Действие агробиологической мелиорации на солевой профиль солонцов Восточной Барабы

Основная часть

Солонцы лесостепной зоны Западной Сибири обладают высокими запасами питательных веществ и являются потенциально плодородными почвами [1], но в то же время в естественном состоянии имеют низкую продуктивность - 3,0-5,0 ц/га сухой массы трав. Это объясняется их плохими химическими и физическими свойствами. Широкое распространение солонцов и характерное расположение их пятнами в массивах зональных плодородных почв не позволяют полностью вывести их из сельскохозяйственного производства. Для повышения продуктивности солонцов в пашне применялась химическая мелиорация, теоретическую основу которой заложил К. К. Гедройц [2]. Гипс и другие соединения кальция вносились на значительных территориях Западной Сибири. Химическая мелиорация повысила плодородие солонцов на длительное время, но, учитывая тяжелое финансовое состояние сельских предприятий, требуются другие подходы к решению солонцового вопроса. Необходимы эффективные технологии освоения солонцов, не требующие таких больших финансовых вложений, как химическая мелиорация.

Для улучшения солонцов в условиях недостаточного увлажнения использовалось глубокое безотвальное рыхление, применяемое Т С. Мальцевым [3] на черноземных столбчатых солонцах. При таком способе обработки на поверхности почвы сохраняется плодородный гумусовый горизонт, а плотный солонцовый горизонт разрыхляется без выворачивания его на поверхность, создаются более благоприятные условия для развития растений, так как улучшаются водный и воздушный почвенные режимы [4].

И. И. Загребаев и Т А. Вагина [5] в Западной Сибири на степных комплексных солонцовых и пойменных засоленных солонцово-солончаковых почвах применяли поверхностную обработку почвы фрезой, дисками и мелкую перепашку с подсевом трав и использованием удобрений. Урожай сена в опытах повысился почти на 50 %, что говорит об эффективности поверхностного улучшения естественных кормовых угодий, которое дешевле и доступнее коренного, т.е. химической мелиорации.

В процессах почвообразования большую роль играет растительность. Злаковые и бобовые растения способны рассолять засоленные почвы. На солонцах жизнедеятельность растений может приводить к смене галогенного процесса почвообразования на дерновый. Это достигается путем превышения процессов биологического выноса солей над процессами засоления. Переход от солянок и полыней на солонцах к бобовым и злаковым травам сопровождается перераспределением солей и зольных элементов, в частности, кальция. Накопление кальция в верхних горизонтах почвы неизбежно ведет к вытеснению натрия и рассолению солонцов. Такая биологическая трансформация в условиях Западной Сибири приводит к образованию лугово-черноземных почв различной степени солонцеватости и солончаковатости [6]. Этот процесс в естественных условиях может длиться веками, а в искусственных - сокращается до нескольких десятков лет. Поэтому для рассоления почвы рекомендовано также выращивание солевыносливых и натриефильных культурных растений, которые будут вытягивать соли из почвенного профиля, а человек использовать эти растения для хозяйственных нужд [7].

Таким образом, для рассоления солонцовых почв необходимо активизировать процесс биологической трансформации, правильно подобрав культуры, которые должны быть соле- и засухоустойчивы, а также активно участвовать в процессах биологической аккумуляции, т.е. нужно заменить целинную солонцовую растительность на бобовую и злаковую либо использовать типичную флору, не оставляя на поле ничего после уборки урожая.

По оценкам исследователей, большое значение для мелиорации солонцовых почв имеет белый и желтый донник, так как его мощные корни проникают в почву на большую глубину, при разложении образуют дрены и обогащают почвенный профиль кальцием и азотом. Донник имеет большую ценность и как сельскохозяйственная культура, производит высокий урожай и в первый, и во второй годы жизни [8].

Кроме донника, исследователи рекомендуют вводить в кормовые севообороты просо кормовое, суданку, овес, горох, люцерну и кострец безостый, хорошо зарекомендовавшие себя в лесостепной зоне Барабинской низменности [9].

В качестве альтернативы химической мелиорации для комплексов солонцовых почв с преобладанием мелких и средних солонцов был разработан агробиологический метод мелиорации солонцов, сочетающий выращивание сельскохозяйственных культур-фитомелиорантов с использованием технологии послойной обработки, позволяющей повысить продуктивность сельскохозяйственных культур в 5 раз и более [9]. Послойная обработка почвы включает в себя фрезерование верхнего надсолонцового горизонта на глубину 8-10 см в 1-2 следа или дискование тяжелыми дисковыми боронами в 2-3 следа, а затем глубокое безотвальное рыхление на глубину 30-35 см стойками СибИМЭ или солонцовым рыхлителем РСН-2,9.

