Исследованиями установлено, что орошение приводит к существенным изменениям направленности природных почвенных процессов и режимов, трансформации показателей состава и свойств черноземов обыкновенных, которые определяются химическим составом поливной воды, исходными свойствами почвы, ландшафтно-геохимическими условиями [9, 10]. Изменение ландшафтно-экологических условий приводит к развитию новых по сути и интенсивности элементарных почвообразующих процессов (долгосрочных и краткосрочных), которые приводят к преобразованию исходных почв.

На основании полученных результатов исследований охарактеризуем особенности и закономерности почвообразования, изменения показателей чернозема обыкновенного в результате орошения минерализованной водой низкого качества и в постирригационный период. Вследствие 30-летнего периода орошения в верхнем полутораметровом слое произошли качественные и количественные изменения состава водорастворимых солей, связанные с увеличением общего количества солей в профиле почвы до 0,13-0,17%, в том числе и токсичных до 0,11-0,12% (до слабой степени засоления), преимущественно за счет хлоридов и сульфатов магния и натрия (рис.1). Формирование горизонта солевых аккумуляций отмечается на глубине 100-150 см. Долгосрочное орошение привело к ощелачиванию почвенного раствора на 0,2-0,5 единицы рН, уменьшению соотношения Са: Na до значений, характерных для сильно - и среднедеградированных почв (табл.1). Так, в неорошаемой почве в полутораметровом слое соотношение Са: Na составляло 6,0-8,3, а в результате орошения оно снизилось до 0,2-0,6, что свидетельствует о развитии ирригационного осолонцевания вследствие вытеснения катионов кальция катионами натрия.

В почве, выведенной из орошения, с увеличением термина постирригационного периода и использования его в богарных условиях отмечается затухание галогеохимических процессов и развитие процессов, противоположных тем, что протекают при орошении. Результаты определения солевого состава почвы свидетельствуют об активизации быстрообратимого процесса рассоления профиля чернозема обыкновенного под действием атмосферных осадков, происходит постепенное восстановление свойств почвы в сторону неорошаемого аналога. Следствием шестилетнего пребывания чернозема обыкновенного вне орошения явилось рассоление почвенного профиля, начиная с верхних слоев (0-25, 25 - 50 см), общее содержание легкорастворимых солей при этом уменьшилось до 0,11%, а токсичных - до 0,05-0,06%. Щелочность снизилась на 0,2-0,4 единицы. Вследствие улучшения качественного состава солей соотношение Са: Na увеличилось до 0,9-2,2.

Через 9 лет после прекращения орошения содержание общих и токсичных солей оставалось на уровне 6-летнего постирригационного периода, но качественный состав солей улучшался - соотношение Са: Na в почвенном профиле расширилось до 1,0-2,4 с тенденцией продвижения процесса рассоления вглубь почвы.

Неорошаемая почва Орошаемая почва, 30 лет

Выведенная из орошения почва, 6 лет Выведенная из орошения почва, 16 лет

Рис.1. Солевой профиль чернозема обыкновенного при различном его использовании

Таблица 1. Изменение солевого состава чернозема обыкновенного при орошении и выведении из орошения

Следствием 16-летнего пребывания чернозема обыкновенного в режиме богарного землепользования явилось дальнейшее рассоление почвенного профиля, с более интенсивной активизацией этих процессов в подпахотном слое и глубже. Происходит постепенная ренатурализация свойств почвы в сторону неорошаемого аналога. Следует отметить, что за этот период почва достигла неорошаемого аналога по содержанию общего количества водорастворимых солей только в пахотном слое 0-25 см (0,098%), а в более глубоких слоях концентрация их составляла 0,11-0,12% и превышала показатели неорошаемого аналога. Содержание токсичных солей по всему профилю почвы оставалось выше, чем в богарном контроле (0,035-0,062%). Соотношение Са: Na расширилось до 2,1-4,2 в верхнем полуметровом слое, что все еще значительно ниже, чем в условиях богарного землепользования, а в нижних горизонтах, где содержание водорастворимого натрия оставалось высоким вследствие длительного орошения минерализованной водой и сухости климата, оно увеличилось незначительно - до 1,1. Это свидетельствует о том, что качественный состав водорастворимых солей, нарушенный орошением водой низкого качества, восстанавливается значительно медленнее, чем количественный. Натрий сохраняется в почвенном растворе значительно дольше, чем кальций, вследствие постепенного перехода из обменно поглощенного состояния в водорастворимое.

