Структурное состояние черноземов обыкновенных в орошаемых и неорошаемых условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(22), 2016 г., [41-55]

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ В ОРОШАЕМЫХ И НЕОРОШАЕМЫХ УСЛОВИЯХ

Л.А. Воеводина

Аннотация

чернозем почва орошаемы микроструктура

Целью исследований было определение изменений физических свойств черноземов обыкновенных в неорошаемых и орошаемых условиях (при дождевании и капельном орошении). Исследования проводились в центральной орошаемой зоне Ростовской области. Установлено, что микроструктура черноземов обыкновенных при сельскохозяйственном использовании остается практически неизменной по сравнению с целинными почвами. Фактор дисперсности у исследуемых почв находился в диапазоне от 2,6 до 6,8, что позволяет оценить микрооструктуренность как высокую. Данные по индексу нестабильности почвы указывают на ослабление влияния гумуса на агрегирование почвы в ряду: целина > богара > капельное орошение > дождевание. Наибольшему воздействию при сельскохозяйственном использовании подвергается макроструктура почвы. Лишь в целинных условиях сохраняются наиболее благоприятные показатели структурного состояния: содержание агрономически ценных агрегатов (0,25-10 мм) при «сухом» и «мокром» просеивании составляет соответственно 73 и 68 %, что соответствует хорошей оценке. Использование почвы в богарных условиях снижает количество агрономически ценных агрегатов при «мокром» просеивании на 32,4 %, в орошаемых условиях при дождевании - на 51,5 %. При капельном орошении более чем в 2 раза возрастает содержание глыбистой фракции при «сухом» просеивании. В результате анализа данных для слоя почвы 0-30 см была получена прямая линейная зависимость y = 19,02 x - 34,41 с коэффициентом достоверности аппроксимации 75 %, где х - содержание гумуса, %; у - содержание агрономически ценных агрегатов при «мокром» просеивании. Согласно этой зависимости снижение содержания гумуса на 1 % приводит к уменьшению количества водоустойчивых агрономически ценных агрегатов на 19,02 %. Использование данной зависимости показало, что для повышения содержания водоустойчивых агрономически ценных агрегатов до оптимальных для обыкновенных черноземов значений (70-90 %) необходимо увеличить содержание гумуса до 5,5-6,5 %.

Ключевые слова: структура почвы, гранулометрический состав, микроструктура почвы, дождевание, капельное орошение, водопрочность, содержание гумуса.

Annotation

L. A. Voyevodina

Russian Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

STRUCTURAL STATE OF ORDINARY CHERNOZEM UNDER IRRIGATED AND RAINFED CONDITIONS

The aim of research was to determine the changes of physical properties of ordinary chernozem under rainfed and irrigated conditions (for sprinkling and drip irrigation). The study was conducted in central irrigated zone of Rostov region. It has been found out that by agricultural use under irrigated and rainfed conditions the microstructure of ordinary chernozem remains practically unchanged compared with the virgin soils. The dispersion factor of investigated soils ranged from 2.6 to 6.8. Such values enable to evaluate its microstructure properties as high ones. The data on the index of soil instability indicate the weakening of humus influence on soil aggregation in a line: virgin soils > rainfed soils > drip irrigation > sprinkling. The soil macrostructure is influenced mostly when exposed to agricultural use. The most favorable indicators of the structural state are kept only under virgin conditions: the content of agronomical valuable aggregates (0.25-10 mm) at “dry” and “wet” sieving is 73 and 68 % respectively, which means a good evaluation. The soil use in rainfed conditions reduces the amount of agronomical valuable aggregates at “wet” sieving by 32.4 % and in irrigated conditions with sprinkling - by 51.5 %. For drip irrigation, the content of clod fraction increases more than two times. Data analysis for soil layer 0-30 cm resulted in a direct linear relationship y = 19.02 x - 34.41 with the approximation validity coefficient 75 %, where x - humus content,%; y - the content of agronomical valuable aggregates at “wet” sieving. According to this dependency the reduction of humus content by 1 % leads to reduction of the quantity of water stable aggregates by 19.02 %. The usage of this dependence has shown that to improve the content of water stable aggregates to optimal values for ordinary chernozem (70-90 %) humus content should be increased to 5.5-6.5 %.

Keywords: soil structure, soil texture, soil microstructure, sprinkling irrigation, drip irrigation, water stability, humus content.

Введение

В ходе эксплуатации сельскохозяйственных земель на почву оказываются разнообразные воздействия. Учет исходных характеристик физических свойств почвы и отслеживание их изменений чрезвычайно важны для сохранения экологической устойчивости черноземных почв юга России.

