CC BY
33
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2015, том 21, №4 (65), с. 54-60
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ
УДК 631.48
ВОДНО-СОЛЕВОЙ РЕЖИМ ЧЕРНОЗЕМОВ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО
РЕГИОНА
© 2015 г. Т.А. Девятова, Л.А. Яблонских, Л.А. Алаева, А.В. Белик, Е.А. Негробова,
И.В. Румянцева
Воронежский государственный университет Россия, 394006 Воронеж, Университетская пл., 1. Е-mail: [email protected]
Поступила 22.04.2015
С усилением в последние годы фактора рискованного земледелия в ЦентральноЧерноземном регионе, во многих хозяйствах Воронежской области наметилась тенденция к восстановлению старых или созданию новых ирригационных систем. Поэтому детальный анализ водно-солевого режима черноземов, которые являются здесь базовым компонентом агроценозов, носит актуальный характер и составляет научную новизну данной работы.
Ключевые слова: водно-солевой режим, водная вытяжка, анионно-катионный состав, тип засоления, токсичные соли, солевые ассоциации.
Основная часть южной и юго-восточной части Воронежской области приурочена к Окско-Донской равнине, которая является большой материковой впадиной и относится к провинции соленакопления. Это не значит, что почвенный покров впадин состоит исключительно из засоленных почв. В данном случае на распределение и аккумуляцию солей влияет положение рельефа. Поверхность впадин не равномерна. На обширных возвышенных участках низменностей (плато, высоких террасах), где грунтовые воды залегают за пределами почвенного профиля, водный режим складывается по непромывному типу и засоления почвенной толщи не наблюдается. Однако в условиях неглубокого залегания грунтовых вод разной степени минерализации (полугидроморфное и гидроморфное почвообразование) складываются благоприятные условия для соленакопления в почвенном профиле черноземных почв.
Водно-солевой режим - один из важнейших показателей почв при внедрении их в поливное земледелие, который является индикатором пригодности почв для такого рода мелиораций. Для его детальной характеристики необходимо проанализировать компонентно-количественный состав водной вытяжки. Сухой остаток включает общее количество всех легкорастворимых солей почвенного раствора. По этому показателю можно составить общее представление о степени засоления. Однако химизм засоления, количественно-компонентный состав сухого остатка требуют более основательной характеристики. Для этого необходимо провести определение количественного и качественного содержания ионов водной вытяжки и связать их в гипотетические соли. Полученные результаты позволяют сделать выводы о химизме и направленности процесса засоления в почвах. Исследования водно-солевого режима почв в условиях поливного земледелия проводились в разных регионах страны (Залетаев, 1995; Куст, 2013). Целью данного исследования является детальный анализ водно-солевого режима черноземов - базового компонентом агроценозов в районе исследований.
Объекты и методы
В качестве объекта исследования были выбраны черноземы типичные мощные и среднемощные, которые сформировались в плакорных условиях или на слабонаклонных поверхностях (крутизна склонов до 1° и 1-2°) на покровных карбонатных глинах без признаков засоления и солонцеватости, при уровне грунтовых вод ниже 6 м с минерализацией 0.6-1.3 г/л в юго-восточной части Воронежской области.
Климатические условия исследуемой территории неблагоприятны. Годовое количество осадков составляет 450-500 мм, коэффициент увлажнения равен 0.8-1.0. Данная территория лежит на границе
засушливой юго-восточной зоны и открыта действию восточных и юго-восточных ветров, знойных летом и холодных зимой. На основании климатических показателей юго-восток Воронежской области относится к лесостепной климатической зоне со средней температурой в июле +19.5 -+20.0оС, а в мае-сентябре +16 - +17оС. Сумма эффективных температур района исследования колеблется в пределах от 2600-2800°С. Число дней в году со среднесуточной температурой воздуха выше +10°С равно 155. Дефицит атмосферного увлажнения предопределил необходимость восстановления ирригационных систем в юго-восточной части Воронежской области, которую можно отнести к зоне рискованного земледелия.
