Методика організації лізиметричних досліджень і контролю вимивання поживних речовин

Контролювати вимивання елементів живлення з кореневмісного шару — складне, але необхідне завдання для точного розрахунку системи добрив. Лізиметричний метод дозволяє в природних умовах побачити, які об'єми вологи просочуються крізь ґрунт і скільки органічних та мінеральних сполук при цьому втрачається. На основі цих даних агроном складає реальний баланс поживних речовин, зіставляючи їх внесення з виносом урожаєм.

Для досліджень використовують спеціальні споруди — лізиметри. Їх роблять із бетону, цегли, оцинкованого заліза або пластику. Прилади виготовляють у вигляді циліндрів, кубів, паралелепіпедів або воронок.

Вимоги до встановлення та конструкції лізиметрів

Щоб дані досліджень були достовірними, прилади встановлюють групами. Їх вкопують у ґрунт так, щоб рівень ґрунту всередині ємності збігався з поверхнею поля. Це дозволяє вести спостереження в умовах, максимально наближених до природного середовища.

• Площа бетонного лізиметра — від 1 до 4 м²
• Глибина конструкції — 1 м
• Кількість лізиметрів у групі — від 10 шт.
• Схема розміщення приладів — 2 і більше рядів

При монтажі обладнання важливо суворо дотримуватися технології збору фільтрату. Стінки та дно ємностей роблять вологонепроникними, а збір води організовують за такою схемою:

1. Зробіть ухил дна ємності в певний бік для спрямованого стоку води.
2. Укладіть на дно дренуючий шар із гравію, піску або щебеню, щоб поліпшити фільтрацію.
3. У найнижчій точці дна підготуйте отвір і з'єднайте його вивідними трубками з приймачем для збору ґрунтового розчину.

Приймачі фільтраційних вод виводять у підземний коридор із цілодобовим освітленням, розташований між парами рядів лізиметрів. Це дозволяє оперативно фіксувати об'єм і склад води, що стікає.

Бетонні та цегляні лізиметри використовуються для проведення багаторічних дослідів. Стандартні характеристики таких споруд наведені в таблиці:

Для порівняльних досліджень також підходять металеві та пластмасові лізиметри різної ємності. Зокрема, застосовуються малі металеві лізиметри, що складаються з циліндра з ґрунтом, дренажного пристрою, трубки для збору води та ділильної воронки для вимірювання об'єму отриманої вологи.

Методи заповнення ґрунтом та організація спостережень

За способом наповнення лізиметри ділять на два типи: з ґрунтом природної будови (моноліти) та з насипним ґрунтом. При першому варіанті ґрунт беруть із поля зі збереженням структури та генетичних горизонтів.

При роботі з насипним ґрунтом дотримуються суворих правил:

• ґрунт попередньо просіюють;
• набивку проводять пошарово, зберігаючи природну послідовність генетичних горизонтів;
• при укладанні кожен шар ущільнюють до його природного об'єму;
• у малооб'ємних лізиметрах допускається використовувати тільки ґрунт пахотного шару.

Залежно від завдань лізиметри залишають під паром або засівають культурами. В останньому випадку розташування приладів повинно забезпечувати нормальний ріст рослин. Для захисту посадок від птахів і тварин обов'язково встановлюють захисні огородження.

Майданчики з лізиметрами завжди розташовують у безпосередній близькості від агрохімічних лабораторій. Це позбавляє від необхідності транспортувати лізиметричні води на великі відстані та дозволяє проводити аналізи оперативно.

Конструктивні варіанти лізиметрів і правила їх встановлення

Для контролю водного режиму ґрунту та оцінки вимивання елементів живлення використовують металеві лізиметри різних модифікацій. Малий лізиметр являє собою сталевий циліндр із герметичним дном-воронкою, заповнений дренажним матеріалом і монолітом природного складення. Для збору фільтрату до нього знизу через систему трубок підключають приймач — ділильну воронку. Такі конструкції дозволяють оперативно оцінювати міграцію розчинів у пахотному шарі.

• Діаметр малого циліндра — 11 см
• Глибина малого циліндра — 20 см
• Висота зовнішнього циліндра — 50 см
• Діаметр лізиметричної воронки — 25–50 см

Щоб встановити малі лізиметри в польових умовах без порушення структури навколишнього ґрунту, дотримуйтеся такої послідовності дій:

1. Вкопайте у ґрунт до країв зовнішні захисні металеві циліндри, відкриті з обох кінців.
2. Підберіть діаметр зовнішніх циліндрів так, щоб внутрішні робочі ємності входили в них із мінімальним зазором.
3. Опустіть лізиметри з ґрунтом і дренажними воронками всередину захисних циліндрів і зафіксуйте їх на опорних гачках.
4. Закрийте верхні зазори між зовнішнім і внутрішнім циліндрами спеціальними цинковими щитками для захисту від попадання бічної вологи.

Для роботи з великими обсягами насипного або природного ґрунту застосовують прямокутні чи циліндричні ємності з оцинкованої сталі. Щоб захистити метал від корозії та виключити його вплив на хімічний склад ґрунтового розчину, внутрішні стінки вкривають асфальтовим лаком. Такі конструкції можна вкопувати безпосередньо в ґрунт на одному рівні з поверхнею або поміщати у стаціонарні зовнішні ящики (виймальний спосіб), що дозволяє періодично витягати лізиметри для зважування.

Для монтажу без порушення будови ґрунту використовують лізиметри із загостреним нижнім краєм і знімним дном. Робочий циліндр повністю врізають у ґрунт вертикальним натисканням, обережно обкопують і витягають разом із монолітом. Потім до нижньої частини герметично кріплять воронкоподібне дно з дренажем із гравію та піску, після чого переносять готову конструкцію в точку спостереження і з'єднують із приймачем.

