XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительная характеристика целинной и пахотной почвы (на примере типичного чернозема Белгородской области)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лопин В.С. 1

---

1МБОУ "Гимназия №5" г. Белгорода

Гриненко Л.А. 1Дедух Г.В. 1

---

1МБОУ "Гимназия №5" г. Белгорода

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Нет цифр, какими можно было оценить силу и мощь

Царя почв, нашего русского чернозема.

Он был, есть и будет кормильцем России.

В.В. Докучаев

Актуальность. Земля-матушка родит. Кто не слышал этого утверждения? Но земля оправдывает свою значимость, главным образом, верхним своим слоем, в котором развиваются подземные части (корни) растений и который называется почвой, или растительным слоем.

Разнообразны почвы нашей страны! Особенно большим плодородием обладают черноземные почвы, на которых выращивают устойчивые высокие урожаи различных культур. До революции ста-двухсотпудовые урожаи пшеницы с одного гектара без внесения удобрений с затратами только на вспашку делали чернозем «царем почв». На богатых гумусом черноземах земледельцы тогда вели хозяйство по-особому, и даже помещики сдавали земли арендаторам с условием, что те не будут вносить в почву навоз — так плодородны были черноземы. В.В. Докучаев - известный геолог и почвовед, основатель русской школы почвоведения и географии почв организовал экспедицию для изучения черноземов, итоги которой были опубликованы в монографии «Русский чернозем». В.В. Докучаев назвал черноземы «царем почв» в связи с их высоким плодородием.

Белгородскую область называют одной из житниц России. По итогам 2020 года регион занимает 4-е место в РФ по урожайности зерновых и зернобобовых культур в целом и пшеницы в частности. Белгородчина в пятерке лидеров, выращивающих тритикале, вторая в России по урожайности подсолнечника и сои [9]. Таких показателей область достигла в том числе благодаря чернозему. На территории области наибольшее распространение получили черноземы типичные, выщелоченные и обыкновенные.

К сожалению, в последние десятилетия все чаще обсуждается проблема ухудшения свойств черноземов. Связано это с отказом от севооборотов, ориентацией на узкую специализацию и длительное возделывание одной культуры. Усугубляет ситуацию низкая культура земледелия и ненормированное использование тяжелой сельскохозяйственной техники, ограниченное или неверное применение удобрений.

Проблема исследования и сравнительной характеристики свойств целинной и пахотной почвы не является новой, тем более для староосвоенных сельскохозяйственных регионов [3], но не утратившей свою актуальность.

Проблема: понять, как распашка почвы влияет на структуру и свойства почвы.

Цель исследования: сравнить пахотную и целинную почву и определить, как влияет распашка на структуру и свойства почвы.

Задачи исследования:

Изучить литературные источники по теме исследования.

Определить структуру пахотного и целинного чернозема почв методом сухого просеивания.

Определить скорость впитывания и высыхания воды в почве с различной структурой.

Оценить скорость прорастания и роста семян культурных растений в пахотной и целинной почве.

Объект исследования: чернозем типичный (верхний слой 0-30 см).

Предмет – структура и свойства пахотного и целинного чернозема.

Гипотеза: предположим, распашка почвы приводит к изменению структуры почвы, и как следствие, к ее ухудшению, т.е. деградации.

Методы исследования: поисковый, сравнительный, аналитический, экспериментальный.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Что такое почва? Ее состав, свойства и разнообразие. С темой «Почвы» ученики школы начинают знакомиться на уроках окружающего мира в 4 классе [4]. В этом курсе школьники узнают о том, что такое почва, о ее плодородии и необходимости охраны и защиты почв.

Под почвой понимается верхний, рыхлый слой земли, обладающий таким качеством, как плодородие, то есть способностью производить урожай.

Для того, чтобы правильно использовать почву для выращивания сельскохозяйственных культур, а также эффективно применять технику ее обработки, следует знать, что представляет собой почва, ее свойства и характеристики, влияющие на плодородие.

В состав почвы входят частички минералов, вода, воздух, разложившиеся остатки растений и животных.

Каждый элемент почвы выполняет свою функцию.От соотношения в почве воды и воздуха зависят ее свойства (сухая, влажная, рыхлая, плотная и т. д.) и возможность обработки.

