Методика организации лизиметрических исследований и контроля вымывания питательных веществ

Контролировать вымывание элементов питания из корнеобитаемого слоя — сложная, но необходимая задача для точного расчета системы удобрений. Лизиметрический метод позволяет в естественных условиях увидеть, какие объемы влаги просачиваются сквозь почву и сколько органических и минеральных соединений при этом теряется. На основе этих данных агроном составляет реальный баланс питательных веществ, сопоставляя их внесение с выносом урожаем.

Для исследований используют специальные сооружения — лизиметры. Их делают из бетона, кирпича, оцинкованного железа или пластика. Приборы изготавливают в виде цилиндров, кубов, параллелепипедов или воронок.

Требования к установке и конструкции лизиметров

Чтобы данные исследований были достоверными, приборы устанавливают группами. Их вкапывают в грунт так, чтобы уровень почвы внутри емкости совпадал с поверхностью поля. Это позволяет вести наблюдения в условиях, максимально близких к естественной природной обстановке.

• Площадь бетонного лизиметра — от 1 до 4 м²
• Глубина конструкции — 1 м
• Количество лизиметров в группе — от 10 шт.
• Схема размещения приборов — 2 и более рядов

При монтаже оборудования важно строго соблюдать технологию сбора фильтрата. Стенки и дно емкостей делают влагонепроницаемыми, а сбор воды организуют по следующей схеме:

1. Сделайте уклон дна емкости в определенную сторону для направленного стока воды.
2. Уложите на дно дренирующий слой из гравия, песка или щебня, чтобы улучшить фильтрацию.
3. В самой нижней точке дна подготовьте отверстие и соедините его выводными трубками с приемником для сбора почвенного раствора.

Приемники фильтрационных вод выводят в подземный коридор с круглосуточным освещением, расположенный между парами рядов лизиметров. Это позволяет оперативно фиксировать объем и состав стекающей воды.

Бетонные и кирпичные лизиметры используются для проведения многолетних опытов. Стандартные характеристики таких сооружений приведены в таблице:

Для сравнительных исследований также подходят металлические и пластмассовые лизиметры различной емкости. В частности, применяются малые металлические лизиметры, состоящие из цилиндра с почвой, дренажного устройства, трубки для сбора воды и делительной воронки для измерения объема полученной влаги.

Методы заполнения почвой и организация наблюдений

По способу наполнения лизиметры делят на два типа: с почвой естественного строения (монолиты) и с насыпной почвой. При первом варианте почву берут с поля с сохранением структуры и генетических горизонтов.

При работе с насыпным грунтом соблюдают строгие правила:

• почву предварительно просеивают;
• набивку проводят послойно, сохраняя естественную последовательность генетических горизонтов;
• при укладке каждый слой уплотняют до его естественного объема;
• в малообъемных лизиметрах допускается использовать только почву пахотного слоя.

В зависимости от задач лизиметры оставляют под паром или засевают культурами. В последнем случае расположение приборов должно обеспечивать нормальный рост растений. Для защиты посадок от птиц и животных обязательно устанавливают защитные ограждения.

Площадки с лизиметрами всегда располагают в непосредственной близости от агрохимических лабораторий. Это избавляет от необходимости транспортировать лизиметрические воды на большие расстояния и позволяет проводить анализы оперативно.

Конструктивные варианты лизиметров и правила их установки

Для контроля водного режима почвы и оценки вымывания элементов питания используют металлические лизиметры различных модификаций. Малый лизиметр представляет собой стальной цилиндр с герметичным дном-воронкой, заполненный дренажным материалом и монолитом естественного сложения. Для сбора фильтрата к нему снизу через систему трубок подключают приемник — делительную воронку. Такие конструкции позволяют оперативно оценивать миграцию растворов в пахотном слое.

• Диаметр малого цилиндра — 11 см
• Глубина малого цилиндра — 20 см
• Высота внешнего цилиндра — 50 см
• Диаметр лизиметрической воронки — 25–50 см

Чтобы установить малые лизиметры в полевых условиях без нарушения структуры окружающего грунта, соблюдайте следующую последовательность действий:

1. Вкопайте в грунт до краев внешние защитные металлические цилиндры, открытые с обоих концов.
2. Подберите диаметр внешних цилиндров так, чтобы внутренние рабочие емкости входили в них с минимальным зазором.
3. Опустите лизиметры с почвой и дренажными воронками внутрь защитных цилиндров и зафиксируйте их на опорных крючках.
4. Закройте верхние зазоры между внешним и внутренним цилиндрами специальными цинковыми щитками для защиты от попадания боковой влаги.

Для работы с большими объемами насыпного или естественного грунта применяют прямоугольные или цилиндрические емкости из оцинкованной стали. Чтобы защитить металл от коррозии и исключить его влияние на химический состав почвенного раствора, внутренние стенки покрывают асфальтовым лаком. Такие конструкции можно вкапывать непосредственно в грунт на одном уровне с поверхностью или помещать в стационарные внешние ящики (выемной способ), что позволяет периодически извлекать лизиметры для взвешивания.

Для монтажа без нарушения сложения почвы используют лизиметры с заостренным нижним краем и съемным дном. Рабочий цилиндр полностью врезают в почву вертикальным нажатием, аккуратно обкапывают и извлекают вместе с монолитом. Затем к нижней части герметично крепят воронкообразное дно с дренажем из гравия и песка, после чего переносят готовую конструкцию в точку наблюдения и соединяют с приемником.

