Влияние капельного орошения минерализованными водами на свойства черноземных почв

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(01), 2011 г.

УДК 631.674.6:631.41

Л. А. Воеводина

ВЛИЯНИЕ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫМИ ВОДАМИ НА СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ

В статье приводятся результаты исследований влияния капельного орошения на свойства почв. Установлено, что под влиянием поливной воды хлоридно-сульфатно-натриевого состава к концу поливного сезона происходит накопление водорастворимых солей и насыщение почвенного поглощающего комплекса обменным натрием. Атмосферные осадки в зимний период способствуют уменьшению содержания обменных катионов и в первую очередь поглощенного натрия. В весенний период в водной вытяжке (соотношение почва : вода 1:5) повышается содержание водорастворимых натриевых солей, что обусловливает повышение щелочности.

Ключевые слова: капельное орошение, свойства почвы, чернозем, поглощенный натрий, щелочность почвы, обменные катионы.

L. A. Voevodina

EFFECT OF DRIP IRRIGATION ON SOIL PROPERTIES OF CHERNOZEM USING THE BRACKISH WATER

The results of researching into the effect of drip irrigation on soil properties are presented in the paper. An accumulation of water-soluble salts, and the saturation of the soil absorbing complex exchange sodium by the influence of irrigation water with chloride-sulphate-sodium consistency (Cl-SO4-Na) at the end of irrigation season was established. The atmospheric precipitation enables the decreasing of content of exchange cations particularly absorbed sodium during the winter period. In spring period the content of water soluble sodium salts increases in water extract (ratio soil : water 1:5) causing alkalinity increase.

Keywords: drip irrigation, soil properties, chernozem, absorbed sodium, soil alkalinity, exchangeable cations.

В связи с ограниченностью водных ресурсов на Европейской части РФ проблема эффективного использования воды имеет особую актуальность. Являясь одним из наиболее экономичных способов использования воды для выращивания культур, капельное орошение имеет несомненную перспективу применения при использовании местного стока, на участках сложной формы, а также в системах циклического орошения [1].

В последние годы капельное орошение получает все большее распространение на территории нашей страны. Однако недостаточный учет почвенных процессов, характерных при использовании капельного орошения, зачастую обесценивает преимущества этого способа полива. Наши ис-

следования были направлены на выяснение возможного влияния капельного орошения на различные показатели почвы.

Опыты по установлению влияния капельного орошения

на черноземные почвы проводились в ст. Красюковская Ростовской области в пленочных теплицах на солнечном обогреве при выращивании томатов. Почвы опытного участка принадлежат к обыкновенным черноземам. Гранулометрический состав в слое 0-20 см среднесуглинистый, в слое 40-60 см - легкоглинистый, в слоях 20-40; 60-80 и 80-100 см - тяжелосуглинистый. Содержание гумуса в верхнем слое 0-40 см составляет от 3,26 % до 6,39 %, содержание гумуса в верхнем слое 0-20 см посадочных грядок соответствовало повышенному и очень высокому содержанию. Обеспеченность почв фосфором и калием была высокой и очень высокой.

Отбор проб почвы проводился в трех точках относительно расположения капельной линии: непосредственно под капельницей (зона О); в зоне максимального накопления солей (примерно 20 см от капельной линии) (зона М) и в середине междурядья или дорожки, в точке наиболее удаленной от капельной линии (зона Д). Отбор проб почвы для анализов был произведен осенью по окончанию поливного сезона и весной перед посадкой рассады на постоянное место. Глубина взятия проб до 1,0 м. Слои: 0-20 см; 20-40 см; 40-60 см; 60-80 см; 80-100 см.

