Обработка почвы — это физическое состояние почвы, особенно в отношении ее пригодности для посадки или выращивания сельскохозяйственных культур. Факторы, определяющие обработку почвы, включают образование и устойчивость агрегированных частиц почвы , влажность, степень аэрации, почвенную биоту , скорость инфильтрации воды и дренаж. Обработка почвы может быстро меняться в зависимости от факторов окружающей среды, таких как изменение влажности, обработка почвы и внесение в почву поправок . Цель обработки почвы (механическое воздействие на почву) — улучшить обработку почвы, тем самым увеличив урожайность; однако в долгосрочной перспективе обычная обработка почвы, особенно вспашка, часто имеет противоположный эффект, заставляя углеродную губку почвы окисляться, разрушаться и уплотняться. [1]
Почва с хорошей обработкой почвы губчатая с большими порами для инфильтрации воздуха и движения воды. Корни растут только там, где обработка почвы обеспечивает достаточный уровень кислорода в почве. Такая почва также содержит разумный запас воды и питательных веществ. [2]
Обработка почвы , внесение органических веществ , удобрение и орошение могут улучшить пахоту, но при чрезмерном использовании могут иметь противоположный эффект. [2] Севооборот и покровные культуры могут восстановить углеродную губку почвы и положительно повлиять на пахоту. Комбинированный подход может дать наибольшее улучшение. [ необходима цитата ]
Хорошая пашня имеет сбалансированное соотношение между прочностью на разрыв и рыхлостью почвенного агрегата , при котором она имеет стабильную смесь агрегированных почвенных частиц, которые могут быть легко разбиты неглубокой неабразивной обработкой. Высокая прочность на разрыв приведет к образованию крупных сцементированных комков уплотненной почвы с низкой рыхлостью. Правильное управление сельскохозяйственными почвами может положительно повлиять на агрегацию почвы и улучшить качество пашни. [3]
Агрегация положительно связана с пашней. В почвах с более мелкой текстурой агрегаты могут, в свою очередь, состоять из более мелких агрегатов. Агрегация подразумевает существенные поры между отдельными агрегатами. [4]
Агрегация важна в подпочве, слое под обработкой. Такие агрегаты включают более крупные (от 2 до 6 дюймов) блоки почвы, которые более угловаты и не так отчетливо выражены. Эти агрегаты меньше подвержены биологической активности, чем слой обработки. Подпочвенные агрегаты важны для роста корней в глубину профиля. Глубокие корни обеспечивают больший доступ к влаге, что помогает в периоды засухи. Подпочвенные агрегаты также могут быть уплотнены, в основном тяжелым оборудованием на влажной почве. Другим значительным источником уплотнения подпочвы является практика вспашки тракторными колесами в открытой борозде. [4]
Почва, которая хорошо агрегирована, имеет ряд размеров пор. Каждый размер пор играет роль в физическом функционировании почвы. Большие поры быстро дренируются и необходимы для хорошего воздухообмена во влажные периоды, предотвращая дефицит кислорода, который может затопить растения и увеличить проблемы с вредителями. Влажные почвы с дефицитом кислорода усиливают денитрификацию — преобразование азота в газообразные формы. В деградированной почве большие поры сжимаются в маленькие. [4]
Мелкие поры имеют решающее значение для удержания воды и помогают культуре переносить засушливые периоды с минимальными потерями урожая. [4]
Почвенная пашня естественным образом поддерживается взаимодействием корней растений с почвенной биотой . [5]
Кратковременную обработку почвы можно осуществить с помощью механических и биологических манипуляций.
В 2021 году объем вспаханной почвы в мире оценивался в 1840 км 3 /год. Эта величина на два порядка превышает общемировой объем всех инженерных земляных работ. [6] Для сравнения, в глобальном масштабе естественный процесс биотурбации почвы корнями растений и дождевыми червями оценивался в 960 км 3 /год. [7]
Механические методы обработки почвы, включая первичную обработку (отвальную или чизельную вспашку) с последующей вторичной обработкой (дискованием, боронованием и т. д.), разрыхляют и аэрируют почву. Механическое движение и интенсивные методы обработки почвы оказывают отрицательное влияние на агрегаты почвы, рыхлость, пористость почвы и плотность почвы. Когда почвы деградируют и уплотняются, такие методы обработки почвы часто считаются необходимыми. Однако пашня, созданная обработкой, имеет тенденцию быть нестабильной , поскольку агрегация достигается путем физического манипулирования почвой, которое недолговечно, особенно после многих лет интенсивной обработки. [4] Уплотнение почвенных агрегатов также может уменьшить биоту почвы из-за низкого уровня кислорода в верхнем слое почвы. Получающаяся в результате высокая плотность почвы приводит к снижению инфильтрации воды от осадков или обычного орошения (поверхностного, дождевального, центрально-поворотного); в свою очередь, ряд процессов естественным образом размывает и растворяет мелкие частицы почвы и органические вещества. [8] Последствия этих процессов циклически требуют большей обработки и вмешательства, поэтому методы обработки почвы способны нарушить биологические механизмы, которые стабилизируют структуру почвы, почвенную углеродную губку и качество пашни. [9]
Предпочтительный сценарий для хорошей пахоты является результатом естественных процессов почвообразования, обеспечиваемых деятельностью корней растений, микроорганизмов, дождевых червей и других полезных организмов. Такие стабильные агрегаты распадаются во время обработки почвы/посадки и легко обеспечивают хорошую пахоту. [4] Почвенная биота и органическое вещество работают в унисон, связывая почвенные агрегаты и устанавливая естественную почвенную устойчивость – почвенную углеродную губку. Экссудаты корней растений питают бактерии, которые выделяют внеклеточные полисахариды (EPS), и питают рост грибковых гиф, чтобы сформировать почвенную углеродную губку с диспергированными глинистыми частицами. Эти активные процессы формирования пахоты способствуют формированию и стабилизации структуры почвы. [3] Полученная структура почвы снижает прочность на разрыв и плотность почвы, при этом все еще образуя почвенные агрегаты посредством своих абиотических/биотических механизмов связывания, которые противостоят разрушению при насыщении водой. Сети грибковых гиф могут установить роль переплетения с EPS и ризодепозицией, тем самым улучшая стабильность агрегата. [3] Однако эти органические материалы сами по себе подвержены биологической деградации, требуя активных добавок с органическим материалом и минимальной механической обработки почвы. [4] Качество пашни в значительной степени зависит от этих естественных процессов связывания между биотическими микроорганизмами и абиотическими частицами почвы, а также от необходимого поступления органического вещества. Все компоненты в этой естественной связующей сети должны поставляться или управляться в сельском хозяйстве, чтобы обеспечить устойчивость их присутствия в течение вегетационных периодов.