Агробиологическая мелиорация абсолютно экологически безопасна, тогда как применение некоторых химических мелиорантов (отходы промышленного производства) сопряжено с риском загрязнения окружающей среды при нарушениях правил хранения, неправильном расчете доз мелиоранта и т.д. Одно из главных преимуществ агробиологической мелиорации в том, что она не требует больших финансовых вложений.

Цель исследований - оценить действие агробиологической мелиорации на солевой профиль солонцов Барабинской низменности.

Объекты и методы исследования

Исследования проводились в северной лесостепи Барабинской низменности (Чановский район Новосибирской области). Экспериментальные площадки расположены на малонатриевом солонце 55.388739° с.ш. и 76.927461° в.д. на полях стационара СФНЦА РАН СибНИИ кормов. Опыт заложен под руководством М. Д. Константинова в 1987 г. на комплексных солонцовых почвах. Растительность на целине представлена тонконогом стройным (Coeleria gracilis P.), овсяницей валисской (Festuca valesiaca), морковником обыкновенным (Silaum silaus), пыреем ползучим (Elytrigia repens). Проективное покрытие - 70 %.

Солонец целинный характеризуется следующими морфологическими признаками:

А - 0-4 см. Дернина, темно-серый, сухой, порошистый, сильно пронизан корнями растений.

В - 4-23 см. Темнее предыдущего, плотный, тяжелосуглинистый, призматической структуры, по граням структурных отдельностей - глянцевые корочки.

ВС - 23-45 см. Желто-бурый, уплотненный, тяжелосуглинистый, вскипает с 28 см.

С - 45-120 см. Желто-бурый, сухой.

Грунтовые воды находятся на глубине 400 см. По составу солей водной вытяжки мелкие солонцы сульфатно-содового засоления. Содержание гумуса 6,45 %. По составу поглощенных оснований солонец многонатриевый.

Почвообразующие породы представлены палево-светло-бурыми опесчаненными карбонатными незасоленными средними суглинками с преобладанием фракции мелкого песка и очень низким содержанием пылеватых фракций.

Севообороты были составлены из солеи солонцеустойчивых однолетних и многолетних трав, зарекомендовавших себя в лесостепной зоне Барабинской низменности. Однолетние травы: просо Кормовое 45, овес Краснообский, горох Омский 7; многолетние: донник Альшеевский, люцерна Омская 8893, кострец безостый СибНИИСХоз-189.

Нами были проанализированы профили почв в следующих вариантах: бессменный пар - контроль; солонец мелкий на целине, зональная (фоновая) лугово-черноземная слабосолонцеватая почва и севооборот, включающий культуры-фитомелиоранты. Схема севооборота: просо + донник - донник 2-го года жизни - овес (зернофураж) - многолетние травы + донник - донник 2-го года жизни + многолетние травы - многолетние травы 2-го и 3-го года жизни.

Площадь делянок 200 м², повторность четырёхкратная, размещение рендомизиро- ванное.

Образцы почв отбирали в осенний период, по генетическим горизонтам до 100 см, далее через каждые 20 см почвенным буром до грунтовых вод.

Лабораторные исследования ионного состава водной вытяжки (соотношение «почва: вода» 1: 5) и величины рН водной вытяжки выполнены по общепринятым методикам [10].

Результаты исследований и их обсуждение

Согласно классификации почв по степени засоления [11], исследуемые почвы в исходном состоянии сильно засолены (сумма солей более 0,5 % в условиях содового и содово-сульфатного химизма засоления). Мелиорированный вариант существенно отличается от целинного по содержанию солей в профиле (рис. 1). Запасы солей в слое 0-20 см в мелиорированном варианте приблизились к фоновой почве (0,05 %), тогда как в контроле и в целинном солонце были выше (0,15 и 0,20 % соответственно). Общий запас солей в профиле почвы (0-100 см) снизился под действием фитомелиоративных севооборотов и применения агротехнических приемов.

Рис. 1 Распределение запасов солей в профиле почв в 2016 г., ммоль-экв/100 г почвы Distribution of salt layers in the soil profile in 2016, mmol-eq/100 g of soil

В контрольном варианте под действием только агротехнических приемов (бессменный пар) количество солей в слое 0-40 см снизилось незначительно, тогда как в слое 40-100 см наблюдались резкие отличия по сравнению с целинным солонцом.

