Біологія ущільнених грунтів

Ущільнення грунту є поширеною і постійною проблемою для більшості аграріїв. Важкі сільськогосподарські машини можуть створювати постійне ущільнення підґрунтя. Було виявлено, що ущільнення грунту призводить до:

1. обмеження росту коренів;
2. поганої аерації кореневої зони;
3. поганому дренажу, що зменшує аерацію грунту і призводить до зменшення кисню в кореневій зоні.

Обробка підґрунтя

Обробка підґрунтя може вирішити проблеми з ущільненням. Глубокорихлювачі зазвичай працюють на глибинах 30-45 см, зменшуючи ущільнення розпушуванням і збільшуючи інфільтрацію води і аерацію. Розпушування підгрунтя, як правило, підвищує врожайність, але тільки тимчасово, так як з часом відбувається повторне ущільнення в зв’язку з рухом важкої техніки.

Деякі ноу-тілл поля не вимагають розпушування підґрунтя, для інших таких полів розпушування дає збільшення врожайності, особливо якщо рух важкої техніки відбувається постійно. Якщо розпушування видаляє ущільнення, то рух техніки повинен бути контрольованим, інакше ущільнення буде утворюватися знову.

Додаткове ущільнення грунту

Додаткове ущільнення грунту може статися, якщо грунт вологий. У супіщаних грунтах ущільнення утворюється з часом. Два основні чинники впливають на ущільнення грунту – це вплив опадів і сила тяжіння. На дію опадів припадає 70-90 відсотків усього повторного ущільнення (за рахунок фільтрації води через грунт і дії сили тяжіння).

Вартість палива, робоча сила, спеціальна техніка та час робіт роблять процедури по зменшенню ущільнення дорогою операцією. Розпушування в сухих умовах вимагає ще більше палива.

Сприйнятливість до ущільненя

Низький вміст органічної речовини робить грунт більш сприйнятливим до ущільнення. Органічні залишки на поверхні грунту зменшують наслідки ущільнення грунту. Поверхневі органічні залишки здатні стискатися подібно до губки, а потім повертатися назад до своєї нормальної форми. Посилений рух техніки буде руйнувати органічні залишки, а обробка грунту прискорить розкладання органічної речовини.

Вміст органічних залишків в грунтовому профілі може бути навіть важливіше, ніж поверхневі органічні залишки. Органічна речовина (залишки рослин) скріплені з частинками грунту (глинисті частки) захищають частинки грунту від ущільнення. Органічне речовина зв’язує мікроагрегати і макроагрегати в грунті.

Наслідки постійної обробки ґрунту

За останні сто років обробка грунту зменшила органічна речовина більш ніж на 60%, що означає, що приблизно 40% всіх запасів органічного вуглецю залишаються доступними (Доповідь міжнародної групи експертів зі зміни клімату, 1996, 2004). Органічний вуглець забезпечує енергію для ґрунтових мікробів, це сховище для поживних речовин, яке сприяє рециркуляції поживних речовин в грунті.

Гумус

Гумус є найбільш стабільною формою вуглецю в грунті і пов’язує мікрочастинки грунту разом в мікроагрегатами. Гумус не розчинний у воді, він більш стійкий до обробки грунту і розкладання, ніж активний вуглець.

Активний вуглець

Активний вуглець (рослинні цукри і полісахариди) споживається мікробами для отримання енергії. Активний вуглець відновлюють за допомогою обробки грунту. Він є частиною клею, який пов’язує мікроагрегати в макроагрегати. Пористість і аерація грунту, інфільтрація води, а також структура грунту збільшують врожайність при нульового обробітку грунту в системах з постійною присутністю покривної культури. Підвищення макроагрегатов грунту покращує її структуру і знижує об’ємну щільність, зберігаючи частинки грунту від ущільнення.

Формування мікроагрегатів і макроагрегатов

Мікроагрегати – це частинки розміром 20-250 мкм, які складаються з глинистих і мулистих мікроструктур, частинок органічної речовини, залишків рослин і грибів. Ці частинки досить стабільні в розмірах. Коріння і мікроби комбінуються з грунтовими мікроагрегатами для формування макроагрегатов.

Макроагрегати в свою чергу комбінуються в основному з грибами, волокнами коренів і полісахаридами; вони менш стійкі, ніж мікроагрегати. Макроагрегати за розміром більше ніж 250 мкм і саме вони утворюють структуру ґрунту. Ущільнені грунти, як правило, містять більше мікроагрегатів, ніж макроагрегатов.

