Водний режим ґрунту та методи його регулювання

Охорона біосфери, у тому числі ґрунтових екосистем — одне з найактуальніших завдань науки, виробництва і світової громадськості. Невпинне зростання населення Землі вимагає постійного нарощування виробництва продуктів харчування, що веде до інтенсивної експлуатації оброблювальних земель і постійного пошуку та освоєння нових. Це супроводжується забрудненням ґрунтів хімічними і біологічними домішками, деградацією, виснаженням і, зрештою, зниженням родючості, падінням урожайності та якості вирощеної продукції. В останні роки лімітуючим фактором є волога.

Для чого потрібна волога в ґрунті?

Проростання насіння. Встановлено, що для отримання повноцінних і дружніх сходів зернові колосові культури (пшениця озима і яра, ячмінь озимий і ярий, жито, овес) потребують 45–55% води від своєї маси; гречка і кукурудза — 40–45 %; соняшник, ріпак, рижій, коноплі, мак олійний — 50–60%; зернобобові (горох, соя, кормові боби, сочевиця, квасоля, люпин) — 95–110%; буряки цукрові та кормові — 120–140%. Відомо, що задовільною кількістю доступної вологи в оброблювальному шарі на чорноземних ґрунтах (0–20 см), у період сівби-сходів пшениці озимої, є 25–30 мм, за якої посіви мало залежать від осінніх опадів. Коли запаси вологи 20 мм і менше, більшість насіння проростає, сходи можуть бути нерівномірними і за відсутності дощів стан посівів погіршується. Запаси доступної вологи у кількості 1 мм на 1 см ґрунту вважаються незадовільними і спричиняють різке погіршення стану посівів. У фази «виходу в трубку» – «цвітіння» запаси доступної вологи в метровому шарі ґрунту менше 100 мм погіршують стан посівів і знижують урожайність. Добрий стан посівів зернових культур і високі врожаї створюються, коли запаси доступної вологи у метровому шарі 120–150 мм і більше.

Розчинення мінеральних і органічних речовин у ґрунті. Абсолютно чистої води в ґрунті не буває. Вода і розчинені в ній мінеральні і органічні речовини утворюють ґрунтовий розчин — найбільш рухома та активна частина ґрунту. Із нього рослини, безпосередньо, використовують воду і поживні речовини. Склад і його концентрація досить динамічні й залежать від різних біологічних, хімічних і фізико-хімічних процесів. Велике значення мають такі показники ґрунтового розчину, як концентрація та осмотичний тиск. Якщо концентрація ґрунтового розчину складає 0,5% і вище — рослина гине.

Транспірація та інші фізіологічні процеси у рослин. Транспірація — фізіологічний процес вбирання і випаровування вологи живими рослинами. Даний показник вимірюється коефіцієнтом транспірації. Коефіцієнт транспірації — кількість води, яку витрачає рослина на створення одиниці сухої речовини. На транспірацію витрачаються 90–95%, а на фотосинтез тільки 5–10% увібраної рослиною води з ґрунту. Найбільш низьким коефіцієнтом транспірації характеризуються такі культури, як: просо, сорго, кукурудза (200–450); зернові колосові займають середнє положення — 400–600. Найбільш високі коефіцієнти мають: льон, соняшник, буряки, люцерна, конюшина (600–1000 і більше).

Життєдіяльність мікроорганізмів. До мікроорганізмів ґрунту відносять: бактерії, актиноміцети, мікроскопічні гриби, водорості тощо. Багато мікроорганізмів знаходяться у верхньому шарі ґрунту (до 2–3 млрд у 1 г ґрунту), воді та повітрі. Серед ґрунтової мікрофлори найбільш важливими є аеробні і анаеробні целюлозоруйнівні, які беруть участь у мінералізації рослинних і тваринних решток у ґрунті, амоніфікуючі — розкладають складні органічні азотисті сполуки з утворенням аміаку, нітрифікуючі бактерії, які окислюють аміак у азотисту кислоту, а азотисту — в азотну, денітрифікуючі — відновлюють нітрати до молекулярного азоту, азотфіксувальні бактерії — азотобактер, клостризіум і бульбочкові бактерії.

