ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ПЕСТРОТЫ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И УРОЖАЙ

Пестрота почвенного покрова, свойственная заболоченным территориям в естественном состоянии каждой природной зоны, определяется разнообра­зием почвообразующих пород, рельефа, перераспределением стока поверх­ностных и грунтовых вод, другими причинами.

После мелиорации на гидрологический режим осушенных почв накла­дываются новые факторы, играющие существенную роль в формировании урожая. Одновременно проявляется действие других причин трансформа­ции почвенного покрова, связанных с особенностями строительства мелио­ративных систем.

В последние десятилетия был накоплен значительный материал, позво­ляющий оценить научную и прикладную значимость изучения пестроты по­чвенного покрова дренированных территорий. Поскольку такая пестрота оказывает непосредственное влияние на урожай, анализ факторов, определя­ющих закономерности ее формирования, приобретает актуальное прикладное значение. Решение этого мало разработанного вопроса необходимо для агро- экологической оценки эффективности мелиорации, рационального проекти­рования мероприятий по ликвидации неблагоприятных явлений, связанных с неоднородностью мелиорированного поля. Не менее существенна и теоре­тическая значимость проблемы исследования пестроты почвенного покрова осушенных территорий, поскольку в этом случае возникают условия для оценки направления и темпов эволюции почв в условиях хозяйственного использования.

Рассмотрим некоторые общие закономерности формирования факторов, определяющих пестроту почвенного покрова мелиорированного (дрениро­ванного) поля. Исходя из самых общих представлений, казалось бы, можно согласиться с тем, что под влиянием дренажа и комплекса интенсивных ме­роприятий по окультуриванию (глубокой пахоты, известкования, внесения удобрений и др.) происходит выравнивание свойств, режима и продуктивно­сти мелиорированных почв. Реальная ситуация, однако, оказывается суще­ственно иной.

Таким образом, мелиорация полностью не устраняет естественную струк­туру почвенного покрова, она лишь сглаживает различия гидротермического режима и в ряде случаев свойства почв. Вместе с тем она вызывает появле­ние новых, ранее отсутствующих факторов пестроты (рис. 10.1).

Первичная (естественная) пестрота почвенного покрова обусловлена вли­янием гидрологических, педогенетических и литологических факторов.

Пестрота почв осушенного массива, обусловленная исходными гидроло­гическими различиями, определяется тем, что обычно объектом мелиорации в гумидных ландшафтах являются минеральные почвы разной степени забо­лоченности. Дренаж легко устраняет исходные различия водного режима почв с высокой водопроницаемостью корнеобитаемых горизонтов (например, песчаных, супесчаных, структурных суглинистых и глинистых почв, почв на среднемощных и мощных двучленах).

На суглинистых и глинистых подзолистых, болотно-подзолистых и иных почвах с уплотненными подпахотными горизонтами (особенно когда их Кф < 0,06 м/сут) последействие исходного гидрологического фактора прояв­ляется наиболее отчетливо. Только интенсивная система мероприятий по капитальной и эксплуатационной планировкам поверхности, организации и ускорению поверхностного и внутрипочвенного стоков может обеспечить выравнивание водного режима тяжелых почв, отличающихся в исходном состоянии разной степенью заболоченности.

Первичные гидрологические различия поэтому нельзя рассматривать как постоянно действующий исходный фактор пестроты почвенного покрова мелиорируемого массива.

Действие второго — педогенного — фактора исходной пестроты почвен­ного покрова также обусловлено первичной неоднородностью, его можно проследить на протяжении длительного отрезка времени или постоянно. Сущность его проявления заключается в том, что почвы разной степени за­болоченности обычно характеризуются и разным гумусовым состоянием, разным запасом органического вещества (например, в мало- и среднегумус- ных, перегнойных и торфяных почвах). На хорошо проницаемых легких по­чвах разной степени заболоченности (в исходном состоянии) с помощью дренажа в корнеобитаемой зоне можно достаточно быстро создать относи­тельно однородный режим грунтовых вод. Однако слабо- и сильнозаболо­ченные почвы на легких породах неопределенно долго сохраняют свои отли­чия по запасу органического вещества и обусловленные этим различия как гидротермических условий, так и плодородия.

Третий фактор исходной агроэкологической пестроты — неоднород­ность почв и почвообразующих пород по исходному гранулометрическому составу. Он, как правило, не поддается выравниванию и постоянно влияет

Рис. 10.1. Причины пестроты агроэкологических условий осушенного массива

на продуктивность почв дренированных территорий. Существующий опыт гомогенизации осушенных почв по гранулометрическому составу остается весьма ограниченным и не выходит до настоящего времени за рамки экспе­риментов. Вместе с тем он заслуживает серьезного изучения [Сталбов, 1984].

