Глава 9. Влияние орошения на черноземы

Орошение в черноземной зоне имеет давнюю историю. Уже ко времени В.В. Докучаева был накоплен некоторый опыт по ирригации черноземов, нередко отрицательный: «... в степной России требуется иногда всего один или два дождика для получения хорошего урожая, и бывали случаи, когда, при роскошной белотурке в соседних степях, на искусственно орошенных полях вырастали одни бурьяны».

Указание В.В. Докучаева на необходимость самого внимательного отношения к орошению, черноземов не утратило злободневности и сегодня. Современные площади орошаемых земель в ЦЧО достигли 400 тыс. га, однако урожайность сельскохозяйственных культур на них часто далека от планируемой и характеризуется большой пестротой и нестабильностью. Нередко урожаи при поливе даже ниже таковых на богаре. Одной из главных причин недостаточной эффективности орошаемого земледелия на черноземах ЦЧО является негативное изменение их свойств (Щербаков, Щеглов, 1978; Щербаков и др., 1978; Щеглов, 1988; 1995).

В условиях ирригации уровень плодородия почв, а следовательно и урожайность сельскохозяйственных культур в значительной мере зависят от качества оросительной воды. Источником орошения исследуемых нами черноземов служат воды местного стока, накопление в водохранилищах. Анализ этих вод показал, что их минерализация в период поливов составляет 0.2-1.25 г/л. Они оцениваются как пресные и слабоминерализованные, вполне пригодные для полива любых почв.

Химический состав воды в основном сульфатно-гидрокарбонат- ный натриевый или смешанный. Среди анионов преобладающими являются гидрокарбонаты - 2.40-8.32 мг экв/л; на их долю приходится 30.5-92.4 % от суммы анионов.

Весной минерализация вод минимальная, а в июле-сентябре - самая высокая. Рост минерализации происходит в основном за счет С1-, S04 Na+, т.е. ионов, ухудшающих состав воды. Более существенно при этом изменяются щелочные свойства вод. В водах появляется ион С02'з, pH возрастает. Прогрев вод в водохранилищах способствует осаждению из вод Са2+.

Орошаемые воды, несмотря на слабую минерализацию и благоприятный состав, требуют постоянного контроля за их качеством, поскольку даже временное подщелачивание вод и обеднение их кальцием вызывают опасность развития процессов осолонцевания в черноземных почвах. При оценке вод по классификациям Сабольча, Можейко и Воротник (Щеглов, 1995), где учитывается относительное содержание магния и натрия, для некоторых источников возникает опасность засоления и осолонцевания.

Воды повышенной минерализации (более 1 г/л) в принципе не рекомендуется использовать для орошения черноземов, поскольку отрицательное воздействие неизбежно. Вопрос лишь в сроках негативных проявлений, которые зависят от исходного состояния почв, качества используемой воды, режимов и длительности орошения.

Требования к качеству оросительной воды следует установить на основе анализа местных особенностей черноземов, техники и технологии полива, солеустойчивости орошаемых сельскохозяйственных культур, экономических и экологических условий. При этом следует учитывать, что качество природных вод имеет тенденцию к ухудшению под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Проведенные исследования трансформаций морфогенетических свойств черноземов в результате орошения показали, что на длительно орошаемых почвах отмечаются сильное уплотнение и сли- тость.

Мощность гумусового горизонта на участках с длительным (более 10 лет) орошением на 5-6 см увеличивается по сравнению с богарой. Карбонаты из гумусового горизонта вымываются в более глубокие слои. Вскипание от НС1 на 10-20 см ниже, чем на неорошаемых участках. В горизонте В имеется множество гумусовых затеков. В орошаемых обыкновенных черноземах появляется размытая белоглазка в карбонатном слое и часто встречаются выцветы солей.

Орошение оказало заметное влияние на гранулометрический состав черноземов. Отмечено накопление ила как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах (табл. 9.1). В пахотном горизонте имеется тенденция увеличения содержания ила при возрастании срока орошения. Так, на участке 5-летнего орошения количество ила увеличилось на 0.4-1.6 %, а в черноземе со сроком орошения 15 лет и 33 года возрастание доли илистой фракции достигает уже 6.1 и 5.5 %. />Таблица 9.1

Изменение гранулометрического состава типичных черноземов под влия-

нием орошения

Одновременно с накоплением ила отмечается увеличение содержания физической глины.

