Полезные свойства почвы для растений


Грунт для растений: виды грунта, выбор подходящей почвы

Занимаясь выращиванием цветов дома и на домашних участках, садовод воссоздает условия, максимально приближенные к естественной среде обитания растения. Сложно найти однозначный ответ, какой грунт лучше всего, покупной или приготовленный по собственному рецепту, лучше, когда есть торф в грунте или такой элемент негативно влияет на рост растений, почему одни культуры хорошо растут на определённой почве, а другие на ней же плохо уживаются? В этой статье постараемся разобраться, какие виды грунтов для растений бывают, и научимся правильно подбирать их для своих цветов и растений.

Виды грунтов, преимущества и недостатки

 

Для чего вообще требуется грунт? Он помогает растениям перемещать к корням питательные элементы и воздух. Основные виды грунтов, встречаемые в нашем регионе: песчаная, супесчаная, черноземная, болотистая, глинистая, суглинистая, а также известковая. Каждый вид имеет ряд достоинств и недостатков. Кроме того, редко встретишь чистый состав, зачастую почвы смешиваются, но с превосходством в значительной степени одного из видов. Разберём каждый тип грунта по отдельности, рассмотрим их преимущества и недостатки, а также выявим возможные проблемы каждого грунта, и способы улучшения почвенных участков.

Вам могут пригодиться

 

Песчаная почва

Песчаная почва очень легко узнаваема, так как она сыпучая и запросто пропускает через себя воду, в руках горсть такой земли легко рассыпается. Все ее свойства одновременно и преимущества, и недостатки. Она быстро нагревается, и также быстро остывает. Очень слабо удерживает влагу, в связи с чем такая почва в скором времени остается без воды, а минеральные вещества, предназначенные для растений, стремительно смываются. Малопригодна для выращивания большинства культур без добавления других почв. Чтобы поднять эффективность такого типа земли, требуется регулярно улучшать ее уплотняющие свойства. Частые добавления торфа и перегноя, применение сидератов, хорошее мульчирование уже через несколько лет обеспечивают видимый эффект.

 

Супесчаная почва

Супесчаная почва напоминает по своим признакам песчаную, она схожа с песчаными почвами, но в ней уже содержится достаточное количество глины, чтобы она обладала уплотняющим эффектом и тем самым задерживала в себе минералы и разные полезные вещества. Ее свойства помогают ей быстро согреваться и уже на более долгий срок сохранять воду и тепло. В руках горсть такой земли слипается, но не держит форму. Произрастать на таком грунте может все, что угодно. Это хороший вариант для дачных участков, и даже комнатного садоводства. Но и здесь не будет лишним вносить удобрения.

 

Глинистая почва

Грунт в соотношении 20% песка и 80% глины называют глинистым. Почва глинистого типа также просто определяется, достаточно взять горсть земли в руки, немного добавив воды: если она принимает форму, легко прилипая к рукам, сомнений не останется. По своим плодородным свойствам она плохо впитывает воду, медленно прогревается, через нее практически не проходит воздух. Выращивать культуры в таком грунте является проблематичным. Но если заняться преобразованием земли, выровнять рельеф, периодически добавлять речной песок, известковые примеси, посадить зеленые удобрения сидераты, а также внести органические добавки и обогатить черноземом, она тоже сможет плодоносить. 

 

Суглинистая почва

Неплохой вариант для дачных участков – суглинистая почва. Преимуществом грунта является хорошая проводимость воды и воздуха, а также распределение их в слоях почвы, удержание тепла.В руках такая земля собирается в форму, но при попытке изменить форму, она разваливается. Такой грунт не требует особого ухода или удобрений, так как содержит много элементов в себе, за исключением известковых примесей. Мульчирование грунта поможет длительно сохранять влагу под землей, а регулярное рыхление грунта обеспечит максимальную проходимость воздуху и быстрый прогрев весной.

 

Черноземная почва

Содержит в своем составе от 6-9% основного органического вещества почвы, гумуса. Остальные виды грунтов имеют гумуса в своем содержании не более 4,5%. Чем больше его содержание, тем чернее грунт, откуда и берет свое название и отличительную особенность черноземная почва. Отлично поглощает и удерживает воду. Является лучшим видом грунта для прорастания различных растений, что на дачных участках, что в комнатных условиях. Недостаток чернозема – только его высокая цена.

 

Известковая почва

Следующий тип грунта имеет в себе регулярный недостаток полезных веществ. Известковый грунт имеет светло-коричневый цвет, легко и быстро греется, а также быстро пересыхает, образуя на поверхности твердую корку, мешающую свободному проходу к корням воздуха. А полезные вещества уходят из верхних слоев грунта по причине быстрой проходимости воды через нее, что отрицательно влияет на плодородие. Плохо позволяет растениям брать с нее некоторые вещества. Если на таком грунте попытаться выращивать прихотливые культуры, листья будут желтеть, а рост останавливаться. Реанимировать такой грунт нужно еще постараться, проблемы известковой почвы плохо поддаются коррекции. Необходимо использование суглинистых почв вместе с органическими и калийными удобрениями. Также на такой земле рекомендуется сеять сидераты и применять мульчирующий слой, так как он является наиболее эффективным методом сохранения влаги в известковых почвах.

 

Торфяная почва

Торфяную, или по-другому болотистую, почву, сложно назвать продуктивной, воду она впитывает также быстро, как и отдает, сложно греется, и зачастую имеет повышенный коэффициент кислотности, питательные вещества в них плохо доступны для растений. Отличительной особенностью такого грунта является эффективная задержка минералов в себе. Повысить плодородие грунта можно за счет добавления песка, глубокого взрыхления, а также на особо закисленных областях вносить известковые примеси в землю. Можно создать дренажные системы или канавы, которые будут отводить воду.

Как выбрать подходящий грунт

 

А теперь перейдём к рассмотрению самого главного вопроса, как же выбрать правильный грунт. Решающую роль играют растения. Если у вас целый сад растений, то универсальный грунт будет более или менее подходящим выбором. Но помните, что подбор почвы индивидуально, эффективнее сказывается на росте и здоровье культур.

Почва для комнатных растений

Разберем на примере популярных видов комнатных цветов.

  • Кактусам и суккулентам будет достаточно почвы, в которой малое количество полезных веществ, и хорошая проходимость воды. Половина такого грунта состоит из песка, остальная часть – верховой торф.

 

  • Орхидеи предпочитают в основном земли, где содержатся уголь, мох, а иногда кора и торф. Такая «орхидейная» земля при добавке верхового торфа также подойдет для семейств типа филодендронов, антуриумов и бромелиевых. Грунт под семейство бромелиевые полностью из верхового торфа с добавками земли с листьями и песка.
  • Земля под пальмы должна легко пропускать воздух, в основе лежит тоже верховой торф с большими примесями песка и земли с листьями.
  • Папоротникам нравится почва, которая хорошо пропускает воздух и богата органическими удобрениями. Для создания такого типа земли можно к грунту для кактусов добавить землю, насыщенную органическими удобрениями.

 

  • Грунт для геснериевых – это кислая среда, за основу которой взят верховой торф. Добавьте немного разрыхлителей, песка или вермикулита, а, чтобы лучше держать воду, в почву вносят мох сфагнум.
  • Земля, предназначенная для гардений, должна состоять из песка и верхового торфа с добавлениями земли с листьями или хвоей. При удобрении земли зачастую необходимо применять исключительно кислые смеси.
  • Азалии любят кислую почву, важно, чтобы воздух и влага легко проникали и циркулировали в слоях ее почвы. Создается такой грунт на основе опять же верхового торфа с примесью к нему земли с хвоей.

 

Почва для садовых растений

Теперь перейдем к выбору грунта для дачного участка. Плодородной землей, в особенности для садовых участков является соотношении 50/30/20, где 50% составляет торфяная основа, 30% чернозём и 20% песка. Песок легко пропускает влагу и воздух, а торф задерживает в себе питательные элементы и не даёт уходить влаге. Чернозёмная же земля имеет нейтральную кислотность, в ней большое содержание гумуса, поэтому она выступает как источник полезных элементов для растений. Такая плодородная смесь делает грунт идеальным для роста и развития культур на садовых участках и огородах.

В заключение можно сказать, что на территории нашей страны большое многообразие различных почвенных вариантов. Но с каким бы видом грунта и сложностью вам не пришлось столкнуться на своих участках и в комнатных условиях, помните, что любой грунт можно доработать и усовершенствовать под конкретную культуру вашего сада.

Свойства почвы - Science Learning Hub

Все почвы содержат минеральные частицы, органические вещества, воду и воздух. Комбинации этих факторов определяют свойства почвы - ее текстуру, структуру, пористость, химический состав и цвет.