Відомо, що між ґрунтом і мікроорганізмами існують складні взаємовідносини, які склалися у процесі еволюції. Кількісний і якісний склад цих ценозів визначається типом ґрунту й тими природними умовами в яких він знаходиться. Крім того, мікроорганізми продукують ряд фізіологічно активних речовин — ауксини, вітаміни, амінокислоти, ферменти, які є каталізаторами процесів гідролізу і синтезу органічної речовини. Значна роль належить мікроорганізмам у розкладанні органічної речовини і синтезу гумусових речовин. Проте мікроорганізми живуть і розмножуються лише за наявності вільної води, яка знаходиться у ґрунті в краплинно-рідкому стані. За умов нестачі води в ґрунті пригнічуються такі важливі процеси, як нітрифікація та симбіотична азотфіксація. Тому за оцінкою впливу посухи на сільськогосподарські культури, не варто недооцінювати й вплив водного стресу на ґрунтові мікроорганізми та на процеси, що здійснюються ними.

Водний баланс ґрунту

Водний баланс — це сукупність всіх видів надходження вологи в ґрунт і її витрачання з певного шару за певний проміжок часу. Водний баланс ґрунтів розраховують за результатами вимірювання прибуткових і витратних статей виражених у міліметрах, тонах або метрах кубічних водного шару. Основні шляхи потрапляння вологи в ґрунт — атмосферні опади, надходження вологи з ґрунтових вод та зрошення.

Найбільше сприяють надходженню вологи в ґрунт атмосферні опади у вигляді дощу та снігу.

За ступенем зволоження територія України поділяється:

зона достатнього зволоження, де за календарний рік випадає близько 600 і більше міліметрів опадів (Українське Полісся);

зона нестійкого зволоження, де випадає від 450 до 550 мм опадів за рік (Лісостеп України складає більш як третину її території або більше 20,3 млн га);

зона недостатнього зволоження, де випадає 350–400 мм і менше опадів. За календарний рік така кількість опадів випадає у Степовій зоні, яка займає південну та південно-східну частину України. Її площа сягає близько 25 млн га, що становить 46,5% площі сільськогосподарських угідь України.

Ще одним джерелом надходження води до кореневмісного шару ґрунту є ґрунтові води. Від глибини залягання ґрунтової води залежить ефективність її використання. Ґрунтові води, які знаходяться на глибині трьох і більше метрів від поверхні ґрунту, не беруть участі в наповненні капілярних щілин водою. Це негативно впливає на водозабезпеченість рослин і як наслідок, на їх продуктивність. Встановлено, що найвищу водоутримуючу здатність мають ґрунти середнього та важкого гранулометричного складу, оскільки ґрунтові частинки мають велику загальну площу поверхні. Корисна водоутримуюча здатність суглинкових ґрунтів складає від 1,7 до 2 мм на 1 см глибини, тоді як у піщаних ґрунтів ця здатність менше 1 мм на 1 см глибини ґрунту. Ґрунти з низькою водоутримуючою здатністю — це посушливі ґрунти. Для них необхідні часті дощі або зрошення.

Отже, забезпеченість рослин доступною вологою у польових умовах залежить від суми опадів та надходження вологи з нижніх шарів ґрунту. За оцінкою зволоженості ґрунтів протягом вегетаційного періоду варто визнати, що тільки в зоні Полісся та у Західному і Правобережному Лісостепу України, зволоження наближається до необхідного рівня. На всій іншій території України спостерігається нестача вологи.

Так, у зв’язку із зміною клімату відбувається негативний рівень зволоження всієї частини високопродуктивних земель зони Лісостепу і Степу України. Це змушує товаровиробника запроваджувати зрошення, як додаткове джерело надходження вологи до кореневмісного шару ґрунту. Проте, необхідно пам’ятати, що наслідком реалізації біологічно оптимальних режимів зрошення у практиці зрошуваного землеробства є розвиток деградаційних процесів у ґрунтах — вторинне засолення, осолонцювання, знеструктурення, ущільнення тощо.

Таким чином, прибуткова частина водного балансу включає надходження вологи з опадами (Воп) з підґрунтових вод (Вгр). Волога, яка надійшла з водяної пари, у результаті поверхневого притоку води, від бокового притоку ґрунтових вод тощо, не впливає суттєво на підвищення продуктивності вирощуваних культур.

