МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРЕСНЫМИ ВОДАМИ ПРИ ОРОШЕНИИ

Ранее на примере почв лесной зоны в полевых условиях и в модельном эксперименте было показано, что периодический застой влаги при наличии органического вещества, способного к ферментации, вызывает развитие ана­эробных условии, и, как следствие, глееобразование.

На начальных этапах этот процесс в насыщенных или карбонатных по­родах и почвах может сопровождаться увеличением обшей удельной поверх­ности, набухания и влагоемкости, усилением трещиноватости при усадке, возникновением водоупорных горизонтов, что, в свою очередь, спонтанно усиливает оглеение. Если глееобразование протекает при периодически по­вторяющемся застойно-промывном режиме, то оно в конечном итоге вы­зывает деградацию почв. При этом происходят падение окислительно-вос­становительного потенциала (ОВП), переход в подвижное состояние щелочно-земельных металлов, железа, снижение pH, ухудшение агрегатного состояния и водопроницаемости. В естественных условиях эти явления но­сят эфемерный характер, и почва нередко компенсирует такие неблагоприят­ные сдвиги.

Здесь предпринята попытка оценить трансформацию и причины ухуд­шения химических и физических свойств черноземов при их орошении не­минерализованными водами и действие оглеения на твердую фазу этих почв.

Основная задача заключалась в изучении в условиях модельного экспе­римента влияния периодического застоя пресных вод на изменение свойств твердой фазы черноземов [Зайдельман, Давыдова, 1989; Зайдельман, 1992].

Исследовалось влияние увлажнения черноземов до ППВ (предельной полевой влагоемкости), поливов с кратковременным (5 ч) и длительным (2 мес.) застоем гидрокарбонатно-кальциевой и дистиллированной воды. При этом рассматривалось действие воды, содержащей и не содержащей легко ферментируемые углеводы. Изучение роли последних имело существенное значение, поскольку именно их присутствие определяет возникновение ана­эробных условий в почве (табл.

Для проведения эксперимента мелкозем гор. Ар типичного чернозема, высушенный до воздушно-сухого состояния, освобождали от корней и по­мещали в сосуды из пластмассы с дренажем.

Изучали ОВП¹ и pH до и после полива, динамику выноса из почвы с лизиметрическими водами кальция, магния, натрия, железа. После 1,5 лет систематического воздействия оросительными водами в условиях обеспе­ченного аэробиоза (полив до ППВ^{[27] [28]), кратковременного анаэробиоза с по-}

Таблица 14.1

Варианты модельного опыта по изучению влияния переувлажения пресными водами чернозема типичного

Таблица 14.2

Изменение ОВП (мВ) гор. An_ax типичного чернозема при поливе с разной продолжительностью застоя влаги и концентрацией углеводов.

Средние за интервал

следующим дренажем (полив с затоплением на 5 ч) и длительного анаэроби­оза (полив с застоем воды 2 месяца) исследовали физические и химические свойства твердой фазы гор.

Изменение ОВП. Динамика ОВП почвы тесно связана с режимом полива и внесенными добавками (табл. 14.2). При еженедельном поливе до ППВ независимо от содержания легко ферментируемых веществ в воде ОВП по­чвы колебался в пределах 500—700 мВ, что свидетельствует о стабильных аэробных условиях. Напротив, непродолжительный по времени, но частый переполив приводил к развитию анаэробиоза в черноземе, интенсивность и продолжительность которого прямо зависели от количества поступающих с водой легко ферментирующихся веществ и их запасов в почве.

При периодически повторяющемся 2-месячном застое влаги в почве интенсивность анаэробиоза была менее выражена, чем во втором варианте, что было связано с одноразовым внесением сахарозы в начале каждого за­топления, использованием преимущественно почвенного запаса легко фер­ментирующихся веществ анаэробной микрофлоры и стабильным содержа­нием продуктов реакции в растворе в течение 2 месяцев.

Следует обратить особое внимание на то, что наибольшее снижение ОВП прослеживается в условиях кратковременного застоя влаги (5 ч), при поливе типичного чернозема гидрокарбонатно-кальциевой и особенно дистиллиро­ванной водой с добавлением 1% сахарозы. Поэтому можно высказать пред­положение, что в полевых условиях резкое уменьшение ОВП в черноземах возможно в тех случаях, если сразу после полива на поверхность почвы вы­падают обильные ливневые осадки или в понижениях весной застаиваются воды снегового паводка.