Таким образом, мелиорируемое поле испытывает действие трех факторов исходной (естественной) пестроты почвенного покрова даже в том случае, если весь комплекс гидротехнических и агрономических мероприятий выпол­няется в оптимальном объеме.

Наряду с первичными следует обратить особое внимание на вторичные факторы. Их появление обусловлено только антропогенными причинами. Наиболее существенными вторичными факторами пестроты являются гид­рологический и литологический.

Возникновение вторичного гидрологического фактора обусловлено действи­ем дренажа. Механизм его появления связан с тем, что между дренами и в непосредственной близости от них формируются различные гидрологические условия. У дрен уровень почвенно-грунтовых вод находится обычно на глубине их заложения или несколько выше. В середине между дренами он поднимается к дневной поверхности. Такая картина наблюдается обычно в средних по водо­проницаемости почвах. В слабопроницаемых тяжелых почвах происходит рез­кий спад депрессионной кривой непосредственно у дрен, а в почвах с высокой водопроницаемостью и низким сопротивлением потоку (например, в песчаных и супесчаных) она близка к линии, параллельной дневной поверхности (рис. 10.2). Таким образом, в слабо- и среднепроницаемых почвах непосредственно у дрен и в середине междренья формируются и практически постоянно суще­ствуют зоны с различающимися водным, воздушным, окислительно-восста­новительным режимами, нитрификационными и другими особенностями.

Из этого следует, что наиболее резко гидрологические различия у дрен и в середине междренья влияют на урожайность культур (и свойства почв) в слабо-

Рис. 10.2. Формы депрессионных кривых в супесчано-пес­чаных (1), легко- и среднесуглинистых (2), тяжелосуглинис­тых и глинистых (3) почвах

и среднепроницаемых почвах, тогда как в почвах с высокой водопроницае­мостью они могут быть весьма ослабленными или не проявляться вообще.

Для оценки влияния вторичного гидрологического фактора пестроты осушенных почв на урожайность районированных культур в 1971—1974 гг. были предприняты следующие наблюдения.

На осушенных дерново-подзолистых суглинистых почвах разной степени заболоченности на покровных лессовидных суглинках в Шаховском районе Московской области в годы разной влажности была произведена дифферен­цированная оценка урожайности районированных культур в створе нормаль­ном к дренажным линиям. Заболоченные почвы были осушены на исследуе­мом массиве систематическим керамическим дренажем; междренные расстояния Е = 20 м, глубина дрен — 0,8—1,2 м. Площадки учета урожайности закладывались непрерывной лентой от дрен до середины междренья через каждый метр. Первая пробная площадка 1 х 1 м² находилась непосредственно над дреной. Таким образом, с нее отбирался урожай, полученный преимуще­ственно на траншейной обратной засыпке. Последняя площадь опробования (десятая) размещалась в середине междренного пространства.

Исследования были выполнены в 1971 и 1973 гг. — средних по влажнос­ти, 1972 г. — экстремально сухом и в 1974 г. — очень влажном. Установлено, что абсолютные значения урожая, обусловленные вторичной гидрологической пестротой дренированного поля, тесно связаны с биологическими особен­ностями сельскохозяйственных культур и влажностью года. Озимые и яровые зерновые культуры всегда независимо от влажности года характерзуются тем, что продуцируют максимальный урожай в непосредственной близости от дренажных линий (табл. 10.1).

Наиболее отчетливо проявляются отличия в урожайности озимых зерно­вых, поскольку они испытывают отрицательное влияние неблагоприятного увлажнения на протяжении всего теплого периода и наиболее четко реаги­руют на избыточное увлажнение. Так, в средние по количеству осадков годы урожайность озимой пшеницы непосредственно у дрены бьша выше на 65—13% по сравнению с урожайностью посредине между дренами (абсолютная уро­жайность посредине между дренами и у дрены соответственно 1,4 и 2,35 т/га).

Существенно иначе влияет фактор вторичной гидрологической пестроты на урожай травосмеси клевера и тимофеевки. Обладая значительно бблыиим водопотреблением, чем злаковые зерновые, травы на глееватых почвах в не­посредственной близости от дрен даже во влажные годы в известной мере снижают урожай по сравнению с междреньем (на 5—10%). Лишь на дерново- подзолистых глеевых почвах, отличающихся более высокой степенью увлаж­нения, у дрен наблюдается незначительное увеличение урожая трав.

