CC BY
3УДК 624.131.4: 631.432.23
НОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИТАТЕЛЬНЫХ ГРУНТОВ
У. Шиндлер*1'2, Л. Мюллер1, Ф. Ойленштайн1'2
1 Центр агроландшафтных исследований, г. Мюнхеберг, Гзрмания 2 Международная академия плодородия имени Митчерлиха, Паулиненау, Гзрмания
* Email: schindler.rehfelde@gmail.com
I xi >
Гидрологические свойства, такие как водоудерживающая способность, воздухоемкость, усадка, смачиваемость или гидравлическая проводимость являются важными характеристиками комплексной оценки эффективности садовых субстратов. Общепринятые методы и устройства для количественной оценки гидрологических свойств садовых субстратов устарели. В работе успешно проверена пригодность расширенного метода испарения (ЕЕМ) и связанной с ним системы НТРКОР (анализатора гидравлических свойств) для очень рыхлых садовых субстратов. ЕЕМ и НТРКОР позволяют одновременно проводить эффективное измерение кривой водоудержива-ния и ненасыщенной гидравлической функции субстратов. Кроме того, измеряли способность к усадке и время повторного увлажнения. Была разработана и успешно апробирована рейтинговая основа для оценки гидрологического качества садовых субстратов в рамках сравнения 36 коммерческих питательных грунтов.
Ключевые слова: садовые субстраты, питательные грунты, гидрологические свойства, рейтинговая основа, кривая водоудерживания, ненасыщенная гидравлическая проводимость, водоотталкивающая способность, время проникновения капельной влаги, усадка, расширенный метод испарения (ЕЕМ), НТРКОР.
БОГ 10/25680/819948603.2018.100.15
Садовые субстраты представляют собой специальные среды для садоводства (рис. 1).
Болотный торф - главная основа для создания садовых субстратов (такие компоненты как волокно кокосовой пальмы, перлит, компост и др.), его добавляют, чтобы улучшить субстрат для специального применения в садоводстве [1-3]. Помимо состава питательных веществ, гидрологическая характеристика садовых субстратов является важной основой для оценки их качества в садоводческих целях. Однако информация о гидрологических свойствах субстратов отсутствует на упаковке (рис. 2).
До недавнего времени покупатели субстрата не могли получить информацию о гидрологических свойствах приобретаемого продукта на основании описания его компонентов. В исследованиях [1, 3-5] сделан вывод о недостаточности технологий и методов эффективной физической характеристики и оценки применения субстрата в садоводстве. Документы [3-5] находятся в открытом доступе.
Рис. 2. Состав питательного грунта: 30% торфа, 40 кокосового волокна, 30% перлита
Цели исследования. 1. Оценить возможность использования расширенного метода испарения ЕЕМ [6] и связанного с ним НУРШЭР для количественной оценки кривой водоудерживания и функции гидравлической проводимости на очень рыхлых садовых субстратах. Кроме того, использовать НУРШЭР для определения усадки, а метод оценки времени проникновения капли воды \VDPT [7] протестировать для количественного измерения способности садовых субстратов к повторному увлажнению.
2. Разработать рейтинговую систему оценки качества субстратов, используемых в садоводстве, по их гидрологическим свойствам.
3. Измерить, сравнить и оценить гидрологические свойства и качество 36 имеющихся в продаже субстратов для садоводства.
Материалы и методы. Оценка возможности использования ЕЕМ и НУРЯОР была апробирована на 18 коммерческих садовых субстратах и на 10 минеральных и органических почвах [4]. Один из садовых субстратов не содержал болотного торфа. Образцы почв естественного происхождения были отобраны в районе «Ротен Луч» недалеко от Мюнхберга, Бранденбург, Германия. Глубина взятия образца 80 см. Степень разложения [8] определялась с помощью Н7. Сравнение и оценку качества садоводческих субстратов с точки зрения их гидрологических свойств проводили еще на 36 образцах.