Основным методом оценки степени засоления почв является анализ водной вытяжки. Он включает определение содержания сухого (плотного) остатка и его составляющих. Основными компонентами являются анионы (хлор-ион, сульфат-ион, гидроксид-ион) и катионы (ионы кальция, магния, натрия, калия). По их соотношению возможно выявить тип засоления, а связав анионы и катионы в эквивалентных количествах в гипотетические соли - его химизм.
Полученные результаты и их обсуждение
Черноземы типичные исследуемой территории по мощности гумусового горизонта (А+АВ = 75 -100 см) относятся к мощным и среднемощным. Морфологические особенности строения их генетического профиля представлено на примере конкретного разреза.
Макрорельеф: Окско-Донская равнина.
Мезорельеф: слабопокатый склон западной экспозиции.
Микрорельеф: пахотные борозды.
Угодье: пашня.
Апах 0-20 см. Влажный, темно-серый, творожисто-комковатый, слабоуплотнен, тяжелосуглинистый, тонкопористый, пожнивные остатки, корни растений, вскипает с поверхности, переход постепенный.
Аса 20-60 см. Влажный, темно-серый, комковато-творожистый, слабоуплотнен, тяжелосуглинистый, тонкопористый, карбонаты в виде пропитки, пожнивные остатки, корни растений, переход постепенный.
АВса 60-100 см. Увлажнен, темно-серый с буроватым оттенком, комковато-зернистый, слабоуплотнен, тяжелосуглинистый, тонкопористый, корни растений, кротовины, переход ясный.
Вса 100-120 см. Увлажнен, бурый с сероватым оттенком, комковато-призматический, тяжелосуглинистый, корни растений, затеки гумуса, карбонаты в виде псевдомицелия, переход постепенный.
ВСса 120-140 см. Свежий, бурый, призматический, тяжелосуглинистый, обилие карбонатов в виде псевдомицелия, переход постепенный.
Сса 140 см и глубже. Свежий, буровато-палевый, призмовидный, тяжелосуглинистый, обилие карбонатов в виде псевдомицелия.
Почва: чернозем типичный мощный среднегумусный тяжелосуглинистый на покровных карбонатных суглинках.
Водный режим черноземов типичных характеризуется как периодически промывной. В нижних горизонтах их почвенно-грунтовой толщи, глубже слоя максимального промачивания, всегда содержится некоторое количество доступной влаги, которая может служить в засушливые годы резервом влажности.
По гранулометрическому составу черноземы типичные относятся к тяжелосуглинистым с содержанием физической глины 45-57 %. В ее составе заметно преобладает илистая фракция (30-40 %), на втором месте фракция мелкой пыли (5-13 %), на долю средней пыли приходится 0.4-9.7 %. В компонентно-количественном составе физического песка (43-55%) доминирует фракция мелкого песка (24-48 %), на втором месте крупнопылеватая фракция (0.8-13.3), доля участия крупного и среднего песка составляет 4-6 %. Такое распределение всех компонентов позволяет отнести данные почвы к иловато-мелкопылеватым тяжелосуглинистым.
Содержание гумуса постепенно убывает с глубиной от 6.1-6.5 в пахотном горизонте до 4.2-5.4 в средней и до 3.0-3.7% в нижней части профиля. Такой тип распределения гумуса по профилю является типичным для черноземного типа почвообразования. Содержание общего азота в пахотном горизонте колеблется от 0.29 до 0.37%, что соответствует высокой и очень высокой обеспеченности.
Сумма обменных оснований черноземов типичных колеблется в интервале от 27.7 - 31.3 в пахотном горизонте до 21.5-24.2 мг-экв/100 г почвы - на границе метровой толщи. Характер их распределения по профилю постепенно убывающий. В составе почвенно-поглощающего комплекса преобладает кальций с постепенно убывающим по профилю содержанием от 21.5-26.3 в пахотном горизонте до 12.7-20.0 мг-экв/100 г почвы в нижней части профиля. На долю магния приходится не более 10 по всему профилю, причем его количество либо нарастает с глубиной от 3.3-4.5 в пахотном горизонте до 9.7 на глубине 100-130 см, либо убывает от 4.3-5.7 до 3.0 мг-экв/100 г почвы. Содержание поглощенного натрия не превышает 0.8 мг-экв/100 г почвы, что соответствует 1.3-3.0 % натрия по всему профилю и позволяет отнести данные почвы к несолонцеватым.