Изменения pH лизиметричеких вод и вынос кальция и железа из почвы. Наибольшее подкисление лизиметрических вод (табл. 14.3) и почвы имело место при частых, но непродолжительных застоях влаги, содержащей саха­розу (варианты опыта 2в и 2с). В этом случае происходил максимальный вынос металлов, особенно кальция и железа, по сравнению с вариантом временного застоя без добавления сахарозы в воду (2а). В этом варианте, напротив, имели место поглощение кальция из поливных вод, небольшое

Таблица 14.3

Средние значения pH лизиметрических ВОД ИЗ гор.

Примечание.

подщелачивание почвы (pH в начале опыта — 7,2, в конце — 8,3) и незначи­тельный вынос железа. Это связано с тем, что вносимый кальций почти полностью нейтрализовывал действие продуктов анаэробного разложения, естественных сбраживающихся веществ чернозема, образуя при этом раз­личные малоподвижные соединения, например гуматы Са.

При поливе с периодическим 2-месячным застоем влаги в почве выяви­лись те же закономерности превращений соединений железа и кальция в почве, что и в варианте с кратковременным застоем, но при этом не наблю­далось подкисления лизиметрических вод.

Таким образом, чернозем, имеющий первоначально нейтральные значе­ния pH и ППК, насыщенный основаниями, под действием поливной воды, благоприятной по ионному составу для полива, при периодическом анаэро­биозе и наличии органического вещества, способного к ферментации, под­вергается тем же изменениям, которые наблюдаются при глееобразовании в условиях застойно-промывного режима.

Глееобразование оказывается важнейшей причиной деградации черно­земов при орошении водой благоприятного состава в случае, если допуска­ется незначительный, но систематически повторяющийся переполив (5 ч). Глееобразование в черноземе проявляется на фоне глубокого анаэробиоза, падения ОВП, накопления метаболитов, оказывающих выщелачивающее и восстанавливающее действие на минеральный субстрат. Оно сопровождает­ся увеличением концентрации «аморфного» железа (табл. 14.4), уменьшени­ем pH, накоплением подвижного гумуса, уменьшением коэффициента филь­трации (табл. 14.5). Отметим, что подкисление черноземов удается обнаружить только на фоне застойно-промывного режима при наличии органического вещества, способного к ферментации.

Таблица 14.4

Влияние режима орошения на содержание различных форм несиликатного железа в гор. типичного чернозема

Таблица 14.5

Изменение Кф (м/сут) гор.

Таблица 14.6

Средние значения (мг/кг) поглощения (*) и выноса Са²⁺ (над чертой) и Fe²⁺ (под чертой) с лизиметрическими водами из гор. Апах типичного чернозема

в условиях модельного эксперимента

При оглеении черноземов в условиях застойно-промывного режима рез­ко увеличивается вынос щелочно-земельных металлов (кальция и магния) и железа (табл. 14.6), увеличивается общее содержание аморфного железа, про­исходит существенное (в 1,5—Зраза) сокращение его окристаллизованной фракции. Ранее было показано, что наиболее строго степень глееобразования характеризует модифицированный критерий Швертманна: Fe₀/(Fe_d-Fe₀). В пахотном горизонте типичного чернозема контроля и почв, полив кото­рых не превышал ППВ, т.е. в тех вариантах, где глееобразованне отсутству­ет, этот критерий равен или менее 0,5. В оглеенных вариантах опыта он всегда равен или значительно больше 1. Это указывает, в частности, на вы­нос в условиях застойного-промывного режима одного из основных элемен­тов, определяющих водопрочность структуры почв.

В условиях застойно-промывного режима чернозема обнаружено изме­нение и фракционного состава гумуса гор. А_пах. При этом возрастает со­держание фракций 1а и 1 фульвокислот на фоне закономерного уменьшения общей суммы гуминовых и фульвокислот. Вместе с тем если полив происхо­дит при влажности ниже ППВ или без добавления легко ферментируемых углеводов, то общее содержание наиболее подвижных и агрессивных фрак­ций (1 и 1а) фульвокислот оказывается ниже, чем на богарном (контрольном) варианте [Зайдельман, 1992] или близким к контролю. Существенно и то, что только в условиях застойно-промывного режима на фоне элювиально­глеевой обстановки наблюдается наиболее отчетливая тенденция уменьше­ния соотношения С_ге/Сф_к; гумус только в этом случае приобретает наиболее фульватный характер. Такие изменения свойств черноземных почв при оро­шении в полевых условиях были обнаружены и другими исследователями [Вальков, Уманская, 1982; Майнашева, Николаева, Розанов, 1983; и др.].

