Поиск

Изменения в химической и биохимической динамике почв
19.11.2015

Поливная вода приносит на поля значительные количества растворенных веществ. Значение токсических солей рассматривается особо в связи с проблемой засоления орошаемых почв.
Здесь рассматриваются другие аспекты химического взаимодействия поливной воды и почв. Прежде всего надо отметить явление усиленного гидролиза и разрушения первичных минералов почвенной массы. Большая влажность и высокая температура почвы (30-40°С) при значительной насыщенности раствором углекислоты и в присутствии электролитов усиливают процессы выветривания, первичных (вероятно, и вторичных) минералов. Многократная повторяемость поливов вносит эти многократные воздействия в почвенную минералогию. Вода извлекает, приносит и непрерывно осаждает в почве при эвапотранспирации и высыхании кристаллики углекислого кальция, гели кремнезема, коагели вторичных алюмосиликатов. Возникают и непрерывно протекают реакции поглощения, вытеснения, обмена катионов, следуя за разведением и концентрированием почвенных растворов. Вероятно, с этим связаны процессы оглинения староорошаемых почв среднего и тяжелого механического состава, диспергирование почвенной массы, образование аморфно-кристаллических смектитовых минералов. Даже песчаные почвы в результате длительного орошения приобретают оглиненность. Конечно, в этом явлении принимает участие и осаждение взвешенных тонких частиц, приносимых поливной водой.
Обогащение орошаемых почв вторичными минералами смектитовой группы отмечено в поливных почвах России, Венгрии, в почвах дельты Нила, в рисовых почвах Японии. Крайне сильно меняется газовый режим орошаемых почв (исследования кафедры почвоведения МГУ). При поливах в слое 0-40 см резко уменьшается концентрация кислорода в почвенном воздухе с 20 до 18-17%. Одновременно после полива возрастает концентрация углекислого газа с величин 0,3-0,5% CO2 до 1,5-2 и даже до 4%. Почвенный воздух особенно перегружается углекислым газом при подъеме уровня грунтовых вод до 1,5-2,0 м или в периоды переполивов, когда в почве образуются линзы подвешенной воды (верховодки). Все эти явления новы и необычны для почв пустынь и степей и для внутрипочвенной биогеохимии. Так, например, стабильный окислительный режим, характерный для аридных почв (+500-600 мв для верхнего метра), при поливах сменяется резким, скачкообразным "моментальным" снижением до 200-300 мв. В горизонте грунтовых вод орошаемых почв Eh еще ниже - до +100, а иногда - 100-200 мв.
Естественно, что сдвиги в Eh вызывают столь же резкие сдвиги в миграционной способности железа, марганца, серы, азота. Попеременное растворение и выпадение в осадок соединений железа и марганца в виде окислов или силикатов тоже может быть фактором цементации орошаемых почв и их самоуплотнения. В почвах грунтового питания все потенциально цементирующие агенты: бикарбонаты кальция, соединения двухвалентного железа и марганца, подвижного кремнезема и алюминия, кроме того, вносятся восходящей капиллярной каймой в верхние горизонты (0-100 см) почвы. Значение этих цементирующих факторов суммируется с последствиями разрушения структуры и уплотняющим влиянием тяжелых машин, особенно работающих на полях до наступления физической спелости почв.
Учащенные наблюдения за реакцией почв перед поливами и после них (работы кафедры почвоведения МГУ) также обнаруживают резкие, "моментальные" скачкообразные изменения pH. Еще ранее было установлено, что при поливах засоленных сероземов pH и титровальная щелочность в момент полива возрастает на 1-2 интервала. Иногда это влечет за собой массовую гибель растений. Сходные явления обнаружены и на поливных черноземах. В момент полива pH возрастает на 0,5-1,0 интервал.
Если оросительные воды содержат слабые растворы хлоридов, сульфатов или особенно бикарбонатов натрия, то каждый полив ведет к постепенному увеличению обменного натрия в поглощающем комплексе черноземов. Об этом можно судить по данным Г.И. Андреева, обработанным автором в виде рис. 34.

Изменения в химической и биохимической динамике почв

Увеличение доли содержания обменного натрия превращает структурный чернозем в слитую глыбистую пассу, низкой водопроницаемости И крайне трудную для обработка. Опыт США показал практически то же явление. Слабощелочные вода за 15-17 лет орошения весьма значительно увеличивают содержание обменного натрия в составе поглощенных катионов почвы.