Химический состав поливной воды представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика поливной воды на опытном участке в ст. Красюковская

Единицы измерения С1 - яо4- нсо- Са2+ Mg2+ N+ и К+

мг-экв./л 20,73 23,23 6,73 13,50 8,40 28,80

г/л 0,736 1,115 0,410 0,270 0,102 0,662

% от суммы ионов 20,5 22,9 6,6 13,3 8,3 28,4

Подробная оценка поливной воды была представлена ранее [2]. Оценка поливной воды по классам воды и по степени опасности развития почвенных процессов, рекомендованная С. Я. Бездниной [3], показала, что вода для почв тяжелого механического состава по минерализации относится к воде четвертого класса. Наибольшую опасность при использовании этой поливной воды могут представлять процессы хлоридного засоления и натриевого осолонцевания.

В ходе проведения исследований было установлено, что капельный полив минерализованной водой способствует образованию на поверхности почвы зон с повышенным содержанием солей. Концентрированный почвенный раствор может быть причиной внедрения катионов в ППК. Так как применяемая вода имеет хлоридно-сульфатно-натриевый состав, то в почвенном растворе может преобладать натрий, который будет внедряться в ППК и придавать почве неблагоприятные солонцовые свойства. Для характеристики почвенного раствора были проведены анализы водной вытяжки. Данные по содержанию водорастворимых катионов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание катионов в водной вытяжке из почв опытного участка, ст. Красюковская

Слой почвы, см Кальций Магний Натрий Калий

О М Д О М Д О М Д О М Д

мг-экв./100 г почвы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Осень 2009 г.

0-20 0,40 1,50 1,20 0,30 0,50 0,70 0,34 1,30 0,55 0,04 0,27 0,42

20-40 0,40 0,50 0,60 0,20 0,30 0,20 0,77 0,82 0,29 0,20 0,13 0,12

40-60 0,50 0,50 0,50 0,20 0,30 0,30 0,84 0,74 0,41 0,09 0,14 0,11

60-80 0,50 0,40 1,20 0,20 0,40 0,40 0,69 0,70 1,02 0,05 0,14 0,35

80-100 0,50 0,50 0,90 0,30 0,20 0,30 0,72 0,64 0,88 0,07 0,14 0,32

Весна 2010 г.

0-20 0,30 0,40 0,40 0,40 0,30 0,30 0,69 0,56 0,31 0,24 0,13 0,28

20-40 0,40 0,50 1,40 0,20 0,30 0,30 0,86 0,72 0,46 0,18 0,15 0,35

40-60 0,60 0,50 1,80 0,40 0,30 0,60 1,13 0,84 0,80 0,26 0,09 0,44

60-80 0,60 0,60 1,40 0,30 0,30 0,40 1,16 0,91 0,99 0,34 0,21 0,34

80-100 0,60 0,70 0,80 0,40 0,20 0,60 0,97 0,86 0,91 0,68 0,44 0,31

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

% от суммы катионов в водной вытяжке

Осень 2009 г.

0-20 37 42 42 28 14 24 31 36 19 4 8 15

20-40 25 29 50 13 17 17 49 47 24 13 7 10

40-60 31 30 38 12 18 23 52 44 31 6 8 8

60-80 35 24 40 14 24 13 48 43 34 3 9 12

80-100 31 34 38 19 14 13 45 43 37 4 9 13

Весна 2010 г.

0-20 18 29 31 25 22 23 42 40 24 15 9 22

20-40 24 30 56 12 18 12 52 43 18 11 9 14

40-60 25 29 49 17 17 16 47 49 22 11 5 12

60-80 25 30 45 13 15 13 48 45 32 14 10 11

80-100 23 32 31 15 9 23 37 39 35 26 20 12

По результатам анализов водной вытяжки было отмечено накопление кальция в зонах, где поток воды замедлялся и происходил процесс испарения с поверхности почвы. О чем свидетельствует преобладание в водной вытяжке катионов кальция в верхнем слое 0-20 см во всех зонах, а также и во всех слоях до глубины 1,00 м в зоне Д. В зоне О, где происходило наиболее интенсивное влияние поливной воды хлоридно-сульфатно-натриевого состава, заметно превалирование натрия.

