Вспашка — это физическое состояние почвы, особенно в отношении ее пригодности для посадки или выращивания сельскохозяйственных культур. К факторам, определяющим обработку почвы, относятся образование и устойчивость агрегированных почвенных частиц , содержание влаги, степень аэрации, биота почвы , скорость инфильтрации и дренажа воды. Форма обработки почвы может быстро меняться в зависимости от факторов окружающей среды, таких как изменения влажности, обработки почвы и внесения изменений в почву . Целью обработки почвы (механических манипуляций с почвой) является улучшение обработки почвы и тем самым увеличение урожайности сельскохозяйственных культур; Однако в долгосрочной перспективе традиционная обработка почвы, особенно вспашка, часто дает противоположный эффект, вызывая окисление, разрушение и уплотнение углеродной губки почвы . [1]
Почва при хорошей обработке рыхлая, с большими порами для проникновения воздуха и движения воды. Корни растут только там, где обработка почвы обеспечивает достаточный уровень кислорода в почве. Такая почва также содержит достаточный запас воды и питательных веществ. [2]
Обработка почвы , внесение органических удобрений , внесение удобрений и орошение могут улучшить урожайность, но при чрезмерном использовании могут иметь противоположный эффект. [2] Севооборот и покровные культуры могут восстановить углеродную губку почвы и положительно повлиять на обработку почвы. Комбинированный подход может привести к наибольшему улучшению. [ нужна цитата ]
Хорошая обработка почвы имеет сбалансированное соотношение между прочностью на разрыв и рыхлостью агрегатов почвы , при этом она имеет стабильную смесь совокупных частиц почвы, которые можно легко разбить мелкой неабразивной обработкой. Высокая прочность на разрыв приведет к образованию крупных сцементированных комьев уплотненной почвы с низкой рыхлостью. Правильное управление сельскохозяйственными почвами может положительно повлиять на агрегацию почвы и улучшить качество обработки почвы. [3]
Агрегация положительно связана с вспаханностью. В почвах с более мелкой текстурой агрегаты, в свою очередь, могут состоять из более мелких агрегатов. Агрегация подразумевает наличие значительных пор между отдельными агрегатами. [4]
Агрегация важна в подпочве, слое ниже обработки. Такие агрегаты включают в себя более крупные (от 2 до 6 дюймов) блоки почвы, более угловатые и не такие отличительные. Эти агрегаты менее подвержены биологической активности, чем пахотный слой. Подповерхностные агрегаты важны для роста корней вглубь профиля. Глубокие корни обеспечивают больший доступ к влаге, что помогает в периоды засухи. Грунтовые агрегаты также можно уплотнять, в основном тяжелой техникой на влажной почве. Еще одним существенным источником уплотнения почвы является практика вспашки тракторными колесами по открытой борозде. [4]
Хорошо агрегированная почва имеет различные размеры 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 привести к затоплению растений и увеличению проблем с вредителями. Влажные почвы с дефицитом кислорода усиливают денитрификацию – перевод азота в газообразные формы. В деградированной почве крупные поры сжимаются в мелкие. [4]
Маленькие поры имеют решающее значение для удержания воды и помогают культуре переносить засушливые периоды с минимальными потерями урожая. [4]
Вспаханность почвы естественным образом поддерживается за счет взаимодействия корней растений с почвенной биотой . [5]
Недолговечную почву можно получить путем механических и биологических манипуляций.