Питательные свойства почвы во многом зависят от минералогического состава, от первичных горных пород, из которых образована почва в данной местности, а также от количества в ней разложившейся органики - останков произраставших ранее растений и погибших животных. Оба эти фактора напрямую связаны с природно-климатическими условиями территории.

Огромная площадь России, разнообразие климата, рельефа и водного режима на ее территории сформировали пестрый почвенный покров. Каждому региону соответствует свой тип почв. Почвенный покров Белгородской области представлен в основном черноземами (около 77% от всей площади), меньше серыми лесными (15%), пойменными (5%) почвами. Преобладают черноземы типичные и выщелоченные, меньше обыкновенных, оподзоленных и карбонатных. Основными признаками чернозема области являются мощный гумусовый (перегнойный) горизонт – 70-85 см, комковато-зернистая структура, тяжелосуглинистый механический состав и высокое обеспечение элементами питания [1, 2, 11].

В результате длительного использования почвы Белгородчины при невысокой культуре земледелия претерпевают существенные изменения: увеличиваются процессы эрозии, структура верхнего слоя сильно распыляется, происходит уплотнение пахотного слоя, уменьшение содержания гумуса, элементов питания и т. д., что приводит к снижению плодородия почв и, как следствие, уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур [10].

Материалы и методы исследования

Подготовка почвы к анализу. Взятые в поле для лабораторного анализа почвенные образцы должны быть соответственно подготовлены. Для этой цели каждый образец помещают на бумагу, рассыпают его тонким слоем и просушивают до воздушно-сухого состояния, разминая руками комья и отбирая пинцетом включения: камни, корни и т. д.

Образцы целинной и пахотной почвы, используемые в рамках данного исследования, были взяты на территории заповедного участка «Ямская степь», расположенного в Губкинском районе, и подготовлены к анализу сотрудниками кафедры географии, геоэкологии и безопасности жизнедеятельности НИУ «БелГУ» в ходе проведения научных исследований (Приложение 1).

Определение агрегатного состава почвы. Структура почвы – совокупность агрегатов различной величины, формы, пористости, механической прочности и водопрочности. Под структурностью почвы понимают ее способность распадаться на агрегаты под влиянием механических воздействий. При оценке структуры различают морфологическое понятие и агрономическое.

Для морфологического описания почв С.А. Захаровым разработана классификация структур, включающая три типа (с подразделением на роды): кубовидная (глыбистая, комковатая, ореховатая, зернистая), призмовидная (столбчатая, призматическая), плитовидная (плитчатая, чешуйчатая). Роды делятся на виды по величине агрегатов.

Для агрономической оценки структуры Н.И. Саввиновым предложена классификация, согласно которой к агрономически ценным относятся агрегаты размером от 0,25 до 10 мм, более крупные почвенные отдельности считаются глыбистой частью почвы, а более мелкие – рассыпчатой [7].

Исследование почвенной структуры производится путем определения общего количества агрегатов в почве («сухой» метод) и путем определения количества водопрочных агрегатов («мокрый метод») [5].

Нами использовался метод сухого просеивания. Колонка сит включает сита диаметром 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм. Нами были использованы 4 сита: 10 мм, 3 мм, 1 мм и 0,25 мм. Почву просеивают небольшими порциями, избегая сильных встряхиваний. Когда сита разъединяют, каждое из них слегка постукивают ладонью по ребру, чтобы освободить застрявшие агрегаты. Агрегаты с сит переносят в отдельные чашки или листы бумаги.

Материалы и оборудование: Колонка сит с различным диаметром отверстий, образцы пахотной и целинной почвы; линейка; листы бумаги.

Ход опыта: Из образца не растертой воздушно-сухой почвы взяли среднюю пробу 1 кг. Каждый образец почвы просеивали через колонку сит диаметром 10; 3; 1 и 0,25 мм.

На нижнее сито надевается дно. Верхнее сито закрывают крышкой, для предохранения почвы от потерь при просеивании. Придерживая, сита большими пальцами, а дно колонки остальными пальцами обеих рук, приводят колонку в равномерное колебательное движение. Просеивание ведут 20 секунд, стараясь не делать резких движений.

В результате просеивания образцы разделились на 5 фракций: более 10 мм; 3-10 мм; 1-3 мм; 0,25-1 мм; менее 0,25 мм.

Когда оба образца почвы были просеяны и раздели на фракции, можно оценить содержание каждой фракцию в процентах от массы воздушно-сухой почвы (Приложение 2).