Текстура почвы

Почва состоит из частиц разного размера. Текстура почвы относится к размеру частиц, из которых состоит почва, и зависит от доли песка, ила, частиц размером с глину и органических веществ в почве.Песчаные почвы кажутся песчаными, если их растереть между пальцами. Ил на ощупь гладкий - немного похож на муку. Большинство глин липкие и пластичные. Если вы когда-нибудь использовали гончарную глину, вы знаете это чувство.

Почвы состоят из различных комбинаций частиц песка, ила и глины. Почвы, представляющие собой смесь песка, ила и глины, называются суглинками. Название почвы часто определяет доминирующую частицу, например, илистый суглинок Тимару описывает почву, в которой преобладает ил. Другими примерами новозеландских почв являются глина Вайкаре и песок Те Копуру.

Текстура почвы может влиять на то, являются ли почвы свободным дренажем, удерживают ли они воду и насколько легко корни растений прорастают.

  • Частицы песка довольно большие. Пористые пространства между частицами в песчаных почвах также довольно большие. Это позволяет воде быстро стекать, а воздуху попадать в почву. Песчаные почвы зимой не переувлажняются, но летом могут быть засухи.
  • Частицы ила слишком малы, чтобы их можно было увидеть глазами. Иловые почвы имеют гораздо меньшие поры, но их намного больше.
  • Частицы глины меньше 0,002 мм в диаметре. Глинистые почвы плохо дренируются и гораздо дольше задерживают воду в своих поровых пространствах. Однако они могут стать очень твердыми, если высохнут.

Структура почвы

Структура почвы описывает способ слипания частиц песка, ила и глины. Органические вещества (разлагающиеся растения и животные) и почвенные организмы, такие как дождевые черви и бактерии, влияют на структуру почвы. Глины, органические вещества и материалы, выделяемые почвенными организмами, связывают частицы почвы вместе, образуя агрегаты.Структура почвы важна для роста растений, регулирует движение воздуха и воды, влияет на развитие корней и влияет на доступность питательных веществ. Почвы хорошего качества рыхлые (рыхлые) и имеют мелкие агрегаты, поэтому почва легко разрушается, если вы ее сдавливаете. Плохая структура почвы имеет крупные, очень плотные комья или вообще ее отсутствие.

Пористость почвы

Пористость почвы относится к порам в почве. Пористость влияет на движение воздуха и воды. Здоровые почвы имеют множество пор между агрегатами и внутри них.На почвах низкого качества мало видимых пор, трещин или ям. Способ обработки почвы может повлиять на ее пористость. Например, посмотрите на районы вокруг вашей школы, по которым ученики регулярно ходят пешком. Если трава стёрта, а почва обнажена, она часто выглядит иначе, потому что она уплотнена, и ее структура и пористость изменены. Это также области, где образуются лужи, потому что вода не может стекать.

Химия почвы

Глины и органические вещества в почве несут отрицательный заряд.Вода в почве растворяет питательные вещества и другие химические вещества. Такие питательные вещества, как калий и аммоний, имеют положительный заряд. Их привлекают отрицательно заряженные органические и минеральные вещества, и это предотвращает их потерю в результате выщелачивания при движении воды через почву. Нитрат имеет отрицательный заряд, поэтому в большинстве почв он не защищен от вымывания.

Почвы могут быть кислыми, щелочными или нейтральными. PH почвы влияет на усвоение питательных веществ и рост растений. Некоторые растения, такие как кумара и картофель, лучше всего растут в более кислой почве (pH 5.0–6,0). Морковь и салат предпочитают почвы с нейтральным pH 7,0. Со временем почва может стать более кислой из-за вымывания минералов. Известь часто добавляют в почву, чтобы сделать ее менее кислой. Загоны Новой Зеландии регулярно покрываются известью для улучшения роста пастбищ.

Цвет почвы

Если вы думали, что все почвы коричневые, подумайте еще раз. Цвета почвы варьируются от черного до красного и белого. Иногда даже может быть синим! Цвет почвы в основном зависит от органических веществ и железа. Верхний слой почвы часто бывает темным из-за органических веществ.Ровный однотонный цвет означает, что почва хорошо дренирована. Напротив, ржавые пятна и серые пятна (иногда даже светло-голубого цвета) указывают на плохой дренаж.

Сопутствующее мероприятие

В этом упражнении учащиеся проводят визуальную оценку почвы, чтобы изучить структуру почвы и найти дождевых червей.

Природа науки

Для научного общения нам необходимо использовать правильные термины, словарный запас и условные обозначения. Одна из конвенций предполагает использование древнегреческих или латинских слов для разработки новых терминов.Например, почвоведение - это научное изучение почв. Название происходит от двух греческих слов - «педон», что означает почва, и «логос», что означает изучение.

Полезные ссылки

Текстура почвы влияет на то, как вода движется через почву. Послушайте, как почвовед Сэм Кэррик обсуждает новый способ изучения движения воды и мочи животных в каменистых почвах Кентербери в этом интервью RNZ.

.

Свойства почвы | Неделя наук о Земле

«Пористость почвы» означает количество пор или открытого пространства между частицами почвы. Поровые пространства могут образовываться из-за движения корней, червей и насекомых; расширение газов, захваченных в этих пространствах грунтовыми водами; и / или растворение исходного материала почвы. Текстура почвы также может влиять на пористость почвы

Есть три основных текстуры почвы: песок, ил и глина. Частицы песка имеют диаметр от 0,05 до 2,0 мм (видимые невооруженным глазом) и песчинки на ощупь.Ил в мокром состоянии гладкий и скользкий на ощупь, а размер отдельных частиц составляет от 0,002 до 0,05 мм (намного меньше, чем у песка). Глина размером менее 0,002 мм становится липкой во влажном состоянии. Различия в размере и форме песка, ила и глины влияют на то, как частицы почвы подходят друг к другу, и, следовательно, на их пористость.

Пористость почвы важна по многим причинам. Основная причина в том, что поры почвы содержат грунтовые воды, которые пьют многие из нас. Другой важный аспект пористости почвы касается кислорода, находящегося в этих поровых пространствах.Всем растениям необходим кислород для дыхания, поэтому для выращивания сельскохозяйственных культур важна хорошо аэрированная почва. Уплотнение строительной техникой или ногами может снизить пористость почвы и отрицательно повлиять на способность почвы обеспечивать кислород и воду.

Материалы

  • Четыре градуированных цилиндра по 100 мл на группу (или мерный стакан и две прозрачные пластиковые бутылки)
  • Мелкий песчаный песок и крупный аквариумный гравий
  • Чистый лист бумаги и что-то для записи
  • Карандаш или ручка
  • Линейка
  • Металлическая ложка или садовая лопата

Процедура

  1. Разделитесь на небольшие группы.На листе бумаги сделайте таблицу данных, подобную приведенной ниже, для каждой группы.
    Тип частиц почвы Объем использованной воды (мл)
    Гравий
    Песок
  2. В каждой группе по четыре градуированных цилиндра, заполните один цилиндр 100 мл песка, один 100 мл гравия и два 100 мл воды.

  3. Обсудите эксперимент. У какого вещества больше порового пространства: гравия или песка? Как вы приняли это решение?

  4. Попросите каждую группу наполнить цилиндр с песком водой (не допускайте перелива воды).Запишите количество использованной воды в таблицу данных.

  5. Повторите шаг 4 с гравием и вторым цилиндром с водой.

  6. Обсудите в группе, что произошло и почему? Была ли ваша первоначальная гипотеза верной?

  7. Перед тем, как покинуть класс, наполните два мерных цилиндра 100 мл воды. Вам также понадобятся бумага, ручки и карандаши для записи наблюдений. Нарисуйте приведенную ниже таблицу данных для каждой группы.


    Площадь исследования Объем использованной воды (мл)
    № 1
    № 2

Найдите место на улице, где разрешено собирать небольшие пробы почвы, и попросите каждую группу выбрать район исследования.

    1. Запишите наблюдения на этом участке съемки. Посмотрите на типы растений, растущие в почве, на признаки дикой природы и т. Д. Находится ли почва в тени или под прямыми солнечными лучами? Набросайте то, что вы видите.

    2. После того, как будут проведены наблюдения в районе исследования, возьмите небольшой образец почвы для определения ее текстуры. Почва влажная или сухая? Если он влажный, ощущается ли он песчаным (песок), гладким и скользким (ил) или липким (глина)? Можете ли вы увидеть и измерить отдельные частицы? Запишите все ваши наблюдения текстуры.