Одним из интенсивных способов повышения урожайности является применение орошения. Согласно данным Международного комитета по ирригации и дренажу (ICID) за 2008 г. в РФ [1] более 77 % орошаемых земель поливается дождеванием. Этот способ орошения позволяет производить полив больших площадей с наименьшими затратами по сравнению с другими современными способами орошения.

Наиболее динамично развивающимся способом орошения в современных условиях нарастающего дефицита водных ресурсов является капельное орошение, площади которого за двадцатилетний период увеличились более чем в 6,5 раз и к настоящему времени в мире превышают 10 млн га [2].

С учетом значимости данных способов орошения и ценности черноземных почв были проведены исследования, целью которых являлось определение изменения физических свойств черноземов обыкновенных в неорошаемых и орошаемых условиях (при дождевании и капельном орошении). Нами изучался гранулометрический, микроагрегатный и агрегатный состав почвы и связь этих параметров с отдельными физико-химическими показателями и содержанием гумуса.

Гранулометрический состав, выраженный в содержании фракций гранулометрических элементов, - важнейшая физическая характеристика почвы, одна из характеристик ее дисперсности. Он определяет все основные почвенные процессы, является одним из фундаментов почвенного плодородия, так как в зависимости от гранулометрии почв проводятся те или иные сельскохозяйственные мероприятия [3].

Сопоставление данных, полученных при определении микроагрегатного и гранулометрического состава, позволяет провести ряд оценок устойчивости микроструктуры, таких как определение коэффициента дисперсности по Качинскому, степени агрегированности по Бэйверу и др. [3, 4].

Для оценки потенциальной способности почвы к оструктуриванию В. А. Королев [5] считает целесообразным применять особый показатель, называемый индексом нестабильности агрегатов. Показатель представляет собой отношение процентного содержания гумуса, умноженного на 100, к количеству физической глины (гранулометрических фракций менее 0,01 мм). Если полученное соотношение индекса нестабильности меньше или равно 7, то гумус в незначительной степени определяет агрегирование почвы [6].

Макроструктура, или агрегатное состояние, играет очень заметную экологическую роль в жизни и растений, и животных. Обычно естественные почвы хорошо агрегированы. Исследования показывают, что одними из главных свойств, отличающих почву от почвообразующей породы, являются гумус и структура: новообразования и агрегаты. Определение агрегатного состояния особенно важно для почв тяжелого гранулометрического состава [4]. Известно, что распыление почв до агрегатов диаметром меньше 0,5 мм сопровождается усилением явлений выдувания, особенно в пахотном горизонте [7]. Почвы с преобладанием агрегатов меньше 0,25 мм проявляют свойства бесструктурных [3].

Обобщение опыта орошения черноземов степной зоны за период с 1950 по 1990 г., проведенное рядом авторов [5, 8-10], показало, что при существующих технике полива и режимах орошения в черноземах наблюдаются неблагоприятные изменения всего комплекса их физических свойств. Одной из причин является малая устойчивость черноземов при повышенном увлажнении в условиях постоянного орошения, обусловленная высокой глинистостью, преобладанием монтмориллонита в тонкодисперсных фракциях и отсутствием свободных соединений карбонатов в гумусовых горизонтах [5, 8-10].

Материалы и методы

Исследования проводились в центральной орошаемой зоне Ростовской области в ЗАО «Нива» Веселовского района в 2010, 2011 и 2015 гг. на почвах, согласно классификации 1977 г. [11] принадлежащих к черноземам обыкновенным карбонатным среднемощным малогумусным. Сельскохозяйственное использование земель ведется здесь не менее 100 лет, а орошение в данном хозяйстве используется с 1953 г.

Изменения физических показателей почв изучались для двух способов орошения: дождевания и капельного орошения, а также на целинных и богарных участках. На орошаемых участках выращивался лук, на богарных - озимая пшеница. На целинных участках преобладали злаковые травы.

Сумма осадков в 2010, 2011, 2015 гг. за весь год и вегетационный период равнялась 547 и 211, 547 и 241, 521 и 200 мм соответственно. Оросительная норма при выращивании лука составляла около 5000 м³/га.