Определение скорости впитывания воды почвой и ее высыхания. Для обеспечения больших потребностей культурных растений в воде необходимо, чтобы почва могла легко впитывать и удерживать атмосферные осадки.

Материалы и оборудование: пахотная и целинная почва, стаканчики пластиковые, прозрачные; вода; секундомер.

Ход опыта: Нами были взяты образцы целинной и пахотной почвы и помещены в прозрачные пластиковые стаканы. Затем, вливая одинаковый объем воды в каждый из образцов, фиксировали время, за которое вода полностью впитается и дойдет до дна емкости (стакана). Эксперимент повторили трижды.

В течение следующих дней наблюдали за скоростью высыхания почвы и изменением ее на поверхности.

По мере высыхания вносился дополнительный объем воды, фиксировался объем воды, необходимый для насыщения почвы (Приложение 3).

Наблюдение за скоростью прорастания семян культурных растений и их ростом. Материалы и оборудование: образцы пахотной и целинной почвы; семена фасоли, кабачка и овса; стаканчики пластиковые; линейка.

Ход опыта: нами были взяты образцы целинной и пахотной почвы и помещены в прозрачные пластиковые стаканы. Семена 3 растений: фасоли, кабачка и овса оставили в теплой воде на несколько часов для активации прорастания, а затем на глубину 1,5-2 см высаживались в почву. После посадки для всех 6 образцов были созданы одинаковые условия: один температурный (+22-26 градусов), световой (юго-восточная сторона) режим и режим полива.

Далее наблюдали за тем, как быстро будут появляться всходы, и с какой скоростью будет происходить рост растений, фиксировали значения (Приложение 4-6).

Результаты и их обсуждение

Определение агрегатного состава почвы. Почва может находиться в двух состояниях ‒ бесструктурном и структурном. При бесструктурном состоянии отдельные элементы (песчинки, пылеватые и илистые частицы) не скреплены между собой в более крупные агрегаты, а существуют раздельно (например, рыхлый песок) или залегают сплошной сцементированной массой (солонцы). При структурном состоянии механические элементы соединены в агрегаты (комочки) различной величины и формы.

Способность почвы распадаться на агрегаты называют структурностью, а сами агрегаты, на которые распадается почва при обработке ‒ структурой.

Каждый вид структуры характерен для определенной почвы или горизонта профиля той или иной почвы. Но чаще структура бывает смешанная: комковатозернистая, комковато-пылеватая и т.д. [8].

Результатам определения агрегатного состава почвы является:

В пахотной части отмечено максимальное содержание 2 фракций: более 10 и менее 0,25. В целинной почве отмечено максимальное содержание 2 фракций: более 3-10, 1-3, 0,25-1.

Фиксация максимального и среднего размера частиц в фракции более 10 мм:

Пахотная почва: максимальный размер – 12 см; средний размер – 1,5 см;

Целинная почва: максимальный размер – 4,5 см; средний размер – 1 см.

Целинная почва является структурной агрегатной, в ней отмечаетсямаксимальное содержанием комочков величиной 1-3 мм. Такие почвы считаются наиболее благоприятными для земледелия, поскольку обеспечивают хорошее питание, воздушный и водный режимы растениям [6].

Значение структуры в плодородии почв весьма существенно. В структурной почве, через крупные поры, происходит быстрое и полное впитывание осадков, благодаря чему создаются запасы влаги и уменьшается поверхностный сток и водная эрозия почвы. В этих почвах лучше воздушный режим, они не заплывают после дождя и не образуют корку, их легче обрабатывать, здесь меньше опасность ветровой эрозии.

Количество и прочность почвенных агрегатов постоянно изменяется. Они разрушается из-за частой и неумелой обработки, переуплотнения, под влиянием 15 химических процессов. На почвах, богатых гумусом, структурность, как правило, выше, так как органические вещества способствуют образованию структурных агрегатов.

Для улучшения и сохранения структуры почвы необходимо выполнение следующих мероприятий:

1. Посев зерновых, зернобобовых культур и многолетних трав.

2. Внесение органических удобрений.

3. Известкование кислых почв и гипсование солонцов.

4. Чередование глубины вспашки в севообороте.

5. Внесение искусственных структурообразователей.

Определение скорости впитывания воды почвой и ее высыхания.

В результате проделанного опыта была зафиксированы скорость впитывания воды целинной и пахотной почвой (табл. 1).