    3. Теперь пусть каждая группа заполнит свой пустой мерный цилиндр 50 мл почвы. Вылейте воду из одного градуированного цилиндра в почву, пока вода не покроет верх. Запишите объем использованной воды в таблице данных рядом с областью исследования №1.

    4. Выберите новую область исследования (если возможно, с другой растительностью). Повторите шаги с 3 по 5 и запишите объем использованной воды в таблице данных рядом с областью исследования № 2.

    5. Вернитесь в класс и обсудите свои результаты: Была ли разница в пористости почвы? Были ли сходства? Для образцов грунта с аналогичной пористостью был ли у них одинаковый состав почвы? Как вы думаете, эти почвы обеспечивают растениям достаточное количество воды и воздуха? Какие виды растений обитают на этих почвах? Похоже, что такие факторы, как солнечный свет или текстура почвы, влияют на пористость почвы?

Для получения дополнительной информации посетите NPS.

.

Biochar: устойчивый подход к улучшению роста растений и свойств почвы

1. Введение

Рост и урожайность сельскохозяйственных культур сильно зависят от различных биотических и абиотических стрессов, таких как вредители, сорняки, засуха, высокая соленость, экстремальные температуры и т. Д. И качество почвы [1]. Почва также загрязнена тяжелыми металлами в результате различных видов деятельности человека [2], что влияет на рост и развитие растений и в конечном итоге приводит к появлению низкоурожайных систем земледелия. Горнодобывающая промышленность - один из важных источников загрязнения почвы тяжелыми металлами [3, 4].Прочность почвы напрямую связана с доступностью питательных веществ. Растения нуждаются в ряде почвенных питательных веществ, таких как азот (N), фосфор (P) и калий (K), для их роста, но уровни питательных веществ в почве могут со временем снизиться после сбора урожая, поскольку питательные вещества не возвращаются в почву. В Индии почва многих регионов испытывает дефицит не только макроэлементов, таких как NPK, но и вторичных питательных веществ (например, серы, кальция и магния) и микроэлементов (например, бора, цинка, меди и железа) [5].Таким образом, для восполнения недостачи в почву вносится большое количество химических удобрений; однако только небольшой процент водорастворимых питательных веществ усваивается растениями, а остальная часть превращается в нерастворимые формы, что делает необходимым непрерывное внесение. Наконец, широкое использование химических удобрений привело к ухудшению состояния окружающей среды, вызывая бесконечные проблемы. Это не только снижает питательный состав сельскохозяйственных культур, но и ухудшает плодородие почвы в долгосрочной перспективе [6, 7].

Помимо удобрений, пестициды также являются основным злом для сельского хозяйства, и неблагоприятное воздействие пестицидов на окружающую среду действительно влияет на микробные свойства почвы. Большое количество удобрений и пестицидов и их длительное сохранение в почве отрицательно влияют на почвенную микрофлору, тем самым нарушая здоровье почвы и значительно сокращая общую бактериальную и грибную биомассу [8]. Из-за длительной обработки неорганическими удобрениями (N и NPK) и / или органическими удобрениями, изменение структурного разнообразия и доминирующих бактериальных групп в сельскохозяйственных почвах было зарегистрировано Wu et al.[9]. С другой стороны, биоудобрения могут активизировать почву за счет повышения ее плодородия и, следовательно, могут использоваться в качестве мощного инструмента устойчивого сельского хозяйства, делая агроэкосистемы более свободными от стресса. Кроме того, внесение органических добавок в почвы с лечебной точки зрения обычно оправдывается их относительно низкой стоимостью, которая обычно требует других форм удаления (захоронение на свалке, сжигание и т. Д.). Поправки в почву должны обладать такими свойствами, как высокая связывающая способность и экологическая безопасность, и не должны отрицательно влиять на структуру почвы, плодородие почвы или экосистему в целом [10].Использование biochar было признано устойчивым подходом и многообещающим способом улучшения качества почвы и удаления из нее тяжелых металлов [11].

Biochar - это богатый углеродом органический материал, органическая добавка и побочный продукт, полученный из биомассы путем пиролиза в условиях высокой температуры и низкого содержания кислорода. Biochar производится с помощью процесса, называемого пиролизом, который в основном включает нагревание биомассы (такой как древесина, навоз или листья) при полном или почти полном отсутствии кислорода с нефтью и газом в качестве побочных продуктов.Однако количество производимых материалов зависит от условий обработки. Недавно появилось сообщение о том, что биоуголь, полученный при карбонизации органических отходов, может быть заменителем, который не только влияет на связывание почвенного углерода, но также изменяет его физико-химические и биологические свойства [12, 13].

Biochar обладает потенциалом экологически чистого производства возобновляемой энергии на фермах. В частности, качество биоугля зависит от нескольких факторов, таких как тип почвы, металл и сырье, используемое для карбонизации, условия пиролиза и количество биоугля, внесенного в почву [14].Кроме того, добавка биоугля в почву оказалась полезной для улучшения качества почвы и сохранения питательных веществ, тем самым увеличивая рост растений [15]. Поскольку biochar содержит органические вещества и питательные вещества, его добавление увеличивает pH почвы, электропроводность (EC), органический углерод (C), общий азот (TN), доступный фосфор (P) и катионообменную способность (CEC) [16]. . Ранее Verheijen et al. [17] сообщили, что применение биоугля влияет на токсичность, перенос и судьбу различных тяжелых металлов в почве из-за улучшенной абсорбционной способности почвы.Присутствие питательных веществ для растений и золы в биоуглях и его большая площадь поверхности, пористая природа и способность действовать в качестве среды для микроорганизмов были определены как основные причины улучшения свойств почвы и увеличения поглощения питательных веществ растения в почвах, обработанных биоуглями [18]. Чан и др. [19] сообщили, что применение биоугля уменьшило прочность на разрыв стержней почвы, указывая на то, что использование биоугля может снизить риск уплотнения почвы. О преимуществах инокуляции ризобактерий в почве уже много говорилось, но добавление биоугля также может обеспечить почву большим количеством питательных веществ, что принесет пользу сельскохозяйственным культурам.Смешивание микроорганизмов, способствующих росту растений, с biochar было названо Saxena et al. Лучшей комбинацией для роста и урожайности французских бобов. [20].

Добавление биоугля в почву может быть чрезвычайно полезным для улучшения качества почвы, а также для стимуляции роста растений, и, таким образом, биоуголь может играть важную роль в развитии устойчивой системы сельского хозяйства. Некоторые виды использования и положительные эффекты добавки biochar в настоящее время рассматриваются как эффективный метод восстановления загрязненной почвы [21] и достижения высоких урожаев без вреда для окружающей среды.Положительное влияние biochar на рост растений и качество почвы предполагает, что использование biochar является хорошим способом преодоления дефицита питательных веществ, что делает его подходящей техникой для улучшения круговоротов питательных веществ в масштабе фермы. Таким образом, все внимание уделяется изучению положительного воздействия поправки на биочар на стабильность почвы и стимулирование роста растений.

2. Производство и свойства Biochar

Biochar состоит из таких элементов, как углерод, водород, сера, кислород и азот, а также минералов из золы.Он образуется во время пиролиза, термического разложения биомассы в среде с ограниченным содержанием кислорода. Biochar - черный, высокопористый и мелкозернистый, с легким весом, большой площадью поверхности и pH, все это положительно влияет на его внесение в почву. Чтобы решить главную проблему деградации сельскохозяйственных почв, в почву вносят биоуголь, чтобы улучшить ее качество. Biochar - это стабилизированная биомасса, которую можно смешивать с почвой с намеренным изменением свойств атмосферы почвы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и уменьшения загрязнения.Используемое сырье (биомасса) и параметры обработки определяют свойства biochar.

2.1 Биомасса как сырье

В качестве сырья для производства биоугля подходит широкий спектр органических материалов. Biochar можно производить из таких сырьевых материалов, как трава, коровий навоз, древесная щепа, рисовая шелуха, пшеничная солома, корневище маниоки и другие сельскохозяйственные остатки [22, 23]. Сообщалось, что производство биоугля с высоким содержанием питательных веществ зависит от типа используемого сырья и условий пиролиза [24].Biochar производится из остаточных биомасс, таких как растительные остатки, навоз, древесные остатки, леса и зеленые отходы с использованием современной технологии пиролиза. Отходы сельского хозяйства (кора, солома, шелуха, семена, кожура, жмых, опилки, скорлупа орехов, стружка, подстилки для животных, початки кукурузы и стебли кукурузы и т. Д.), Промышленные отходы (жмых, зерно дистилляторов и т. Д.) И городские / Бытовые отходы [25, 26] широко используются, что также позволяет управлять отходами посредством их производства и использования [27].