Альтернативний варіант — лізиметричні воронки. Вони являють собою плоскі цинкові чаші глибиною 5 см із загнутими та загостреними краями висотою 0,5 см. Вихідний отвір чаші закривають перфорованим цинковим диском з отворами діаметром 2 мм і заповнюють дренажем. Для встановлення воронок риють траншею, глибина якої має бути на 50 см більшою за заплановану глибину розміщення приладів. У бічній стінці траншеї нарізають ніші, куди заводять воронки, врізаючи їх гострими краями в стелю виїмки. Після цього порожнечі в нішах засипають ґрунтом, а в траншеї обладнують оглядовий люк із кришкою для доступу до приймачів.

Фактори фільтрації та оцінка просочування вологи

Головне завдання лізиметричних спостережень — точно врахувати обсяг опадів, що просочилися, та кількість вимитих поживних речовин в умовах, близьких до природних. Динаміка фільтрації нестабільна і залежить від комплексу зовнішніх факторів, які необхідно враховувати під час аналізу даних. Фізичні властивості ґрунту і спосіб підготовки моноліту безпосередньо визначають швидкість руху вологи.

Обсяг і швидкість просочування води в лізиметрах залежать від таких умов:

• Спосіб заповнення ємності: у монолітах із природною будовою фільтрація йде швидше, оскільки в насипних лізиметрах ґрунт поступово ущільнюється.
• Гранулометричний склад: важкі глинисті та суглинкові ґрунти пропускають воду повільніше, ніж середні та легкі суглинки.
• Сезонний фактор: найбільш інтенсивний відтік вологи спостерігається навесні та восени, тоді як влітку і взимку він мінімальний.
• Температура повітря та ґрунту: висока температура активізує випаровування, що знижує загальну частку вологи, яка просочується.
• Рослинний покрив: на ділянках із рослинами фільтрація завжди нижча, ніж на полі під паром, через активну транспірацію.

При розрахунку водного балансу та міграції елементів живлення важливо зіставляти обсяг опадів, що випали, із часом їхнього просочування. На важких ґрунтах глибина проникнення вологи при різній інтенсивності дощів розподіляється нерівномірно. Ці параметри допомагають точніше прогнозувати вимивання рухомих сполук за межі кореневмісного шару.

Водний режим у лізиметрах відрізняється від природних польових умов, тому результати досліджень не будуть повністю ідентичними процесам на відкритій ріллі. Однак лізиметри дають надійні порівнянні дані, які дозволяють оцінити загальну спрямованість міграції елементів. На основі цих відомостей агроном може точніше підібрати форми добрив, розрахувати норми та визначити оптимальні строки їхнього внесення.

Інтенсивність вимивання елементів залежить від розчинності самих добрив, обсягу води, що просочується, та характеру взаємодії іонів із ґрунтовим поглинальним комплексом. Величезне значення має форма ґрунтової вологи. При гігроскопічній вологості катіони та аніони практично не переміщуються. В умовах плівкової вологості рух іде під впливом молекулярних сил, при цьому поживні речовини можуть мігрувати як у напрямку потоку води, так і у зворотному.

Основна частина поживних речовин вимивається з гравітаційною водою. Цей процес іде у двох напрямках: при надлишку вологи розчини опускаються вниз по профілю, а при інтенсивному випаровуванні піднімаються до поверхні. Капілярне підняття вологи в посушливі періоди дозволяє частково повернути вимиті елементи в зону проживання коренів.

Рухливість іонів та втрати елементів живлення від вимивання

Рухливість катіонів та аніонів у ґрунті різниться через неоднакову поглинальну здатність ґрунтового комплексу. Фізичні та хімічні властивості іонів визначають, наскільки міцно вони утримуються в орному шарі. Нижче наведено розподіл основних елементів за характером їхньої міграції з ґрунтовою вологою.

• Нітрати (NO₃^–) та хлориди (Cl^–). Характеризуються негативним фізичним поглинанням ґрунтом. Вони не зв'язуються хімічно і не утворюють нерозчинних сполук із катіонами кальцію, магнію, калію, алюмінію, заліза та амонію (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Al³⁺, Fe³⁺, NH₄⁺), тому їхнє вимивання відбувається найшвидше.
• Карбонати (CO₃^2–) та сульфати (SO₄^2–). З одновалентними катіонами утворюють розчинні солі, а з двовалентними катіонами кальцію та магнію (Ca²⁺, Mg²⁺) — нерозчинні сполуки (CaCO₃, MgCO₃, CaSO₄, MgSO₄).
• Фосфати (H₂PO₄^–, HPO₄^2–). Зв'язуються ґрунтом як катіонно, так і аніонно, через що їхня міграція сильно обмежена. З одновалентними катіонами вони дають добре розчинні солі (KH₂PO₄, NaH₂PO₄, NH₄H₂PO₄, K₂HPO₄, Na₂HPO₄, (NH₄)₂HPO₄). З двовалентними катіонами утворюються розчинні Са(Н₂РО₄)₂ і Mg(H₂PO₄)₂, малорозчинний CaHPO₄ і нерозчинні у воді солі Ca₃(PO₄)₂ і Mg₃(PO₄)₂.
• Калій (K⁺). Закріплюється в ґрунті фізико-хімічно в обмінно-поглинутому стані. Він може витіснятися в ґрунтовий розчин іншими катіонами ґрунту або добрив, але його рух із вологою відбувається суттєво повільніше, ніж у нітратів та хлоридів.

Для практичної оцінки масштабу втрат використовуються показники вимивання елементів на неудобрених ґрунтах. У дослідах були зафіксовані обсяги природної міграції речовин із метрового шару. Ці базові величини служать точкою відліку при розрахунку балансу живлення рослин.