Таким образом, 16-летнего пребывания чернозема обыкновенного без орошения было достаточно только для восстановления общего содержания водорастворимых солей в слое 0-25 см до уровня богарной почвы, а для качественного изменения водорастворимых солей он был недостаточным. Это свидетельствует о том, что при орошении непригодными водами деградационные изменения накапливаются в почвенном профиле и обусловливают невозможность полного воспроизводства ресурсов почвенного плодородия.

Процессы солеобмена в черноземе обыкновенном неразрывно связаны почвенным поглощающим комплексом, прежде всего из качественным составом поглощенных катионов. Исследованиями установлено, что в результате 30-летнего периода орошения непригодной водой процесс осолонцевания достиг средней степени, а сумма поглощенных Nа+ составляла 6,1-7,1% от суммы поглощенных катионов в слоях 0-25 см и 25-50 см (рис.2).

Рис.2. Содержание поглощенного натрия и калия в почве, мэкв/100 г почвы

В ранее орошаемой почве после прекращения поливов отмечается развитие почвообразовательных процессов, направленных в сторону ее рассолонцевания под действием атмосферных осадков, которые характеризуют особенности почвообразования и эволюции почвы, а в конечном итоге определяют уровень ее плодородия. За 6-летний период в верхнем 0-25 сантиметровом слое почвы содержание поглощенного натрия уменьшилось с 2,4 мэкв/100 г почвы до 0,45 мэкв/100 г вследствие вытеснения его кальцием, а степень осолонцевания снизилась до слабой (3,7% Nа+ от суммы поглощенных оснований). С увеличением богарного использования чернозема обыкновенного происходят более интенсивные изменения в составе поглощающего комплекса. Так, за 16-летний период без орошения содержание поглощенного натрия уменьшилось до 0,27 мэкв/100 г, но при этом не достигло уровня исходной почвы. Солонцеватость же сохранялась на уровне слабой степени (3,4% Nа+ от суммы поглощенных оснований).

Таким образом, 16-летнего периода было недостаточно для восстановления качественного и количественного состава поглощенных катионов до уровня неорошаемой почвы. Исследованиями установлено [6], что полное восстановление основных свойств чернозема обыкновенного среднеосолонцованного в результате поливов водой 2-3 класса можно ожидать примерно на 35-40 год после прекращения орошения.

Изучение питательного режима показало, что в выведенной из орошения почве, которая до этого использовалась в овощном севообороте, за счет применения удобрений обеспеченность почвы азотом, фосфором и калием была выше, чем богарной. После 9-летнего периода богарного использования ранее орошаемой почвы существенного различия в содержании минерального азота, который отличается подвижностью и динамичностью, по сравнению с богарным контролем практически не отмечалось, и обеспеченность почвы зависела главным образом от количества внесенных удобрений под выращиваемые культуры. Содержание же фосфора и калия в этих условиях было несколько выше в выведенной из орошения почве, очевидно за счет перехода их соединений из труднорастворимых в более растворимые в условиях более высокой влажности почвы при орошении. В целом динамика содержания подвижных форм питательных элементов направлена на приближение к показателям неорошаемой почвы с каждым годом последействия. На 16 год последействия существенных различий между неорошаемой и выведенной из орошения почвами по содержанию подвижных форм азота, фосфора и калия не отмечалось.

По содержанию гумуса чернозем обыкновенный характеризовался как малогумусный - 4,0-4,4%. На 16-год последействия достоверных различий в содержании гумуса между неорошаемой и выведенной из орошения почвами не наблюдалось.

Под влиянием орошения чернозема обыкновенного непригодной водой, происходит изменение его агрофизического состояния, проявляющееся в повышении плотности, коркообразовании, уменьшении количества агрономически ценных агрегатов, изменении гранулометрического и микроагрегатного состава [9, 10]. Нашими исследованиями на Марьинском стационаре № 1 (АФ им. Горького) установлено [9, 10], что под влиянием длительного орошения (около 50 лет) в почве произошли изменения гранулометрического состава, направленные в сторону его утяжеления - с тяжелосуглинистого до легкоглинистого, в результате увеличения содержания физической глины с 56-59% до 65-67%. Причиной этого является развитие процессов внутрипочвенного оглинивания или выветривания, вызывающих разрушение крупных частиц первичных минералов (песок, средний и крупный пыль) и превращение их в мелкую пыль и ил. Фактор дисперсности по Качинскому, характеризующий степень разрушения микроагрегатов, при орошении непригодными водами увеличился с 7,4 (неорошаемая почва) до 12,3, что свидетельствует об уменьшении устойчивости микроструктуры чернозема обыкновенного. Фактор структурности по Фегеляру, который определяет водоустойчивость агрегатов, уменьшился с 93% до 88% в результате снижения содержания водоустойчивых агрегатов.