Сырье, используемое в настоящее время в промышленных масштабах, включает кору деревьев, древесную щепу, остатки урожая (ореховую скорлупу, солому и рисовую шелуху), траву и органические отходы, включая зерно дистилляторов, жмых от промышленности сахарного тростника, отходы заводов, куриный помет. , молочный навоз, осадок сточных вод и бумажный осадок [28, 29, 30].Выход биоугля из соломы кукурузы составил 40 мас.%. Peterson et al. [31].

Биомасса, используемая для производства биоугля, в основном состоит из полимеров целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина [32]. Среди них было обнаружено, что целлюлоза является основным компонентом большинства биомасс растительного происхождения, но лигнин также важен для древесной биомассы.

2.2 Производство Biochar

Biochar можно производить в небольших масштабах с использованием недорогих модифицированных печей или обжиговых печей или путем крупномасштабного и дорогостоящего производства, в котором используются более крупные пиролизные установки и большее количество сырья.Biochar производится из нескольких видов сырья биомассы путем пиролиза, как обсуждалось выше, с образованием нефти и газов в качестве побочных продуктов [33]. Полученные сухие отходы перед использованием просто нарезают на мелкие кусочки размером менее 3 см. Сырье нагревается либо без кислорода, либо с небольшим количеством кислорода при температурах 350–700 ° C (662–1292 ° F). Пиролиз обычно классифицируют по температуре и продолжительности нагрева; быстрый пиролиз происходит при температурах выше 500 ° C и обычно занимает несколько секунд (скорость нагрева ≥ 1000 ° C / мин).Это условие максимизирует производство биомасла. С другой стороны, медленный пиролиз обычно требует больше времени, от 30 минут до нескольких часов для полного пиролиза сырья (скорость нагрева ≤ 100 ° C / мин) и в то же время дает больше биоугля. Диапазон температур составляет 250–500 ° C [34].

Тип производимого биоугля зависит от двух переменных: используемой биомассы, температуры и скорости нагрева. Высокие и низкие температуры однозначно влияют на урожайность угля. Было замечено, что при низкой температуре (<550 ° C) биоугля имеет структуру аморфного углерода с более низкой ароматичностью, чем биоуголь, полученный при высокой температуре [35].Высокая температура приводит к снижению выхода полукокса во всех реакциях пиролиза [36]. Peng et al. [37] сообщили о влиянии продолжительности обугливания на выход biochar; выход показывает уменьшение с увеличением продолжительности при той же температуре. Процесс пиролиза серьезно влияет на качество биоугля и его потенциальную ценность для сельского хозяйства с точки зрения агрономических показателей или связывания углерода. Выход биоугля в результате медленного пиролиза биомассы находится в диапазоне 24–77% [38, 39] (Рисунок 1).Процесс пиролиза можно представить следующим образом:

BiomassSolid → Biochar + Жидкие или нефтяные смолы, вода и т. Д. + Летучие газыCO2, CO, h3E1

Рисунок 1.

Производство Biochar из различных биомасс.

2.3 Физические, химические и биологические свойства biochar

Biochar является стабильной формой углерода и может сохраняться в почве в течение тысяч лет [40]. Его производят с целью добавления в почву как средства связывания углерода и улучшения качества почвы.Условия пиролиза и используемые материалы могут существенно повлиять на свойства biochar. Физические свойства biochar способствуют его функции как инструмента управления окружающей средой. Сообщалось, что когда biochar используется в качестве улучшения почвы, он стимулирует плодородие почвы и улучшает качество почвы за счет увеличения pH почвы, увеличения способности удерживать влагу, привлечения большего количества полезных грибов и других микробов, улучшения способности катионного обмена и сохранение питательных веществ в почве [41].Biochar снижает плотность почвы и ее твердение, увеличивает аэрацию почвы и способность к катионообмену, а также изменяет структуру и консистенцию почвы за счет изменений физических и химических свойств. Это также помогает восстанавливать деградированные почвы. Он продемонстрировал большую способность адсорбировать катионы на единицу углерода по сравнению с другими органическими веществами почвы из-за большей площади поверхности, отрицательного поверхностного заряда и плотности заряда [42], тем самым предлагая возможность повышения урожайности [43].Образцы с достаточным количеством стабильного углерода могут быть добавлены в почву для связывания; высокая сорбционная поверхность biochar может охарактеризовать его как почвенную добавку, способную задерживать элементы риска в почве.

Физические характеристики biochar прямо или косвенно связаны с тем, как они влияют на почвенные системы. Почвы имеют свои собственные физические свойства в зависимости от природы минеральных и органических веществ, их относительных количеств и того, как минералы и органические вещества связаны.Когда biochar присутствует в почвенной смеси, его вклад в физическую природу системы является значительным, влияя на глубину, текстуру, структуру, пористость и консистенцию за счет изменения площади поверхности, распределения пор и размеров частиц, плотности и упаковки. [44]. Влияние биоугля на физические свойства почвы напрямую влияет на рост растений, поскольку глубина проникновения и доступность воздуха и воды в корневой зоне определяется в основном физическим составом почвенных горизонтов.Это влияет на реакцию почвы на воду, ее агрегацию и работоспособность при подготовке почвы, ее динамику и проницаемость при набухании, а также на способность удерживать катионы и реакцию на изменения температуры окружающей среды. Чем меньше поры на biochar, тем дольше они могут удерживать капиллярную воду почвы. Добавление биочара может уменьшить влияние засухи на урожайность сельскохозяйственных культур в районах, пострадавших от засухи, благодаря его способности удерживать влагу. Было показано, что он устраняет почвенные ограничения, ограничивающие рост растений, и нейтрализует кислую почву из-за ее основной природы [45].Углекислый газ и кислород занимают заполненные воздухом пространства на порах biochar или могут хемосорбироваться на поверхности. Поскольку биочар может содержать питательные вещества, микроорганизмы и синтез-газы, он также может удерживать удобрения в почве дольше, чем другие почвы, и предотвращать его попадание в водные источники, такие как реки и озера.

Что касается химических свойств, биочар снижает кислотность почвы за счет повышения pH (также называемого эффектом известкования) и помогает почве удерживать питательные вещества и удобрения [46].Применение biochar улучшает плодородие почвы за счет двух механизмов: добавления в почву питательных веществ (таких как K, в ограниченной степени P и многих микронутриентов) или удержания питательных веществ из других источников, включая питательные вещества из самой почвы. Однако главным преимуществом является сохранение питательных веществ из других источников. В большинстве случаев добавление biochar оказывает положительное влияние на рост сельскохозяйственных культур только при использовании питательных веществ из других источников, таких как неорганические или органические удобрения. Biochar увеличивает доступность C, N, Ca, Mg, K и P для растений, потому что biochar поглощает и медленно выделяет удобрения [47].Это также помогает предотвратить дренаж и вымывание удобрений, позволяя меньше использовать удобрения и уменьшая сельскохозяйственное загрязнение окружающей среды [48]. Biochar смягчает воздействие вредных пестицидов и сложных азотных удобрений на почву, тем самым уменьшая воздействие на окружающую среду.

Хорошая здоровая почва должна включать в себя большое и сбалансированное разнообразие форм жизни, включая бактерии, грибы, простейшие, нематоды, членистоногие и дождевые черви. Недавно сообщалось, что биочар увеличивает микробное дыхание почвы, создавая пространство для почвенных микробов [49], что, в свою очередь, увеличивает биоразнообразие почвы и ее плотность.Biochar также служил средой обитания для экстрарадикальных грибных гиф, спорулировавших в микропорах из-за более низкой конкуренции со стороны сапрофитов и, следовательно, служил инокулятом для арбускулярных микоризных грибов [50]. Считается, что биочар имеет длительное среднее время пребывания в почве от 1000 до 10 000 лет, в среднем 5000 лет [51, 52, 53]. Однако его непокорность и физическая природа представляют собой значительные препятствия для оценки долгосрочной стабильности [43]. Коммерчески доступные почвенные микробы, которые могут быть использованы для инокуляции, включают Azospirillum sp., Azotobacter sp., Bacillus thuringiensis , B. megaterium , Glomus fasciculatum , G. mosseae , Pseudomonas fluorescens , Rhizobium sp. И Trichoderma viride [54].

3. Биочар как средство для улучшения почвы

Такие проблемы, как продовольственная безопасность, снижение плодородия почв, изменение климата и прибыльность, являются движущими силами внедрения новых технологий или новых систем земледелия.Улучшение почв для их восстановления направлено на снижение риска переноса загрязняющих веществ в воды или находящиеся поблизости организмы-рецепторы. Органический материал, такой как biochar, может служить популярным выбором для этой цели, потому что его источник является биологическим, и он может применяться непосредственно к почвам с небольшой предварительной обработкой [55]. Есть два аспекта, которые делают добавку biochar превосходящей другие органические материалы: первый - это высокая устойчивость к гниению, так что он может оставаться в почве в течение более длительного времени, обеспечивая долгосрочную пользу для почвы, а второй - имеет большую способность сохранять питательные вещества.Поправка Biochar улучшает качество почвы за счет увеличения pH почвы, влагоудерживающей способности, катионообменной способности и микробной флоры [56].

