Неблагоприятное влияние орошения на почву и возможности и перспективы применения внутрипочвенной импульсной континуально-дискретной парадигмы ирригации

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(06), 2012 г., [38-49] УДК 633.1:412

В. П. Калиниченко

О. С. Безуглова

Н. Г. Солнцева

А. Н. Сковпень, В. В. Черненко

Л. П. Ильина

А. А. Болдырев, Д. В. Шевченко, Д. А. Скворцов

НЕБЛАГОПРИЯТНОЕ ВЛИЯНИЕ ОРОШЕНИЯ НА ПОЧВУ И ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВНУТРИПОЧВЕННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ КОНТИНУАЛЬНОДИСКРЕТНОЙ ПАРАДИГМЫ ИРРИГАЦИИ

Показано неблагоприятное влияние орошения на минералогическую композицию почвы при стандартных способах полива. Раскрыты возможности внутрипочвен-ной импульсной континуально-дискретной концепции в обеспечении контроля диссипации воды в почве.

Ключевые слова: почва, внутрипочвенный способ полива, влажность почвы, легкорастворимые соли, вторичное засоление.

V. P. Kalinichenko

O. S. Bezuglova

N. G. Solntseva

A. N. Skovpen, V. V. Chernenko

L. P. Ilina

A. A. Boldyrev, D. V. Shevchenko, D. A. Skvortsov

UNFAVORABLE EFFECT ON SOIL OF EXISTING WAYS OF WATERING AND OPPORTUNITIES FOR USE OF INTRASOIL PULSE CONTINUALLY-DISCRETE IRRIGATION PARADIGM

Inappropriate influence of existing ways of watering on soil and its mineralogy composition is revealed. Intrasoil pulse continually discrete irrigation paradigm possibility as the way of soil water dissipation full control is shown.

Keywords: soil, intrasoil method of watering, soil moisture, readily soluble salts, secondary soil salinization.

Проблема развития неблагоприятных почвенных, ландшафтных и биосферных изменений общепринятой имитационной фронтальной континуально-изотропной концепции ирригации актуальна. Недостатки общепринятой имитационной фронтальной континуально изотропной концеп-

ции ирригации проявляются в избыточном увлажнении орошаемых земель, неблагоприятных ландшафтных последствиях ирригации, огромных ничем не оправданных потерях пресной воды на Земле. Это определяет избыточное воздействие человечества на биосферу с вероятностью ее ускоренной деградации, низкую продовольственную безопасность мира.

Развитие неблагоприятных почвенных процессов при традиционных способах орошения подтверждается наблюдениями за минералогическими свойствами орошаемых и неорошаемых почв.

В результате орошения увеличивается пространственно-временная неоднородность условий и режимов функционирования почв, что приводит к разной направленности и скорости трансформации их свойств, состава, признаков и строения.

При орошении чернозема возрастает неоднородность микростроения верхних горизонтов. В осветленных микрозонах возрастает количество глинистой плазмы чешуйчатого и струйчатого строения, наблюдается уменьшение толщины или снятие гумусовых пленок с минеральных зерен. Наряду с накоплением водно-пептизированного ила это свидетельствуют об усилении диспергирования кристаллитов глинистых минералов под влиянием ирригации, облегчающее их разрушение и преобразование.

Минералогические эффекты в почвах приводят к тому, что помимо вторичного засоления и осолонцевания в орошаемых почвах имеют место процессы оглинивания, слитизации и иллитизации. Процессы разрушения глинистого материала почвы касаются, прежде всего, хлоритов и разбухающих минералов монтмориллонитовой группы. В результате почвенный профиль в целом по сравнению с породой обедняется этими минералами. Одновременно происходит обогащение всего профиля минералами группы иллита. Это физическое дробление иллитов в составе более крупных фракций, а также процесс иллитизации.

Среди причин трансформации илистой фракции чернозема обыкновенного при орошении водой разного качества по интенсивности преобразования наибольшее влияние на гетерогенность взаимосвязанных систем ее внутренней организации оказывает минерализация поливной воды, в меньшей степени - срок орошения и литологические особенности исходной почвы. Изменения илистой фракции чернозема обыкновенного при орошении минерализованными водами направлены в сторону увеличения дисперсности и подвижности агрегатов, особенно водно-пептизированного ила в горизонте А, что является причиной ухудшения водно-физических свойств чернозема обыкновенного.