Орошение способствует увеличению водно-пептизируемого ила и его передвижению. В условиях длительного орошения могут развиваться процессы разрушения минеральной части черноземов с одновременным накоплением ила и оглиниванием. Причем, с увеличением срока орошения эти процессы протекают более интенсивно.

При сельскохозяйственном использовании черноземов в условиях орошения наблюдается заметное ухудшение их структурности, которое проявляется в увеличении глыбистости, уменьшении количества агрономически ценных структурных агрегатов и снижении их водопрочности (рис. 9.1 и 9.2).

Целинный типичный чернозем характеризуется благоприятным структурно-агрегатным составом. На долю глыбистой фракции приходится 12.9-39.1 %. Количество агрономически ценных структурных агрегатов составляет 52.6-78.0 %, а коэффициент структурности равен 1.4-5.4. Почва характеризуется довольно высоким критерием водопрочности 55.7-58.1 % (слой 0-30 см), 66.1-69.2% (слой 30-50 см) и количеством водопрочных агрегатов размером 0.25 мм,- 54.2-56.4 % и 64.4-67.3 % соответственно. Еще более благоприятным структурноагрегатным составом обладает обыкновенный чернозем.

Пахотные неорошаемые черноземы по структурно-агрегатному составу уже заметно отличаются от залежных. В типичном черноземе доля глыбистой фракции возрастает до 44.8-61.6%. Количество агрономически ценных агрегатов снижается до 34.9-49.1 %. Резко уменьшается показатель коэффициента структурности. В обыкновенных черноземах коэффициент структурности снижается до 2.5- 2.9. Критерий водопрочности уменьшается до 67.9-77.3 %, а количество водопрочных агрегатов - до 61.4-71.0 %.

Таким образом, при введении залежных земель в пашню в пахотном слое типичного чернозема отмечается увеличение глыбистости, снижение количества агрономически ценных структурных агрегатов и коэффициента структурности.

Рисунок 9.2. Изменение структурно-агрегатного состава

обыкновенных черноземов при с/х использовании.

В орошаемых черноземах продолжается процессы негативных изменений их свойств. В типичном черноземе доля глыбистой фракции достигает уже 49.7-73.3 %, а доля агрономически ценных структурных агрегатов составляет всего лишь 15.0-36.8%. Отмечается снижение коэффициента структурности до 0.2-0.6. В обыкновенных орошаемых черноземах доля глыбистой фракции увеличивается до 29.8-55.7 % , а величина коэффициента структурности уменьшается до 0.7-1.7. Снижается показатель критерия водопрочности и количество водопрочных агрегатов размером менее 0.25 мм. Наиболее заметные изменения происходят в слое 0-30 см.

При анализе результатов, полученных с 40 участков типичных и обыкновенных черноземов, орошаемых от 1 до 39 лет, были получены данные по закономерному снижению содержания агрономически ценных структурных агрегатов с увеличением срока орошения. Наиболее активно это происходит в первые годы орошения, затем интенсивность постепенно снижается, но не прекращается совсем.

Структура во многом определяет величину плотности сложения почвы и ее порозность, а следовательно, и условия водо- и воздухообмена. Наибольшая интенсивность уплотнения пахотного и подпахотного горизонтов наблюдается в первые годы орошения. В дальнейшем интенсивность уплотнения черноземов замедляется. В типичных черноземах за 17 лет уплотнение богарных участков составило 0.22-0.27 г/см3, а орошаемых - 0.33-0.35 г/см3.

Это, по-видимому, связано со все более усиливающимся агро- генным воздействием на почву и применением тяжелой сельскохозяйственной техники с высоким уплотняющим действием в условиях низкой культуры земледелия, в целом, и орошения в частности.