Добавление биоугля в почву показало увеличение доступности основных катионов, а также концентрации фосфора и общего азота [57, 58]. Как правило, щелочной pH и минеральные компоненты биоугля (зольность, включая N, P, K и микроэлементы) могут обеспечить важные агрономические преимущества для многих почв, по крайней мере, в краткосрочной и среднесрочной перспективе.Когда в почву вносили biochar с более высоким значением pH, измененная почва обычно становилась менее кислой [59]. Кислый биоуголь может также увеличить pH почвы при использовании в почве с более низким значением pH. На pH biochar, как и на другие свойства, влияют тип сырья, температура производства и продолжительность производства.

Еще одно ценное свойство биоугля - подавление выбросов парниковых газов в почву. Это также было продемонстрировано Zhang et al. [60], что выбросы метана и закиси азота были уменьшены из сельскохозяйственных почв, что может иметь дополнительные эффекты смягчения климата, поскольку они являются мощными парниковыми газами.Spokas et al. [61] сообщили о снижении образования диоксида углерода за счет добавления различных концентраций биоугля в диапазоне от 2 до 60% (мас. / Мас.), Подавлении образования закиси азота на уровнях выше 20% (мас. / Мас.) И окислении метана в окружающей среде на всех уровнях. по неизмененной почве.

Несколько исследований показали контроль над болезнетворными микроорганизмами с помощью биоугля в сельскохозяйственных почвах. Bonanomi et al. [62] сообщили, что biochar эффективен как против переносимых воздухом (например, Botrytis cinerea и различные виды мучнистой росы), так и против патогенов, переносимых через почву (например.грамм. Rhizoctonia solani и виды Fusarium и Phytophthora ). Применение биоугля, полученного из древесины цитрусовых, позволяло бороться с переносимой по воздуху серой гнилью, Botrytis cinerea на Lycopersicon esculentum , Capsicum annuum и Fragaria × ananassa . Хотя опубликованных данных о влиянии биоугля на почвенные патогены недостаточно, данные Elmer et al. [63] показали, что борьба с некоторыми патогенами возможна.Добавление biochar в 0,32, 1,60 и 3,20% (мас. / Мас.) В почвы спаржи, зараженные Fusarium , увеличило биомассу растений спаржи и уменьшило заболевание корневой гнилью Fusarium [63]. Аналогичным образом, заболевание корневой гнилью Fusarium у спаржи также уменьшалось с помощью биочара, инокулированного микоризными грибами [64]. Изучение подавления бактериального увядания томатов показало, что биоуголь, полученный из городских органических отходов, снижает заболеваемость в почве, зараженной Ralstonia solanacearum , [65].Огава [66] выступал за использование биочаров и измененных компостов для борьбы с болезнями, вызываемыми бактериями и грибами в почве. Механизм подавления болезни объясняется присутствием соединений кальция, а также улучшением физических, химических и биологических характеристик почвы.

Предотвращение «диффузного загрязнения воды» посредством сорбции аммония или посредничества в динамике почвенного раствора, содержащего нитраты, фосфор и другие питательные вещества, было тщательно изучено.Внесение биоугля в почву может повлиять на широкий спектр почвенных ограничений, таких как высокая доступность Al [67], структура почвы и доступность питательных веществ [24], биодоступность органических [68] и неорганических загрязнителей [69], катионообменная способность (CEC) и удержание питательных веществ [70, 71]. Biochar также может адсорбировать пестициды, питательные вещества и минералы в почве, предотвращая перемещение этих химикатов в поверхностные или грунтовые воды и последующее разложение этих вод в результате сельскохозяйственной деятельности.

Xie et al. [72] сообщили, что поправка biochar увеличила плодородие почвы и урожайность, особенно в почвах с низким содержанием питательных веществ. Однако на почвах с высоким плодородием не наблюдалось заметного увеличения продуктивности, а в некоторых исследованиях даже сообщалось о задержке роста растений. Наблюдения Тагизаде-Туси и др. [73] указали, что аммиак, адсорбированный biochar, может позже попасть в почву. Саарнио и др. [74] показали, что внесение биоугля вместе с удобрениями может привести к лучшему росту растений, но иногда отрицательный эффект наблюдался и без удобрений из-за снижения биодоступности из-за сорбции азота.Было показано, что внесение биоугля в почву оказывает положительное или нейтральное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Следовательно, крайне важно понять механизмы действия biochar в почве перед его применением.

Последствия добавления биоугля для продуктивности растений зависят от добавленного количества. Рекомендуемые нормы внесения для любых изменений почвы должны основываться на обширных полевых испытаниях. В настоящее время данных для получения общих рекомендаций недостаточно.Кроме того, материалы biochar могут сильно различаться по своим характеристикам, поэтому природа конкретного материала biochar (например, pH и зольность) также влияет на норму внесения. В нескольких исследованиях сообщалось о положительном влиянии использования biochar на урожайность с нормой 5–50 тонн с гектара при надлежащем управлении питательными веществами. Эксперименты, проведенные Rondon et al. [75] привели к снижению урожайности в горшочном эксперименте с почвой с дефицитом питательных веществ, дополненной биочаром, из расчета 165 тонн на гектар.Эксперимент, проведенный в Соединенных Штатах, показал, что биоуголь из скорлупы арахиса и сосновой щепы, внесенный в дозу 11 и 22 тонны с гектара, может снизить урожайность кукурузы ниже уровня, полученного на контрольных участках при стандартном использовании удобрений [76]. Таким образом, контроль скорости применения biochar необходим, чтобы предотвратить негативное влияние biochar.

4. Стимуляция почвенной микрофлоры и роста растений

Есть несколько отчетов, которые показывают, что biochar обладает способностью стимулировать почвенную микрофлору, что приводит к большему накоплению углерода в почве.Помимо адсорбции органических веществ, питательных веществ и газов, биохары могут стать средой обитания для бактерий, актиномицетов и грибов [64]. Было высказано предположение, что более быстрое нагревание биомассы (быстрый пиролиз) приведет к образованию биоугля с меньшим количеством микроорганизмов, меньшим размером пор и большим количеством жидких и газовых компонентов [77]. Повышение удержания воды после внесения биоугля в почву было хорошо установлено [78], и это может повлиять на популяции почвенных микробов. Biochar обеспечивает подходящую среду обитания для большой и разнообразной группы почвенных микроорганизмов, хотя взаимодействие biochar с почвенными микроорганизмами является сложным явлением.Во многих исследованиях сообщалось, что добавление biochar вместе со штаммами грибов, солюбилизирующих фосфат, способствовало росту и урожайности растений Vigna radiata и Glycine max с лучшими показателями, чем у контроля или тех, которые наблюдались при раздельном использовании штаммов и biochar [20, 79, 80].

Использование biochar увеличивало рост микоризы в растениях для биотестирования клевера, обеспечивая подходящие условия для колонизации корней растений [81]. Warnock et al. [82] обобщили четыре механизма, с помощью которых biochar может влиять на функционирование микоризных грибов: (i) изменения физических и химических свойств почвы, (ii) косвенное воздействие на микоризу через воздействие других почвенных микробов, (iii) передача сигналов между растениями и грибами. вмешательство и детоксикация токсичных химикатов на biochar, и (iv) обеспечение укрытия от грибовиков.Морковь и бобовые, выращиваемые на крутых склонах и в почвах с pH ниже 5,2, показали значительно улучшенный рост за счет добавления биочара [83]. Было обнаружено, что biochar увеличивал биологическую фиксацию N 2 (BNF) Phaseolus vulgaris [75] в основном за счет большей доступности микронутриентов после применения biochar. Lehmann et al. [58] сообщили, что biochar снижает вымывание NH 4 + , поддерживая его на поверхности почвы, где он был доступен для поглощения растениями.Микоризные грибы часто включались в стратегии управления посевами, поскольку они широко использовались в качестве добавок к почвенному инокуляту [84]. При использовании и биочара, и микоризных грибов в соответствии с практикой управления, очевидно, можно использовать потенциальный синергизм, который может положительно повлиять на качество почвы. Гифы грибов и бактерии, которые колонизируют частицы биоугля (или другие пористые материалы), могут быть защищены от почвенных хищников, таких как клещи, коллемболы и более крупные (> 16 мкм в диаметре) простейшие и нематоды [85, 86, 87].