В ходе изучения устанавливался гранулометрический и микроагрегатный состав методом пипетки по Н. А. Качинскому [12]. Структурное состояние почв при «сухом» (СП) и «мокром» просеивании (МП) определяли по методу Н. И. Саввинова. На основе полученных результатов проводился расчет таких показателей, как содержание агрономически ценных агрегатов (АЦА), водоустойчивость, коэффициент структурности, критерий водопрочности АФИ, средневзвешенный диаметр агрегатов (СВД), степень агрегированности по Бэйверу [3]. Количество карбонатов находили по методу Голубева [13], обменного кальция - по ГОСТ 26487-85 ГОСТ 26487-85. Почвы. Определение обменного кальция и обменного (подвижного) магния методами ЦИНАО. - Введ. 1986-07-01 // Техэксперт: Интранет 6.2014 [Электронный ресурс]. - Консорциум «Кодекс», 2015., гумуса - по ГОСТ 26213-91 ГОСТ 26213-91. Методы определения органического вещества. - Введ. 1993-07-01 // Техэксперт: Интранет 6.2014 [Электронный ресурс]. - Консорциум «Кодекс», 2015.. Для построения графиков использовалось программное обеспечение Microsoft Office Exсel.

Отбор проб почвы проводился в слое 0-30 см по окончании оросительного сезона в конце августа, ежегодно в трехкратной повторности. Пробы поливной воды отбирали весной и осенью.

В годы исследований химический состав поливной воды не был постоянным в течение поливного сезона. В начале поливного сезона вода имела преимущественно гидрокарбонатно-натриевый состав, в конце - сульфатно-натриевый (таблица 1). Вода по минерализации представляет собой воду второго класса для почв тяжелого гранулометрического состава. Электропроводность поливной воды в начале поливного сезона составляла 0,582 дСм/м, в конце - 0,483 дСм/м.

Таблица 1

Химический состав поливной воды в ЗАО «Нива» в 2010, 2011 и 2015 гг.

Результаты и обсуждение

Результаты изучения гранулометрического и микроагрегатного состава показаны в таблице 2 и на рисунке 1. Гранулометрический состав почв тяжелосуглинистый и легкоглинистый. В составе преобладает фракция крупной пыли (0,05-0,01 мм) (от 33,5 до 43,4 %), также значительно содержание илистых частиц (< 0,001 мм) (от 16,8 до 33,7 %) и мелкой пыли (0,005-0,001 мм) (от 23,6 до 13,0 %).

Таблица 2

Показатели микрооструктуренности обыкновенных черноземов

Рисунок 1 Кумулятивные (интегральные) кривые распределения гранулометрических элементов по размерам при гранулометрическом и микроагрегатном анализах почв

Кумулятивные кривые, представленные на рисунке 1, демонстрируют, что микроструктура черноземов обыкновенных при сельскохозяйственном использовании как в орошаемых, так и в богарных условиях характеризуется устойчивостью. Это подтверждают значения фактора дисперсности и степени агрегированности (таблица 2). В целом заметной разницы между микрооструктуренностью при разных способах орошения и режимах использования земель не установлено. Содержание фракций при микроагрегатном анализе однородно.

Большинство исследователей указывают на ухудшение структурного состояния почвы при уменьшении содержания гумуса [14-18]. Данные по индексу нестабильности почвы (таблица 2) подтверждают, что влияние гумуса на агрегирование почвы ослабевает в ряду: целина > богара > капельное орошение > дождевание.

Результаты изучения структурного состояния, полученные при СП и МП почвы различных участков, представлены на рисунке 2. Анализ представленных данных показал, что почва целинных участков при СП характеризовалась наименьшим содержанием глыбистой фракции (23 %). В богарных условиях количество данной фракции возросло незначительно, однако в орошаемых условиях при дождевании произошло увеличение на 54 %, при капельном орошении отмечалось наибольшее повышение содержания глыбистой фракции (оно возросло более чем в 2 раза).

Если при СП преобладающей фракцией была глыбистая (> 10 мм), то при МП наибольшую долю составляла пылеватая фракция (< 0,25 мм). Меньше всего частиц < 0,25 мм содержала целинная почва (32,4 %), во всех остальных рассматриваемых случаях их доля превышала 50 %. Так, на богаре она составляла 53,8 %, при капельном орошении - 51,4 %, при дождевании - 66,9 %, т. е. с усилением механических воздействий на почву количество пылеватой фракции возрастало.

Рисунок 2 Содержание агрегатов различных фракций
при СП и МП, %

Данные об агрегатном состоянии чернозема обыкновенного (таблица 3) свидетельствуют о том, что наилучшими показателями характеризовались почвы целинных участков. Здесь отмечалось наивысшее содержание АЦА при СП (73 %), что соответствует хорошему структурному состоянию. Оно также подтверждается высокими значениями коэффициента структурности, по которому структурное состояние почвы оценивается как отличное. Самые низкие показатели по количеству АЦА при СП и коэффициенту структурности отмечались при капельном орошении, при котором эти показатели составили 49 % и 0,97 соответственно, что ниже, чем на целинных участках, на 32,8 и 64,0 %. На последних также отмечались наилучшие показатели структурного состояния при МП. Так, содержание АЦА составило 68 %, что соответствует хорошему структурному состоянию. Водопрочность на целинных участках характеризовалась как отличная.