Под влиянием агробиологической мелиорации солонцов под севооборотом изменилось распределение солей по профилю - солевой максимум в мелиорированном варианте находился на глубине 80-100 см, тогда как в целинном варианте в слое 40-60 см.

Из полученных данных видно, что с течением времени изменялись запасы солей и в мелиорированном варианте, и в контроле (рис. 2). Уже после первой ротации севооборота солевой профиль мелиорированного солонца резко отличался от целинного варианта. Причиной резкого изменения солевого профиля послужило механическое разрушение солонцового горизонта, произошедшее вследствие агротехнических обработок и последующего промывания солей атмосферными осадками. После второй, третьей и четвертой ротации севооборота сумма солей в слое 20 см изменялась незначительно и была существенно ниже, чем в целинном варианте. Следует отметить, что в слое 30-100 см запасы солей сначала понижались и достигли минимума в 2005 г., а к 2016 г. (по-видимому, под влиянием подтягивания солей из нижележащих слоев) выросли и приблизились по значениям к бессменному пару (контрольному варианту).

Рис. 2 Динамика суммы солей в мелиорированном варианте и в пару, ммоль-экв/100 г почвы (данные 1994-2005 гг. Т Г. Ломовой [12])

В варианте бессменного пара происходили похожие изменения: сумма солей под действием агротехнических обработок уменьшилась и стабилизировалась на уровне ниже, чем в целине, но выше, чем в севообороте.

Засоление почв не только создает высокое осмотическое давление, вызывая физиологическую сухость почвы и потерю влаги растениями, но и сами водорастворимые соли негативно воздействуют на развитие сельскохозяйственных культур. Самое высокое токсическое действие оказывает нормальная (Na₂CO₃) и углекислая (NaHCO₃) сода, которая к тому же подщелачивает почвенную среду (рН 9,0 и более). Поэтому содержанию карбонатов (СО₃ ^-) и гидрокарбонатов (НСО₃ ^-)в профиле почв следует уделять особое внимание.

Как видно из рис. 3, содержание гидрокарбонатов в профиле мелиорированного солонца резко отличается от солонца на целине и от контрольного варианта.

Рис. 3 Содержание гидрокарбонат-ионов (HCO₃") в профиле почв

В слоях 0-20 и 20-40 см под фитомелиоративным севооборотом количество гидрокарбонатов снизилось до значений, характер ных для фоновой почвы, что объясняется не только агротехническими обработками, как в контроле, но и действием культур-фитомелиорантов. В контроле также наблюдалось снижение содержания гидрокарбонатов, но оно не было таким резким. Одновременно с этим выявлено увеличение количества гидрокарбонат-ионов в слое 80-100 см, что связано с их выщелачиванием вниз по профилю под влиянием безотвальных обработок. На глубине 40-80 см существенных различий между мелиорированным солонцом, целиной и контролем не выявлено.

Положительные изменения химических свойств солонцов подтверждаются и данными по содержанию карбонатов в их профиле (рис. 4). В солонце мелиорированном карбонат-ион зафиксирован на глубине 60-100 см, в то время как на целине и в контроле обнаруживался уже с 40 см.

Действие агробиологической мелиорации проявилось также в изменении общей реакции среды. В целинном варианте величина рН изменялась от 7,0 в слое 0-20 см до 9,11 в слое 40-60 см. В мелиорированном варианте и в контроле величина рН изменялась в пределах 6,15-8,81 (таблица). Данное снижение щелочности объясняется изменением солевого профиля почвы, в частности, снижением содержания гидрокарбонатов под действием растений-мелиорантов и агротехнических обработок.

Рис. 4. Солевой профиль изучаемых почв, ммоль-экв/100 г почвы (2016 г.)

Выводы

Использование послойной обработки почвы в сочетании с выращиванием сельскохозяйственных культур-фитомелиорантов привело к уменьшению суммы водорастворимых солей в профиле исследованных почв. В частности, снизилось содержание токсичных гидрокарбонат-ионов. Зафиксировано уменьшение щелочности почвы под фитомелиоративным севооборотом.

Под действием агробиологической мелиорации пахотный слой почвы (0-20 см) рассолился и приблизился по своим химическим свойствам к значениям зональной лугово-черноземной слабосолонцеватой почвы.

Изменение величины рН по профилю почв Changes of pH according to soil profile