Biochar может повышать ценность несобранной сельскохозяйственной продукции [88] и способствовать росту растений [58, 89]. Однократное внесение 20 т га –1 biochar в почву колумбийской саванны привело к увеличению урожайности кукурузы на 28–140% по сравнению с неизмененным контролем через 2–4 года после внесения [90]. При добавлении биоугля из расчета 90 г / кг -1 к тропическому ферралсолу с низкой фертильностью не только доля азота, фиксируемого растениями фасоли ( Phaseolus vulgaris ), увеличилась с 50% (без биочара) до 72. %, но также значительно улучшилось производство биомассы и урожай фасоли [75].Когда biochar вносился в почву, более высокий урожай зерна риса с возвышенностей ( Oryza sativa ) был получен на участках северного Лаоса с низким содержанием фосфора [91, 92]. Многие из этих эффектов взаимосвязаны и могут действовать синергетически, повышая урожайность сельскохозяйственных культур. Часто сообщалось об увеличении урожайности, которое напрямую связано с добавлением biochar по сравнению с контролем (без biochar) [58]. Однако в некоторых случаях было обнаружено, что рост замедлен [93].

Прямые положительные эффекты добавления биоугля на доступность питательных веществ в значительной степени связаны с более высоким содержанием калия, фосфора и цинка и, в меньшей степени, кальция и меди [58].В нескольких исследованиях изучалась возможность изменения биочара в почве для воздействия на устойчивость растений к патогенам. Что касается почвенных патогенов, которые, в основном, связаны с воздействием прививок AM-грибов на устойчивость спаржи к почвенному патогену корневой гнили Fusarium , Matsubara et al. [94] продемонстрировали, что добавки с древесным углем подавляли действие патогенов. Еще одно исследование, которое подтвердило эти более ранние результаты, показало, что биоуголь, сделанный из измельченной твердой древесины, добавленной в почву поля спаржи, привел к снижению повреждений корней, вызванных Fusarium oxysporum , F.asparagi, и F. proliferatum по сравнению с неизмененным контролем [95]. Biochar снижает потребность в удобрениях, что приводит к сокращению выбросов при производстве удобрений, а превращение сельскохозяйственных отходов в biochar также снижает уровень метана (еще один мощный парниковый газ), вызванный естественным разложением отходов.

5. Смешивание biochar с другими добавками

Смешивание biochar с другими почвенными добавками, такими как навоз, компост или известь, перед внесением в почву может повысить эффективность за счет сокращения количества требуемых полевых операций.Поскольку было показано, что biochar сорбирует питательные вещества и защищает их от вымывания [70, 96], смешивание biochar может повысить эффективность использования навоза и других добавок. Однако Kammann et al. [97] в своем недавнем обзоре признали, что было доступно очень мало исследований, в которых напрямую сочетались органические добавки с биохарами. Они обнаружили, что совместно компостированные биочары обладают замечательным стимулирующим рост растений эффектом по сравнению с биохарами при использовании в чистом виде, но не проводились систематические исследования, чтобы понять интерактивные эффекты биохаров с непирогенными органическими добавками (NPOA).Biochar также можно смешивать с жидким навозом и использовать в виде навозной жижи. Кроме того, комбинированное применение биоугля и компоста имеет множество преимуществ перед смешиванием биоугля или компоста с почвой по отдельности. Эти преимущества, согласно Liu et al. [98], включают более эффективное использование питательных веществ, биологическую активацию biochar, усиленное снабжение растений питательными веществами за счет биологической фиксации азота, сокращение вымывания питательных веществ и вклад комбинированных питательных веществ по сравнению с однократным применением компоста и biochar .Миниатюрные биочары, скорее всего, лучше всего подходят для этого типа применения. Biochar также смешивали с навозом в прудах, и были зарегистрированы потенциально уменьшенные потери газообразного азота, как и при внесении в почву [99, 100].

6. Заключение

Проблема истощения сельскохозяйственных земель в результате давления, вызванного постоянно растущим населением, потребовала устойчивой практики растениеводства. Было предложено использовать биочар в качестве средства восстановления загрязненной сельскохозяйственной почвы, повышения плодородия почвы за счет снижения кислотности и увеличения доступности питательных веществ.Таким образом, добавление биоугля в почву может быть одним из лучших методов преодоления любого биотического стресса в почве и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Положительное влияние biochar на взаимодействие между почвой, растением и водой привело к улучшению фотосинтетических характеристик и повышению эффективности использования азота и воды. Таким образом, из этого всестороннего обзора можно сделать вывод, что biochar обладает потенциалом для улучшения свойств почвы, численности микробов, биологической фиксации азота и роста растений.Поэтому рекомендуется использовать biochar в качестве удобрения почвы для долгосрочного восстановления стока углерода.

.

Характеристики почвы, воды и сельскохозяйственных культур, важные для планирования полива

Многие сельскохозяйственные культуры в Северной Каролине орошаются в широком диапазоне почвенных условий и методов растениеводства. Эффективное орошение определенной культуры в конкретной почве требует разработки хорошего графика полива.

Планирование полива - это просто знание того, когда поливать и сколько поливной воды следует применять.Эффективный график полива помогает максимизировать прибыль при минимальном использовании воды и энергии. Следующие факторы способствуют разработке работоспособного и эффективного графика полива:

  • Свойства почвы
  • Взаимосвязь почвы и воды
  • вид культуры и ее чувствительность к стрессу засухи
  • стадия развития культуры
  • наличие водопровода
  • климатические факторы, такие как осадки и температура.

В этой публикации представлена ​​основная информация о первых четырех факторах - о покрове, воде и растениях, которые необходимо учитывать при разработке эффективного графика полива. Термины, используемые в этой публикации, кратко изложены во вставке ниже.

Почва состоит из трех основных частей: воздуха, воды и твердых частиц (рис. 1).Твердый компонент образует каркас почвы и состоит из минеральных и органических веществ. Минеральная фракция состоит из частиц песка, ила и глины. Пропорция почвы, занятая водой и воздухом, обозначается как объем пор . Объем пор обычно постоянен для данного слоя почвы, но может быть изменен обработкой и уплотнением. Отношение воздуха к воде, хранящейся в порах, изменяется по мере того, как вода добавляется в почву или теряется из нее. Вода добавляется путем дождя или орошения, как показано на рисунке 2.Вода теряется из-за поверхностного стока, испарения (прямые потери из почвы в атмосферу), транспирации (потери из растительной ткани) и либо просачивания (просачивание в нижние слои), либо дренажа.

Объем пор фактически является резервуаром для удерживания воды. Не вся вода в резервуаре пригодна для растений. На рисунке 3 представлена ​​«влажная» (насыщенная) почва сразу после сильного дождя. Обратите внимание, что все поры заполнены водой. Сила тяжести будет вытягивать часть этой воды вниз через почву под корневой зоной растения.Вода, которая перераспределена на ниже корневой зоны из-за силы тяжести, является гравитационной водой. В целом, гравитационная вода недоступна растениям, особенно в песчаных почвах, потому что процесс перераспределения происходит быстро (за два дня или меньше).


Термины для почвы, воды и растений, используемые при планировании орошения.
Срок Определение
Насыщенность Состояние, при котором все поры почвы заполнены водой.
Объем поля (FC) Содержание воды в почве после того, как сила тяжести высосала или удалила всю воду, которую она могла, обычно через 1–3 дня после дождя.
Гравитационная вода Вода в почве, которая может стекать или перемещаться под действием силы тяжести. Гравитационная вода - это объем воды в почве между насыщением и полевой емкостью. Эта вода обычно не используется растениями.
Распределение (перколяция) Нисходящее движение гравитационной воды по профилю почвы.
Капиллярная вода Вода, оставшаяся в порах почвы после того, как гравитационная вода дренировалась, или свободно удерживается вокруг частиц почвы за счет поверхностного натяжения. Большая часть почвенной воды, доступной растениям, - это капиллярная вода.
Временное увядание Суточный цикл увядания растений днем ​​с последующим восстановлением ночью.
Постоянная точка увядания (PWP) Содержание воды в почве, при котором здоровые растения больше не могут извлекать воду из почвы со скоростью, достаточной для восстановления после увядания. Точка постоянного увядания считается нижней границей доступной для растений воды.
Вода, доступная для растений (PAW) Количество воды, содержащейся в почве, доступной для растений; разница между полевой урожайностью и постоянной точкой увядания.
Отсутствие воды Вода в тонких плотно удерживаемых пленках вокруг частиц почвы; недоступен для растений.
Потенциальная глубина укоренения Наибольшая глубина укоренения, достигаемая корнями сельскохозяйственных культур, в зависимости от типа культуры и независимо от состояния почвы.
Максимальная глубина укоренения Наибольшая глубина укоренения, достигаемая культурой при определенных почвенных условиях.Физические и химические барьеры в почве часто ограничивают фактическую глубину укоренения меньше, чем потенциальная глубина укоренения.
Эффективная глубина корня Верхняя часть корневой зоны, где растения получают большую часть воды. Эффективная глубина укоренения оценивается как половина максимальной глубины укоренения.
Потенциальное испарение (ПЭТ) Максимальное количество воды, которое может быть потеряно в результате эвапотранспирации при заданном наборе атмосферных условий, при условии, что культура покрывает всю поверхность почвы и что количество воды, присутствующей в почве, не ограничивает этот процесс.
Норма водопользования растениями Максимальная дневная норма, с которой культура может извлекать воду из влажной почвы для удовлетворения требований ПЭТ; контролируемая стадия развития культуры.
Уязвимость сельскохозяйственных культур Измерение реакции культуры на единицу стресса.
Объем истощения Количество доступной для растений воды, удаленной из почвы растениями, и испарения с поверхности почвы.
Допустимый объем истощения Количество доступной для растений воды, которое можно удалить из почвы, не оказывая серьезного воздействия на рост и развитие растений.