Таблица 3

Показатели агрегатного состояния слоя 0-30 см
чернозема обыкновенного

Агрегатное состояние почвы, находящейся в сельскохозяйственном использовании, как в богарных, так и в орошаемых условиях ухудшалось. Так, если показатели при СП для почв при богарном использовании приближались к показателям целинных участков, то результаты МП указывают на значительное уменьшение содержания АЦА (на 32,4 %), при этом СВД уменьшился в 2,6 раза и составил 0,28 мм против 0,75 мм для почв целинных участков. Еще меньший СВД (0,26 мм) был характерен для почв, на которых проводилось дождевание. Почвы при капельном орошении характеризовались большим СВД (0,36 мм), что может быть следствием значительного содержания глыбистой фракции, когда имеет место медленное поглощение воды крупными фракциями при плотной упаковке частиц, слагающих агрегаты. Полученные данные указывают на то, что СВД приближается к 0,25 мм, т. е. почва приобретает свойства бесструктурной [3]. Такие изменения особенно опасны при орошении, когда почва медленно пропускает воду и быстро высыхает, другими словами, неэффективно использует поступающую влагу, подвержена водной и ветровой эрозии, а в увлажненном состоянии содержит мало воздуха [19, 20].

Таким образом, наибольшему воздействию при сельскохозяйственном использовании подвергается макроструктура почвы. Лишь в целинных условиях сохраняются наиболее благоприятные показатели структурного состояния.

Известно, что на водопрочность агрегатов оказывает влияние содержание кальция в обменной форме и (или) в форме карбонатов [5]. Для слоя 0-30 см мы сопоставили содержание водоустойчивых (полученных при МП) АЦА с содержанием обменного кальция в абсолютном и процентном выражении, а также с содержанием карбонатов (рисунок 3).

В данном случае не удалось выявить зависимости между количеством водоустойчивых АЦА и перечисленными показателями, хотя это и противоречит ранее установленным результатам [10]. Возможно, это связано с небольшим диапазоном варьирования данных по содержанию карбонатов и обменного кальция.

Рисунок 3 Зависимости количества водоустойчивых АЦА от содержания обменного кальция, карбонатов и гумуса в слое почвы 0-30 см

При сопоставлении данных по содержанию водоустойчивых АЦА и гумуса была получена прямая линейная зависимость с коэффициентом аппроксимации R² = 74 %, что указывает на наличие связи между этими величинами. Зависимость имеет вид: y = 19,02 x - 34,41, где х - содержание гумуса, %; у - содержание АЦА при МП. Согласно данной зависимости уменьшение количества гумуса на 1 % приводит к понижению содержания АЦА на 19,02 %. Зависимость была получена для диапазона содержания гумуса от 3,2 до 5,1 %. Использование ее для прогноза значений, выходящих за эти пределы, показало, что с уменьшением содержания гумуса до 1,8 % количество водоустойчивых АЦА будет стремиться к нулю, таким образом, снижение количества гумуса ниже 2 % может привести к полной потере водопрочности. Для повышения содержания водоустойчивых АЦА до оптимальных для обыкновенных черноземов значений (70-90 %) необходимо повысить количество гумуса до 5,5-6,5 %.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что микроструктура черноземов обыкновенных при сельскохозяйственном использовании почв как в орошаемых, так и богарных условиях остается практически неизменной по сравнению с целинными почвами. Фактор дисперсности у исследуемых почв находился в диапазоне от 2,6 до 6,8, что позволяет оценить микрооструктуренность как высокую. Данные по индексу нестабильности почвы свидетельствуют об ослаблении влияния гумуса на агрегирование почвы в ряду: целина > богара > капельное орошение > дождевание.

Наибольшему воздействию при сельскохозяйственном использовании подвергается макроструктура почвы. Лишь в целинных условиях сохраняются наиболее благоприятные показатели структурного состояния: содержание АЦА (0,25-10 мм) при СП составляет 73 %, коэффициент структурности - 2,69, что позволяет оценить структурное состояние как хорошее и отличное; содержание АЦА при МП составляет 68 %, структурное состояние по содержанию АЦА при МП и критерию водопрочности АФИ (295 %) оценивается как хорошее, водопрочность - как отличная. Использование почвы в богарных условиях снижает количество водоустойчивых АЦА на 32,4 %, в орошаемых условиях при дождевании - на 51,5 %. При капельном орошении более чем в 2 раза возрастает содержание глыбистой фракции.