Содержание илистой фракции неорошаемого чернозема в целом элювиальное, преобладающими компонентами являются диоктаэдрический иллит, хлорит, каолинит и разбухающий минерал монтмориллонитовой группы.

В ранее орошаемом черноземе содержание илистой фракции по профилю относительно равномерное с некоторыми незакономерными колебаниями. Более высокое содержание илистой фракции по сравнению с неорошаемым черноземом по всему профилю можно отнести, прежде всего, на счет несколько более тяжелого гранулометрического состава породы. В составе илистой фракции содержатся те же глинистые минералы, что и в неорошаемом черноземе. Отличием состава глинистого материала в этом профиле является несколько более высокое содержание лабильных минералов в породе и в некоторых генетических горизонтах, что определяется также наложением влияния литологического фактора.

В староорошаемом черноземе распределение илистой фракции в целом элювиальное, в ее составе присутствуют те же глинистые минералы, что и в неорошаемом и ранее орошаемом профилях. В староорошаемом черноземе наблюдается структурная разупорядоченность смешанослойного

иллит-смектитового минерала и тенденция к увеличению с глубиной содержания хлорита в илистой фракции. Можно предполагать, что это явление связано с влиянием орошения.

В верхних горизонтах почвы происходит процесс разрушения хлоритовых минералов, который интенсифицируется под влиянием орошения. Одновременно происходит относительное накопление каолинита как наиболее устойчивого минерала, что обусловливает увеличение суммы каолинита и хлорита.

По сравнению с неорошаемым черноземом в староорошаемом черноземе в составе илистой фракции верхних горизонтов содержится несколько меньше лабильных силикатов в илистой фракции пахотного горизонта. Не исключено влияние орошения, которое могло привести к некоторому выносу или разрушению лабильных минералов почвы. Однако указанное отличие может частично следовать из более высокого содержания разбухающих минералов монтмориллонитовой группы в составе илистой фракции исходной породы. Тонкодисперсный кварц присутствует в небольших количествах в верхней части профиля почвы.

Наиболее достоверно влияние орошения на глинистый материал черноземов выявляется в некотором разупорядочивании структуры смешанос-лойного иллит-смектита в пахотном и нижележащем горизонтах. Еще одним изменением состава илистой фракции черноземов под влиянием орошения может являться относительное накопление каолинита и повышенное содержание кварца в составе илистой фракции верхних горизонтов. Об этом свидетельствует более высокое содержание SiO2 в валовом химическом составе илистой фракции в пахотном горизонте орошаемого чернозема по сравнению с черноземом неорошаемым.

Изменение состава илистой фракции свидетельствует об интенсивном изменении различных свойств почв при орошении, причем таких консервативных, как минералогическая композиция.

Необходимость изменения действующей парадигмы ирригации с целью элиминировать неблагоприятное влияние дополнительного и избыточного искусственного увлажнения на почву очевидна. Авторами на базе внутрипочвенной импульсной континуально-дискретной парадигмы ирригации предложен внутрипочвенный импульсный дискретный способ полива растений [1, 2], позволяющий производить полив растений посредством дискретной циклической последовательной во времени и пошаговой в пространстве поливного участка импульсной подачей воды равномерно внутрь почвы в корневую систему растения.

Дозированные согласно поливной норме порции воды подают с помощью шприцевых элементов, поочередно погружаемых в почву. Это исключает непрерывный процесс полива почвы с поверхности с гравитационным растеканием воды внутри почвы, поскольку в новом способе полива фаза подачи воды в почву разнесена во времени с фазой ее капиллярного термодинамического распределения внутри ризосферы. В случае предложенного внутрипочвенного импульсного дискретного способа полива растений вода доставляется непосредственно в каждый слой ризосферы по вертикали без транзита. При этом вертикальная миграция и, особенно, избыточное выщелачивание веществ из почвы, в принципе, исключены. Распределение воды из цилиндра первичного увлажнения в слое ризосферы идет преимущественно по горизонтали согласно градиенту потенциала воды. Нисходящее движение исключено определенностью порции воды в импульсе. Испарение воды с поверхности почвы минимизировано отсутствием свежей влажной поверхности испарения.