После завершения процесса перераспределения почва достигает полевой емкости . В этом состоянии он содержит наибольшее количество воды, потенциально доступное растениям. Фактический объем воды, присутствующий при заполнении почвы полевыми культурами, зависит от текстуры почвы.Процедуры оценки емкости поля обсуждаются в публикации расширения AG452-2, «Измерение почвенной воды для планирования орошения: методы и устройства мониторинга ».

Растения получают большую часть воды из капиллярной воды . Это вода, остающаяся в порах почвы после того, как гравитационная вода слилась. Поверхностное натяжение (всасывание) удерживает капиллярную воду вокруг частиц почвы, как показано на рисунке 4. По мере того, как вода удаляется растениями или путем испарения с поверхности почвы, пленки воды, остающиеся вокруг частиц почвы, становятся тоньше и удерживаются почвой. частицы плотнее.

Когда поверхностное натяжение становится высоким, растение не может впитывать оставшуюся воду и приводит к необратимому увяданию. Когда растение удалило всю доступную воду, влажность почвы достигла точки постоянного увядания (PWP), как показано на Рисунке 5.

Вода, доступная для растений , PAW, это объем воды, хранящейся в почвенном резервуаре, который может быть использован растениями. Это разница между объемом воды, накопленной, когда почва заполнена полем, и объемом, оставшимся, когда почва достигает точки постоянного увядания (нижнего предела), как показано на Рисунке 6.

Количество PAW, хранящегося в почвенном резервуаре, обычно выражается как глубина воды на единицу глубины почвы. Типичными единицами измерения являются дюймы PAW на дюйм глубины почвы или дюймы PAW на фут глубины почвы. У разных типов почв разные PAW. Оценки PAW для различных структурных классов почв приведены в опубликованных отчетах почвенных исследований. Эти оценки варьируются от менее 0,05 дюйма PAW на дюйм почвы для крупнозернистых песчаных почв до почти 0,2 дюйма PAW на дюйм почвы для илистых суглинков (Таблица 1).

Свойства почвы, включая PAW, варьируются в пределах поля и от поля к полю даже в пределах одной и той же серии почв. В результате значения, приведенные при обследовании почв, являются средними и не являются хорошей оценкой для конкретного поля.


Таблица 1. Средняя расчетная вода, доступная для растений, для различных структурных классов почвы.
Текстурный класс Вода, доступная для растений (дюймы водяного столба на дюйм почвы)
Крупный песок и гравий 0.02 - 0,05
Песок 0,05 - 0,11
Суглинистый песок 0,09 - 0,15
Суглинок 0,11 - 0,15
Суглинки 0,11 - 0,17
Илистый суглинок 0,11 - 0,18
Суглинок илистый 0,11 - 0,15
Суглинок 0.09 - 0,16
Суглинок супесчаный 0,09 - 0,15
Глина илистая 0,10 - 0,16
Глина 0,10 - 0,16

Рис. 1. Схематическое изображение почвы как динамической системы, состоящей из воздуха, воды и твердых тел.

Рисунок 2. Источник и судьба воды, добавляемой в почвенную систему.

Рисунок 3.Насыщенная (влажная) почва. Все поры (светлые участки) заполнены водой. Темные области представляют твердые частицы почвы.

Рисунок 4. Распределение воды в почве при полевой емкости. Капиллярная вода (слегка заштрихованные участки) в порах почвы доступна растениям.Емкость поля представляет собой верхний предел воды, доступной для растений.

Рис. 5. Распределение воды в почве в точке увядания. Эта вода плотно удерживается тонкими пленками вокруг частиц почвы и недоступна для растений.Точка увядания представляет собой нижний предел доступной для растений воды.

Рисунок 6. Взаимосвязь между водой, доступной для растений, и распределением воды в почве.

По мере того, как растение извлекает воду из почвы, количество PAW, остающихся в почве, уменьшается.Количество PAW, удаленное с момента последнего орошения или дождя, составляет истощенного объема . Решения по графику орошения часто основываются на предположении, что урожай или качество урожая не будут снижены до тех пор, пока количество воды, используемой культурой, не превышает допустимый объем истощения .

Допустимое истощение PAW зависит от почвы и урожая. Например, рассмотрите возможность выращивания кукурузы на супесчаной почве через три дня после проливного дождя. Даже если для хорошего роста растений может быть доступно достаточно PAW, растение может увядать в течение дня, когда потенциальная эвапотранспирация (ПЭТ) высока. Эвапотранспирация - это процесс потери воды из почвы в атмосферу в результате испарения с поверхности почвы и процесса транспирации растений, растущих в почве. Потенциал эвапотранспирация - это максимальное количество воды, которое может быть потеряно в результате этого процесса при заданном наборе атмосферных условий, при условии, что культура покрывает всю поверхность почвы и что количество воды, присутствующей в почве, не ограничивает процесс.

Потенциальная эвапотранспирация контролируется атмосферными условиями и в течение дня выше.Растения должны извлекать воду из почвы, которая находится рядом с корнями. Когда зона вокруг корня начинает высыхать, вода должна двигаться через почву к корню (рис. 7). Дневное увядание происходит из-за высокого содержания ПЭТ и растения поглощает воду быстрее, чем ее можно заменить.

Ночью, когда ПЭТ снижается почти до нуля, вода постепенно перемещается из более влажной почвы в более сухую зону вокруг корней. Растение восстанавливает тургор, прекращается увядание (рисунок 8). Этот процесс увядания днем ​​и восстановления ночью называется временным увяданием .Правильное планирование полива сокращает время временного увядания урожая.

Большинство культур восстанавливаются в одночасье после временного увядания, если будет истощено менее 50 процентов PAW. Следовательно, допустимый объем истощения, обычно рекомендуемый в Северной Каролине, составляет 50 процентов (рис. 9). Однако рекомендуемый объем может варьироваться от 40 процентов или меньше в песчаных почвах до более 60 процентов в глинистых почвах. Допустимое истощение также зависит от типа культуры, стадии ее развития и ее чувствительности к стрессу засухи.Например, допустимое истощение, рекомендованное для некоторых культур, чувствительных к засухе (в частности, овощных культур), составляет всего 20 процентов на критических стадиях развития. Допустимое истощение может приближаться к 70 процентам в некритические периоды для засухоустойчивых культур, таких как соя или хлопок.

Рисунок 7.По мере того, как растение извлекает воду, почва, непосредственно прилегающая к корням (светлые участки), сохнет. Если скорость движения воды из влажных зон меньше, чем у ПЭТ, растение временно увядает.

Рис. 8. Ночью, когда ПЭТ низкий, растение восстанавливается от увядания, поскольку вода перемещается из влажных зон (темных участков), чтобы устранить сухие зоны вокруг корней.

Рис. 9. Взаимосвязь между распределением воды в почве и концепцией планирования орошения, когда 50 процентов PAW истощены.

При разработке рационального графика орошения необходимо учитывать три фактора растений: эффективная глубина укоренения культуры, степень использования влаги и ее чувствительность к стрессу от засухи (то есть степень снижения урожайности или качества урожая из-за стресса засухи).

Эффективная глубина корня

Глубина укоренения - это глубина почвенного резервуара, на которую растение может попасть, чтобы получить PAW. Корни сельскохозяйственных культур неравномерно извлекают воду из всей корневой зоны. Таким образом, эффективная глубина корня - это та часть корневой зоны, где культура извлекает большую часть своей воды. Эффективная глубина укоренения зависит как от растений, так и от свойств почвы.