Водные свойства почв можно условно разделить на две группы. К первой относятся максимальная гигроскопичность (МГ) и влажность завядания (ВЗ). Их величина зависит, в основном, от удельной поверхности, которая в свою очередь определяется гранулометрическим составом и содержанием гумуса. Вторая группа включает влажность разрыва капиляров (ВРК), наименьшую и полную влаго- емкости (НВ и ПВ), диапозон активной влаги (ДАВ), которые находятся в тесной зависимости не только от удельной поверхности почв, но также от их структурного состояния и характера сложения. Результаты исследования представлены в таблицах 9.2 и 9.3.

(%)

Водные свойства неорошаемых черноземов благоприятны для роста и развития сельскохозяйственных культур. Они характеризуются высоким значением МГ на фоне довольно высокого содержания гумуса (6-9 %) и тяжелого гранулометрического состава. [19]

орошения (%)

Довольно высокая величина ВЗ свидетельствует о том, что эти почвы обладают большой поглотительной способностью к воде и имеют большой «мертвый запас» влаги. Причем в обыкновенных черноземах величина ВЗ выше, чем в типичных. Неорошаемые черноземы характеризуются относительно высокой ПВ. ДАВ типичных и обыкновенных черноземов достигает соответственно 21.6-24.1 %.

В результате орошения заметно снижается величина влажности разрыва капилляров - по всему полутораметровому слою черноземов. Заметно уменьшилась на орошаемых участках и величина НВ. Так в горизонте 0-30 см типичных черноземов она меньше, чем на богаре на 3.2-5.9 %, обыкновенных - на 0.2-0.6 %. Величина НВ при орошении снижается, по-видимому, в результате разрушения структуры, уплотнения почвы и, как следствие, уменьшения порозности.

Эти же процессы объясняют и ясно выраженную тенденцию к снижению величины ПВ и ДАВ. В пахотном слое типичного чернозема ПВ ниже, чем на богаре на 0.7-4.6 %, обыкновенного - на 2.6- 6.9 %. Величина ДАВ соответственно снизилась на 2.9-5.? и 1.4-6.5 % в слое 0-30 см и на 6.3-9.3 и 5.5-11.2 % в слое 140-150 см.

Получены данные о значительном снижении водопроницаемости орошаемых черноземов. Причем, если при орошении типичных черноземов разница в скорости впитывания воды (по сравнению с богарой) по мере увеличения сроков орошения возрастает, то в обыкновенных черноземах наблюдается обратная зависимость. На участке со сроком орошения 15 лет различия составляют от 1.9 мм/мин в первый час наблюдений до 0.8 мм/мин за шестой час. На длительно орошаемом (более 30 лет) участке разница за первый час наблюдений составила уже 3.6 мм/мин.

Таким образом, в условиях орошения наблюдается заметное ухудшение в полутораметровом слое таких показателей как ВРК, НВ, ПВ, ДАВ и водопроницаемость. Причем, наиболее сильно выражены негативные изменения в обыкновенных черноземах. Вероятно, это связано со свойствами этих почв и природно-климатическими условиями районов их распространения.

Исследованиями П.Г. Адерихина и Е.П. Тиховой (1963), А.П. Щербакова с соавторами (1988) на обыкновенных черноземах Воронежской области выявлено статистически достоверное повышение содержания гумуса в условиях орошения. Авторы объясняют этот факт увеличением в 1.5-2.0 раза количества фитомассы корневых и пожнивных остатков орошаемых культур.

Увеличение содержания гумуса в черноземах ЦЧО в условиях орошения отмечается рядом других авторов. Более пышная растительность, особенно в севооборотах с травами, обеспечивает увеличение количества органических остатков, поступающих в почву. Это способствует повышению запасов гумуса, о чем свидетельствуют данные из работ И.И. Антипова-Каратаева, В.Н. Филипповой и С.П. Соколовского.

В то же время, более активная деятельность микрофлоры в орошаемых почвах вызывает быструю минерализацию органического вещества, в результате которой запасы гумуса могут снижаться. Это отмечают в своих работах Т.П. Коковина (1983) и Д.С. Орлов с соавторами (1996).

Известно, что большое значение для скорости и направления процессов гумусообразования имеют экологические условия, свойства почвы, уровень агротехники и особенности технологии орошения. В связи с этим для изучения изменения гумусного состояния черноземов в условиях орошения были выбраны ключевые орошаемые и контрольные участки без орошения, максимально близкие по условиям залегания, свойствам, приемам и способам обработки.