Обстоятельством восстановления структуры почвы в цилиндре первичного увлажнения является его опора на каркас прилегающей сухой почвы. Это способствует образованию структуры в малых увлажненных педах. Проявляется локальное действие силы поверхностного натяжения воды,

причем капли взвеси почва-вода интенсивно структурируются в условиях быстрого снижения влажности в цилиндре за счет расхода воды в прилегающий сухой объем почвы. Поскольку влажность в цилиндре увлажнения повышается кратковременно, структура почвы при быстром подсушивании восстанавливается также и за счет явления памяти формы пе-дов, при котором не все механические связи при кратковременном переувлажнении цилиндра разрушаются. Кроме того, влажная структурная почвы в течение непродолжительного времени после увлажнения оказывается занятой корневыми окончаниями как комфортный субстрат для их развития. Корни свободно проходят влажный блок почвы насквозь и таким образом быстро восстанавливают его структуру [3].

В рассматриваемом случае достигается важнейшее условие для поддержания благоприятного устойчивого состояния почвы, ее структуры. Появляется уникальная возможность искусственно поддерживать влажность почвы в среднем относительно низкой, ниже влажности, при которой происходит общая потеря механической устойчивости каркаса агрегатов почвы.

Вода рассасывается из цилиндра первичного увлажнения в течение нескольких минут. Формируется зона вторичного увлажнения, влажность в которой ниже НВ ввиду отсутствия основного условия НВ - одномерного оттока воды только вниз из увлажненного слоя. На границе зоны вторичного капиллярного увлажнения формируется поверхность влажности разрыва капилляров (ВРК), причем кинетика режима увлажнения в рассматриваемом случае настолько оригинальна, что это требует специального рассмотрения, поскольку и ВРК на границе цилиндра первичного увлажнения имеет принципиальные отличия от ВРК, полученной в результате исследований в относительно больших равномерно увлажненных объемах почвы.

В отсутствие фронта сквозного проникновения воды сквозь почву в зону аэрации и грунтовые воды рассматриваемый способ полива исклю-

чает вторичное засоление почвы. Между грунтовыми водами и почвой постоянно сохраняется слабо увлажненный слой почвообразующей породы.

Известно, что аналогичная особенность векового цикла почвообразования обусловливает малую природную засоленность верхних слоев почвы, сформированной в автоморфных условиях даже на засоленной почвообразующей породе. Легкорастворимые соли в циклах увлажнения-высушивания почвы выщелачиваются, горизонт их максимального накопления смещается вниз [2].

Промывка почвы от легкорастворимых солей, а особенно предотвращение вторичного засоления почв при имитационных способах ирригации, требует вовсе не огромных промывных норм или промывного режима орошения, а корректного управления процессом рассоления почвы.

Размывание фронта минерализации промывочного раствора обычно описывают с использованием коэффициента конвективной диффузии. Положительное обстоятельство его применения в математическом моделировании состояло в возможности получить приближенное решение параболического дифференциального уравнения второго порядка в частных производных для случая одномерного массопереноса в почве. Соответственно, имитационные способы полива, способы промывки почв на этой теоретической основе не предполагают возможности сколько-нибудь значимого управления латеральной составляющей миграции воды и солей в почве. Поэтому промывка почв от легкорастворимых солей пресной водой в условиях ее глобального дефицита - расточительна, при этом губительна для ландшафта [3, 4].

В нашем случае блочной модели порового пространства почвы дискретной является не только структура почвенного континуума, но и сам способ искусственного размещения дополнительной к естественному поступлению влаги. Стохастическая картина координации размещения вво-

димой в почву влаги и педов почвы при этом может быть описана как множество изолированных блоков сухой почвы и блоков увлажнения почвы. Ввиду кратковременности гидродинамического разрушения почвы агрегаты находятся в достаточно устойчивом состоянии, ущерба агрегатному составу почвы нет. К тому же, зона увлажнения привлекательна для ризосферы и динамично структурируется интенсивно проникающими в нее корнями. Структура почвы лишь частично является продуктом исходного гранулометрического состава почвообразующей породы, но в решающей степени обусловлена архитектурой корневой системы растений. Процесс нисходящего движения солей в почве при дискретном поливе занимает несколько миллисекунд, поскольку является принудительным гидродинамическим. Поэтому вероятность возврата солей в прежнюю позицию является очень низкой, скорость диффузионного возврата значительно ниже скорости промывки, доступной при дискретном поливе.

