Орошаемые почвы засушливых регионов и процессы их трансформации

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Орошаемые почвы засушливых регионов и процессы их трансформации

Мамонтов Владимир Григорьевич

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре почвоведения Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор,академик РАСХН Панов Николай Петрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Карпачевский Лев Оскарович;

доктор биологических наук, профессор Ларешин Вячеслав Григорьевич;

доктор биологических наук, профессор Яшин Иван Михайлович

Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева,

Защита состоится на заседании диссертационного совета

Д. 220.043.02 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет РГАУ- МСХА имени К.А. Тимирязева.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан…………………………….2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т.В.Шнее

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Мелиорация почв является важнейшим фактором оптимизации агроландшафтов и интенсификации сельскохозяйственного производства. Очень часто достижения в области генетики и селекции сельскохозяйственных культур, агрохимии, растениеводства и других наук не могут быть осуществлены на практике, пока не устранены причины, лимитирующие почвенное плодородие. Мелиорация почв позволяет оптимизировать условия для роста и развития сельскохозяйственных культур, в результате чего полностью реализуется их биологический потенциал. Не случайно всего 17 % мелиорированных земель суши земного шара дают около 50 % всей продукции растениеводства (Б.А. Зимовец и др., 1993).

Одним из наиболее важных и эффективных мелиоративных приемов является орошение, позволяющее оперативно устранять дефицит влаги и обеспечивать благоприятные условия для произрастания сельскохозяйственных культур. В целом ряде регионов вследствие дефицита атмосферных осадков невозможно создание высокопродуктивных устойчивых агроландшафтов без развития орошаемого земледелия. Эффективность ирригации доказана и в районах с относительно высокой обеспеченностью осадками.

Традиционно исследование причинно-следственных связей процессов изменения почв при орошении осуществлялось путем анализа очень сложной функциональной зависимости между производственными параметрами орошаемого земледелия (оросительные нормы, качество поливной воды и т.д.) и показателями, характеризующими изменение свойств почв за определенный период орошаемого землепользования. Такой подход позволил выявить многие ошибки, допущенные при орошении, обусловливающие развитие деградационных процессов. Однако выявление их физико-химической и биологической сущности, как и процессов, способствующих увеличению производительного потенциала орошаемых почв, обоснование направленного регулирования процессами агрогенного изменения почв при орошении требует изучения зависимости между факторами воздействия на почву в условиях орошаемого земледелия и изменением важнейших элементарных почвенных процессов (ЭПП).

Цель работы. Изучение влияния основных агрогенных факторов орошаемого земледелия на интенсивность элементарных почвенных процессов, обусловливающих изменение свойств и режимов почв засушливых регионов при орошении пресными и минерализованными водами.

Задачи работы:

1. Выявить влияние условий орошения на ЭПП, ведущие к изменению химических и физико-химических свойств черноземов и каштановых почв.

2. Выявить влияние условий орошения на процессы, определяющие изменение твердой фазы черноземов и каштановых почв.

3. Установить влияние орошения на режим ЭПП, определяющих состояние органической части орошаемых почв.

4. Разработать группировку и оценить интенсивность элементарных почвенных процессов проявляющихся в орошаемых почвах засушливых регионов.

Защищаемые положения.

Орошение оказывает разностороннее и неоднозначное влияние на почву. На эффективно функционирующих оросительных системах, при соблюдении севооборотов, всего комплекса агротехнических и мелиоративных мероприятий почвообразовательный процесс не меняет своей направленности даже при использовании для орошения слабоминерализованных вод нейтрального типа. Основные элементарные почвообразовательные процессы, сформировавшие современный почвенный покров степной и сухостепной зон, не только сохраняются в условиях орошения, но и протекают с большей интенсивностью.

В результате изменения водного и гидротермического режимов увеличиваются масштабы поступления растительных остатков, изменяется характер их локализации, интенсифицируются процессы минерализации и гумификации. Благодаря более частому промачиванию почвы усиливаются процессы выщелачивания и рассоления. Создаются предпосылки для проявления лессиважа, чему способствует переорганизация твердой фазы орошаемых почв обусловленная процессами оглинивания и дезинтеграции.

В условиях высокой культуры земледелия общий положительный эффект от орошения черноземов достигается при использовании пресной воды гидрокарбонатно-кальциевого типа и обязательном наличии в севооборотах не менее 40% многолетних трав. При орошении темно-каштановых почв слабоминерализованной водой нейтрального типа доля многолетних трав в севооборотах должна составлять не менее 25% при обязательном, раз в 3-5 лет, гипсовании и промывках.