Полученные данные показывают, что расстояния на этих почвах, несмот­ря на дренаж, испытывают отчетливое влияние первичной гидрологической пестроты. Последнее проявляется в том, что, как правило, с усилением исходной

Таблица 10.1

Урожайность сельскохозяйственных культур на осушаемых оглеенных дерново-подзолистых почвах на разном удале­нии от дрен в годы разной влажности. Шаховской район. Московская обл.

* Гибель растений из-за вымокания.

Таблица 10.2

Изменения урожайности ячменя на осушаемых оглеенных дерново-подзолистых глинистых почвах в результате глубокого мелиоративного рыхления

степени заболоченности наблюдается снижение среднего урожая всех иссле­дованных культур. Так, средняя урожайность ячменя в сухой и средний год на глееватых почвах составила 1,94 и 2,14 т/га, трав — 5,45 т/га; на глее­вых— соответственно 1,43, 2,54 и 4,45 т/га. Исходная неоднородность наи­более отчетливо проявляется при анализе урожая озимых культур. Из табли­цы следует, что средняя урожайность озимой пшеницы составила 1,75 т/га (максимум 2,35, минимум 1,42 т/га). На глеевых почвах при осушении гон­чарным дренажем через 20 м средняя урожайность была 0,49 т/га. Вместе с тем максимальная урожайность — 2,20 т/га — была получена на этих же почвах в непосредственной близости от дрены. Поэтому анализ структуры почвенного покрова и урожайности позволяет, в частности, оценить пра­вильность принятых при проектировании основных параметров дренажа и целесообразность подбора культур в составе севооборота.

В заключение следует подчеркнуть, что влияние вторичного гидрологи­ческого фактора на урожай в тяжелых почвах может быть существенно ос­лаблено или практически исключено с помощью агромелиоративных меро­приятий, направленных на улучшение их физических свойств и повышение Кф. Такие наблюдения были выполнены автором совместно с В.А. Плавин- ским и А. В. Белым (1986) в Вологодской области на дренированных оглеен- ных дерново-подзолистых почвах, приуроченных к лессовидным глинам (табл. 10.2). Почвы осушены закрытым гончарным дренажем через 10, 20 и 40 м. На опытном варианте выполнено глубокое мелиоративное рыхление рыхлителем ВРН.80.3 на глубину 80 см. В средние по влажности годы на таких почвах у дрен на контроле (без рыхления) с Е= 10 м была достигнута максимальная урожайность ячменя (1,97 т/га), при £ = 40м она не превы­шала 1,5 т/га.

Глубокое рыхление в определенных условиях выравнивает вторичные гидрологические различия и создает условия для формирования практичес­ки одинакового урожая независимо от междренного расстояния в интерва­лах 10—40 м (табл. 10.2).

Изложенное позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, оценку параметров дренажа (прежде всего междренных расстояний) при проектиро­вании осушения на почвах разной степени заболоченности надо не только устанавливать исходя из значений коэффициента фильтрации, водоотдачи, гранулометрического состава и других свойств, но и корректировать с уче­том первичных и вторичных факторов гидрологической пестроты.

Во-вторых, фактор вторичной гидрологической пестроты на осушенных почвах часто определяет высокую степень неоднородности урожайности в точ­ках опробования, находящихся на разном расстоянии от дренажных линий. Это в первую очередь справедливо для почв суглинистого и глинистого соста­ва с поверхностным заболачиванием. Поэтому правильное представление о реальном урожае на осушенном поле может быть получено либо при его вало­вом учете со всей площади массива, приуроченной к одной почвенной разно­видности, либо путем оценки урожая на учетных полосах, занимающих целое междренье или его половину, заложенных нормально к оси дренажных ли­ний. Учет урожайности на основе массовых данных, полученных на малых площадках, не охватывающих все элементы депрессионной кривой, может привести к получению неточных или существенно искаженных данных.

В-третьих, при организации полевых мелкоделяночных опытов на осу­шенных почвах учетные площадки целесообразно располагать нормально к дренажным линиям, а их длина должна быть кратной длине междренных расстояний или ее половине.

Пестрота агроэкологических условий на осушенном поле может иметь вторичное литологическое происхождение и в силу этого оказывать длитель­ное или постоянное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур даже при относительно выравненном водном режиме почв. Влияние этого фактора проявляется обычно в трех следующих часто встречающихся фор­мах, связанных с гидротехническим строительством.