Содержание гумуса в пахотном горизонте типичных черноземов неорошаемых участков по Гришиной и Орлову (1975) оценивается как высокое (6.0-7.4 %) и среднее (5.3-5.9 % ). В условиях орошения оно на одних ключевых участках несколько повышается по сравнению с контролем, на других - наоборот понижается.

Гумусовый профиль орошаемых типичных черноземов практически не отличается от контроля как по форме распределения, так и по абсолютной величине. Можно отметить лишь незначительное отклонение кривой распределения от контрольной в сторону увеличения содержания гумуса в нижней части профиля, что может быть следствием миграции органического вещества с поливными водами.

Запасы гумуса в орошаемых черноземах всех ключевых участков выше, чем на контроле. В слое 0-50 см они составляют 300-450 т/га, а в слое 0-100 - 440-670 т/га. Увеличение запасов гумуса в условиях орошения связано как с отмеченным выше повышением содержания органического вещества, так и с увеличением плотности почвы.

Наблюдения за гумусным состоянием почвы ключевых участков в течение 4-х лет показало, что содержание гумуса, как и его запасы не являются постоянными. В черноземах контрольных участков выделяется доминирующая тенденция к увеличению содержания и запасов гумуса от весеннего к осеннему периоду. Изменения гумуса в орошаемых черноземах в основном повторяют динамику на контроле, отличаясь лишь по абсолютной величине.

Изменения содержания гумуса в орошаемых обыкновенных черноземах более неоднозначны относительно контроля. Отмечается как увеличение, так и снижение содержания гумуса в отдельные сроки наблюдения. При этом разница в его содержании между контрольным и орошаемым участком может достигать 0.2-0.8 %.

Кривые распределения гумуса по профилю орошаемой и неорошаемой почвы идут практически параллельно, при отмеченном выше различии по абсолютному содержанию органического вещества. Разница в запасах между богарой и контролем составляет от 5 до 60 т/га в слое 0-50 см. Увеличение запасов гумуса обусловлено, очевидно, как некоторым повышением содержания органического вещества, так и увеличением плотности почвы в условиях орошения.

Многие авторы отмечают увеличение подвижности гумуса при орошении и сужение отношения Сгк : Сфк; такие данные получены Г.А. Шевченко и Т.А. Бирюковой для обыкновенных черноземов Воронежской области. Они отмечают уменьшение отношения Сгк : Сфк от 1.4 до 0.6 в слое 0-10 см и увеличение от 1.6 до 2.6 в слое 20-30 см, объясняя это миграцией гумусовых веществ в условиях орошения. В то же время в работах НИИСХ им. В.В. Докучаева на орошаемых типичных черноземах отмечается обратное явление - увеличение в составе гумуса содержания гуминовых кислот и соотношения Сгк : Сфк до 2.9 (против 2.3 на богаре в верхнем слое почвы).

Результаты анализа фракционно-группового состава гумуса типичных черноземов наших ключевых участков показали, что в условиях орошения в почвах половины исследуемых участков наблюдается увеличение соотношения Сгк : Сфк, в 17 % случаев оно не меняется и в 33 % случаях отмечается его снижение(табл. 9.4).

Можно отметить некоторую связь этого параметра с общей динамикой углерода в типичных черноземах. Так, при возрастании количества гумуса в условиях орошения отношение гуминовых и фуль- вокислот может сужаться. Возрастает доля фракций подвижных гуминовых и фульвокислот с преимущественным увеличением ФК. Увеличение подвижности гумуса может быть обусловлено изменением катионного состава почвы, а увеличение фульватности - развитием восстановительных процессов или окислительной деструкции гуминовых кислот при некотором подщелачивании среды.

Если общее содержание гумуса и глубина гумификации связаны непосредственно с уровнем биологической активности, то на его фракционный состав главное влияние оказывает минералогический состав почв, минерализация почвенных растворов и их миграция в профиле почвы. Вследствие этого фракционный состав служит отражением таких свойств, как карбонатность, степень насыщенности основаниями, состав обменных катионов и кислотность черноземов.