При низкой культуре земледелия наряду с развитием негативных процессов (дегумификация, ухудшение качественного состава гумуса, обесструктуривание и др.) возможна трансформация черноземов и каштановых почв в луговые, различной степени засоленные и солонцеватые почвы, вплоть до образования полугидроморфных и гидроморфных солончаков и солонцов. Наиболее активно деградационные процессы протекают при использовании для орошения минерализованных вод щелочного типа. Негативные изменения в свойствах орошаемых почв происходят и в условиях высокой культуры земледелия. Это проявляется в увеличении подвижности гуминовых кислот и неблагоприятной трансформации почвенной структуры.

Научная новизна. Комплексные исследования на различных уровнях структурной организации позволили выявить особенности трансформации органической и минеральной части почв при орошении пресной и минерализованными водами. Показано, что интенсификация в орошаемых почвах процессов дезинтеграции, оглинивания и разрушения почвенной структуры сопровождается частичной переорганизацией твердой фазы с увеличением количества тонкодисперсных частиц и аморфных соединений. В условиях высокой культуры земледелия возрастает содержание гумуса, в том числе и гуматов кальция, при низкой культуре земледелия наряду со снижением содержания гумуса и увеличением доли ФК в его составе увеличивается растворимость органических соединений и происходит разрушение глиногумусовых комплексов. Установлено, что система показателей гумусового состояния оказалась малоинформативной при оценке изменений органической части почв под влиянием орошения и не выявляет различий между орошаемыми почвами даже при отчетливом развитии негативных явлений.

Впервые комплексом физико-химических методов изучено влияние орошения на состав и свойства гуминовых кислот (ГК) обыкновенных черноземов и темно-каштановых почв. Установлено, что при высокой культуре земледелия ГК устойчивы к длительному воздействию орошения. В таких условиях активизируется обновление их молекул менее термоустойчивыми циклическими структурами, что, однако не отражается на соотношении ядерных и периферических частей. В тоже время под влиянием орошения возрастает дисперсность ГК и уменьшается их средневзвешенная молекулярная масса. Монокультура в условиях орошения вызывает негативные изменения ГК, что проявляется в обеднении их азотсодержащими группировками, разрушении циклических структур ядерной части и увеличении доли алифатических компонентов в составе молекул.

Впервые изучены состав и свойства фракций ГК различающихся прочностью связи с минеральной частью почвы. Установлено, что ГК связанные с кальцием (ГК-II) сформированы в основном циклическими структурами, относительно свободные ГК (ГК-I) и прочно связанные с глинистыми минералами (ГК-III) состоят преимущественно из алифатических компонентов. В условиях орошения при высокой культуре земледелия и наличии в севооборотах многолетних трав изменения ГК-I в основном связаны с их окислением, ГК-II и ГК-III активно обновляются слабоокисленными и обогащенными азотом новообразованными компонентами. Под влиянием монокультуры развивается биологическая деградация всех фракций ГК, в результате которой теряются лабильные и азотсодержащие компоненты и происходит окисление их молекул, в том числе и разрушение циклических структур ядерной части гуматов кальция.

Предложена группировка элементарных почвенных процессов, определяющих функционирование орошаемых почв при различных системах земледелия. Обосновано выделение элементарных почвенных процессов, инициированных орошением. орошение почва плодородие пресный

Теоретическое и научно-прикладное значение работы. Полученные результаты дают возможность прогнозировать направленность и интенсивность трансформации органической и минеральной части черноземов и темно-каштановых почв под влиянием орошения пресной и минерализованными водами при разных уровнях культуры земледелия и обосновывать мероприятия по предотвращению негативного влияния орошения на плодородие орошаемых почв. Результаты исследований использовались при выполнении грантов ФЦП «Интеграция» Б0023/1046 «Экологическая и агрономическая оценка почв», Э0226/943 «Интеграция науки и высшего образования России», 2.1.А-0096 «Биоресурсы и экология», РФФИ № 08-04-13621-офи-ц «Агроэкологическая оценка и оптимизация органического вещества почв зонального ряда в системах адаптивно-ландшафтного земледелия», контракта с МСХ РФ № 291-30-48а «Разработать агроэкологические критерии состояния органического вещества в почвах агроландшафтов». Разработана шкала градаций лабильных гумусовых веществ в пахотных почвах, предложены методики ускоренного определения общего содержания лабильных гумусовых веществ и получения препаратов гуминовых кислот в соответствии с характером закрепления их минеральными компонентами почвы.