Подготовка образца. Пластиковая труба (диаметр 15 см и высота 65 см) была свободно заполнена субстратом, не доходя 5 см до верхнего края. Воду наливали на поверхность субстрата до тех пор, пока она не появлялась на дне трубы. Трубу помещали на 2 дня в сосуд с уровнем воды 3 см. Субстрат сам гидравлически уплотнялся и через 2 дня достигалось капиллярное равновесие. В это время натяжение в поверхностном слое составляло около 50 гПа. Из трубы был отобран образец верхнего слоя субстрата мощностью 5 см, смешан и свободно помещен в стальной цилиндр НУРРЮР 250 см3. Во время процедуры наполнения субстрат в
цилиндре трамбовали десять раз. Полученный таким образом образец был насыщен и готов для гидрологических измерений с помощью НУРРЮР. Эта процедура описана в [9, 10] и гарантирует высокую воспроизводимость, что обеспечивает сопоставимость гидрологических свойств питательных грунтов с различной влажностью субстратов в упаковке.
Гидравлический критерий. Наиболее важными аспектами являются количество легкодоступной для растений воды (ЕА\¥) (1) и объём воздуха в зависимости от вида культивации (11). Повышение капиллярности (ш) служит дополнительным индикатором для характеристики транспортных свойств. Время повторного смачивания (¡у) и динамика усадки (у) могут отрицательно повлиять на гидрологическое качество субстрата.
Измерение кривой водоудерживания и функции ненасыщенной гидравлической проводимости. ЕЕМ позволяет одновременно измерять кривую водоудерживания и функцию гидравлической проводимости (рис.3). Использование новых кавитационных тензиометров и различного входного давления керамической чашки тен-зиометра позволяет расширить диапазон до точки увядания. Измерения проводили с использованием системы НУРЯОР. НУРЯОР (анализатор гидрологических свойств [11]) является прибором для измерения ЕЕМ. Общее время измерения, зависящее от почвы или субстрата и условий испарения, составляет от 3 до 10 дней. Одновременно можно измерять несколько образцов.
Рис. 3. НУРЯОР для измерения гидрологических свойств субстрата
Способность к повторному увлажнению. В этом исследовании для количественного определения способности к повторному увлажнению использовали метод измерения времени проникновения капли воды (\VDPT [7]). Метод основан на измерении времени, затраченном на проникновение в субстрат капли воды. Используя пипетку, к образцу добавляли одну каплю воды и измеряли время её проникновения. Измерение проводили в разное время в течение эксперимента с испарением, чтобы получить значения \VDPT при напряженности приблизительно 100 гПа. Измерение повторяли 3 раза для вычисления среднего значения. Эта процедура выполняется просто и не требует больших технических усилий.
Измерение усадки. Усадку оценивали во время опыта с испарением. Диаметр поверхности образца измеряли при давлении около 100 гПа с помощью штангенциркуля. Усадка снизу до верхней части образца в этом диапазоне давления линейна [12]. В заключение можно рассчитать усадку образца по приведенному уравнению. Предполагаются изотропные условия.
где Г 5 - объем сжатого образца, di - исходный диаметр образца, - диаметр поверхности образца при 100 гПа, 1ч;, - высота сжатого образца. Более точный, но и более сложный метод описан в [12]. Здесь усадка измеряется онлайн во время процесса испарения.
Результаты и их обсуждение. Кривые водоудержи-вания для всех испытуемых природных минеральных и органических почв и трех садовых субстратов показаны на рисунке 4.
1 1Û 1ÛÛ tOW 10000 1ÛQD0Û
Напряжение, гГа
Рис. 4. Кривые водоудерживаиия природных минеральных и органических почв и трех садовых субстратов (HS)
На основе этих функций могут быть рассчитаны все необходимые воздухо- и влагоемкости для образцов с разным видом культивирования. Садовые субстраты характеризуются особыми параметрами гидрологических функций. Естественные почвы по этим параметрам хуже субстратов и далеки от достижения пороговой величины 10%. Способность к повторному увлажнению большинства субстратов была достаточной, за исключением трех субстратов, для которых пороговое значение времени проникновения капель воды превышало 5 секунд [13]. Усадка субстратов также показала большую изменчивость и колебалась от 0,4 до 9,1 объемных %. Только около половины образцов достигало или превышало пороговое значение для подъема капиллярной влаги до высоты 30 см при скорости 5 ммд"1. Такую же ситуацию можно наблюдать и для минеральных песков (Ls3), и для тяжелого суглинка (Lts).