Гломалін (речовина, яка виконує функції клею і склеює частинки між собою) цементує мікроагрегати разом, для формування макроагрегатов і поліпшення структури грунту. У його склад входить глікопротеїн (амінокислотний полісахарид), який утворюється шляхом об’єднання білків від мікоризних грибів з цукрами від коренів рослин. Він захищає агрегати від дії мікроорганізмів, залишаючи їх неушкодженими.

Мікоризні гриби

Внесок мікоризних грибів в процес агрегації включає три кроки. По-перше, гриби переплітаються з первинними грунтовими частинками, організовуючи і об’єднуючи їх. По-друге, гриби захищають фізично глинисті частинки і залишки органічних сполук, які утворюють мікроагрегати. По-третє, коріння рослин і гриби формують і склеюють мікроагрегати і деякі дрібніші макроагрегати разом, для формування великих макроагрегатов.

Виробництво гломаліна

Для того щоб гломалін (клей) вироблявся, рослини і мікоризні гриби повинні існувати в грунті разом. Виробництво гломаліна має бути безперервно, так як він легко споживається бактеріями і інших мікроорганізмами грунту. Бактерії краще розвиваються в ораних грунтах, тому що вони більш витривалі і за розмірами менше ніж гриби.

Гриби живуть довше і мають потребу в більш стабільних умовах, щоб вижити. Гриби ростуть краще при нульовому обробітку грунту з постійним джерелом вуглецю і хорошою покривною культурою. Оскільки вони не так добре ростуть в просапних грунтах, відповідно в них утворюється менше гломаліна і утворюються менше макроагрегатов.

Менша кількість макроагрегатів пов’язана з поганою структурою і ущільненням ґрунту. Таким чином, ущільнення грунту є біологічною проблемою, пов’язаною зі скороченням виробництва полісахаридів і гломаліна в грунті, а також з відсутністю мікоризних грибів у грунті.

Також на виробництво гломаліна безпосередньо впливає активність коренів. У типовій сівозміні кукурудза-соя активні корені присутні лише третину часу. Додавання покривних культур збільшує виробництво полісахаридів і гломаліна, а також збільшує мікоризні популяції грибів у зв’язку зі стабільним джерелом харчування.

Поверхнева і підгрунтова обробки

Поверхнева і підгрунтова обробки можуть усунути ущільнення грунту, але тимчасово. Обробка грунту збільшує вміст кисню в грунті, при цьому зменшується виробництво гломаліна і амінокислотних полісахаридів за рахунок зниження виділень корінням рослин і мікоризних грибів. Відповідно, ущільнення грунту є результатом відсутності активних коренів, а також відсутності мікоризних грибів, які виробляють гломалін.

У грунті з хорошою структурою виробництво гломаліна відбувається кожні 5-7 днів, який обволікає і склеює грунтові частки. Зруйновані грунти містять менше грибів і більше бактерій, і відповідно більше мікроагрегатів, ніж макроагрегатов. Важка техніка (машини) з’єднують мікроагрегати разом, при цьому вони можуть зв’язуватися разом хімічно, ущільнюючи грунт. Утворення макроагрегатов покращує структуру ґрунту, таким чином, ущільнення грунту може бути зведене до мінімуму. Таким чином, ущільнення грунту має біологічну складову.

Причини розпаду макроагрегатов

Культивація грунтів і проливні дощі сприяють розпаду макроагрегатов, які утворюють структуру ґрунту. Фермери, які використовують важке дискування або оранку руйнують структуру ґрунту розбиваючи макроагрегати, і тим самим втрачають з грунту гломалін, полісахариди і вуглець. Більше 90% вуглецю в грунті пов’язано з мінеральної фракцією (Джастроу і Міллер, 1997).

Гломалін і полісахариди споживаються популяціями бактерій, які розмножуються при високому рівні кисню в грунті і наявності поживних речовин від органічної речовини. Як результат, такий грунт складається в основному з мікроагрегатів і грудок ущільненого ґрунту. Ґрунти, що складаються в основному з мікроагрегатів, запобігають інфільтрації води, в зв’язку з відсутністю макропор в грунті; таким чином, вода має тенденцію до накопичення на поверхні ґрунту.

Сільськогосподарська система, яка поєднує в собі безперервне використання покривних культур з постійною довгостроковій ноу-тілл технологією – це система, яка точно імітує природну, природну систему і повинна сама відновлювати структуру і продуктивність ґрунту. Така система захищає ґрунт від ущільнення в п’яти основних напрямках:

• По-перше, поверхня ґрунту діє як губка, для кращого протидії вазі важкої техніки.