Севооборот может помочь восстановить пашню в уплотненных почвах . Этому способствуют два процесса. Во-первых, ускоренное разложение органического вещества от обработки почвы заканчивается под дерном. Другой способ достижения этого - земледелие с нулевой обработкой почвы . Во-вторых, дерны из злаковых и бобовых культур развивают обширные корневые системы, которые постоянно растут и отмирают. Мертвые корни являются источником активного органического вещества, которое питает почвенные организмы, создающие агрегацию - почвенную углеродную губку. Полезным организмам необходимы постоянные поставки органического вещества для поддержания себя, и они откладывают переваренные материалы на почвенных агрегатах и тем самым стабилизируют их. Кроме того, живые корни и симбиотические микроорганизмы (например, микоризные грибы) могут выделять органические материалы, которые питают почвенные организмы и помогают в агрегации. Таким образом, дерновые культуры из злаковых и бобовых культур откладывают больше органического вещества в почву, чем большинство других культур. [4]
Некоторые ежегодные севооборотные культуры, такие как гречиха, также имеют плотную, мочковатую корневую систему и могут улучшить пахоту. Смеси культур с различными корневыми системами могут быть полезными. Например, красный клевер, посеянный в озимую пшеницу, обеспечивает дополнительные корни и более богатое белком органическое вещество почвы. [4]
Другие культуры севооборота более ценны для улучшения подпочвы. Многолетние культуры, такие как люцерна, имеют сильные, глубокие, проникающие стержневые корни, которые могут проталкиваться через твердые слои, особенно во влажные периоды, когда почва мягкая. Эти глубокие корни прокладывают пути для воды и будущих корней растений, а также производят органическое вещество почвы. [4]
Севооборот может продлить период активного роста по сравнению с обычными пропашными культурами, оставляя больше органического материала. Например, в севообороте кукуруза-соя активный рост происходит 32% времени, в то время как севооборот сухие бобы-озимая пшеница-кукуруза активен 72% времени. Такие культуры, как рожь , пшеница , овес , ячмень , горох и травы прохладного сезона активно растут поздней осенью и ранней весной, когда другие культуры неактивны. Они полезны как в севообороте, так и в качестве покровных культур, хотя интенсивная обработка почвы может свести на нет их эффект. [4]
Методы управления почвой , необходимые для поддержания пахоты, зависят от типа почвы. Песчаные и гравийные почвы по своей природе лишены мелких пор и поэтому подвержены засухе, тогда как суглинки и глины могут удерживать и, таким образом, снабжать сельскохозяйственные культуры большим количеством воды. [4]
Песчаная почва имеет меньшую способность удерживать воду и питательные вещества. Вода применяется чаще и в меньших количествах, чтобы избежать ее выщелачивания и переноса питательных веществ ниже корневой зоны. Регулярное внесение органических веществ увеличивает способность песчаной почвы удерживать воду и питательные вещества в 10 раз и более. [2]
Глинистые почвы не имеют крупных пор, что ограничивает движение как воды, так и воздуха. Во время орошения или дождей ограниченное большое поровое пространство в мелкозернистых почвах быстро заполняется водой, что снижает уровень кислорода в почве. В дополнение к обычному внесению органических веществ, микроорганизмы и дождевые черви оказывают важную помощь в обработке почвы. Поскольку микроорганизмы разлагают органические вещества, частицы почвы связываются в более крупные агрегаты, увеличивая большое поровое пространство. Глинистые почвы более подвержены уплотнению почвы, что уменьшает большие поровые пространства. [2]
Такие почвы изначально имеют мало пахоты, особенно после того, как они были нарушены. Добавление органического вещества до 25% по объему может помочь компенсировать это. Например, если пахать на глубину восемь дюймов, добавьте два дюйма органических материалов. [2]