В весенний период вышеописанное распределение водорастворимых катионов в целом сохранилось за исключением верхнего слоя 0-20 см в зонах О и М, где наибольший процент среди катионов стал занимать натрий.

О наличии процесса осолонцевания почв судят по количеству поглощенного натрия (обычно более 5 %) от емкости катионного обмена почв. Анализы по определению емкости катионного обмена были заказаны в эколого-аналитической лаборатории института, однако полученные результаты не носили стабильного характера, разброс полученных значений составлял более 100 %, поэтому мы оценивали осолонцевание почв в зависимости от процентного содержания поглощенного натрия, определенного от суммы обменных катионов. В сумму обменных катионов входили кальций магний, калий и натрий.

По окончании поливного сезона сумма обменных катионов состав-

4

ляла от 18,48 до 32,55 мг-экв./100 г почвы. Содержание катионов в ППК в верхнем слое 0-20 см в зоне М было на 12 % больше по сравнению с тем же слоем зоны О.

В таблице 3 представлены данные по содержанию обменных катионов в осенний и весенний периоды в почве опытного участка в ст. Красю-ковская. Среди обменных катионов преобладали катионы кальция от 61 % до 75 % от суммы обменных катионов. Содержание обменного магния доходило до 26 %. В осенний период содержание поглощенного натрия также было довольно высоким - до 14 % в верхнем слое 0-20 см в зоне М.

Таблица 3 - Содержание обменных катионов в почве опытного участка, ст. Красюковская

Слой почвы, см Кальций Магний Натрий Калий

О М Д О М Д О М Д О М Д

мг-экв./100 г почвы

Осень 2009 г.

0-20 15,45 16,95 13,91 5,25 3,95 1,59 2,29 3,91 0,45 1,36 2,55 2,53

20-40 16,01 17,79 14,01 6,60 4,41 4,89 1,85 2,71 1,73 1,27 2,65 2,42

40-60 18,43 19,55 17,99 6,87 3,45 2,81 2,92 3,76 3,07 1,30 3,55 3,22

60-80 19,25 19,53 20,53 6,85 2,07 4,17 2,35 2,41 3,74 1,78 3,76 4,11

80-100 19,04 18,64 20,59 4,56 2,40 3,81 1,96 2,29 3,17 2,16 3,81 3,76

Весна 2010 г.

0-20 14,73 14,59 16,17 2,67 5,47 2,26 0,08 0,00 0,00 2,73 1,59 4,95

20-40 15,40 14,59 12,98 3,94 4,15 4,45 0,47 0,37 0,00 2,49 1,38 2,80

40-60 18,13 18,25 13,22 3,66 6,18 3,51 0,42 0,35 0,00 3,18 1,68 3,06

60-80 18,25 16,60 13,97 2,42 4,07 6,21 0,40 0,30 0,00 3,77 1,95 4,17

80-100 16,29 16,97 16,26 2,65 3,30 3,91 0,28 0,00 0,07 3,79 2,50 4,39

% от суммы обменных катионов

Осень 2009 г.

0-20 63 62 75 22 14 9 9 14 2 6 9 14

20-40 62 65 61 26 16 21 7 10 8 5 10 10

40-60 62 64 66 23 11 10 10 12 11 4 12 12

60-80 64 70 63 23 7 13 8 9 11 6 14 13

80-100 69 69 66 16 9 12 7 8 10 8 14 12

Весна 2010 г.

0-20 73 67 69 13 25 10 0 0 0 14 7 21

20-40 69 71 64 18 20 22 2 2 0 11 7 14

40-60 71 69 67 14 23 18 2 1 0 13 6 15

60-80 73 72 57 10 18 25 2 1 0 15 8 17

80-100 71 75 66 12 14 16 1 0 0 16 11 18

Общая тенденция указывает на уменьшение содержания обменных катионов к весне (таблица 3). Так, содержание обменного кальция по сравнению с осенью 2009 года уменьшилось в зоне О на 0,30-2,75 мг-экв./100 г почвы; в зоне М на 1,3-3,2 мг-экв./100 г почвы, в зоне Д в верхнем слое произошло повышение содержания обменного кальция на 2,36 мг-экв./100 г почвы, в остальных слоях также наблюдалось снижение на 1,03-4,77 мг-экв./100 г почвы.