Материалы диссертации были использованы при написании учебника «Общее почвоведение» (2006), методических пособий «Интерпретация данных водной вытяжки из засоленных почв» (2002), «Методы определения содержания и состава гумуса почвы» (2006), используются при чтении лекций по почвоведению в Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских, региональных и вузовских конференциях (1985-2008), на Международных конференциях (Астрахань, 1994; Москва, 1997; Ставрополь, 2001; Владимир, 2004), на Всесоюзных съездах общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), на II съезде общества почвоведов РАН (Санкт-Петербург, 1996), на III и V съездах Докучаевского общества почвоведов РАН (Суздаль, 2000; Ростов-на-Дону, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 43 научные работы, в том числе 18 работ в рекомендованных ВАКом изданиях, монография «Почвенные процессы в орошаемых черноземах и каштановых почвах и пути предотвращения их деградации» (2001).

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 286 страницах машинописного текста и состоит из введения, 9 глав и выводов, включает 59 таблиц, 14 рисунков, список литературы из 616 наименований и приложение. Автор глубоко признателен своему учителю, Заслуженному деятелю науки РФ, академику РАСХН, профессору Н.П. Панову, академику РАСХН В.И. Кирюшину, профессорам А.Д. Фокину, В.А. Черникову, всему коллективу кафедры почвоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева за ценные советы и поддержку. Автор искренне благодарен Свиридову А.К., Мухиной С.В., Черенкову В.В., Сюняеву Н.К. (НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева), Андрусенко И.И., Сафоновой Е.П., Коваленко А.М. (Украинский НИИОЗ), Кончицу В.А. (ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова) за помощь в выполнении работы.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Общее состояние проблемы

Изучению орошаемых почв посвятили свои работы многие отечественные и зарубежные исследователи - В.А. Ковда, В.В. Егоров, Б.Г. Розанов, Н.Г. Минашина, И.Н. Антипов-Каратаев,. И.П. Айдаров, Б.А. Зимовец, Н.П. Панов, С.А. Николаева, И.П. Кружилин, А.Г. Бондарев, Е.М. Аниканова, Н.П. Чижикова, В.Г. Ларешин, А.И.Болдырев, В.Е. Приходько, А.И. Корольков, Н.Г. Зборищук, И.А. Крупенников, Р. С. Айерс, Д.У. Весткот, Д.Ж. Кемпбел, И. Сабольч, Х. Бойко, Ж. Канвар, Р. Ричардс, Ж. Петерсон и другие. Ими получен большой фактический материал, касающийся воздействия ирригации на почвенный покров и раскрыты основные закономерности изменения почвенных свойств и режимов под влиянием орошения. Отмечается, что во многих случаях негативные последствия орошения связаны с технократическим подходом к ирригации, когда во главу угла ставилась лишь механическая подача оросительной воды на поля без учета конкретных ландшафтных условий. В тоже время еще В.В. Докучаев, рассматривая орошение как один из приемов стабилизации степного земледелия, указывал на необходимость учета многих факторов: климатических условий, свойств почв и подстилающих пород, качества оросительной воды, глубины и состава грунтовых вод, требовательности различных растений к условиям увлажнения.

Необходимость комплексного эколого-ландшафтного подхода к ирригации в настоящее время осознается вполне отчетливо. Основной целью является не только получение оптимальных урожаев сельскохозяйственных культур. Приоритетными считаются и проблемы связанные с сохранением и расширенным воспроизводством почвенного плодородия и минимизацией отрицательного воздействия на окружающую среду. (В.И. Кирюшин, А.Л. Иванов, 2005). Для достижения этого требуется проведение глубоких и разносторонних исследований, позволяющих осуществлять целенаправленное регулирование потоков веществ и энергии не только в пределах оросительных систем, но и сопряженных ландшафтов.

2. Объекты и методы исследования

Для оценки трансформации свойств и режимов почв под влиянием орошения на различных оросительных системах и сопряженных с ними неорошаемых участках был проведен отбор почвенных образцов с последующим анализом их в лаборатории. Были выполнены и модельные эксперименты.

Объектами наших исследований служили: 1. Обыкновенные черноземы территории землепользования НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева, расположенного в Таловском районе Воронежской области.