Влияние растений на эффективную глубину корней. Различные виды растений имеют разную потенциальную глубину укоренения .Потенциальная глубина укоренения - это максимальная глубина укоренения культуры при выращивании во влажной почве без препятствий или ограничений, препятствующих удлинению корней. Потенциальная глубина укоренения большинства сельскохозяйственных культур, важных для Северной Каролины, колеблется от 2 до 5 футов. Например, потенциальная глубина укоренения кукурузы составляет около 4 футов.

Поглощение воды определенной культурой тесно связано с ее распределением корней в почве. Около 70 процентов корней растения находятся в верхней половине максимальной глубины укоренения растения.Более глубокие корни могут извлекать влагу для поддержания жизни растения, но они не извлекают достаточно воды для поддержания оптимального роста. При наличии достаточного количества влаги потребление воды культурой примерно такое же, как ее распределение в корнях. Таким образом, около 70 процентов воды, используемой культурой, поступает из верхней половины корневой зоны (Рисунок 10). Эта зона составляет эффективной глубины корня.

Влияние почвы на эффективную глубину корней. Максимальная глубина укоренения сельскохозяйственных культур в Северной Каролине обычно меньше, чем их потенциальная глубина укоренения, и ограничена химическими или физическими барьерами почвы.Подземные почвы Северной Каролины имеют pH от 4,5 до 5,0, что представляет собой химический барьер для роста корней, как показано на Рисунке 11. Практика известкования редко улучшает pH почвы ниже 2-футовой глубины. Мелкие почвы (почвы сланцевого пояса Каролины) или почвы с уплотненными поддонами (прибрежные равнины) являются примерами почв с физическими барьерами, которые ограничивают проникновение корней ниже глубины плуга (обычно менее 12 дюймов, если не практикуется углубление почвы). Таким образом, например, хотя кукуруза имеет потенциальную глубину укоренения 4 фута, при выращивании в условиях Северной Каролины ее максимальная глубина укоренения составляет около 2 футов.Максимальная глубина укоренения некоторых культур в условиях Северной Каролины приведена в таблице 2.

Эффективная глубина корня - это глубина, которую следует использовать для расчета объема PAW в почвенном резервуаре. Эффективная глубина укоренения для зрелой корневой зоны оценивается как половина максимальной глубины укоренения, указанной в таблице 2. Например, в условиях Северной Каролины максимальная глубина укоренения кукурузы составляет 2 фута; таким образом, максимальная эффективная глубина корня оценивается в 1 фут. Эффективная глубина корней также зависит от стадии развития культуры.Эффективная глубина корней для большинства культур увеличивается по мере роста верхушки, пока не будет достигнута репродуктивная стадия. По истечении этого времени эффективная глубина корня остается постоянной. Максимальная глубина укоренения и эффективная глубина укоренения в зависимости от развития кукурузы показаны на Рисунке 12.


Таблица 2. Максимальная глубина укоренения (в дюймах) орошаемых культур, выращиваемых на почвах Северной Каролины.
12 18
Цветы Горох полевой
Клубника Картофель
Кале Табак
Салат Фасоль
Горчичный Свекла
Шпинат Брокколи
Репчатый лук Капуста
Перец Цветная капуста
Морковь
24 Колларды
Арахис Перец
Кукуруза полевая Репа
Соевые бобы Рутабегас
Спаржа Огурцы
Канталупы Помидоры
Сахарная кукуруза
Баклажаны 30
Окра Люцерна
Арбузы Хлопок

Рисунок 10.Количество воды, извлекаемой растениями, зависит от распределения корня в почве.

Рис. 11. Свойства почвы, влияющие на глубину укоренения растений.

Рисунок 12.Глубина укоренения кукурузы в Северной Каролине на разных стадиях развития. Планирование полива должно основываться на эффективной глубине укоренения, а не на максимальной глубине укоренения.

Часто для планирования полива требуется оценка скорости извлечения PAW.Подход «чековой книжки» часто используется для ежедневного учета добавления и удаления воды. Для передвижных ирригационных систем обычно требуется несколько дней для завершения одного цикла полива. Для составления графика орошения для этих систем следует использовать измерения «почва-вода», но необходимо также оценить продолжающуюся экстракцию PAW во время цикла орошения, чтобы последняя часть поля не стала слишком сухой.

В вышеуказанных ситуациях необходимо оценить уровень водопотребления культурой. Оценки расхода воды для большинства сельскохозяйственных культур можно получить в окружной службе поддержки или в офисах службы охраны почв.Как и в случае с глубиной укоренения, расход воды зависит от стадии развития культуры, как показано на рисунке 13. Например, кукуруза использует воду в три раза быстрее в период опыления (от 65 до 75 дней после посадки, 0,25 дюйма в день. ), как во время стадии по колено (от 35 до 40 дней после посадки, 0,08 дюйма в день).

Рисунок 13.Ежедневное потребление воды кукурузой в зависимости от стадии развития. Решения по графику полива следует корректировать, чтобы отразить изменения в водопотреблении культур в течение вегетационного периода.

Снижение урожайности или качества сельскохозяйственных культур в результате стресса, вызванного засухой, зависит от стадии развития сельскохозяйственных культур.Например, кукуруза наиболее восприимчива к стрессам, вызванным засушливыми условиями на стадии шелушения (рис. 14). При заданном уровне стресса снижение урожайности кукурузы на стадии шелушения будет в четыре раза больше, чем на стадии до колена. С точки зрения урожайности, применение поливной воды при шелковании будет стоить в четыре раза больше, чем если бы такое же количество воды было применено во время стадии по колено. Знание этой взаимосвязи наиболее полезно, когда мощность орошения или водоснабжения ограничены.При нехватке воды полив следует отложить или отменить на наименее восприимчивых стадиях роста сельскохозяйственных культур. Затем эту воду можно зарезервировать для использования на более чувствительных стадиях роста.

Чувствительность кукурузы к сухому стрессу на различных стадиях развития показана на Рисунке 14. Эта зависимость типична для большинства сельскохозяйственных культур, орошаемых в Северной Каролине. Наиболее критический период орошения обычно начинается непосредственно перед репродуктивной стадией и длится от 30 до 40 дней до окончания стадии увеличения плодов или развития зерна.Поскольку к началу репродуктивного периода корневая система полностью развита, необходимо рассчитать количество поливов, чтобы заменить истощенные PAW в эффективной корневой зоне (12 дюймов). Исключение составляют табак и другие пересаженные культуры, полив которых часто назначается сразу после пересадки, чтобы обеспечить приживаемость насаждений.

Если полив запланирован до того, как корневая система сельскохозяйственных культур полностью разовьется, количество полива должно основываться на истощении PAW в пределах фактической эффективной глубины корня во время полива.Например, при поливе, запланированном, когда кукуруза находится на уровне колена (через 35-40 дней после посадки), следует применять только около двух третей воды, чем при поливе, запланированном на стадии метелки (65 дней после посадки), поскольку эффективное укоренение глубина на уровне колена составляет всего две трети глубины (8 дюймов по сравнению с 12 дюймов), как показано на Рисунке 12. Для почв, которые имеют резкие структурные изменения в пределах эффективной глубины корня, такие как текстура поверхности суглинка. на супеси суглинка может потребоваться корректировка для учета различного количества PAW в каждой структуре почвы.Например, расчеты объемов орошения см. В дополнительной публикации AG-452-4, Планирование орошения для повышения эффективности использования воды и энергии .

Рис. 14. Восприимчивость кукурузы к стрессу засухи в зависимости от стадии развития. Чем выше восприимчивость, тем больше снижение урожайности будет результатом сухого стресса.

Базовые знания о взаимоотношениях почвы, воды и растений важны для эффективного планирования полива. Офисы вашей окружной службы по расширению сельскохозяйственных угодий и сохранению почвы готовы помочь в принятии решений по орошению.Их сотрудники знакомы с взаимоотношениями между почвой, водой и растениями и прошли обучение по правильной интерпретации конкретных свойств почвы и сельскохозяйственных культур, важных для планирования полива.

Роберт Эванс
Профессор
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия
Дональд Кассель
Почетный профессор
Земледелие и почвоведение

Дата публикации: 1 июня 1996 г.
AG-452-01

Н.C. Cooperative Extension запрещает дискриминацию и домогательства независимо от возраста, цвета кожи, инвалидности, семейного и семейного положения, гендерной идентичности, национального происхождения, политических убеждений, расы, религии, пола (включая беременность), сексуальной ориентации и статуса ветерана.

.

Смотрите также