• По-друге, коріння рослин створюють порожнечі і макропори в грунті. Таким чином, повітря і вода можуть просуватися через грунт. Коріння рослин діють як біологічний клапан для регулювання кількості кисню, який надходить в грунт. Грунт потребує кисню для нормального дихання коренів і для підтримки аеробних мікробів у грунті.

• По-третє, коріння рослин є їжею для мікроорганізмів (особливо для грибів) і для представників грунтової фауни, які в процесі життєдіяльності риють грунт і таким чином захищають грунт від ущільнення.

• По-четверте, органічні залишки, які утворюються після розпаду рослин, тварин і мікроорганізмів, легше і мають меншу щільність, ніж частинки глини, мулу і піску. Середня об’ємна щільність органічної речовини грунту близько 0,3-0,6 кг / м3, а середня щільність грунту – 1,4-1,6 кг / м3. Тому додавання органічних залишків в грунт знижує щільність грунту.

• По-п’яте, ущільнення грунту зменшується шляхом об’єднання мікроагрегатів в макроагрегати. Мікроагрегатний частки грунту (глина, мул, частинки органічної речовини) утримуються разом за допомогою гумусу або залишків старіших фракцій органічної речовини, які стійкі до розкладання.

Що таке ком?

Багато фермерів скаржаться, що їх грунт грудкуватий і на ньому важко працювати. Цегла і керамічна черепиця виходять, якщо взяти мокру глину з грунту і нагрівати її, а потім висушити. Коли фермери обробляють землю, вони виконують по суті ті ж процеси: піддають глину грунту впливу сонячного світла, нагрівають її і сушать, поки вона не стає жорсткою і не перетворюється в ком.

Обробка грунту окисляє грунт і призводить до збільшення мікробного розкладання органічних залишків. Органічні залишки утримують глинисті частки від хімічного зв’язування. Глинисті грунти, які знаходяться під захистом органічних залишків і залишаються вологими, чинять опір утворенню грудок, тому що волога і органічні залишки фізично розділяють частки глини.

Створення структури грунту

Створення структури грунту відбувається на подобі того, як будується будинок. Мати Природа – це архітектор, а рослини і мікроби – теслі. Кожен будинок повинен починається з гарного фундаменту: цеглини (у грунті – глина, пісок і мулу) і цемент (в грунті – катіони кальцію, магнію і калію). Коли зовні будинок вже оформлений, дерев’яні бруси різних розмірів, крокви і дошки використовуються для створення внутрішніх кімнат (як коріння різного розміру в грунті). Таким чином, створюється структура грунту – простір, де знаходяться жителі: рослини, мікроби і різна грунтова фауна.

Стіни і полки в будинку утримуються разом цвяхами різних розмірів (гумус) і шурупами (органічні залишки на глинистих частинках). Будинок має фігурні дужки для стабільності (азот і сірка) і дах, для контролю температури і вологості.

У грунті, глибокий шар поверхневих залишків контролює надходження кисню і інфільтрацію води. Дах захищає будинок і регулює температуру, також як і залишки на поверхні грунту зберігають температуру ґрунту в зручному діапазоні для її жителів (мікроби і коріння рослин). Кореневі виділення утворюють полісахариди і гломалін, для ізолювання частинок грунту і склеювання макроагрегатов. Якщо дах на будинку зруйнується, то волога і холодне повітря можуть потрапити в будинок, руйнуючи деревину і розчиняючи клей.

При обробці грунті органічні речовини дуже швидко розкладаються. При цьому утворюється велика кількість кисню і вологи, які руйнують клей (полісахариди і гломалін). Також надлишок кисню в грунті (від обробітку грунту) стимулює зростання бактерій; вони споживають полісахариди в якості їжі, руйнуючи структуру ґрунту. Таким чином, макроагрегати перетворюються в мікроагрегати і грунт ущільнюється.

Кожен домовласник знає, що вдома потребують регулярного обслуговування. У грунті коріння і мікроби (особливо грибні) є теслями, які підтримують їх будинок, постійно виробляючи клей (полісахариди і гломалін), які утримують будинок разом. Регулярна обробка діє як торнадо чи ураган, знищуючи структурну цілісність будинку і вбиваючи його жителів. Обробка грунту окисляє органічні речовини в грунті, знищуючи коріння і активне органічна речовина, в результаті чого структура грунту руйнується. Активні коріння і макроагрегати створюють пористість грунту для переміщення повітря і води через грунт. Ідеальне значення для пористості 50-60% від загального обсягу грунту, а в ущільнених грунтах пористість грунту може бути зменшена до 30-40% від загального обсягу грунту.

Статтю про біологію ущільнених грунтів ви можете прочитати тут