Образцы пахотного неорошаемого чернозема были отобраны на делянке с ячменем 10-ти польного севооборота, заложенного в 1971 году со следующим чередованием культур и системой удобрений: 1. черный пар, 2. озимая пшеница N60P60K40, 3. сахарная свекла N120P120K120 + навоз 20 т/га, 4. ячмень N60P60K60, 5. горох N30P60K60, 6. озимая пшеница N60P60K40, 7. яровая пшеница N60P60K60, 8. кукуруза на зерно N90P90K90 + навоз 20 т/га, 9. озимая пшеница N60P60K40, 10. ячмень N60P60K60, стационарных опытов лаборатории севооборотов. Площадь делянок 311 м2. Образцы пахотных орошаемых черноземов были отобраны на стационарных опытах отдела физики и химии почв и отдела орошаемого земледелия, существующих с 1958 года. Образцы отбирались с делянки, занятой многолетними травами 3-го года пользования, семипольного севооборота: 1. горохоовсяная смесь с подсевом многолетних трав, 2-5. многолетние травы, 6. озимая рожь + поукосно кукуруза на зеленый корм, 7. кукуруза на силос. Под многолетние травы удобрения вносились дозой N120P60K60, под кукурузу - N120P120K120. Кроме того, отбор образцов был проведен на делянках, где возделывалась монокультура кукурузы на зерно; в одном варианте удобрения не применялись, в другом - вносились дозой N200Р100К100 Площадь делянок 250 м2. Для орошения использовалась вода из местных прудов-накопителей. Она характеризовалась низкой минерализацией - 0,5-0,7 г/л и имела гидрокарбонатно-кальциевый состав. Полив осуществлялся дождеванием, оросительная норма, в зависимости от погодных условий, колебалась от 900 до 2000 м3/га за сезон. Глубина промачивания варьировала от 50 до 70 см. Образцы чернозема с естественным процессом гумусообразования были отобраны на участке некосимой залежи существующей с 1882 г.

Для отбора образцов на каждой делянке и залежном участке было заложено по одному разрезу и четыре полуразреза.

2. Темно-каштановые почвы Херсонской области Украины, орошаемые минерализованными водами из разных источников и с различным сроком орошения.

Образцы неорошаемой и длительно орошаемых темно-каштановых почв были отобраны на опытном поле Украинского НИИОЗ со следующих вариантов: неорошаемый севооборот, орошаемый севооборот, орошаемая монокультура озимой пшеницы. В орошаемом и неорошаемом восьмипольных севооборотах чередование культур было следующим: люцерна, люцерна, озимая пшеница, озимая пшеница + горох с овсом, кукуруза, озимая пшеница + кукуруза, горох, озимая пшеница + посев люцерны. В орошаемом севообороте в среднем ежегодно вносилось 98 кг/га азота и 76 кг/га фосфора и дважды за ротацию вносили под кукурузу по 30 т/га навоза. В варианте с монокультурой озимой пшеницы ежегодная доза азота составляла 180 кг/га, фосфора - 110 кг/га.

Для орошения, в течение 17-ти лет использовалась вода Ингулецкого канала, минерализация которой колебалась от 0,6 до 2,8 г/л и в среднем составила около 1,5 г/л (табл. 1). Оросительная норма колебалась в пределах 3000-4000 м3 /га, в зависимости от погодных условий.

Таблица 1 Химический состав воды Ингулецкого канала, мг-экв/л.

На орошаемых участках проводилось периодическое гипсование дозой 5 т/га осенью под вспашку, сочетающееся с промывками.

Влияние краткосрочного орошения минерализованной артезианской водой на свойства темно-каштановой почвы изучалось на участке «малого орошения» в Новотроицком районе Херсонской области, где была выбрана ключевая площадка, на которой было заложено 5 разрезов. На ключевой площадке сопряженного неорошаемого участка было заложено 4 разреза. Почвенные образцы отбирались по генетическим горизонтам из каждого разреза.

Поливная вода из артезианской скважины характеризуется неблагоприятным химическим составом (табл.2).

Таблица 2 Химический состав артезианской оросительной воды, мг-экв/л

Лабораторные анализы почвенных образцов были выполнены по общепринятым методикам, изложенным в соответствующих руководствах (Е.В. Аринушкина, 1970; И.С. Кауричев, 1986; Л.А. Воробьева, 1998). Общее содержание углеводов определяли по Д.С. Орлову, Л.К. Садовниковой (1975), свободных фенольных соединений по Н.В. Синичкиной (1985), лабильных гумусовых веществ по модифицированному методу Тюрина (В.Г. Мамонтов и др. 1990). Состав гумуса в темно-каштановой почве с краткосрочным орошением определяли по методу Кононовой - Бельчиковой, в черноземах и длительно орошаемой темно-каштановой почве по модифицированной схеме Пономаревой - Плотниковой (Т.А. Плотникова, Н.Е. Орлова, 1984). Аналитическая повторность всех определений - 3-х кратная. Параметры гумусового состояния находили по Д.С. Орлову, Л.А. Гришиной (1981). Расчет «гипотетических» солей проведен по Н.И. Базилевич, Е.И. Панковой (1971). Математическую обработку данных проводили по Б.А. Доспехову (1985).

Препараты гуминовых кислот были получены по двум методам.

Первая методика предусматривает исчерпывающее экстрагирование гумусовых кислот после предварительного декальцирования навески почвы (Д.С. Орлов, Л.А. Гришина, 1981). По второй методике были получены фракции гуминовых кислот, характеризующиеся различной прочностью связи с минеральными компонентами почвы (В.Г. Мамонтов и др., 1986).