Рейтинговая система. Гидрологическая рейтинговая система садовых субстратов состоит из двух частей: оценка основных гидрологических свойств почвы и рейтинг ограничений. Легкодоступная для растений вода (EAW) и объем воздуха (воздух) являются основными свойствами и оцениваются по 5-балльной шкале (1 - очень хороший, 2 - хороший, 3 - средний, 4 -удовлетворительный, 5 - неудовлетворительный), а капиллярный подъем (CR) по 2-балльной шкале. Максимальная оценка основных свойств (EAW, Air, CR) составляет 5, а самая низкая - 1. Ограничения (время проникновения воды и усадка почвы) оценивают по 3-балльной шкале. Оценка ограничений колеблется между 0 (без ограничений) и 2 (сильное ограничение). Рассматривается только оценка самого значительного ограничения. Если ограничение повторного увлажнения составляет 2 балла, а ограничение усадки - 1 балл, необходимо учитывать значение 2. Общий рейтинг для оценки гидрологических характеристик субстратов в
садоводстве рассчитывается как сумма основного балла за вычетом оценки доминирующего ограничения. Самый высокий балл равен 12, самый низкий - 1.
С учетом шкал, разработанных в [4], оценивали качество субстратов для выращивания садовых культур в контейнерах и на клумбах.
Среди исследованных субстратов не было таких, которые оценены как удовлетворительные или неудовлетворительные для использования в садоводстве. Наиболее чувствительными и ограничивающими были ёмкость аэрации в мелких контейнерах, усадка, а также поведение при повторном увлажнении. Свыше половины субстратов оценивались как хорошие и очень хорошие. Однако используемые субстраты различались в зависимости от применения их в открытом или защищенном грунте. Более подробная информация приведена в [5].
Выводы. 1. Применяемые гидравлические методы измерения (ЕЕМ, HYPROP, WDPT) пригодны для характеристики гидрологических свойств садовых субстратов в качестве основы для оценки возможности их использования в садоводстве.
2. Результаты исследования специально составленных садовых субстратов показали их превосходство в садоводстве по сравнению с природными почвами.
3. Гидрологические характеристики субстратов без торфа практически не отличались от свойств субстратов, содержащих торф.
4. В большинстве образцов водоудерживающая способность в контейнерах была достаточной.
5. Самым чувствительным элементом садовых субстратов была обеспеченность воздухом, особенно для культивирования в мелких контейнерах. Полив и усадка субстрата имеют большое значение для устойчивого, ресурсосберегающего управления влагой и питательными веществами.
6. Предлагаемая рейтинговая система дает возможность сравнить гидрологические свойства субстратов с учетом пороговых значений для воздухо- и влагообес-печенности растений.
Литература
1. Raviv, М., Lieth, J.H. 2008: Soilless culture: Theory and practice. Elsevier, 587 p.
2. Caron, J., Pepin, S., Periard, Y. 2014. Physics of growing media in green future. Proc. IS on Growing Media & Soilless Cultivation. Acta Hort. 1034: 309-317. ISSN: 0567-7572.
3. Schindler, LT., Müller, L. 2017. Hydraulic Performance of Horticultural Substrates- 2. Development of an Evaluation Framework. Horticultuae.3,6: 1-6.
4. Schindler, LT., Müller, L., Eulenstein, F. 2017a. Hydraulic Performance of Horticultural Substrates-1. Method for Measuring the Hydraulic Quality Indicators. Horticultuae.3, 5: 1-7.
5. Schindler, LT., Lischeid, G., Müller, L. 2017b. Hydraulic Performance of Horticultural Substrates- 3. Impact of Substrate Composition and Ingredients. Horticultuae.3, 7: 1-9.
6. Schindler, LT., Durner, W., von LTnold, G, Mueller, L., Wieland, R. 2010. The evaporation method - Extending the measurement range of soil hydraulic properties using the air-entry pressure of the ceramic cup. J. Plant Nutr. Soil Sei. 173(4): 563-572.
7. Hallett, P.D. 2007. An introduction to soil water repellency. Proceedings of the 8th International Symposium on Adjuvants for Agrochemicals. Christchurch. New Zealand
8. Von Post, L. 1922. Sveriges Geologiska LTndersöknings torvinventering och nogra av des hittils vunna resultat (SGLT peat inventory and some preliminary results). Svenska Mosskulturforeningens Tidskrift. Jonköping, 36: 1-37.
9. DIN EN 13041, 2012. Bodenverbesserungsmittel und KultursubstrateBestimmung der physikalischen Eigenschaften- Rohdichte (trocken), Luftkapazität, Wasserkapazität, Schrumpfimgswert, und Gesamtporenvolumen, Beuth Verlag GmbH, Berlin.