Таблица 1.

Результаты эксперимента поопределению скорости впитывания воды почвой

- скорость впитывания воды целинной почвой – 30-35 секунд.

- скорость впитывания пахотной почвы – 3,5-5 минут (зависело от разного соотношения фракций).

В целинной почве вода равномерно распределилась, застоя воды на поверхности не было, в пахотной же почве было отмечено характерное застаивание воды на поверхности почвы.

В течение нескольких дней мы наблюдали за тем, как происходит высыхание почвы. Скорость высыхания пахотной почвы выше. Кроме того, мы обратили внимание на то, как изменилась поверхность каждого образца. Целинная почва сохраняла свою рыхловатую структуру, а на поверхности пахотной почвы отмечались глубокие трещины и характерная корка.

По мере высыхания вносился дополнительный объем воды. Было зафиксировано: увеличение скорости впитывания воды и в целинной и пахотной почве. Но целинная почва требовала меньшего объема воды для насыщения, чем пахотная. Таким образом, целинная почва быстрее впитывает и дольше удерживает воду.

Как было уже отмечено, в структурной почве происходит быстрое и полное впитывание воды (в природе ‒ осадков), создаются запасы влаги и уменьшается поверхностный сток и снижается риск эрозионных процессов. В этих почвах лучше воздушный режим, они не заплывают после дождя и не образуют корку, их легче обрабатывать, здесь меньше опасность ветровой эрозии.

Наблюдение за скоростью прорастания семян культурных растений и их ростом.

В целинной почве семена фасоли и кабачка взошли быстрее, чем в пахотной (табл. 2).

Всходы овса быстрее появились, наоборот, в пахотной почве. Был отмечен больший процент (87%) прорастания овса в пахотной почве, чем в целинной (67%), что связано, вероятнее всего с качеством посадочного материалы, а не со свойствами почвы. Это связано с тем, что в пахотную почву, вносились удобрения. Зерновые культуры более «чувствительны» к внесению удобрений, что влияет в том числе на быстроту появления всходов.

Дальнейший рост фасоли был быстрее в целинной почве. Рост овса и кабачка был одинаковым.

В ходе эксперимента в каждом образце пахотной почвы наряду с культурными растениями было отмечено прорастание сорняков. Сорняки – это растения, не возделываемые человеком, но засоряющие сельскохозяйственные угодья и наносящие вред культурным растениям. Основной вред, причиняемый сорняками, заключается в резком снижении урожайности культурных растений и ухудшении качества получаемой продукции. Семена сорняков имеют способность долгое время сохранять всхожесть, находясь в почве [5].

Таблица 2.

Результаты эксперимента по проращиванию семян культурных растений

(H – высота)

* прекращение наблюдения

Важно понимать, что при грамотной обработке, распашке целинной почвы человек может усилить процессы в почве. Пахотные почвы могут обладать более высокой биологической активностью, чем целинные. Большее количество микроорганизмов в пахотных почвах по сравнению с целинной способствует мобилизации элементов питания в доступные для растений формы, что благоприятно влияет на урожайность. Но большинство современных пахотные почв обладают свойствами, которые являются неблагоприятными для произрастания культурных растений. То есть среди пахотных почв преобладают слабоокультуренные, обладающие низким плодородием, что является основной причиной низких урожаев многих культурных растений.

При интенсивном земледелии возрастает плодородие почвы, а при экстенсивном ‒ процесс окультуривания почв задержаться, и почвы обладают низким эффективным плодородием.

Кроме того, длительное неправильное использование слабоокультуренных почв может привести к их деградации, т.е. к ухудшению свойств, благоприятных для сельскохозяйственных растений, по сравнению со свойствами целинных почв, определяемыми природными условиями.

В связи с этим главная задача сельского хозяйства заключается в том, чтобы не только получать высокие урожаи, но и не допустить снижения плодородия черноземов. 

ВЫВОДЫ

Таким образом, гипотеза подтвердилась: распашка почвы приводит к изменению структуры почвы, и как следствие, к ее деградации.

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Вовлечение целинных почв в сельскохозяйственный оборот приводит к изменению условий почвообразования, и дальнейшее развитие почвы в значительной мере протекает под влиянием человека и связано с обработкой почвы, возделыванием сельскохозяйственных культур и применением удобрений и т. п. Обработка почвы существенно меняет свойства и режимы почв, в том числе изменяются водный и воздушный режимы.