Реакция почвенного раствора меняется по вертикальному профилю от нейтральной в верхней части гумусового горизонта до слабощелочной - в остальной части профиля. Содержание гипса на глубине 1 м составляет 0.029-0.102%.
Из приведенной характеристики следует, что черноземы типичные тяжелосуглинистые имеют хорошие физико-химические свойства и достаточно обеспечены кальцием. Почвенный поглощающий комплекс их обладает высокой буферностью, что делает их устойчивыми к неблагоприятным антропогенным воздействиям (Девятова, Щербаков, 2006; Девятова, 2007).
При оценки водно-солевого режима почв важно учитывать потенциальный источник легкорастворимых солей, которым выступают почвообразующие породы. Анализ водной вытяжки всех проб почвообразующих пород исследуемой территории показал, что они по величине сухого остатка (0.09-0.25 %) на глубине 3-7 м относятся к незасоленным. В анионном составе преобладают сульфат-ионы (0.82-2.91 мг-экв), на втором месте ионы НСОз-(0.7 - 0.85 мг-экв), на третьем месте -ионы хлора, содержание которых составляет 0.1-0.2 мг-экв, что отражает сульфатный и карбонатно-сульфатный типы засоления. В составе катионов чаще всего преобладают ионы натрия. Согласно оценке степени засоления по содержанию ионов натрия при сульфатном типе засоления, породы с содержанием натрия 0,3-0,8 мг-экв относятся к незасоленным, с содержанием 1.0-1.8 мг/экв - к слабозасоленным. Количество ионов магния составляет 0.4-1.3 мг-экв, ионов кальция - 0.5-0.9 мг-экв, на долю калия приходится не более 0.02 мг-экв во всех пробах. Такой катионный состав с переменным преобладанием ионов натрия, магния и кальция привел к кальциево-натриевому, кальциево-магниевому и магниево-кальциевому типам засоления пород.
Плотный остаток данных пород чаще всего представлен пятисолевыми ассоциациями, состоящими на 57-76 % из токсичных солей (NaHCOз, Na2SO4, MgSO4, MgQ2). На долю гидрокарбоната кальция приходится 24-43 %. Когда в составе плотного остатка содержание ионов кальция больше, чем содержание ионов гидрокарбоната, состав гипотетических солей представлен пятисолевыми ассоциациями, состоящими из двух нетоксичных солей Ca(HCOз)2 и CaSO4 (25-49 %) и трех токсичных Na2SO4, MgSO4, Mga2 (51-75 %).
Согласно классификации почв и пород по содержанию токсичных солей (Почвенные изыскания, 1986) данные почвообразующие породы относятся к незасоленным (сульфатный тип засоления, сумма токсичных солей 0.12-0.13%).
Таким образом, черноземы типичные исследуемой территории сформировались на незасоленных почвообразующих породах, что позволяет исключить их как источник легкорастворимых солей при орошении почв.
В основе оценки водно-солевого режима черноземов типичных лежат результаты их водной вытяжки. Важным показателем является величина сухого остатка. В исследуемых почвах она составила 0.08-0.11%, что позволяет их отнести к незасоленным (Почвенные изыскания, 1986). Однако для мелиоративной оценки необходимо выявить химический и компонентно-количественный состав сухого остатка. Результаты данной характеристики показали, что преобладает хлоридно-сульфатный тип засоления по анионному составу, исключение составляет сульфатно-хлоридный на глубине 40-70 см (разрез 16) (табл. 1). По количеству натрия (меньше 1 мг-экв) черноземы типичные относятся к незасоленным почвам (табл. 2). По соотношению ионов натрия к ионам хлора черноземы типичные относятся к хлоридному (N8/0=0.3-1.0) и сульфатно-хлоридному (N8/0=1.7) типам засоления. Количественное содержание анионов попадает в интервалы: НСОз- - 0.40-0.75, SО42" -0.17-0.91, О" - 0.20-0.35 мг-экв (табл. 3). По катионному составу данные почвы относятся к магниево-кальциевому типу засоления (табл. 4). Среди катионов преобладает кальций (пределы колебаний
составляют 0.6-1.0), на втором месте ионы магния (0.1-0.6) и натрия (0.1-0.5 мг-экв), содержание калия занимает третье место (0.01-0.03 мг-экв).