В 2021 году мировой объем распаханной почвы оценивается 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 оценивается в 960 км 3 /год. [7]
Механическая обработка почвы, включающая первичную обработку почвы (отвальная или чизельная вспашка) с последующей вторичной обработкой (дискование, боронование и т. д.), рыхление и аэрацию почвы. Механическое движение и интенсивные методы обработки почвы отрицательно влияют на агрегаты почвы, рыхлость, пористость почвы и объемную плотность почвы. Когда почвы деградируют и уплотняются, такая практика обработки почвы часто считается необходимой. Однако почва, создаваемая вспашкой, имеет тенденцию быть нестабильной , поскольку агрегация достигается в результате физического воздействия на почву, которое недолговечно, особенно после многих лет интенсивной обработки почвы. [4] Уплотнение почвенных агрегатов также может привести к снижению биоты почвы из-за низкого уровня кислорода в верхнем слое почвы. Получающаяся в результате высокая объемная плотность почвы приводит к снижению инфильтрации воды из-за осадков или обычного орошения (поверхностное, спринклерное, центральное орошение); в свою очередь, ряд процессов естественным образом приведет к эрозии и растворению мелких частиц почвы и органических веществ. [8] Последствия этих процессов циклически требуют более интенсивной обработки почвы и вмешательства, поэтому методы обработки почвы могут нарушить биологические механизмы, которые стабилизируют структуру почвы, углеродную губку почвы и качество почвы. [9]
Предпочтительным сценарием хорошей обработки почвы является результат естественных процессов формирования почвы, обеспечиваемых деятельностью корней растений, микроорганизмов, дождевых червей и других полезных организмов. Такие стабильные агрегаты распадаются во время обработки почвы/посадки и легко обеспечивают хорошую обработку почвы. [4] Почвенная биота и органическое вещество работают в унисон, связывая почвенные агрегаты и обеспечивая естественную стабильность почвы – почвенную углеродную губку. Экссудаты корней растений питают бактерии, которые выделяют внеклеточные полисахариды (ЭПС), и способствуют росту грибковых гиф, образуя почвенную углеродную губку с диспергированными частицами глины. Эти активные кулообразовательные процессы способствуют формированию и стабилизации структуры почвы. [3] Полученная структура почвы снижает прочность на растяжение и объемную плотность почвы, при этом все еще образуя почвенные агрегаты за счет абиотических/биотических механизмов связывания, которые противостоят разрушению во время водонасыщения. Сети гиф грибов могут выполнять роль сцепления с ЭПС и ризоотложения, тем самым улучшая агрегативную стабильность. [3] Однако эти органические материалы сами по себе подвержены биологическому разложению, что требует активных добавок с органическими материалами и минимальной механической обработки почвы. [4] Качество обработки почвы во многом зависит от этих естественных процессов связывания между биотическими микроорганизмами и абиотическими частицами почвы, а также от необходимого поступления органических веществ. Все составляющие этой естественно связанной сети должны поставляться или управляться в сельском хозяйстве, чтобы обеспечить устойчивость их присутствия в течение вегетационного периода.
Севооборот может помочь восстановить урожайность на уплотненных почвах . Два процесса способствуют этому выигрышу. Во-первых, под дерновой культурой заканчивается ускоренное разложение органических веществ из почвы. Другой способ добиться этого – использование нулевой обработки почвы . Во-вторых, травы и бобовые имеют обширную корневую систему, которая постоянно растет и отмирает. Отмершие корни служат источником активного органического вещества, которое питает почвенные организмы, образующие агрегации, – почвенную углеродную губку. Полезные организмы нуждаются в постоянном поступлении органического вещества для поддержания своего существования, и они откладывают переваренные материалы в почвенные агрегаты и тем самым стабилизируют их. Кроме того, живые корни и симбиотические микроорганизмы (например, микоризные грибы) могут выделять органические вещества, которые питают почвенные организмы и способствуют агрегации. Поэтому травяные и бобовые дерновые культуры откладывают в почву больше органических веществ, чем большинство других культур. [4]
Некоторые культуры однолетнего севооборота, такие как гречиха , также имеют плотную, волокнистую корневую систему и могут улучшить урожайность. Могут быть полезны смеси культур с разной корневой системой. Например, красный клевер , посеянный в озимую пшеницу, дает дополнительные корни и более богатое белком органическое вещество почвы. [4]
Другие культуры севооборота более ценны для улучшения недр. Многолетние культуры, такие как люцерна, имеют сильные, глубокие, проникающие стержневые корни, которые могут проникать сквозь 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 после себя больше органического материала. Например, в севообороте кукуруза-соя активный рост происходит в 32% времени, а в севообороте фасоль-озимая-кукуруза активен в 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 качестве севооборота, так и в качестве покровных культур, хотя интенсивная обработка почвы может свести на нет их эффект. [4]
Методы управления почвой , необходимые для поддержания обрабатываемости почвы, зависят от типа почвы. Песчаные и гравийные почвы от природы лишены мелких пор и поэтому склонны к 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. Воду вносят чаще и в меньших количествах, чтобы избежать ее вымывания и переноса питательных веществ ниже корневой зоны. Регулярное внесение органических веществ увеличивает способность песчаной почвы удерживать воду и питательные вещества в 10 и более раз. [2]
В глинистых почвах отсутствуют крупные поры, что ограничивает движение воды и воздуха. Во время орошения или дождя ограниченное большое поровое пространство в почвах с мелкой текстурой быстро заполняется водой, что снижает уровень кислорода в почве. Помимо регулярного внесения органических веществ, микроорганизмы и дождевые черви оказывают решающую помощь в обработке почвы. По мере того как микроорганизмы разлагают органическое вещество, частицы почвы связываются в более крупные агрегаты, увеличивая большое поровое пространство. Глинистые почвы более подвержены уплотнению почвы, что приводит к уменьшению больших поровых пространств. [2]
Такие почвы изначально мало обрабатываются, особенно после того, как они были нарушены. Добавление органических веществ до 25% по объему может помочь компенсировать это. Например, при обработке почвы на глубину восьми дюймов добавьте два дюйма органических материалов. [2]