Вынос щелочно-земельных металлов, «несиликатного» железа, уменьше­ние содержания его окристаллизованных форм в почвенном мелкоземе, транс­формация органического вещества и увеличение агрессивных и подвижных фракций в условиях кратковременного застойно-промывного режима в ко­нечном итоге вызывают слитизацию черноземов. Измененные кратковре­менным застоем влаги горизонты приобретают характерные черты слитости. Слитые оглеенные горизонты, трансформированные систематическим за­стойно-промывным режимом орошения, отличаются очень низкими значе­ниями Кф (табл. 14.5). Происходит уменьшение водопроницаемости на 1,5— 2 порядка. Вместе с тем при длительном затоплении изменения фильтрации несущественны. Последнее объясняется тем, что в этом случае кальций, маг­ний, железо, органическое вещество не подвергаются значительному элюви- ированию. Отметим, однако, что в природных условиях такой вариант встре­чается нечасто, поскольку при орошении (в том числе и на рисовых оросительных системах) доминирует элювиальная обстановка, обусловлен­ная проточностью оросительной воды.

Эти модельные исследования продолжались около 1,5 лет. Поэтому трудно было предполагать, что пульсирующее глееобразование вызовет заметные изменения таких относительно стабильных свойств почв, как гранулометри­ческий и минералогический состав, водоудерживающая способность и набу­хание. Тем не менее были установлены их некоторые изменения. Так, наи­более отчетливо изменения гранулометрического состава имели место в варианте оглеения при застойно-промывном режиме (вариант 2с). Здесь было обнаружено обезыливание мелкозема. Существенно, однако, в этом случае и то, что одновременно было установлено значительное увеличение водоудер­живающей способности почв и их набухания во всех вариантах оглеения и застойно-промывного режима (табл. 14.7).

Наибольшее увеличение объема при увлажнении и набухании было свой­ственно тем образцам черноземов, которые подвергались периодическому оглеению. Так, если относительно максимальное набухание фракций агрега­тов 3—5 мм в контроле принять за 100%, то при частом периодическом поли­ве без оглеения набухание менялось несущественно. Увеличение не превы­шало 3% (вариант 1а). Однако в условиях периодически застойного режима и пульсирующего оглеения набухание возросло на 15—19% (варианты 2с и 2в). Статистические различия между контролем и вариантами 2в и 2с значи­мы при вероятности 0,95.

Таблица 14.7

Изменение влагоемкости и содержания ила в гор. А„_ах типичного чернозема под влиянием оглеения

в условиях модельного эксперимента

Изменение состава глинистых минералов. Остановимся на рассмотрении общей тенденции трансформации минералогического состава глинистых минералов.

Для типичного чернозема, использованного в модельном эксперименте, в исходном состоянии характерно преобладание монтмориллонита. Несмот­ря на тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание смектитов, эти почвы в естественной среде обладают благоприятными физическими свойствами. Их ухудшение и резкая деградация возникают при переувлаж­нении и глееобразовании. В этой связи была предпринята попытка оценить изменения минералогического состава ила (< 0,001 мм) в условиях рассмот­ренного модельного эксперимента

Рентгендифрактометрические исследования позволили установить, что в основном в типичном черноземе присутствуют три основных компонента кристаллической фазы илистой фракции: иллит, монтмориллонит и каоли­нит + хлорит (табл. 14.8). Количественное определение основных групп гли­нистых минералов выполнялось по методике Э.А. Корнблюма.

Таблица 14.8

Изменение (% от суммы) минералогического состава илистой фракции гор. A„_ax типичного чернозема

при различных водных режимах

На фоне переувлажнения в модельных условиях во всех вариантах опыта произошло наиболее существенное увеличение содержания гидрослюд по сравнению с контролем. Наибольшее накопление отмечено в варианте Зв (на 11,9%). Заметно возросло содержание иллита в вариантах 2в" (5,2%) и 2в (3,7%). Таким образом, преимущественным направлением изменения мине­ралогического состава ила при всех вариантах полива следует признать ил- литизацию почв. Гидрослюды, в отличие от смектитов, не являются набуха­ющими минералами. Это позволяет предполагать, что ухудшение физических свойств рассматриваемых почв в различных условиях полива происходит главным образом вследствие переупаковки и более плотного сложения эле­ментарных частиц и доменов.

Близкие выводы об иллитизации черноземов при орошении были сдела­ны другими исследователями при изучении минералогического состава чер­ноземов в натурных условиях. Так, Я.М. Биланчин и П.И. Жанбалай (1986) обнаружили тенденцию к повышению доли минералов с нерасширяющими- ся кристаллическими решетками за счет необменной фиксации калия из почвенного раствора в южном черноземе после 15-летнего орошения. В этих почвах увеличилось содержание иллитов (на 5—10%) при соответствующем снижении смектитов.

В.Е. Приходько и Т.А. Соколов (1989) полагают, что основной механизм оглинивания при орошении темно-каштановых почв обусловлен не синте­зом новых минералов, а физическим дроблением пыли. Это приводит к на­коплению ила в верхних горизонтах и увеличению в нем иллитов. И.Н. Го­голев и др. (1977) установили, что процесс иллитизации является результатом влияния орошения на силикатную фракцию черноземов.