Таблица 1. Результаты химического анализа водной вытяжки черноземов (анионы). Table 1. The results of chemical analysis of the aqueous extract of chernozems typical (anions).
Глубина отбора проб, см Сухой остаток, % Анионы
Щелочность общая Хлор Сульфаты Сумма анионов
Мг/экв % Мг/экв % Мг/экв % Мг/экв %
Разрез 16
10-40 0.10 0.70 0.043 0.35 0.012 0.38 0.018 1.43 0.073
40-70 0.08 0.65 0.040 0.20 0.007 0.17 0.008 1.02 0.055
100-130 0.09 0.70 0.043 0.20 0.007 0.31 0.015 1.21 0.065
Разрез 15
80-110 0.09 0.55 0.034 0.25 0.009 0.41 0.020 1.21 0.063
Разрез 29
10-40 0.11 0.75 0.046 0.30 0.011 0.47 0.023 1.52 0.080
40-70 0.10 0.60 0.037 0.35 0.012 0.56 0.027 1.51 0.076
100-140 0.09 0.60 0.037 0.20 0.007 0.41 0.020 1.21 0.064
Разрез 25
10-40 0.11 0.40 0.024 0.35 0.012 0.91 0.044 1.62 0.080
40-70 0.08 0.60 0.037 0.25 0.009 0.26 0.013 1.11 0.059
100-130 0.11 0.65 0.040 0.30 0.011 0.66 0.032 1.61 0.083
Таблица 2. Результаты химического анализа водной вытяжки черноземов типичных (катионы). Table 2. The results of chemical analysis of the aqueous extract of chernozems typical (cations).
Глубина отбора проб,см Катионы
Кальций Магний Натрий Калий Сумма катионов
Мг/экв % Мг/экв % Мг/экв % Мг/экв % Мг/экв %
'азрез 16
10-40 1.0 0.020 0.1 0.001 0.3 0.007 0.03 0.0020 1.43 0.0300
40-70 0.6 0.012 0.3 0.004 0.1 0.003 0.02 0.0010 1.02 0.0200
100-130 0.6 0.012 0.4 0.005 0.2 0.005 0.01 0.0005 1.21 0.0225
'азрез 15
80-110 0.8 0.016 0.3 0.004 0.1 0.003 0.01 0.0005 1.21 0.0235
'азрез 29
10-40 0.9 0.018 0.5 0.006 0.1 0.003 0.02 0.0010 1.52 0.0271
40-70 0.8 0.016 0.6 0.007 0.1 0.003 0.01 0.0005 1.51 0.0265
100-140 0.9 0.018 0.2 0.002 0.1 0.003 0.01 0.0005 1.21 0.0235
Разрез 2
10-40 0.8 0.016 0.6 0.007 0.2 0.005 0.02 0.0010 1.62 0.0290
40-70 0.8 0.016 0.2 0.002 0.1 0.003 0.01 0.0005 1.11 0.0215
100-130 0.6 0.012 0.5 0.006 0.5 0.012 0.01 0.0005 1.61 0.0305
Качественная характеристика состава легкорастворимых солей показала (табл. 5), что они связываются в пятисолевые ассоциации, в составе которых постоянными являются соли Ca(HCOз)2, MgCl2, Na2SO4. Остальные соли (MgSO4, CaSO4, NaHCOз, №0) не всегда участвуют в составе солевых ассоциаций. Сумма токсичных солей колеблется в интервале 23-43% от суммы всех солей, что соответствует 0.044-0.079% (меньше 0.1%) - незасоленным почвам по сумме токсичных солей (Почвенные изыскания, 1986). Больше половины сухого остатка приходится на нетоксичные соли 5777%. Исключение составляет верхний горизонт почвообразующих пород, сухой остаток которых на глубине 130 см на 56% состоит из токсичных солей. Их сумма составляет 0.125% (0.1-0.25%), что соответствует категории глубоко-слабозасоленных пород.