1. При строительстве осушительных систем и особенно ее проводящих элементов (открытых магистральных каналов, коллекторов, а также колодцев различного назначения и др.) на поверхность почвы поступают огромные массы подпахотных горизонтов почвенного профиля, почвообразующих и подстила­ющих пород, как правило, интенсивно оглеенных и часто малоплодородных. Эти земляные резервы трудно поддаются тонкослойному разравниванию. Мощ­ность образовавшейся «выкидки» после планировки нередко достигает 10— 30 см и более (рис. 10.3). Такие линейные вторичные повышения тянутся вдоль всей трассы канала, перерезая и перегораживая естественные, часто слабо выраженные поверхностные водотоки. В результате в непосредственной бли­зости у канала накапливается вода, формируются лужи, вызывающие интен­сивное вторичное заболачивание почв и вымокание урожая (рис. 61).

Особенно часто и в максимальных размерах это явление наблюдается при осушении почв на тяжелых ленточных глинах на западе и северо-западе зоны. Тонкослоистая текстура, высокая набухаемость этих пород — причина низкой устойчивости откосов каналов. При их строительстве, учитывая высокие ко­эффициенты откосов (2,5-3,5), выполняют значительные объемы земляных работ. В результате оказывается необходимым разравнивать с помощью буль­дозеров огромные земляные резервы в непосредственной близости от канала. О возможном снижении урожая на осушенных почвах в результате перекры­тия пахотного слоя породой можно судить по данным, полученным автором и К.С. Болатбековой (1984) в условиях вегетационных опытов на известкован­ных и удобренных почвах. Существенно, что зерновые и травы, как правило, резко снижали или не давали урожай вообще на материнской неокультурен- ной породе. Вместе с тем глеевые горизонты почвы после проветривания и высушивания нередко обладают более высокой продуктивностью, чем нео-

Рис. 10.3. Накопление земляных резервов вдоль осушительных каналов после разравнивания кавальеров (слой а). Пример линей­ной неоднородности

Горизонты почвенного профиля: А_о — гумусовый, A2,_sg — подзолистый сегрегированный, B_gmr — иллювиальный мраморовидный, G_r - глей реду­цированный

Таблица 10.3

Относительная оценка продуктивности тяжелых почвообразующих пород и глеевых горизонтов почв Нечерноземной зоны РСФСР

* С — почвообразующая порода; G — глеевый горизонт; Ар — контроль, пахот­ный горизонт неоглеенной окультуренной почвы; — урожай не получен.

глеенные материнские породы. Наиболее отчетливо это проявляется в опытах со злаковыми травами и при возделывании бобовых культур (табл. 10.3).

Из этого следует, что при мелиоративном проектировании необходимо предусматривать, во-первых, мероприятия по тщательному планированию поверхности почв, особенно в непосредственной близости от каналов, про­филированию межканального пространства. Во-вторых, по трассе разравни­ваемого кавальера следует внимательно произвести работы по повышению (или по созданию) плодородия поверхностного горизонта, нередко образо­ванного только извлеченной на поверхность породой. В-третьих, на участках формирования особо крупных земляных резервов (например, у открытых ка­налов при осушении тяжелых почв на ленточных глинах) для ускоренного сброса поверхностных вод в каналы наряду с водовыпускными воронками может оказаться целесообразным устройство вдоль каналов отсечных дрен с траншейными (гравелистыми, щебнистыми идр.) фильтрами.

Поступление значительных объемов малоплодородного мелкозема на по­верхность почвы возможно не только при строительстве крупных открытых каналов проводящей сети, но и при укладке гончарного дренажа в траншеи. При этом чем меньше междренные расстояния, тем большие объемы такого мелкозема поступают на поверхность, существенно снижая урожайность куль­тур и плодородие почв. Эта причина вторичной литологической пестроты проявляется в максимальной степени при строительстве густого закрытого систематического гончарного дренажа современными траншейными экска­ваторами. Очевидно поэтому, что изменение технологии строительства, на­пример переход на бестраншейный или узкотраншейный пластмассовый дренаж, создаст более благоприятные агроэкологические условия, исключит или ограничит выбросы неплодородного почвогрунта на поверхность.

2. Второй причиной антропогенной литологической пестроты в Нечер­ноземье, существенно влияющей на продуктивность почв осушенных мас­сивов, нередко являются излишне глубокая срезка поверхностных горизон­тов заболоченных почв и выход на дневную поверхность иллювиальных и оглеенных горизонтов, материнской породы.