Рассмотренные выше данные позволяют признать, что при периодичес­ком переувлажнении пресной водой в условиях анаэробиоза и оглеения чер­нозем может приобретать признаки, свойственные начальной стадии опод- золивания. Это проявляется в подкислении почвы, выносе железа, щелочно-земельных металлов, появлении обменного алюминия, повыше­нии содержания «свободной» фракции гуминовых кислот и «агрессивной» фракции фульвокислот. Наконец, в поверхностных горизонтах накаплива­ются сегрегированные в ортштейны железо и марганец. При этом на фоне периодически застойно-промывного режима можно проследить как обезы­ливание почвы (вариант 2с), так и полное отсутствие признаков этого явле­ния (варианты 2а, 2в). По-видимому, такие различия влияния переувлажне­ния следует объяснять прежде всего разным составом вод. В первом случае (2с) действуют слабокислые воды, не содержащие гидрокарбонат кальция. Их влияние оказывается достаточно жестким. Из почвы, как следует из из­ложенного, максимально выносятся кальций и железо, здесь наибольшее содержание подвижных органических соединений и наиболее «агрессивное» воздействие на минеральный субстрат.

В вариантах 2а, 2в рассматривается влияние на твердую фазу гидрокарбо- натно-кальциевых вод; их состав сам по себе компенсирует вынос щелочно-зе­мельных металлов. В этих условиях можно предполагать известное относи­тельное накопление ила за счет глубокого распада доменов и микроагрегатов и фиксации этой тонкой фазы на месте. Напомним, что с такой ситуацией мы уже встречались ранее при рассмотрении изменения содержания илистой фракции кислого лессовидного и карбонатного моренного тяжелых суглин­ков при их переувлажнении неминерализованными водами.

Результаты модельных исследований показывают, что глееобразованне в условиях переувлажнения пресными неминерализованными водами на фоне застойно-промывного водного режима вызывают в черноземной по­чве резкое снижение pH, вынос кальция, железа, илистой фракции, сни­жение соотношения С_гк: С_фк. Казалось бы, весьма кратковременный зас­той пресных вод на протяжении всего лишь 5 ч, тем не менее он оказался вполне достаточным для того, чтобы вызвать в модели весьма заметное оподзоливающее действие, которое оказывает существенное деградацион- ное влияние на чернозем. В мелиоративном отношении важно то, что эти изменения сопровождаются не только элювиированием, иллитизацией и слитизацией чернозема, но и резким снижением (на 1,5—2,0 порядка) его водопроницаемости.

В какой мере, однако, эти явления, установленные при эксперимен­тальном моделировании, соответствуют реальным изменениям чернозема в условиях орошаемого земледелия? Иными словами, в какой мере может ока­заться справедливым прогноз, составленный на основе результатов рассмот­ренного модельного эксперимента? Ответ, очевидно, может быть получен, во-первых, в результате прямых наблюдений за изменением свойств черно­земных почв при орошении и, во-вторых, на основе анализа структуры по­чвенного покрова черноземной зоны севера лесостепи ЕТС, где не присут­ствуют засоленные почвы, т.е. там, где, по концепции К.К. Гедройца, не формируются солоди как конечная фаза эволюции солончаков.

Оба этих направления согласно свидетельствуют о том, что застой пре­сных вод на поверхности чернозема в результате систематических переполи- вов или вследствие застоя пресных вод снегового паводка вызывают подкис­ление и оподзоливание черноземных почв.

Так, Е.И. Хлебникова (1989) описала факты изменения темно-кашта­новых почв степной зоны в результате систематических переполивов на орошаемых массивах Поволжья. Ею было показано, что в этом случае про­исходит формирование вторичных более светлых по окраске почв, вынос из поверхностных слоев щелочно-земельных металлов и их подкисление. Последнее, как и в случае с дерново-подзолистыми почвами, определяет необходимость известкования почв и их использование в травопольных се­вооборотах. Известкование, в частности, ранее рассматривавшееся как ме­роприятие нецелесообразное для поддержания высокого уровня плодоро­дия черноземов, в последнее время из-за их подкисления на значительных площадях становится обязательным элементом системы удобрений на та­ких почвах.

Анализ структуры почвенного покрова, предпринятый нами в лесосте­пи, убедительно свидетельствует о том, что переувлажнение почв на фоне застойно-промывного водного режима является необходимым и достаточ­ным условием для их интенсивного оподзоливания. Сама природа в этом случае подсказывает направление эволюции черноземов в условиях ороше­ния и систематических переполивов. Обратимся к дополнительным фактам.

14.2.