В верхнем слое зоны М, где наблюдалось наибольшее скопление солей, содержание обменного кальция уменьшилось на 2,36 мг-экв./100 г почвы, однако в процентах от суммы обменных катионов содержание его повысилось на 5,4 %. Такая же тенденция характерна и для других слоев в зонах О и М. В основном повышение относительного содержания кальция произошло за счет значительного снижения содержания поглощенного натрия в течение зимнего периода.

Содержание подвижного магния осенью 2009 года составило в зоне О от 4,56 до 6,87 мг-экв./100 г почвы; в зоне М - от 2,07 до 4,41 и в зоне Д - от 1,59 до 4,89 мг-экв./100 г почвы. В процентах содержание подвижного магния варьировало от 8,6 % в слое 0-20 см в зоне Д до 25,7 % в слое 20-40 см в зоне О. Наибольшее процентное содержание подвижного магния отмечалось в зоне О, в которой наибольшее влияние оказывает поливная вода.

Весной 2010 года содержание обменного магния в зоне О уменьшилось как в абсолютных, так и в относительных единицах. В зоне М произошло его повышение на 10,8 % в слое 0-20 см и до 12,0 % в слое 40-60 см. В зоне Д содержание подвижного магния также увеличилось по всем слоям. В слое 20-40 см в зонах М и Д абсолютное содержание подвижного магния уменьшилось на 0,26 и 0,44 мг-экв./100 г почвы соответственно.

Увеличение как абсолютного, так и относительного содержания ука-

зывает на поглощение магния ППК, чего нельзя сказать о кальции, т.к. в абсолютных единицах его содержание весной снизилось.

Содержание обменного калия, выраженного в мг-экв./100 г почвы, составило от 1,27 до 4,11. В процентах от суммы обменных катионов калий составлял от 4,4 % до 14 %. Более высокие значения содержания калия соответствовали зонам М и Д.

Весной в зоне О и Д произошло повышение содержания обменного калия, а в зоне М его снижение. В целом, содержание обменного калия находится на довольно высоком уровне, т.к. калий, как и натрий, является одновалентным ионом, то он может придавать почве некоторые свойства, характерные для солонцеватых почв. В то же время, калий является одним из трех важнейших питательных элементов и растениям при выращивании необходимо постоянное его поступление, особенно это важно в жаркие периоды, которые не редкость на Юге РФ.

Содержание поглощенного натрия осенью 2009 года было значительным и доходило до 14 % от суммы обменных катионов. Наибольшее содержание натрия отмечено в верхнем слое 0-20 см в зоне М, которое соответствовало 3,91 мг-экв./100 г почвы. Весной 2010 года по всем слоям и во всех зонах отмечено снижение содержания обменного натрия. Наиболее значительное снижение произошло в верхних слоях. В целом, снижение поглощенного натрия к весне 2010 года характеризовало почву участка как несолонцеватую, т.к. содержание поглощенного натрия не превышало 2 % от суммы обменных катионов.

Таким образом, в течение осенне-зимне-ранневесеннего периода произошло уменьшение абсолютного содержания обменных катионов, исключение составили калий и магний. Так, содержание магния повысилось в зонах М и Д, а содержание калия - в зонах О и Д как в относительных, так и в абсолютных единицах.