Витратна частина водного балансу ґрунту здійснюється через випаровування, яка диференціюється на випаровування фізичне (самим ґрунтом) і транспіраційне (рослини у процесі їх життєдіяльності). Окрім цього, воду споживає та випаровує все живе у ґрунті. Транспіраційне та фізичне випаровування об’єднується у поняття випаровування сумарне або загальне.

Швидкість фізичного випаровування води з ґрунту залежить від його вологості й кольору, характеру випаровуючої поверхні та гранулометричного складу ґрунту, рельєфу й експлікації схилів тощо. Із збільшенням вологості ґрунту випаровування зростає. За умов повної польової вологоємності весною, за відносно сухої вітряної погоди, за добу випаровується від 80 до 100–120 т/га вологи. У цей період відбувається капілярний механізм втрати вологи у формі краплинно-рідкої вологи. За вологості 60% і менше від повної польової вологоємності відбувається дифузний механізм втрати вологи (перетворення води у пароподібний стан у товщі ґрунту). Для цього доцільно боронуванням порушити капілярність верхнього шару ґрунту, створити мульчуючий шар ґрунту, що значно зменшить втрату вологи.

Водний режим ґрунту

Водний режим ґрунту — це сукупність явищ надходження води в ґрунт, її переміщення, збереження, зміни фізичного стану і витрати з ґрунту. Кількісно його виражають через водний баланс, який характеризує надходження вологи до ґрунту та її витрачання.

Водний режим значно залежить від водно-фізичних властивостей ґрунту. Так, максимально можливі запаси доступної вологи в метровому шарі ґрунтів Полісся коливаються в межах 200–220 мм, у мулисто-піщаних та легкосуглинкових і до 70–110мм, у піщаних. У Лісостепу в сірих лісових і чорноземних ґрунтах — від 180 до 200 мм, у Степу в чорноземах звичайних і південних — 150–170 мм, у каштанових ґрунтах — 120–150 мм. У зв’язку із зміною клімату в останні десятиліття ці за­па­си значно знизилися і в середньому на Поліссі складають 160–180 мм, Лісостепу — 150–160 і Степу — 120–130 мм. Слід відмітити, що у 2021 році на початок весняно-польових робіт запаси доступної вологи в метровому шарі ґрунту склали на Поліссі — 200–210 мм, Лісостепу — 180–190 мм і Степу — 160–170 мм. Такі запаси вологи утворилися за рахунок достатніх осінньо-зимових опадів.

Проте, забезпеченість рослин вологою залежить не лише від кількості атмосферних опадів, а й кількості вологи, яка може випаровуватися з ґрунту. Тому характер водного режиму визначається співвідношенням між кількістю опадів і кількістю випаровування вологи з відкритої поверхні ґрунту за певний проміжок часу (краще за добу).

Отже, водний режим ґрунту залежить від кліматичних та природних умов місцевості, властивостей та умов залягання ґрунту, характеру рослинного покриву, біологічних особливостей вирощуваних культур і технологій їх вирощування.

Оптимальний водний режим ґрунту — одне з основних завдань землеробства

Наявність доступної вологи в ґрунті є однією з найважливіших умов його родючості. Ґрунт — практично єдине джерело вологи для рослин. Нестача вологи в ґрунті, як і надмірне його зволоження, негативно позначається на розвитку рослин і значно знижує їх врожайність. Тому створення сприятливого для культурних рослин водного режиму ґрунту є одним з основних завдань землеробства. Найкращий водний режим створюється на ґрунтах із зернисто-дрібногрудочкуватою структурою, а найгірший — на розпилених, глинистих та піщаних ґрунтах.

Нагромадження і утримання води ґрунтом залежить від агрофізичних та водних властивостей, зокрема водопроникності, вологоємності та водопідіймальної здатності. Всі ці властивості пов’язані з механічним складом, вмістом органічної речовини в ґрунті (особливо гумусу) та структурою ґрунту. Легкі піщані та супіщані ґрунти мають високу водопроникність, швидко й майже повністю вбирають талі води й вологу літніх опадів. Проте ці ґрунти характеризуються незначною вологоємністю і мало тримають води у своїй товщі. Водопідіймальна здатність цих ґрунтів також незначна. Вода може підійматися по капілярах не вище ніж на 40–60 см від рівня підґрунтових вод.