Таблица 3. Типы засоления черноземов типичных по соотношению анионов. Table 3. Ratio of anions types of salinization of chernozems typical.
№ разреза Глубина, см Сухой остаток, % Анионы, мг-экв/100 г Тип засоления
Cl" SO42- SO42- ci- HCO3-Cl- + SO42
16 10-40 0.10 0.9 1.1 1.0 Хлоридно-сульфатный
40-70 0.08 1.2 0.9 1.8 Сульфатно-хлоридный
100-130 0.09 0.6 1.6 1.4 Хлоридно-сульфатный
15 80-110 0.09 0.6 1.6 0.8
29 10-40 0.11 0.6 1.6 1.0
40-70 0.10 0.6 1.6 0.7
100-140 0.09 0.5 2.1 1.0
25 10-40 0.11 0.4 2.6 0.3
40-70 0.08 1.0 1.0 1.2
100-130 0.11 0.4 2.2 0.7
Таблица 4. Типы засоления черноземов типичных по соотношению катионов и Na+/Cl-. Table 4. Types of salinization of chernozems typical ratio of cations and Na+/Cl-.
№ разреза Глубина, см Катионы, мг-экв/100 г Na+
Na+ + K+ Сa2++Mg2+ Ca2++Ms2+ Na+ + K+ Mg2+ Сa2+ Тип засоления Cl- Тип засоления
16 10-40 0.3 3.3 0.1 0.8
40-70 0.1 7.5 0.5 0.5
100-130 0.2 4.8 0.7 1.0
15 80-110 0.1 1.0 0.4 0.4 Хлоридный
29 10-40 0.1 11.7 0.6 Магниево- 0.3
40-70 0.1 12.7 0.7 кальциевы 0.3
100-140 0.1 10.0 0.2 й 0.5
25 10-40 0.2 6.4 0.8 0.6
40-70 0.1 9.1 0.3 0.4
100-130 0.5 2.2 0.8 1.7 Сульфатно-хлоридный
Выводы
Детальный анализ водно-солевого режима черноземов типичных исследуемой территории показал, что в их профиле отсутствуют признаки накопления солей. Это подтверждается низкими значениями сухого остатка, преобладанием в нем нетоксичных солей, магниево-кальциевым и хлоридно-сульфатным типами засоления.
Таким образом, черноземы типичные, сформировавшиеся в плакорных условиях или на слабонаклонных поверхностях (крутизна склонов до 1° и 1-2°) на покровных карбонатных глинах без признаков засоления и солонцеватости, при уровне грунтовых вод ниже 6 м с минерализацией 0.61.3 г/л в юго-восточной части Воронежской области, имеют благоприятные водно-физические и физико-химические свойства. Показатели свойств этих почв позволяют отнести их к первой почвенно-мелиоративной группе и считать пригодными для орошения без предварительных мелиоративных мероприятий. Рекомендуется использовать черноземы типичные в полевых севооборотах с применением зональной агротехники и комплекса органоминеральных удобрений. Для них желательно активное управление водным режимом путем орошения. Они допускают орошение, как путем дождевания, так и другими наземными способами. При вегетационных поливах умеренными нормами нет угрозы заболачивания, засоления и осолонцевания, но при этом не исключена возможность окарбоначивания, слитости пашни, и образования верховодки, вследствие малой водопроницаемости подстилающих пород.
Таблица 5. Гипотетические соли черноземов типичных. Table 5. Hypothetical salts of typical chernozems.