10. Verdonck, O., Gabriels, R. 1992. I. Reference method for the determination of physicalproperties of plant substrates. II. Reference method for the determination of chemical properties of plant substrates.
Acta Horticultural 302: 169-179.
11. UMS GmbH Munich 2011. HYPROP© - Laboratory evaporation method for the determination of pF-curves and unsaturated conductivity, online: http://www.ums-muc.de/en/products/soil_laboratory.html (visited Aug. 29,2011)
12. Schindler, U., Doerner, J., Müller, L. 2015. Simplified method for
quantifying the hydraulic properties of shrinking, soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 2015. 178. 136-145.
13. Blanco-Canqui, H. and Lai, R. 2009. Extent of soil water repellency under long-term no-till soils. Geoderma. 149:171-180.
NEW MEASUREMENT METHODS AND DEVICES FOR CHARACTERIZING OF HYDROLOGICAL
PROPERTIES OF GROWING MEDIA U. Schindler*U;3; L. Mueller1,3, F. EulensteinUJ
1. Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF), Eberswalder Str. 84, 15374 Miincheberg, Germany 2. Mitscherlich Academy for Soil Fertility, Prof.-Mitscherlich-Allee 1, 14641 Paulinenaue, Germany 3. Kuban State Agrarian University, 13 Kalinin Str., 350044 Krasnodar, Russia, * Email: schindler.rehfelde@gmail.com
Hydraulic properties such as water storage capacity, air capacity, shrinkage behaviour, wettability or hydraulic conductivity are important variables for a comprehensive evaluation of the performance of horticultural substrates. The commonly used methods and devices for quantifying the hydraulic properties of horticultural substrates are outdated. Here the suitability of the extended evaporation method (EEM) and the associated HYPROP system (Hydraulic PROPerty analyzer) were successfully tested for the very loosely bedded horticultural substrates. EEM and HYPROP enable the simultaneous and effective measurement of the water retention curve and the unsaturated hydraulic functions. Furthermore, the shrinkage properties and the water rewetting time were measured. A rating framework for evaluating the hydraulic quality of horticultural substrates M'as developed and successfully tested within a comparison of 36 commercial horticultural substrates.
Keywords: horticultural substrates, growing media, hydraulic quality, rating framework, water retention curve, unsaturated hydraulic conductivity, water repellency, water drop penetration time, shrinkage, extended evaporation method (EEM), HYPROP.
УДК 631.4
АГРОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАХОТНЫХ ПОЧВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В ОМСКОЙ ОБЛАСТИ
В.М. Красницкий, д. с. "X Я. « А.Г. Шмидт, ЦАС «Омский»
ФГБУ «ЦАС «Омский», 644012, Омск, пр. Королева, 34. E-mail: krasnitsky&.omshiet.ru
Приведена характеристика почвенного покрова Омской области. Показано состояние плодородия почв по результатам государственного мониторинга за 1966-2017 гг. Выявлена динамика его изменения. Рассмотрена эффективность применения минеральных и органических удобрений в Омской области.
Ключевые слова: плодородие почв, государственный мониторинг, удобрения, урожайность, зерновые культуры.
ООГ 10/25680/819948603.2018.100.16
Современным мировым сообществом очень много вопросов посвящено обеспечению населения продовольствием. В Российской Федерации, согласно долгосрочному прогнозу социально-экономического развития до 2030 года, предстоит значительно увеличить объем производства зерна [1]. При этом по самому оптимистичному сценарию урожайность зерновых в среднем по РФ должна составить 27-30 ц/га, а валовой сбор зерна - 145-150 млн т. Это возможно только при хорошо развитом сельскохозяйственном производстве в субъектах Российской Федерации.
Сельскохозяйственное производство Омской области - одна из наиболее развитых в Российской Федерации.
По объемам производства продукции сельского хозяйства область входит в 15 крупнейших регионов России.
Площадь сельскохозяйственных угодий области 6177,3 тыс. га, в том числе пашни 4020,2 тыс. га. По площади пахотных земель Омская область занимает седьмое место в РФ.
Эффективность земледелия и сельскохозяйственное производство области неразрывно связаны с сохранением и воспроизводством плодородия земель, так как в силу почвообразовательных процессов и климатических условий они не отличаются высоким плодородием. Плодородие не абстрактное, а строго материальное, объективное, измеряемое производственное свойство
