<<
>>

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. 14.1).

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

Номер

вари­

анта

опыта

Вариант режима увлажнения
полив 1 раз в неделю до ППВ полив 1 раз в неделю с 5-часовым застоем влаги до ПВ и последующим сливом полив с периодическим двухмесячным застоем влаги до ПВ, сливом и 2-недельным подсушиванием

Вода гидрокарбонатно­кальциевая

Вода гидрокарбонатно­кальциевая + сахароза (1%)

Вода гидрокарбонатно­кальциевая

Вода гидрокарбонатно­кальциевая + сахароза (1%) Вода дистиллированная + сахароза (1%)

За

Зв

Вода гидрокарбонатно­кальциевая

Вода гидрокарбонатно­кальциевая + сахароза (1%)

Таблица 14.2

Изменение ОВП (мВ) гор.

Anax типичного чернозема при поливе с разной продолжительностью застоя влаги и концентрацией углеводов.

Средние за интервал

Вариант опыта Номер

вариан­

та

ОВП на начало

опыта

Длительность этапа, месяцы
3 6 9 12 15 18
Полив до ППВ +660 +680 +610 +630 +630 +640 +680
+540 +650 +640 +590 +500 +540 +730
Полив с застоем +590 -240 +170 +520 +490 +550 +640
воды 5 ч не опр. не опр. -260 -95 +100 +380 -215
не опр. не опр. -70 +60 -260 -120 -230
Полив с застоем За +170 -20 +420 +350 +250 +450 +165
воды 2 мес. Зв не опр. не опр. +450 +300 +150 +420 +40

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. Апах типичного чернозема.

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. Апах типичного чернозема в течение эксперимента при разной продолжительности застоя

Номер вариан­та опыта Число поливов
1-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70
Застой 5 ч
7,2 7,6 7,4 7,4 7,4 7,6 8,3
6,7- 7,9 7,2- 7,9 6,9- 7,8 7,3- 7,8 6,9- 7,8 7,2- 8,6 не опр.
7,0 7,5 7,6 7,1 5,6 4,8 4,3
6,2- 7,5 7,1- 7,7 7,1- 7,8 6,1- 7,9 4,8- 7,0 4,2- 5,7 не опр.
6,1 5,5 6,1 4,3 4,3 не опр. не опр.
4,6- 7,3 4,5- 7,2 4,7- 6,8 3,8- 5,0 не опр.
Застой 2 месяца
За 7,7 7,5 7,2 7,1 6,9 7,2 7,1
Зв 7,8 7,5 7,0 6,9 7,0 7,2 6,9

Примечание. Над чертой — средние значения pH за период; под чертой— диапа­зон колебаний; pH гидрокарбонат-кальциевой воды — 7,7—8,1, дистиллированной — 6,5-6,6.

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

Вариант опыта Номер

вари­

анта

Общее «не­силикат­ное», Fed «Аморф­ное», Fe0 «Окристал-

лизован-

ное»,

Fed - Fe0

Модифициро­ванный коэф­фициент Швертманна

Fe, - Fee

pH
Полив до ППВ 0,46 0,09 0,37 0,24 6,92
Полив с застоем 0,54 0,12 0,42 0,28 6,83
воды 5 ч 0,62 0,18 0,44 0,41 7,00
0,69 0,35 0,34 1,00 5,95
Полив с застоем 0,72 0,48 0,24 2,00 не опр.
воды 2 месяца За 0,66 0,33 0,33 1,00 6,22
Контроль(без Зв 0,51 0,41 0,10 4,00 5,59
полива) 0,55 0,18 0,37 0,49 6,09

Таблица 14.5

Изменение Кф (м/сут) гор. Апах типичного чернозема под влиянием разных вариантов полива

Полив до ППВ Полив с застоем воды 5 ч Полив с застоем воды 2 мес. Контроль (без полива)
За Зв
0,12 0,31 0,24 0,008 0,001 0,28 0,37 0,40

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

Номер

варианта

опыта

Число поливов Сумма
1-10 11-20 21-30 31^40 41-50 51-60 61-70
Застой
114* 121* 109* 78* 79* 30* 36* 567*
1 0 1 2 10 56 112 182
328 32* 113 141 232 10* 36 808
4 0 3 11 85 321 5854 6278
336

10

278

49

182

39

135

946

191

1799

не опр. не опр. 1122

2833

Застой 2 мес.
За 41* 25* 27 Д _8_ J2 0 14*
0 0 0 0 15 6 154 235
Зв 21 80* 136 142 85 125 158 557
0 11 29 42 52 1725 2327 4186

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/(Fed-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. Апах. 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 Сге/Сфк; 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

Номер варианта опыта Сумма частиц менее 0,001 мм Влагоемкость, %
максимальная

молекулярная

максимальная капилляр­но-сорбционная
35,3 25,5 28,5
33,1 27,5 29,0
37,5 27,0 31,5
38,1 29,0 33,0
30,0 32,5 41,5
Контроль, гор. Апах 35,4 26,0 28,0

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

Номер варианта опыта Иллит Каолинит + хлорит Монтмориллонит
18,2 19,8 62,0
17,9 18,3 63,8
19,7 24,8 55,5
2в" 21,1 18,9 60,0
18,4 17,9 63,7
Зв 27,9 21,9 50,2
Контроль, гор. Апах 16,0 20,9 63,1

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 Сгк: Сфк. 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.

<< | >>
Источник: Зайдельман Ф.Р.. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов: учебник. — М.: КДУ,2009. — 720 с.. 2009

Еще по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРЕСНЫМИ ВОДАМИ ПРИ ОРОШЕНИИ:

  1. ОГЛАВЛЕНИЕ
  2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРЕСНЫМИ ВОДАМИ ПРИ ОРОШЕНИИ