В препаратах гуминовых кислот определяли: зольность - весовым методом и элементный состав на СНN - анализаторе; спектры поглощения в инфракрасной области снимали на спектрофотометре UR-20 методом таблетирования с КВr; термический анализ проведен на дериватографе Q 1500 D; соотношение периферических и ядерных частей (коэффициент Z) в гуминовых кислотах находили по В.А. Черникову, В.А. Кончицу (1973); степень окисленности гуминовых кислот по Д.С. Орлову, Л.А. Гришиной, (1981); молекулярно-массовый состав - методом гель-хроматографии.

3. Влияние орошения на химические и физико-химические свойства обыкновенных черноземов и темно-каштановых почв

Регулирование солевого режима орошаемых почв является одним из важнейших условий эффективного функционирования оросительных систем, поскольку избыточное накопление водорастворимых солей, также как и резкое обессоливание почв могут стать отправной точкой развития деградационных явлений и снижения почвенного плодородия.

Длительное орошение черноземов пресной водой гидрокарбонатно-кальциевого типа не оказало существенного влияния на их физико-химические свойства, содержание и качественный состав водорастворимых солей. Лишь в варианте с монокультурой кукурузы отмечается слабо выраженное обессоливание верхней части профиля орошаемой почвы и уменьшение на 2,5-3,5 мг-экв. содержания обменного кальция.

Более существенные изменения происходят с темно-каштановыми почвами орошаемыми минерализованными водами. При экстенсивном использовании пашни уже через 3-4 года орошения происходит засоление и осолонцевание орошаемых почв, которые из разряда незасоленных и несолонцеватых переходят в разряд средне- и сильносолонцеватых, слабо- и среднезасоленных. По общим запасам солей в верхней полуметровой толще орошаемые почвы в 2,5 - 7,5 раз превосходят неорошаемые. Состав солей, накапливающихся в почвах, определяется химизмом поливных вод, при этом в почвах, орошаемых водами щелочного типа наряду с токсичными хлоридами и сульфатами аккумулируются гидрокарбонаты натрия и магния, причем доля токсичных ионов составляет 50 - 90% от общего количества солей.

Высокая культура земледелия, сочетающаяся с периодическим гипсованием и промывками, позволяет предотвратить существенное ухудшение солевого режима и физико-химических свойств темно-каштановой почвы. Даже при длительном орошении минерализованной водой хлоридно-натриевого типа с суммой солей 1,54 г/л степень солонцеватости не выходит за пределы слабой, а верхняя часть профиля орошаемой почвы остается незасоленной, хотя содержание токсичных ионов и возросло в 2-2,5 раза. В заметных количествах водорастворимые соли накапливаются в средней и нижней частях профиля, где отмечается слабая степень засоления.

Орошение не оказало существенного влияния на валовой состав чернозема и темно-каштановой почвы. В тоже время в пахотном слое орошаемого чернозема общее количество минеральных компонентов аморфной природы увеличилось в 1,4 раза, в горизонте АВ1 в 1,3 раза, в пахотном и подпахотном горизонтах орошаемой темно-каштановой почвы в 1,3 раза. Увеличение содержания аморфных соединений в орошаемых почвах связано с интенсификацией процесса оглинивания и трансформацией вторичных глинистых минералов, теряющих свою устойчивость в новой биохимической и гидротермической обстановке, в том числе и вследствие периодически возникающих при переполивах анаэробных условий.

4. Влияние орошения на физические свойства обыкновенных черноземов и темно-каштановых почв

Оптимальные агрофизические свойства являются важным условием эффективного функционирования орошаемых агроценозов. Это тем более актуально, что за очень ограниченный промежуток времени (в течение полива) почва должна впитать такое количество влаги, которое сопоставимо с месячной нормой атмосферных осадков.

Полученные данные показывают, что физическое состояние пахотных почв во многом зависит от характера и интенсивности антропогенного воздействия. В черноземе залежи практически вся твердая фаза находится в агрегированном состоянии, причем на долю агрегатов размером 3-5 мм приходится около 30%.

Таблица 3 Влияние орошения на содержание водопрочных агрегатов и водопептизируемого ила в обыкновенных черноземах и темно-каштановых почвах

*числитель - Апах, знаменатель - АВ1

Неорошаемые чернозем и темно-каштановая почва характеризуются довольно высоким содержанием глыбистых отдельностей (17- 20%) и микроагрегатов (11-19%). Под влиянием орошения содержание агрегатов размером 0,25-10 мм уменьшилось в вариантах с севооборотами с 64-70% до 40-55%, а в вариантах с монокультурой до 32-36%. Определенное влияние оказало сельскохозяйственное использование почв и на содержание водопрочных агрегатов.