Подъем уровня минерализованных грунтовых вод и капиллярных растворов от них такие способствует реакциям замещения обменного кальция на обменный натрий по всему профилю почв. Это было подтверждено модельными опытами Б.Б. Полынова и позже В.А. Ковды, показавшими, что при движении растворов HaCl или Na2SO4 через толщу почвы, насыщенной обменным кальцием, последний замещается натрием с образованием гипса или хлористого кальция. В последние года это было вновь проверено и подтверждено исследованиями А. Семерниковой. Наиболее важным следствием всех этих процессов, ведущих к подщелачивают почв, является усиление гидролиза, неосинтез подвижных силикатов и вторичных минералов группы смектитов, обладающих подвижной кристаллической решеткой, очень высокой гидрофильностью и ухудшающих водно-физические свойства почв.
Значительные изменения испытывает также и биохимия новоорошаемых почв. Известны малая гумусность и "полустерильность" почв пустынь. Фауна, флора, микрофлора почв пустынь меняется радикально, гумусность наиболее бедных почв и песков пустынь при орошении несколько возрастает. Ho в большинстве случаев содержание гумуса в орошаемых сероземах и черноземах уменьшается, особенно при ирригационной эрозии, осолонцевании и вторичном засолении. Изменяется и фракционный состав гумуса; соотношение между гуминовыми и фульвокислотами меняется в пользу последних, т.е. менее полимеризованных и более дисперсных. Известны, однако, случаи, когда при близких пресных грунтовых водах орошаемые почвы как бы подвергаются олуговению и содержание гумуса в них сохраняется или даже растет (почвы рисовых полей).
В первые года орошения степных черноземов их ферментативная активность растет. Однако в последующие года орошения ферментативная активность почв снижается. Возможно, это следствие усиливающейся восстановительной обстановки и появления в почве,хотя и в небольших количествах, сероводорода, сернистого железа, метана, ацетилена, органических кислот, которые в общем-то отличаются токсичностью. Это отмечалось также и японскими исследователями на рисовых полях.
Возможно, что именно эти токсические соединения при отсутствии признаков засоления почв все же угнетают растения, вызывают отмирание стержневого корня и повышают их заболеваемость. Это было определенно замечено на переувлажненных (переполитых) полях культуры томатов, баклажанов и др. на юге Украины.
Надо добавить, что для орошения иногда используются воды, имеющие вредные отбросы, токсические соединения (ртуть, кадмий, гербициды и др.), которые накапливаются в почвах и продуктах. Это должно быть под особым контролем и запрещаться законом.
Таким образом, бесконтрольное,неумеренное орошение портит даже хорошие, плодородные почвы и приводит к появлению в них резкоамплитудных, скачкообразных изменений и "моментальных" процессов в поверхностном корнеобитаемом слое почвы при поливе (резкие скачки pH и окислительно-восстановительного потенциала, кратковременное появление соды, ядовитых газов (сероводорода, метана), летучих органических кислот), что ослабляет растения, нарушает поступление элементов питания и вызывает как бы "болезнь отравления", которую растения хотя и переносят, но остаются ослабленными.
Поскольку большинство сортов зерновых культур аридных районов - это растения, экологически приспособленные к относительно засушливому режиму, то изменения экологической обстановки в сторону существенного увеличения увлажнения приводят к изменению качества растительной продукции за счет увеличения ее количества. Увеличение биомассы растений, в том числе зерна, потребляемого человеком, ведет к снижению белкового коэффициента, расширению отношения содержания углерода к содержанию азота в биомассе (перерождение твердых пшениц в мягкие, например). Дополнительное внесение азотных удобрений не всегда снимает этот эффект, а наоборот, может усилить его, способствуя созданию большого объема зеленой массы растений. Здесь нужна настойчивая работа генетиков по созданию новых сортов, отзывчивых на орошение.
В целом орошение приводит к увеличению биологической активности почв, увеличению содержания почвенных микроорганизмов, разнообразия их групп. Одновременно интенсивно развиваются те микроорганизмы, которые без орошения были подавлены в своей жизнедеятельности и малочисленны, прежде всего почвенные анаэробы, включая маслянокислые бактерии, сульфатредукторы, восстановители нитратов и др.
Интенсификация жизнедеятельности почвенных организмов усиливает процесс разложения органических остатков и почвенного гумуса, что приводит к некоторому обеднению гумуса орошаемых почв; запасы гумуса впоследствии могут восстановиться, но это требует особой заботы земледельца.