В результате анализа данных для слоя почвы 0-30 см была получена прямая линейная зависимость y = 19,02 x - 34,41 (R² = 74 %), где х - содержание гумуса, %; у - содержание АЦА при МП. Согласно данной зависимости уменьшение содержания гумуса на 1 % приводит к понижению количества водоустойчивых АЦА на 19,02 %. Использование данной зависимости показало, что для повышения содержания водоустойчивых АЦА до оптимальных для обыкновенных черноземов значений (70-90 %) необходимо повысить количество гумуса до 5,5-6,5 %.

Список использованных источников

1 Гопалакришна, М. Площади дождевания и микро-орошения в некоторых странах - членах МКИД [Электронный ресурс] / М. Гопалакришна. Режим доступа: http:cawater-info.net/int_org/icid/micro-irrigated_areas.htm, 2015.

2 Postel, S. Drip Irrigation Expanding Worldwide [Electronic resource] / S. Postel. Mode of access: http:newswatch.nationalgeographic.com/2012/06/25/drip-irrigationexpan-ding-worldwide, 2015.

3 Шеин, Е. В. Агрофизика [Электронный ресурс] / Е. В. Шеин, В. М. Гончаров; МГУ им. Ломоносова. 2006. Режим доступа: http:pochva.com, 2015.

4 Теории и методы физики почв: коллектив. моногр. [Электронный ресурс] / под ред. Е. В. Шеина и Л. О. Карпачевского. М.: Гриф и К, 2007. Режим доступа: http:pochva.com, 2015.

5 Королев, В. А. Изменение основных физических свойств черноземов обыкновенных под влиянием орошения / В. А. Королев // Почвоведение. 2008. № 10. С. 1234-1240.

6 Monuier, G. The granulometric composition of the soil: a way to predict their physical fertility / G. Monuier, P. Stengel // Bull. techn. inf. Min. agr. 1982. № 340-372. P. 503-512.

7 Ковда, В. А. Основы учения о почвах. Кн. 1 / В. А. Ковда. М.: Наука, 1973. 448 с.

8 Минашина, Н. Г. Проблемы орошения почв степей юга России и возможности их решения (на основе анализа производственного опыта 1950-1990 гг.) / Н. Г. Минашина // Почвоведение. 2009. № 7. С. 867-876.

9 Щедрин, В. Н. Теория и практика альтернативных видов орошения черноземов юга Европейской территории России / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев. Новочеркасск: Лик, 2011. 435 с.

10 Скуратов, Н. С. Использование и охрана орошаемых черноземов / Н. С. Скуратов, Л. М. Докучаева, О. Ю. Шалашова. М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2001. 246 с.

11 Егоров, В. В. Классификация и диагностика почв СССР / В. В. Егоров, Е. Н. Иванова, В. М. Фридланд. М.: Колос, 1977. 224 с.

12 Вадюнина, А. Ф. Методы исследования физических свойств почв / А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.

13 Скуратов, Н. С. Лабораторные исследования почв: учеб. пособие / Н. С. Скуратов, Р. А. Каменев. Персиановский: Изд-во ДонГАУ, 2011. 107 с.

14 Хан, Д. В. Органо-минеральные соединения и структура почвы / Д. В. Хан. М.: Наука, 1969. 140 с.

15 Elliot, E. T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils / E. T. Elliot // Soil Sci. Soc. Am. J. 1986. Vol. 50. P. 627-633.

16 A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics / J. Six, H. Bossuyt, S. Degryze, K. Denef // Soil and Tillage Research. 2004. Vol. 79. P. 7-31.

17 Холодов, В. А. Способность почвенных частиц самопроизвольно образовывать макроагрегаты после цикла увлажнения и высушивания / В. А. Холодов // Почвоведение. 2013. № 6. С. 698-706.

18 Моисеев, К. Г. Влияние длительной распашки на прочность почвенных агрегатов / К. Г. Моисеев, И. А. Романов // Почвоведение. 2004. № 6. С. 697-701.

19 Плодородие почв и сельскохозяйственные растения: экологические аспекты / В. Ф. Вальков, Т. В. Денисова, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников, Р. В. Кузнецов. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2008. 416 с.

20 Murray, R. S. The Impact of Irrigation on Soil Structure [Electronic resource] / R. S. Murray, C. D. Grant; Univ. of Adelaide. 2007. 31 p. Mode of access: http:lwa.gov.au/products/pn20619, 2015.

Размещено на Allbest.ru