Дискретный полив позволяет дифференцировать выщелачивание солей в зависимости от видов ионов. Ионы солей питательных веществ, содержащие макро- и микроэлементы, поступают в растения. По этой причине они в меньшей степени попадают на поверхности разломов структурных отдельностей почвы, чем не используемые растениями №+ и С1-, которые, к тому же, являются самыми подвижными ионами почвенного раствора. Эти два обстоятельства дифференциации миграции солей в почве являются важнейшими в аспекте рассоляющей роли дискретного полива.

Легкорастворимые соли не выщелачиваются на большую глубину, но задача их исключения из процесса почвообразования и синтеза органического вещества решается полностью.

Необходима подготовка почвы как в отношении проникновения в нее корневой системы и шприцев, так и в отношении создания высокого уровня стартовых условий развития биогеосистемы.

Первые порции впрыска смывают наибольшее количество солей, при этом образовавшийся раствор свободно проходит вниз по еще не размытым импульсом воды каналам почвы. Кроме того, имеет место динамический процесс проникновения раствора вглубь по инерции путем расклинивания массой движущейся воды части структурных отдельностей почвы. Затем проникновение струи внутрь почвы затрудняется. Из цилиндра увлажнения вода рассасывается согласно градиенту термодинамического потенциала по горизонтали и поступает в ризосферу. Легкорастворимые соли отсекаются от почвы ризосферой в условиях относительно низкой по сравнению с имитационными способами полива средней влажностью почвы. По этой причине складываются условия локализации и дискретного размещения в почвенном континууме легкорастворимых солей, повышается вероятность их выщелачивания последующими порциями воды.

Внутрипочвенная дискретная импульсная концепция ирригации в состоянии обеспечить преодоление системного дефекта гидрологического режима биосферы, который заключается в совмещении фазы гидрологического и гидравлического распределения воды и ее нисходящей диссипации в почве.

Концепция позволяет решить следующие задачи:

1) обеспечить среднюю влажность почвы 50-60 % от объема пористости, позволяя обойти явление фронтально-интегрированного формирования в почве НВ;

2) понизить средний термодинамический потенциал воды в почве и повысить среднюю концентрацию почвенного раствора;

3) стабилизировать и оптимизировать термодинамические равновесия в почвенном растворе;

4) элиминировать:

- фронтальное гравитационное увлажнение почв;

- избыточный геохимический охват ландшафта при стандартной ирригации;

- засоление почвы оросительной водой, вторичное засоление, потребность в дренаже;

5) обеспечить стабильные геохимические барьеры в почвах и почвообразующих породах;

6) обеспечить долговременное сохранение исходных экосистем орошаемых почв, ландшафтов и прилегающих территорий;

7) сократить расход воды на ирригацию в 4-5 раз.

Использование предлагаемой парадигмы и следующих из нее технических решений способа полива исключает предпосылки формирования предпочтительных потоков почвенных растворов. Неконтролируемый мас-соперенос в почвах не происходит. На стадии диссипации воды внутри почвы нет ни прямых, ни отсроченных гидрогеологических явлений, ни неблагоприятных последствий нисходящих и латеральных предпочтительных потоков влаги в почвенном континууме.

Гидрологический режим территории урегулирован. Почвенная комбинация гомогенна и устойчива.

Нет необходимости в ирригационном дренаже, что кардинально удешевляет орошение.

Концентрация почвенного раствора в 3-5 раз выше, чем при стандартном потенциале - 0,33 атм. (НВ).

Список использованных источников

1 Soil, Hydrological and Hydrogeological extremes of current irrigation concept / V. P. Kalinitchenko [et all] // 5-th Croatian waters conference with international participation / Croatian waters facing the challenge of climate change. - Opatia, 18-21 Svibnja (May) 2011. - P. 905-917.