Ионы Мг-экв/100г Соли Мг-экв/100г % Сумма нетоксичных солей, % Сумма токсичных солей, % Тип засоления
Разрез 15, глубина 80-110 см
HCO3 - 0.55 Ca(HCO3)2 1.10 0.089 74 26 Магниево-кальциевый Хлоридно-сульфатный
SO4 2- 0.25 Ca SO4 0.50 0.034
SO4 2- 0.10 Na2SO4 0.20 0.014
SO4 2- 0.06 MgSO4 0.12 0.007
Cl - 0.24 MgCl2 0.48 0.023
Сумма 0.167 0.123 0.044
Разрез 16, глубина 10-40 см
HCO3 - 0.70 Ca(HCO3)2 1.40 0.113 77 23 Магниево-кальциевый Хлоридно-сульфатный
SO4 2- 0.30 Ca SO4 0.60 0.041
SO4 2- 0.08 Na2SO4 0.16 0.011
Cl- 0.22 Na SO4 0,44 0.026
Cl- 0.10 Mg Cl2 0.20 0.010
Сумма 0.201 0.154 0.047
Разрез 16, глубина 100-130 см
HCO3 - 0.60 Ca(HCO3)2 1.20 0.097 57 43 Магниево-кальциевый Хлоридно-сульфатный
HCO3 - 0.10 NaHCO3 0.20 0.017
SO4 2- 0.10 Na2 SO4 0.20 0.014
SO4 2- 0.21 Mg SO4 0.42 0.025
Cl- 0.13 Mg Cl2 0.38 0.018
Сумма 0.171д 0.097 0.074
Разрез 25, глубина 10-40 см
HCO3 - 0.40 Ca(HCO3)2 0.80 0.065 60 40 Магниево-кальциевый Хлоридно-сульфатный
SO4 2- 0.40 Ca SO4 0.80 0.054
SO4 2- 0.20 Na2 SO4 0.40 0.014
SO4 2- 0.31 Mg SO4 0.62 0.037
Cl- 0.29 Mg Cl2 0.58 0.028
Сумма 0.198 0.119 0.079
Разрез 25, глубина 130 см (переходный горизонт к почвообразующей породе)
HCO3 - 0.60 Ca(HCO3)2 1.20 0.097 44 56 Магниево-кальциевый Хлоридно-сульфатный
HCO3 - 0.05 NaHCO3 0.10 0.008
SO4 2- 0.45 Na2 SO4 0.90 0.064
SO4 2- 0.21 Mg SO4 0.42 0.025
Cl- 0.29 Mg Cl2 0.58 0.028
Сумма 0.222 0.097 0.125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Девятова Т.А., Щербаков А.П. 2006. Изменение физико-химических и агрохимических свойств черноземов центра Русской равнины при сельскохозяйственном использовании // Агрохимия. № 4. С. 5-8.
Девятова Т.А. 2007. Агрогенная динамика физико-химических и агрохимических свойств черноземов // Плодородие. № 1. С. 6-7.
Залетаев В.С. 1995. Ирригационное опустынивание и дестабилизация среды как элементы экологического влияния орошения в аридных зонах // Аридные экосистемы. Т. 1. № 1. С. 4149.
Куст Г.С. 2013. Некоторые особенности изменения солевого состояния почв при преобразовании структуры сельскохозяйственного использования орошаемых земель дельтовых территорий // Аридные экосистемы. Т. 19. № 3 (56). С. 83-90. Почвенные изыскания для мелиоративного строительства ВСН -33-2.1.02-85, 1985.
WATER-SALT REGIME OF CHERNOZEMS OF CENTRAL BLACK SOIL REGION
© 2015. T.A. Devyatova, L.A. Yablonskykh, L.A. Alaeva, A.V. Belik,
E.A. Negrobova, I.V. Rumyantseva
Voronezh state university Russia, 394006 Voronezh, University square, 1. E-mail: [email protected]
Because the factor of risky agriculture in Central Black Soil region in recent years amplified, the tendency to restoration was outlined in many farms of the Voronezh region old or to creation of new irrigational systems. Therefore the detailed analysis of a water-salt mode of black soils which are here a background component agrocoenosis, has actual character.
Keywords: water-salt mode, water extract, anion-cation structure, type of salinization, toxic salts, salt associations.