Приведенные в табл. 10.3 данные свидетельствуют, что к оценке сниже­ния плодородия почвы в результате накопления на ее поверхности малопло­дородных горизонтов нижней части профиля или их выхода в результате срезки следует подходить дифференцированно с учетом плодородия мате­ринских пород различного генезиса. Вегетационные исследования показы­вают, что в Нечерноземной зоне аллювиальные породы обладают значитель­но более высоким плодородием, чем моренные и ленточные глины. Поэтому срезки при планировке почв на аллювиальных отложениях оказываются ме­нее опасными, чем на других почвообразующих породах.

Учитывая важное значение объективного отражения вторичной литоло­гической пестроты поверхностных слоев почвы в прикладном отношении с целью рационального планирования эксплуатационных мероприятий, целе­сообразно на осушенных массивах предусматривать подготовку картограмм почвенно-литологических изменений, определяющих пестроту почвенного плодородия. Их составление следует прежде всего выполнять для массивов, осушаемых с использованием открытой сети, на территориях со значитель­ным объемом планировочных работ, а также при осушении заболоченных почв густой систематической сетью траншейного дренажа.

3. Третий постоянно действующий фактор вторичной литологической пестроты почвенного покрова — вертикальные образования, возникающие как результат строительства дренажа. Их появление связано с тем, что после ук­ладки керамических дрен дренажная траншея заполняется либо так называе­мой обратной засыпкой (т.е. смесью всех горизонтов от поверхности до дна траншеи), либо в траншее устраивают хорошо водопроницаемый стабильный траншейный фильтр (рис. 10.4). Обратная засыпка отличается повышенным содержанием органического вещества по сравнению с почвенным монолитом в толще от дрены до подошвы подпахотного слоя. Переработка почвенного материала в результате его выемки, обогащения органикой и последующей засыпки в траншею приводит к возникновению нового вертикального по­чвенного образования, которое на определенном этапе или постоянно обла­дает более высокими пористостью, фильтрацией, интенсивным развитием ризосферы, лучшей агрегированностью и другими положительными особен­ностями, играющими важную роль в эволюции осушенных почв. В частности, толща обратной засыпки или траншейные фильтры становятся зоной актив­ной вертикальной миграции гравитационной влаги, осуществляя гидрологи­ческую связь пахотного горизонта с дренажной трубой (табл. 10.4).

Применение бестраншейного пластмассового дренажа в принципе не исключит формирования таких новообразований. В этом случае произойдет лишь уменьшение площади их поперечного сечения, поскольку пластмассо­вую дрену укладывают в щель шириной 8—20 см (ширина траншеи при стро­ительстве керамического дренажа — 50 см, узкой траншеи — 25-35 см).

Водопроницаемость траншейных засыпок — антропогенных вертикальных образований в осушенных почвах на тяжелых породах Нечерноземной зоны

* Приведены данные по значениям Кф после глубокого (на 80 см) активного мелиоративного рыхления почв.

Рис. 10.4. Траншейные и щелевые засыпки и фильтры — вторич­ные вертикальные образования, возникающие в профиле почв при строительстве закрытого керамического (а) и бестраншейного пластмассового (б) дренажа

1,3 — соответственно траншейный и щелевой гравийно-песчаный филь­тры; 2, 4 — обратная засыпка, обогащенная гумусом соответственно в траншее и в щели; 5 — обратная засыпка из супесчано-песчаного мелко­зема, возникающая в двучленных почвах с близким залеганием суглини­сто-глинистого слоя

При использовании бестраншейного пластмассового дренажа на слабово­допроницаемых почвах (Кф < 0,1—0,06 м/суг) создаются искусственные фильтры из стабильных хорошо фильтрующих материалов (гравий, галечник, щебень, шлак, керамзит идр.), заполняющих все пространство щели. На относитель­но водопроницаемых почвах при прохождении ножа дреноукладчика на дне щели и вокруг дрены образуется зона повышенного содержания органическо­го вещества. В случае укладки такого дренажа на маломощном и среднемощ­ном двучлене (если верхний слой имеет легкий супесчано-песчаный грануло­метрический состав) вся или большая часть пространства дренажной щели заполняется мелкоземом легкого состава (рис. 62).

Из изложенного следует, что, какой бы вид закрытого материального дренажа ни был применен для осушения почв, он всегда будет сопровож­даться возникновением вертикальных образований, определяющих вторич­ную литологическую пестроту почв.

Таким образом, пестрота почвенного покрова осушенного массива оп­ределяется сложным комплексом ряда факторов. Их понимание и анализ необходимы для правильной оценки эволюции почв, действия дренажа и повышения их плодородия.