Альтернативный вариант — лизиметрические воронки. Они представляют собой плоские цинковые чаши глубиной 5 см с загнутыми и заостренными краями высотой 0,5 см. Выходное отверстие чаши закрывают перфорированным цинковым диском с отверстиями диаметром 2 мм и заполняют дренажем. Для установки воронок роют траншею, глубина которой должна быть на 50 см больше планируемой глубины размещения приборов. В боковой стенке траншеи нарезают ниши, куда заводят воронки, врезая их острыми краями в потолок выемки. После этого пустоты в нишах засыпают грунтом, а в траншее оборудуют смотровой люк с крышкой для доступа к приемникам.

Факторы фильтрации и оценка просачивания влаги

Главная задача лизиметрических наблюдений — точно учесть объем просочившихся осадков и количество вымытых питательных веществ в условиях, близких к естественным. Динамика фильтрации нестабильна и зависит от комплекса внешних факторов, которые необходимо учитывать при анализе данных. Физические свойства почвы и способ подготовки монолита напрямую определяют скорость движения влаги.

Объем и скорость просачивания воды в лизиметрах зависят от следующих условий:

• Способ заполнения емкости: в монолитах с естественным сложением фильтрация идет быстрее, так как в насыпных лизиметрах почва постепенно уплотняется.
• Гранулометрический состав: тяжелые глинистые и суглинистые почвы пропускают воду медленнее, чем средние и легкие суглинки.
• Сезонный фактор: наиболее интенсивный отток влаги наблюдается весной и осенью, тогда как летом и зимой он минимален.
• Температура воздуха и почвы: высокая температура активизирует испарение, что снижает общую долю просачивающейся влаги.
• Растительный покров: на участках с растениями фильтрация всегда ниже, чем на парующем поле, из-за активной транспирации.

При расчете водного баланса и миграции элементов питания важно сопоставлять объем выпавших осадков со временем их просачивания. На тяжелых почвах глубина проникновения влаги при разной интенсивности дождей распределяется неравномерно. Эти параметры помогают точнее прогнозировать вымывание подвижных соединений за пределы корнеобитаемого слоя.

Водный режим в лизиметрах отличается от естественных полевых условий, поэтому результаты исследований не будут полностью идентичны процессам на открытой пашне. Однако лизиметры дают надежные сравнимые данные, которые позволяют оценить общую направленность миграции элементов. На основе этих сведений агроном может точнее подобрать формы удобрений, рассчитать нормы и определить оптимальные сроки их внесения.

Интенсивность вымывания элементов зависит от растворимости самих удобрений, объема просачивающейся воды и характера взаимодействия ионов с почвенным поглощающим комплексом. Огромное значение имеет форма почвенной влаги. При гигроскопической влажности катионы и анионы практически не перемещаются. В условиях пленочной влажности движение идет под влиянием молекулярных сил, при этом элементы питания могут мигрировать как в направлении тока воды, так и в обратную сторону.

Основная часть элементов питания вымывается с гравитационной водой. Этот процесс идет в двух направлениях: при избытке влаги растворы опускаются вниз по профилю, а при интенсивном испарении поднимаются к поверхности. Капиллярное поднятие влаги в засушливые периоды позволяет частично вернуть вымытые элементы в зону обитания корней.

Подвижность ионов и потери элементов питания от вымывания

Подвижность катионов и анионов в почве различается из-за неодинаковой поглотительной способности почвенного комплекса. Физические и химические свойства ионов определяют, насколько прочно они удерживаются в пахотном слое. Ниже приведено распределение основных элементов по характеру их миграции с почвенной влагой.

• Нитраты (NO₃^–) и хлориды (Cl^–). Характеризуются отрицательным физическим поглощением почвой. Они не связываются химически и не образуют нерастворимых соединений с катионами кальция, магния, калия, алюминия, железа и аммония (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Al³⁺, Fe³⁺, NH₄⁺), поэтому их вымывание происходит быстрее всего.
• Карбонаты (CO₃^2–) и сульфаты (SO₄^2–). С одновалентными катионами образуют растворимые соли, а с двухвалентными катионами кальция и магния (Ca²⁺, Mg²⁺) — нерастворимые соединения (CaCO₃, MgCO₃, CaSO₄, MgSO₄).
• Фосфаты (H₂PO₄^–, HPO₄^2–). Связываются почвой как катионно, так и анионно, из-за чего их миграция сильно ограничена. С одновалентными катионами они дают хорошо растворимые соли (KH₂PO₄, NaH₂PO₄, NH₄H₂PO₄, K₂HPO₄, Na₂HPO₄, (NH₄)₂HPO₄). С двухвалентными катионами образуются растворимые Са(Н₂РО₄)₂ и Mg(H₂PO₄)₂, малорастворимый CaHPO₄ и нерастворимые в воде соли Ca₃(PO₄)₂ и Mg₃(PO₄)₂.
• Калий (K⁺). Закрепляется в почве физико-химически в обменно-поглощенном состоянии. Он может вытесняться в почвенный раствор другими катионами почвы или удобрений, но его движение с влагой идет существенно медленнее, чем у нитратов и хлоридов.

Для практической оценки масштаба потерь используются показатели вымывания элементов на неудобренных почвах. В опытах были зафиксированы объемы естественной миграции веществ из метрового слоя. Эти базовые величины служат точкой отсчета при расчете баланса питания растений.