С массой и структурой надземных органов сельскохозяйственных растений, с массой их корневых систем, с их распространением по толще почвенного профиля, с технологией возделывания культур тесно связано влияние севооборота на агрофизические свойства почвы, водный баланс в земледелии различных почвенно-климатических зон нашей страны.
Большинство сельскохозяйственных культур своим зеленым покровом защищает почву от эрозии, а их корневые и послеуборочные остатки улучшают ее структуру и другие агрофизические свойства почвы.
Структура почвы является одним из важнейших свойств, от которого зависят важные в современных агроландшафтах агроэкологические свойства — степень устойчивости к водной и ветровой эрозии. Структура почвы определяет ее агроэкологические свойства, а также многие физические свойства: строение пахотного слоя, плотность почвы, ее пористость, твердость, пластичность, липкость, физическую спелость и др. Со структурой тесно связаны воднофизические свойства почвы — влагоемкость, водопроницаемость и др.
Такая многозначность структуры почвы в земледелии в какой-то степени оправдывает чрезмерное увлечение В. Р. Вильямса этим особым свойством почвенных частиц — склеиваться в водопрочные агрегаты, которые придают почве устойчивость, а вместе с ней и стабильность водно-воздушному, тепловому и питательному режимам, заданным человеком для системы «почва-растение-атмосфера».
Результаты многочисленных исследований, проведенных на разных типах и видах почв, показали, что среди большого количества факторов образования агрономически ценных агрегатов диаметром больше 1 мм ведущая роль принадлежит растениям, точнее их корням. Установлено, что на дерновоподзолистых среднесуглинистых почвах Нечерноземной зоны доля растений в формировании наиболее ценных структурных агрегатов почвы составляет около 70%, а на долю остальных факторов приходится чуть больше 30% (Воробьев С. А.,1982).
Наиболее благоприятное влияние на структуру и другие физические свойства почвы оказывают культуры сплошного посева с хорошо развитой корневой системой. Это многолетние бобовые и злаковые травы, а также их смеси. У этих культур масса корневых и поукосных остатков примерно равна массе убираемого урожая.
Корневая система многолетних трав, проникая на большую глубину, своими многочисленными корешками пронизывает почву и разделяет ее на отдельные комочки.
С глубиной проникновения и массой корней многолетних трав связано и их влияние на подпахотные слои почвы. На дерново-подзолистых почвах клевер своей глубоко проникающей корневой системой обогащает нижележащие слои органическим веществом и способствует созданию более глубокого окультуренного слоя почвы. На засоленных почвах аналогично действие люцерны, разрыхляющей своими корнями плотный подпахотный слой почвы, что создает благоприятные условия для последующего возделывания зерновых культур.
Однолетние травы (вико-овсяные и другие злако-бобовые смеси) также положительно влияют на формирование водопрочных структурных агрегатов, но их эффективность в этом направлении ниже многолетних из-за короткого периода вегетации.
Среди зерновых культур наиболее благоприятное влияние на физические свойства почвы оказывают озимые. По сравнению с яровыми зерновыми культурами они имеют более продолжительный период вегетации и лучше развитую корневую систему. В осенний и весенний периоды они своей корневой системой скрепляют почву и сплошным зеленым покровом предохраняют ее от разрушения атмосферными осадками и талыми водами.
Пропашные культуры из-за небольшого количества растительных остатков, широкорядных посевов и интенсивных обработок, как до посева, так и во время вегетации в большинстве случаев способствуют разрушению почвенной структуры и не могут надежно защитить почву от эрозии, особенно если они возделываются повторно или бессменно. Еще больше структура почвы разрушается в чистых парах.
Такая краткая характеристика основных культур позволяет их схематично поставить в следующий ряд по степени убывания их влияния в севообороте на структуру почвы: многолетние бобово-злаковые смеси — однолетние бобовозлаковые смеси — озимые зерновые культуры — кукуруза — яровые зерновые и зернобобовые культуры — лен — картофель — сахарная свекла и другие корнеплоды.
Этот ряд может изменяться и уточняться в зависимости от почвенно-климатических условий, уровня интенсификации земледелия и других условий, но в конкретном севообороте итоговая картина влияния на структуру почвы и другие физические и водно-физические свойства почвы будет определяться структурой посевных площадей этого севооборота. И с учетом структурообразующей способности тех или иных культур имеется возможность корректировки структуры посевных площадей и самого чередования культур в сторону оптимизации структуры почвы вместе с другими агрофизическими свойствами.
При этом надо учитывать, что в условиях интенсивного земледелия может возрастать разрушающее действие на структуру и другие физические свойства почвы интенсивных обработок, орошения, уплотнения почвы тяжелыми движителями, больших доз минеральных удобрений, выщелачивающих почву и т. п.
С состоянием структуры и других физических свойств почвы тесно связано влияние культурных растений как предшественников в севообороте на водно-физические свойства почвы и на запасы продуктивной влаги в почве. Наряду с непосредственным влиянием (потребление растениями) почвенная влага оказывает опосредованно самое различное влияние на основные свойства почвы, воздушный, тепловой, пищевой режимы и биологические процесс, происходящие в системе «почва, растение — атмосфера». Это связано также и с тем, что потребность растений в воде неодинакова, о чем можно судить по транспирационному коэффициенту, который для растений кукурузы и проса составляет 200-300, то для пшеницы и ячменя — 400 и более, для клевера — 500-600, для люцерны — 700-800.
Обеспечение посевов тех или иных культур водой, расход воды на формирование урожая определяется коэффициентом водопотребления, который слагается из расхода воды непосредственно растениями (транспирация) и испарения ее с поверхности почвы, и зависит также от характера растительного покрова, создаваемого на поле культурой. На почве, занятой растительностью, большая часть величины общего расхода воды падает на транспирацию, так как величина испарения воды из почвы зависит от степени затенения ее растениями и продолжительности периода, когда вся поверхность не защищена зеленой массой растений.
Многолетние травы, озимые зерновые культуры, зимующие растения, рано образующие весной сплошной зеленый покров, почти всю расходуемую воду используют на транспирацию. Медленно растущие яровые поздние растения с большой площадью питания (кукуруза, картофель и др.) в первый период роста не требуют большого количества воды. В то же время значительная часть ее испаряется с открытой поверхности почвы. Первая группа растений предъявляет повышенные требования к влаге весной и в первую половину лета, а вторая — в июле-августе, а в южных районах — и в сентябре.
Для создания в почве необходимых запасов продуктивной влаги большое значение имеет продолжительность периода от уборки предшественника до посева последующей культуры. Чем он продолжительнее, тем больше накапливается в почве влаги за счет летних атмосферных осадков или сохранения талых вод. Это особенно важно в условиях засушливых районов нашей страны, где гарантией устойчивого земледелия являются чистые пары, главная задача которых — накопление, сохранение и рациональное использование влаги атмосферных осадков. Влияние чистых кулисных паров на водный режим почвы настолько велико, что накопленной за годы парования почвенной влаги хватает на формирование урожаев двух последующих культур севооборота.
Влага атмосферных осадков используется в севообороте лучше, если культуры с глубокопроникающей корневой системой чередуются с культурами мелкокорневыми или с чистыми парами.