2 Способ внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений: пат. 2386243 Рос. Федерация: МПК(7) A01G 25/06, А01С 23/02 / Ка-

линиченко В. П.; заявитель и патентообладатель Калиниченко В. П. -№ 009102490/12; заявл. 26.01.09; опубл. 20.04.10, Бюл. № 11. - 7 с.

3 Вальков, В. Ф. Климатические изменения и почвы юга России /

В. Ф. Вальков, С. И. Колесников, К. Ш. Казеев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. -2008. - № 6. - С. 88-92.

4 Исследование предпочтительных потоков влаги в луговочерноземной почве Саратовского Заволжья / Н. В. Затинацкий [и др.] // Почвоведение. - 2007. - № 5. - С. 585-599.

Калиниченко Валерий Петрович - доктор биологических наук, профессор, Институт плодородия почв юга России, директор; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», заведующий кафедрой земледелия и мелиорации. Контактный телефон: +79185333041. E-mail: kalinitch@mail.ru

Kalinichenko Valeriy Petrovich - Doctor of Biological Sciences, Professor, Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, Director; Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Head of Chair of Agriculture and Land Reclamation.

Contact telephone number: +79185333041. E-mail: kalinitch@mail.ru

Безуглова Ольга Степановна - доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», профессор кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов.

Контактный телефон: +79185449846. E-mail: lola314@mail.ru; bezuglov@rndavia.ru

Bezuglova Olga Stepanovna - Doctor of Biological Sciences, Professor, Federal State Autonomous Educational Establishment of Higher Professional Education “Southern Federal University”, Professor of Chair of Soil Science and Land Resources Assessment.

Contact telephone number: +79185449846. E-mail: lola314@mail.ru; bezuglov@rndavia.ru

Солнцева Наталия Геннадьевна - кандидат биологических наук, доцент, Институт плодородия почв юга России, ведущий эксперт.

Контактный телефон: +79185533041. E-mail: sng2004@rambler.ru

Solntseva Nataliya Gennadyevna - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, Leading Expert.

Contact telephone number: +79185533041. E-mail: sng2004@rambler.ru

Сковпень Андрей Николаевич - кандидат биологических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», доцент кафедры агроэкологии.

Контактный телефон: +79289088420. E-mail: kalinitch@mail.ru

Skovpen Andrey Nikolayevich - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Associate Professor of Agroecology Chair.

Contact telephone number: +79289088420. E-mail: kalinitch@mail.ru

Черненко Владимир Владимирович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», доцент кафедры земледелия и мелиорации.

Контактный телефон: +79064259586. E-mail: instit03@mail.ru

Chernenko Vladimir Vladimirovich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Associate Professor of Chair of Agriculture and Land Reclamation. Contact telephone number: +79064259586. E-mail: instit03@mail.ru

Ильина Людмила Павловна - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, Южный научный центр РАН, ведущий научный сотрудник.

Контактный телефон: +79282143383. E-mail: Iljina@ssc-ras.ru

Ilina Lyudmila Pavlovna - Candidate of Agricultural Sciences, Senior Researcher, South Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Leading Researcher.

Contact telephone number: +79282143383. E-mail: Iljina@ssc-ras.ru

Болдырев Андрей Александрович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», аспирант.

Контактный телефон: +79281076637. E-mail: kalinitch@mail.ru

Boldyrev Andrey Aleksandrovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Postgraduate Student.

Contact telephone number: +79281076637. E-mail: kalinitch@mail.ru

Шевченко Денис Вадимович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», аспирант.

Контактный телефон: +79508416950. E-mail: kalinitch@mail.ru

Shevchenko Denis Vadimovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Postgraduate Student.

Contact telephone number: +79508416950. E-mail: kalinitch@mail.ru

Скворцов Дмитрий Алексеевич - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет», аспирант.

Контактный телефон: +79604560130. E-mail: kalinitch@mail.ru

Skvortsov Dmitriy Alekseyevich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University”, Postgraduate Student.

Contact telephone number: +79604560130. E-mail: kalinitch@mail.ru