Суглинкові й глинисті ґрунти характеризуються значно вищою вологоємністю і кращими капілярними властивостями. Це пояснюється більшим вмістом глинистих частинок і гумусу.

Структурний ґрунт, який складається з дрібних водостійких грудочок, не запливає і не утворює міцної поверхневої кірки, він повніше вбирає і краще зберігає в собі вологу. В такому ґрунті вода легко проникає крізь великі щілини (пори) і швидко вбирається грудочками, звільнюючи місця для повітря. Безструктурні, розпилені ґрунти мають дуже обмежену водопроникність. Значна частина дощових і талих вод не встигає вбиратися ґрунтом і стікає по схилах в яри та балки, спричиняючи ерозію ґрунту. Надходження вологи в суглинкові та глинисті ґрунти значною мірою залежать від стану їхньої поверхні, ступеня розпушеності оброблюваного шару. Глибоко оброблений, рихлий ґрунт нагромаджує значно більше вологи, ніж ущільнений, цілинний. Загальна кількість вологи, яку утримує ґрунт, визначається його вологоємністю, яка поліпшується наявністю органічної речовини (внесення гною, компостів, побічної продукції рослинництва, сидератів тощо). Найбільші запаси вологи в ґрунті здебільшого бувають весною, після його розмерзання і танення снігу. Протягом теплого періоду запаси вологи зменшуються і найменші запаси доступної вологи бувають у липні-вересні. Основними факторами витрати вологи  у цей період є транспірація води рослинами та фізичне випаровування поверхнею ґрунту. Частина нагромадженої вологи, особливо на легких ґрунтах, витрачається на інфільтрацію — проникнення вологи у підґрунтя — до підґрунтових вод.

Водний баланс можна розрахувати за формулою:

О_п + Гв = Вр_ос. + В_ґрунт, де

О_п — надходження вологи через опади. В зоні Лісостепу середньозважена кількість опадів складає 460 мм або 4660 т/га.

Г_в — надходження вологи з нижніх шарів ґрунту. Середньозважена кількість доступної вологи, яка надходить з нижніх шарів чорнозему типового складає близько 100 мм або 1000 т/га.

Отже, загальна кількість надходження вологи через опади з нижніх шарів ґрунту складає 560 мм або 5660 т/га.

_Врос. — витрати вологи рослинами на транспірацію та процес фотосинтезу в середньому складає 450 мм або 4500 т/га.

В _ґрунт — витрати вологи ґрунтом в зоні Лісостепу складають близько 200 мм або 2000 т/га.

Отже, загальні витрати вологи рослинами і ґрунтом складають 650 мм або 6500 т/га.

Водний баланс в зоні Лісостепу на чорноземах типових від’ємний і складає 90 мм або 900 т/га.

Методи регулювання водного режиму в ґрунті:

Запровадження правильної системи обробітку ґрунту;

Запровадження сівозмін;

Запровадження чистих та кулісних парів;

Запровадження полезахисних лісових насаджень;

Снігозатримання;

Внесення органічних добрив;

Правильне районування сортів і гібридів сільськогосподарських культур;

Своєчасна сівба, способи сівби, норми висіву.

Отже, створити сприятливий для сільськогосподарських культур водний режим можна за допомогою різноманітних агротехнічних заходів. При цьому, варто зважати на конкретні ґрунтово-кліматичні умови. Надлишок вологи слід контролювати осушенням (на болотистих ґрунтах проводять осушення методом відкритого або закритого дренажу). Якщо ґрунти мають тимчасовий надлишок вологи, це можна регулювати боронуванням чи вирівнюванням. Якщо ж ґрунти навпаки осушені, щоб накопичити вологу, слід створити лісосмуги, водойми поряд з полем, провести зрошення, снігозатримання. Основним прийомом, яким користуються аграрії на полях України, залишається зрошення.

Танчик С. П., д. с.-г. н., професор, завідувач кафедри землеробства та гербології,

Бабенко А. І., к. с.-г. н., старший викладач, кафедри землеробства та гербології Національний університет біоресурсів і природокористування України

журнал «Пропозиція», №5, 2021 р.