В наших исследованиях фракции ГК-2 и ГК-3, преимущественно связанные с кальцием, устойчивыми полуторными окислами и глинистыми минералами, сохраняют свою стабильность в условиях орошения. Их количество не опускается ниже значений контроля, несмотря на динамику содержания гумуса. Степень гумификации органического вещества орошаемых типичных черноземов возрастает практически для всех исследуемых участков, даже для тех, где отмечается увеличение количества ФК относительно контроля. Объясняется это тем, что увеличение доли ФК происходит не за счет снижения содержания ГК, а за счет уменьшения доли негидролизуемого остатка.

При орошении обыкновенных черноземов сохраняются основные особенности гумусного состояния, свойственные данному подтипу. Тип гумуса остается гуматным. Однако, величина отношения Сгк : Сфк для большинства исследуемых почв (4 участков из 6) снижается на 0.1-0.4 единицы по сравнению с контролем. Снижение

суммарного количества ГК наблюдается в основном за счет фракции 1 свободных и связанных с полуторными окислами гуминовых кислот. В почве некоторых ключевых участков отмечается также уменьшение доли фракции ГК-2, предположительно связанной с Са.

Отмеченные изменения фракционного состава гумуса в большинстве орошаемых почв сопровождаются увеличением доли негидролизуемого остатка. Абсолютное содержание углерода группы гу- мина при этом снижается в черноземах тех участков, где в целом уменьшается содержание гумуса.

Таким образом, анализ полученного материала свидетельствует о том, что орошение оказывает значительное влияние на гумусное состояние типичных и обыкновенных черноземов. Направление изменения гумусного состояния неоднозначно: отмечаются случаи как снижения, так и увеличения содержания гумуса. Повышение содержания гумуса в почвах нескольких ключевых участков (в т.ч. и с длительным орошением) свидетельствует о возможности стабилизации гумусного состояния орошаемых черноземов ЦЧО.

* * *

На основании полученных результатов можно заключить, что при орошении черноземов ЦЧО отмечаются следующие трансформационные процессы: В результате орошения наблюдается увеличение глыбистости, снижение содержания агрономически ценных агрегатов и водопрочное™ структуры. По мере увеличения сроков орошения агрофизическая деградация типичных и обыкновенных черноземов становится более выраженной. Интенсивность обесструктуривания черноземов максимальна в первые годы орошения, затем она постепенно снижается, но не прекращается полностью. Деградация структурноагрегатного состава охватывает слой 0-50 см, но наиболее сильно выражена в пахотном горизонте. Уровень содержания гумуса в тапичных и обыкновенных черноземах ключевых участков изменяется от среднего до высокого. В условиях орошения количество гумуса в одних случаях несколько увеличивается, в других - уменьшается. Для тапичных черноземов отмечается тенденция увеличения мощности гумусового горизонта при орошении. В обыкновенных черноземах этого не наблюдается. Характер распределения гумуса по профилю орошаемых типичных и обыкновенных черноземов аналогичен контрольному на богаре. В условиях орошения отмечается увеличение запасов гумуса в полуметровом и метровом слое черноземов. При этом если амплитуда колебаний запасов гумуса в неорошаемых черноземах типичных и обыкновенных примерно одинакова, то в условиях орошения она больше в черноземе обыкновенном, т.е. в типичных черноземах орошение в большей степени стабилизирует гумусное состояние. Изменение группового и фракционного состава гумуса исследуемых почв орошаемых участков неоднозначно и в некоторой степени определяется направлением изменения содержания гумуса. Снижение общего уровня гумусированности почв сопровождается расширением соотношения Сгк : Сфк и снижением подвижности гумуса. При увеличении количества гумуса, напротив, отмечается повышение содержания подвижных фракций гуминовых и фульвокис- лот с преимущественным повышением последних, следствием чего является сужение отношения Сгк : Сфк. Отмечаемые изменения группового и фракционного состава незначительны по абсолютной величине и в целом уровень всех показателей гумусного состояния, оцениваемый по современным критериям, существенно не изменяется относительно контроля.