Для чернозема залежи характерно очень высокое содержание водопрочных агрегатов, размером более 0,25 мм. Их общее количество составило 88%, причем 70% водопрочных агрегатов имеет размер более 1 мм. Согласно имеющимся разработкам (И. В. Кузнецова, 1979) водопрочность такой структуры оценивается как избыточно высокая. Длительное использование чернозема в пашне привело к существенному уменьшению количества крупных водопрочных агрегатов, однако в целом водопрочность структуры остается на высоком уровне (74% агрегатов размером >0,25 мм) и оценивается как отличная. В орошаемом черноземе кормового севооборота, благодаря оструктуривающему действию

многолетних трав, общее содержание агрономически ценных агрегатов сохраняется на высоком уровне (65%) и водопрочность структуры оценивается как отличная. Под влиянием монокультуры кукурузы водопрочность структуры снижается до уровня хорошая, при этом проявляется тенденция более интенсивного разрушения агрегатов в варианте, где применялись высокие дозы минеральных удобрений.

Водопрочность структуры неорошаемой темно-каштановой почвы оценивается как хорошая. Под влиянием орошения в вариантах с севооборотом и монокультурой озимой пшеницы общее содержание водопрочных агрегатов уменьшилось до 38% и 26% соответственно, а водопрочность структуры перешла в категории удовлетворительная и недостаточно удовлетворительная, что во многом обусловлено пептизирующим действием ионов натрия, содержащихся в поливной воде. Периодическое гипсование и включение в севооборот многолетних трав ослабляет негативное влияние орошения, но полностью не устраняет его последствий.

В целом обесструктуривание орошаемых почв имеет как общий характер, так и обусловлено местными причинами. К универсальным причинам, вызывающим разрушение почвенных агрегатов, следует отнести продолжительные и интенсивные поливы, неумеренное использование тяжелых сельскохозяйственных машин, обработку почвы в состоянии повышенной влажности и экстенсивное использование орошаемой пашни. Негативную роль может сыграть и ухудшение режима кальция. Локальные причины деградации структуры могут быть связаны с изначально низкой устойчивостью почв к воздействию ирригации, что обусловлено их генетическими особенностями или применением поливных вод с повышенной минерализацией, например, из артезианских скважин.

Негативные изменения, происходящие на агрегатном уровне, сопровождаются увеличением плотности сложения орошаемых почв. Пахотные горизонты неорошаемых черноземов и каштановых почв имеют плотность сложения, как правило, в пределах 1,1-1,25 г/см3. При орошении плотность сложения со временем возрастает до 1,30-1,45 г/см3 и выше, причем уплотнение распространяется вглубь почвенного профиля до 50-80 см (В.А. Ковда, 1981; И.А. Крупенников и др., 1985; С.А. Позняк, 1985; В.А Ковда и др., 1986; О.Л. Тавровская 1987; В.В. Медведев, 1988; А.П. Щербаков, И.И. Васенев, 2000; И.А. Крупенников, 2005).

Определенную трансформацию претерпел и гранулометрический состав, что во многом связано с усилением процессов дезинтеграции и оглинивания, в результате чего в верхней части профиля орошаемых почв отмечается увеличение содержания илистых частиц и частичное иллювиирование их из пахотного слоя в нижележащие горизонты.

Обусловленная орошением интенсификация процессов дезинтеграции, оглинивания, разрушения почвенной структуры, дополняемая в темно-каштановых почвах пептизирующим действием ионов натрия, содержащихся в поливной воде, отражается не только на общем содержании тонкодисперсных частиц, но и на количестве водопептизируемого ила. В неорошаемых черноземах водопептизируемый ил практически отсутствует, в пахотных горизонтах орошаемых черноземов его содержание составляет 2,5-3,5% или 7-9% от общего ила почвы, в горизонтах АВ1 - 1,6-2,1% и 4-5% соответственно. Заметным количеством водопептизируемого ила - 15-17% от общего содержания илистых частиц характеризуется неорошаемая темно-каштановая почва. Под влиянием орошения минерализованной водой содержание водопептизируемого ила возрастает в 1,6-2,7 раза и достигает 27-32% от общего ила в пахотных горизонтах и 22-23% в горизонтах В1. Наличие в орошаемых почвах водопептизируемого ила создает предпосылки для развития в них лессиважа.

Совокупное проявление обесструктуривания, переуплотнения и оглинивания сопровождающиеся увеличением степени гидрофильности и склонности почв к тиксотропному разжижению (П.М. Сапожников и др., 1992) со временем может перерасти в слитизацию - процесс, не поддающийся однозначной диагностике, но спорадически проявляющийся в орошаемых почвах и свидетельствующий о крайней степени их физической деградации.