Под влиянием жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов в почве постепенно накапливаются биологические токсины, включая простые органические кислоты (уксусная, масляная, муравьиная, пропионовая и т.п.), непосредственно ингибирующие растения и полезную почвенную микрофлору.
Газовый режим почв становится несбалансированным; в отдельные периоды имеет место кислородная недостаточность при токсических концентрациях углекислоты в почвенном воздухе.
Наблюдается тенденция к постепенному разрушению глинистых минералов в верхнем горизонте почв с выносом части продуктов этого разрушения, что в конечной счете ведет к деградации почвы, вероятно по типу осолодения. В некоторых случаях в почвах происходит быстрое образование хардпенов из горизонтов сплошного гипса, извести или полуторных окислов.
Описанные неблагоприятные последствия орошения сероземов, черноземов, каштановых почв, регуров встречаются не всегда и не всюду. В зависимости от местных природных и хозяйственных условий они проявляются то в большей, то в меньшей степени, а также в разных сочетаниях. Особенно резко выражены они там, где допускаются нарушения норм, сроков и техники полива, что, к сожалению, встречается нередко.
На большинстве новых оросительных систем ига европейской части России названные неблагоприятные последствия орошения проявляются преимущественно в своих начальных формах. Нет непосредственной опасности потерять плодородие черноземов или резко снизить их продуктивность. Однако на ряде оросительных систем имеются случаи сильного переувлажнения почв, потери структуры и водопроницаемости, осолонцевания, понижения урожайности и качества зерна.
Поскольку орошение почв влечет за собой комплекс вторичных и побочных неблагоприятных следствий, то и меры по предупреждению этих последствий должны составлять стройную систему действий, направленных на предотвращение развития нежелательных процессов и на усиление положительного эффекта орошения.
Такая система должна включать инженерно-мелиоративные, агротехнические и организационно-хозяйственные мероприятия. Орошение незаселенных почв степей, пушт, памп, саванн должно быть строго нормировано и соответствовать потребностям растений и почв. Поливы должны быть как бы дополнением к естественному увлажнению дождями.
Гравитационные поливы следует осуществлять по бороздам тонкими струями, исключающими эрозию почв и их затопление.
Поливы дождеванием должны быть минимальной интенсивности, исключающей разрушение структуры и эрозию почвы, т.е. со скоростью впитывания влаги. Жадность в водопотреблении неизбежно приводит к потере полями части урожая, а почвами их плодородия.
В числе агротехнических мероприятий, поддерживающих благоприятные агрофизические и биохимические свойства почв, необходимы:
- регулярная заправка почв большими дозами органических (местных) удобрений);
- введение в ротацию культур трав (включая и бобовые);
- использование в орошаемом земледелии тех видов и сортов сельскохозяйственных культур, которые специально приспособлены к данным экологическим условиям и способны полностью использовать преимущества орошения и удобрений;
- использование физиологически кислых и кислых удобрений при общем сбалансированном для новых экологических условий применении удобрений азотом, фосфором, калием;
- гипсование почв в случаях появления избыточной щелочности (рН>8,5);
- проведение обработки почв в строгом соответствии с их спелостью, не допуская вспашки избыточно увлажненных или пересушенных почв;
- применение переменной глубины послеполивной культивации орошаемых полей;
- широкое использование всех возможных средств борьбы с сорной растительностью, включая химические;
- периодическое проведение подпочвенного глубокого рыхления почв;
- исключение дневных поливов в сухую, жаркую, солнечную погоду.
Чем выше биологический и хозяйственный урожай растений, получаемый с поля, тем больше останется в почве корней, органических остатков на поверхности и тем более окультуренной будет почва. Поэтому если тепловые и водные ресурсы позволяют, то целесообразно при орошении снимать не один урожай культуры, а два-три.
Ресурсы тепла в аридных районах недоиспользуются человеком. В степях Украины, Кавказа, Венгрии, Румынии, Турции можно снимать при орошении два урожая. А в аридных субтропиках и тропиках возможно при орошении получать три и четыре последовательных урожая разных культур. И это благотворно отзовется не только на экономике хозяйства. При высокой агротехнике, при применении удобрении и осторожном водопользовании почвы будут сохранять и повышать плодородие.
В оптимальных условиях климата и при тщательном, правильном орошении могут быть получены урожаи кукурузы порядка 33 т/га, зерновых - 20 т/га, соевых бобов - 15,5 т/га. Все это открывает самые радужные перспективы для человечества будущего. Ho к этим успехам лежит сложный путь овладения методами эффективного управления агроирригационными экологическими системами и исключения отрицательных последствий.