Изучение гранулометрического состава чернозема обыкновенного, выведенного из орошения, свидетельствует о развитии процессов ренатурализации свойств почвы (табл.2). Исходная неорошаемая почва характеризовалась как легкоглинистая крупнопылевато-илистая. В пахотном слое преобладают фракция ила (<0,001 мм) - 47,1% и крупной пыли (0,05-0,01 мм) - 22,3%. Содержание физической глины в слоях 0-25 и 25-50 см составляло 71-74%.

Таблица 2. Гранулометрический состав неорошаемого и выведенного из орошения чернозема обыкновенного, 2012 г.

Выведенная из орошения почва (16 лет) характеризовалась более тяжелым гранулометрическим составом - среднеглинистым с содержанием физической глины в полутораметровом слое на уровне 75-77%. Данная почва в сравнении с богарной отличалась более высоким содержанием гранулометрических фракций мелкой пыли (16%) и ила (49-52%). Количество крупной пыли и песка, уменьшившееся в результате диспергации, так и оставалось по абсолютным значениям ниже, чем в исходной почве. Таким образом, 16-летнего периода богарного использования недостаточно для изменения гранулометрического состава чернозема обыкновенного до показателей богарной почвы, что свидетельствует о медленной обратимости данного процесса и слабой ренатурализации.

Определение микроагрегатного состава чернозема обыкновенного показало, что в результате длительного орошения произошло разрушение микроструктуры, что сопровождается увеличением количества активного ила. Расчет значений фактора дисперсности по Н.А. Качинскому (К) и фактора струкурности по Фегеляру (Кс) позволяют судить об устойчивости микроструктуры и водоустойчивости агрегатов данной почвы (табл.3). Орошение привело к разрушению микроструктуры, о чем свидетельствует более высокое значение фактора дисперсности - 9,6% (в богарной почве - 6,8%). По мнению [11] обесструктуривание почв может быть констатировано при значении данного показателя на уровне 8-10 и выше. Орошение также явилось причиной ухудшения водоустойчивости агрегатов, о чем можно судить по снижению фактора структурности по Фегеляру. За 16-летний период богарного землепользования этот показатель возрос до 90,4%, но так и не достиг уровня богарной почвы (93,2%).

Таблица 3. Относительные показатели оценки гранулометрического и микроагрегатного состава чернозема обыкновенного

Орошение является одним из факторов, который изменяет ландшафтно-геохимическую ситуацию и усиливает экологические риски, особенно при использовании загрязненных вод. Изучение глубокопрофильного распределения подвижных форм металлов, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН-4,8, показало, что неорошаемая почва характеризуется более низким уровнем общего их содержания по сравнению с выведенной из орошения почвой (6 лет). Горизонт аккумуляции металлов формируется на глубине 75-125 см (рис.3).

Неорошаемая почва Выведенная из орошения почва, 6 лет

Рис.3. Распределение подвижных форм тяжелых металлов в профиле неорошаемого и выведенного из орошения чернозема обыкновенного

В выведенной из орошения почве за счет дополнительного поступления с оросительной водой содержание подвижных форм свинца, кадмия, никеля и кобальта в верхнем 0-25 см слое выше в 1,75-1,83 раза в сравнении с богарной почвой. Под влиянием нисходящих потоков воды они мигрируют вглубь по профилю чернозема обыкновенного с максимальной аккумуляцией в слое 150-175 см. Так, в данной почве концентрация кадмия в 3-метровом профиле почвы варьировала в пределах 0,55-1,00 мг/кг, что выше фонового значения в 5 - 10 раз, свинца - 7,0-13,0 мг/кг (в 14-26 раз выше фона и в 1,2-2,2 раза выше предельно допустимой концентрации (ПДК), кобальта - 2,7-5,0 мг/кг (в 5,4 - 10 раз выше фона), никеля - 4,5…8,4 мг/кг (в 4,5-8,4 раза выше фона и в 1,1 - 2,1 раза выше ПДК). Превышение фона и ПДК по ряду металлов свидетельствует об опасности загрязнения ими выращиваемой сельскохозяйственной продукции и требует применения приемов по детоксикации почв и регулирования поступления токсикантов в растения. Таким образом, 6-летнего периода было недостаточно для того, чтобы содержание подвижных форм металлов уменьшилось до уровня неорошаемой почвы.

С увеличением постирригационного периода из-за отсутствия дополнительного источника поступления металлов отмечается дальнейшая тенденция уменьшения их общего содержания и на 16 год постирригационного периода концентрация их стабилизируется до уровня неорошаемой почвы.

Выводы