5. Влияние орошения на гумусовое состояние обыкновенных черноземов и темно-каштановых почв

Данные, характеризующие изменение гумусового состояния обыкновенного чернозема при переходе от залежи к пашне и смене неорошаемого земледелия орошаемым представлены в таблицах 4 и 5.

В результате более чем 100-летнего использования чернозема потери гумуса в пахотном слое составили около 30% и около 25% в полуметровой толще. Обусловлены они уменьшением количества растительных остатков, поступающих в почву, изменением их химического состава и резкой активизацией окислительных биохимических процессов, чему способствуют ежегодные механические обработки почвы. Наиболее активно минерализации подвергаются фульвокислоты вследствие их упрощенного, по сравнению с гуминовыми кислотами строения, что ведет к расширению отношения Сгк:Сфк и усилению гуматности гумуса, в составе которого возрастает роль гуматов и фульватов кальция и негидролизуемого остатка.

Таблица 4 Влияние сельскохозяйственного использования на содержание и запасы гумуса в обыкновенном черноземе Каменной Степи

Вовлечение чернозема в орошаемое земледелие, сопровождающееся изменением условий гумусообразования, влечет за собой трансформацию группового и фракционного состава гумуса в соответствии с характером использования орошаемой пашни. Возделывание монокультуры кукурузы без применения удобрений оказывает негативное влияние на органическое вещество чернозема. Это проявляется в снижении содержания и запасов гумуса, уменьшении количества гуминовых кислот, увеличении подвижности гуматов кальция и отчетливо выраженной фульватизации гумуса. Внесение минеральных удобрений ослабляет негативное влияние монокультуры на органическую часть чернозема, однако, не устраняет его полностью. Более благоприятные условия для гумусообразования складываются в орошаемом черноземе в условиях кормового севооборота. Увеличение масштабов поступления в почву свежего органического вещества и благоприятный гидротермический режим интенсифицируют новообразование гумусовых веществ, в первую очередь гуминовых кислот как термодинамически более устойчивых. По сравнению с неорошаемой почвой в орошаемом черноземе возрастают содержание и запасы гумуса и величина отношения Сгк:Сфк, но при этом остается высокой подвижность гумусовых кислот, часть которых перемещается в подпахотные горизонты.

Таблица 5 Влияние сельскохозяйственного использования на групповой и фракционный состав гумуса обыкновенного чернозема

Таблица 6 Влияние длительного орошения минерализованной водой Ингулецкого канала на состав гумуса темно-каштановой почвы

Размещено на http: //www. allbest. ru/

При низкой культуре земледелия орошение минерализованной водой, даже краткосрочное, оказывает негативное влияние на органическую часть темно-каштановой почвы. Это проявляется в появлении водорастворимого гумуса, уменьшении более чем в два раза количества углеводов и увеличении содержания свободных фенольных соединений, как продуктов биодеструкции органического вещества почвы. В орошаемой почве уменьшается количество гуминовых кислот, в том числе и гуматов кальция, происходит разрушение глиногумусовых комплексов, снижение содержания и фульватизация гумуса.

При высокой культуре земледелия севооборот с люцерной оказал благоприятное влияние на гумусовое состояние темно-каштановой почвы даже при длительном использовании для орошения воды хлоридно-натриевого типа с минерализацией 1,54 г/л. В верхней части профиля темно-каштановой почвы увеличилось содержание гумуса, с 0,32-0,43% до 0,53-0,61% повысилось содержание ценных с агрономической точки зрения гуминовых кислот, в том числе в 1,3-1,7 раза возросла доля гуматов кальция, величина отношения Сгк:Сфк увеличилась с 1,60-1,95 до 2,12-2,35. В тоже время ослабляется прочности связи гумусовых кислот с минеральными компонентами почвы, что способствует увеличению их подвижности и перемещению из пахотного слоя в нижележащие горизонты. Вовлекаются в миграцию гуматы натрия и неусредненные гуматы кальция, а также новообразованные гуминовые кислоты, характеризующихся повышенной устойчивостью к коагулирующему действию ионов кальция и особенно ионов магния.

Система показателей гумусового состояния почв, разработанная Л.А. Гришиной и Д.С. Орловым, оказалась достаточно информативной при сопоставлении целинной и пахотной неорошаемых почв. Она позволяет выявить основные закономерности трансформации органического вещества почвы под влиянием длительного сельскохозяйственного использования. Менее информативна, система показателей гумусового состояния оказалась при сопоставлении орошаемых и неорошаемых почв и не фиксирует отличий между орошаемыми почвами с различными системами земледелия даже при отчетливом развитии негативной трансформации органической части почвы под влиянием орошения.