Целинные почвы являются структурными, так как комковато-зернистые водопрочные агрегаты составляют более 55 %. В Центрально-Чернозёмном районе оптимальный размер агрегатов 1-5 мм.

В целинной почве отмечено быстрое впитывание воды, создание запасы влаги и сохранение структуры на ее поверхности. В пахотная почве, характеризующаяся иной структурой, было отмечена низкая скорость впитывания воды, образование трещиноватости на ее поверхности и быстрое высыхание с образованием корки. Для обеспечения больших потребностей культурных растений в воде необходимо, чтобы почва могла легко впитывать и удерживать воду, сохраняя при этом условия хорошей аэрации, что возможно при создании мощного и хорошо оструктуренного пахотного слоя.

В ходе наблюдения за скоростью прорастания семян культурных растений и их ростом было отмечено некоторое преимущество целинной почвы по сравнению с пахотной. Однако, пахотные почвы могут обладать более высокой биологической активностью, чем целинные, при интенсивном земледелии плодородие почвы возрастает. Но среди пахотных почв преобладают слабоокультуренные, обладающие низким плодородием, что является основной причиной низких урожаев многих культурных растений.

Список использованных источников

Географический атлас Белгородской области: природа, общество, хозяйство // ВОО Русское географическое общество, НИУ "БелГУ"; [отв. ред. А.Г. Корнилов; ред. А.Н. Петин, Ю.Г. Чендев, В.И. Петина и др.] - Белгород: КОНСТАНТА, 2018. -200c.

География Белгородской области. Часть I. Природа / М.В. Василенко. П.В. Голеусов, А.В. Гусев; Под ре. М.В. Василенко, Ю.Г. Чендев. – М.: Спорт Академ Пресс, 2001. – 120 с.

Мамонтов В.Г., Артемьева З.С., Лазарев В.И., Родионова Л.П., Крылов В.А., Ахметзянова Р.Р. Сравнительная характеристика свойств целинного, пахотного и залежного чернозема типичного Курской области [Электронный ресурс]. – URL: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-101-182-201 (дата обращения 20.03.2021).

Окружающий мир: 4 класс: учебник для учащихся общеобразовательных организаций: в 2 ч. Ч. 2 / Виноградова Н.Ф, Калинова Г.С. – 4-е изд., дораб. – М. Вннтана_граф, 2014. – 176 с.

Павлов А.Г. Практикум по технологии растениеводства [Электронный ресурс]. – URL: https://tstu.ru/book/elib2/pdf/2014/pavlov.pdf (дата обращения 20.03.2021).

Почвоведение / Под ред. (ред. Кауричев И.С.). – М.: Издательство: Колос, 1982. ‒ 497 с.

Почвоведение Лабораторный практикум / Под ред. А.И. Горбылевой. – Минск: Дизайн ПРО, 2000. – 192 с.

Самофалова И.А. Почвоведение. Лабораторный практикум [Электронный ресурс]. – URL: https://tstu.ru/book/elib2/pdf/2014/pavlov.pdf (дата обращения 20.03.2021).

Сельское хозяйство Белгородской области [Электронный ресурс]. – URL:https://xn--80aecvxfbbnpl.xn--p1ai/selskoe-hoziaistvo-belgorodskoi-oblasti/ (дата обращения 28.04.2021).

Тютюнов С.И., Соловиченко В.Д., Татаринцев Р.Ю. Агроэкология почв Белгородской области // Земельные ресурсы [Электронный ресурс]. – URL:https://cyberleninka.ru/article/n/agroekologiya-pochv-belgorodskoy-oblasti(дата обращения 28.04.2021).

Экология Белгородской области / А.Н. Петин, Л.Л. Новых, В.И. Петина. – М.: Изд-во МГУ, 2002.– 288 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Подготовка почвы к анализу

Приложение 2

Определение агрегатного состава почвы. Метод сухого просеивания

Приложение 3

Определение скорости впитывания воды почвой и ее высыхания

Приложение 4

Наблюдение за скоростью прорастания семян культурных

растений и их ростом (прорастание кабачка).

Приложение 5

Наблюдение за скоростью прорастания семян культурных

растений и их ростом (прорастание овса)

Приложение 6

Наблюдение за скоростью прорастания семян культурных

растений и их ростом (прорастание фасоли)