых почвах быстро заполняется водой, снижая содержание кислорода в почве. Помимо регулярного внесения органических веществ, важную роль в улучшении структуры почвы играют микроорганизмы и дождевые черви. Разлагая органические вещества, микроорганизмы склеивают частицы почвы в более крупные агрегаты, увеличивая количество крупных пор. Глинистые почвы более склонны к уплотнению, что приводит к уменьшению крупных пор.

Гравильные и разложившиеся гранитные почвы

Такие почвы изначально мало пригодны для обработки, особенно после нарушения их структуры. Добавление органического вещества до 25% по объему может помочь это компенсировать. Например, при обработке почвы на глубину 8 дюймов, внесите 2 дюйма органических материалов.