Среди разнообразных компонентов, формирующих органическую часть почвы, важная роль принадлежит лабильным гумусовым веществам (ЛГВ). Представляя собой, комплекс относительно легко трансформируемых органических соединений ЛГВ принимают непосредственное участие в динамических почвенных процессах и формировании эффективного плодородия почвы. Входящие в состав ЛГВ компоненты участвуют в образовании водопрочной структуры, проявляют физиологическую активность, служат непосредственным источником элементов питания и энергии для почвенной биоты, выполняют защитную функцию по отношению к консервативным гумусовым соединениям почвы. Их содержание динамично во времени и во многом зависит от характера ценоза (табл. 7, 8). От весны к лету содержание ЛГВ в обыкновенных черноземах и темно-каштановых почвах закономерно уменьшается, при этом целинная почва содержит заметно больше ЛГВ по сравнению с почвами агроценозов.

Таблица 7 Динамика содержания лабильных гумусовых веществ в обыкновенных черноземах Каменной Степи, мг/кг почвы

Таблица 8 Динамика содержания лабильных гумусовых веществ в темно-каштановой почве при орошении минерализованной водой хлоридно-натриевого типа с суммой солей 1,54 г/л , мг/кг почвы

Среди пахотных почв самым высоким содержанием ЛГВ отличаются орошаемые почвы, где практикуются севообороты с многолетними травами. В неорошаемых условиях и при низкой культуре земледелия складываются неблагоприятные условия для образования и накопления в почвах ЛГВ. В первом случае это обусловлено интенсивными окислительными процессами, вызывающими преимущественное развитие минерализации, в другом - общим ухудшением условий для гумусообразования.

На основании собственных экспериментальных данных и обобщения научной информации составлена шкала градации содержания лабильных гумусовых веществ в пахотных почвах (табл. 9).

Таблица 9 Градация содержания лабильных гумусовых веществ в пахотном слое черноземов и каштановых почв, мг/кг почвы

Очень низким содержанием ЛГВ характеризуются почвы, практически полностью утратившие лабильную (легкотрансформируемую) часть гумуса в результате длительного использования пашни при низкой культуре земледелия. Следствием этого является существенное ухудшение (деградация) структурного состояния, пищевого и микробиологического режимов почвы.

Низкое содержание ЛГВ отмечается в почвах, испытывающих дефицит свежего органического вещества при инициировании активного протекания минерализации. Среднее содержание ЛГВ присуще почвам со стабилизировавшимся гумусовым состоянием при соблюдении зональных агротехнологий. Режим органического вещества складывается по компенсационному типу, когда минерализационные потери практически полностью восполняются поступлением свежего органического вещества. Почвы характеризуются хорошим структурным состоянием, благоприятным пищевым и микробиологическим режимами. Высокое содержание ЛГВ присуще почвам, где применяются интенсивные агротехнологии. Регулирование режима органического вещества, в том числе и ЛГВ, осуществляется комплексом мероприятий в рамках общей стратегии производства. В таких условиях пищевой и микробиологический режимы почв близки к оптимальным и создаются условия для оптимизации их структурного состояния.

6. Влияние орошения на состав и свойства гуминовых кислот обыкновенного чернозема и темно-каштановой почвы

Гуминовые кислоты (ГК) являются важнейшим компонентом гумуса черноземов и темно-каштановых почв, определяющим многие их признаки и свойства. Возможность и характер их трансформации под влиянием орошения будет зависеть от многих факторов, в том числе и от исходного состояния ГК. При вовлечении в орошаемое земледелие сильно выпаханных почв трансформация ГК, особенно на ранних этапах орошения, может быть практически не выражена, поскольку они будут представлять собой инертные образования, состоящие в основном из устойчивых ароматических структур. Наоборот, гумусовые вещества, обогащенные лабильными компонентами, будут более чувствительны к изменению свойств почв и гидротермической обстановки.

Важную роль будет играть и методическая сторона этого вопроса. Получение препаратов гумусовых веществ, предусматривает их исчерпывающее экстрагирование из почвы. Поэтому изменения, произошедшие с теми или иными компонентами гумусовых веществ, могут не проявиться в общей массе препарата или дать нечеткую картину. В связи с этим более перспективным представляется изучение отдельных фракций гумусовых соединений, выделенных как непосредственно из почвы, так и получаемых в ходе фракционирования исходных препаратов. При этом, по-видимому, наиболее перспективным будет изучение тех фракций, которые преобладают в составе гумусовых кислот, а так же тех, которые отличаются самой высокой степенью лабильности.

ГК залежного чернозема при общем доминировании в составе молекул циклических структур отличаются довольно развитой периферической частью, о чем можно судить по величине отношения Н:С равной 0,81 (табл. 10). Их характерная особенность - очень низкая степень окисленности (+0,01), обусловленная присутствием в составе Гк значительного количества новообразованных соединений, обогащенных восстановленными компонентами

В условиях высокой культуры земледелия ГК устойчивы к антр...