Снижение содержания поглощенного натрия сопровождалось повы-

шением содержания водорастворимого натрия в весенний период, которое имело место во всех слоях в зоне О, в слоях глубже 40 см в зоне М и в слоях глубже 20 см в зоне Д. В весенний период произошло также повышение содержания гидрокарбонатных ионов, что повлияло на формирование щелочного типа засоления. Возможно, что повышение содержания гидрокарбонатных ионов вызвано тем, что в зимний период происходит разложение растительных остатков, разлагаясь они выделяют СО2, который растворяется в воде (пониженная температура в осенне-зимний период способствует растворению СО2) с образованием кислоты Н2СО3, т.к. ППК насыщен

Са2+, Mg2+, Ка+, то могут идти реакции, подобные следующим:

[ППК2-]Са2+ + 2Н2СО3 ^ [ППК-]2Н+ + Са(НС03)2;

[ППК2-]Mg2+ + 2Н2СО3 ^ [ППК-]2Н+ + Mg(HCO3)2;

[ППК- ]К+ + Н2СО3 ^ [ППК- ]Н+ + КаНС03.

Таким образом, ППК может насыщаться водородом, а в почвенном растворе появляются гидролитически щелочные соли слабых кислот и оснований: гидрокарбонатов кальция, магния и натрия. Результаты анализов водной вытяжки из почвы показали, что в весенний период происходило увеличение содержания гидрокарбонатов. Так, используя предположение об образовании гипотетических солей, содержание гидрокарбоната натрия повысилось в сумме по всем зонам на 0,56 мг-экв./100 г почвы. Наибольшее повышение содержания отмечено в верхних слоях в зонах О и М, соответственно на 0,18 и 0,20 мг-экв./100 г почвы. Также в верхних слоях произошло повышение содержания гидрокарбоната магния на 0,39 мг-экв./100 г почвы в зоне О и на 0,30 мг-экв./100 г почвы в зоне М.

В весенний период величина рН, определявшаяся в водной вытяжке при соотношении почва : вода 1:2,5, понизилась в среднем на 0,29, при этом в верхнем слое 0-20 см отмечалось повышение рН на 0,16 в зоне М и на 0,28 в зоне Д. Любопытно, что именно в этих слоях отмечалось высокое

содержание гипса (по гипотетическим солям). Вероятно, гипс способствовал нейтрализации кислот (в первую очередь - углекислоты), образующихся в течение зимнего периода, с выходом кальция из почвенного раствора в виде СаСО3. Такой процесс можно описать следующим химическим уравнением:

[ППК- ]2Ш+ + Н2СО3 + СаSO4 ^ [ППК- ]2Н+ + Ш^04 + СаСО3.

О повышении содержания Ка^04 свидетельствуют данные по гипотетическим солям, полученные по результатам весенних анализов (таблица 4) [2]. Так, в слое 0-20 см в зоне М осенью 2009 года содержалось гипса 0,86 мг-экв./100 г почвы, а Ка^04отсутствовал. Весной гипс в этом слое не обнаруживался, но содержание Ка^04 повысилось до 0,36 мг-экв./100 г почвы.

Таблица 4 - Содержание гипотетических солей СaSO4 и ^^04 в почве в ст. Красюковская

Слой почвы, см СаБ04 Ка2Б04

мг-экв./100 г почвы

О М Д О М Д

Осень 2009 г.

0-20 0,86 0,58 0,09 0,21

20-40 0,13 0,26 0,38

40-60 0,03 0,41 0,13 0,14

60-80 0,56 0,16 0,27 0,61

80-100 0,41 0,31 0,21 0,63

Весна 2010 г.

0-20 0,51 0,36 0,13

20-40 0,78 0,62 0,68 0,67

40-60 1,24 0,82 0,78 0,95

60-80 0,17 0,84 0,45 0,76 0,37

80-100 0,11 0,12 0,28 0,79 0,86 0,26

Содержание карбонатов, которое определялось по методу Голубева в модификации Исаева, указывало на их повышенное содержание в верхних слоях 0-40 см, с глубиной их содержание снижалось (таблица 5). Вероятно, накопление карбонатов в верхнем слое объясняется общим накоплением солей, так как тенденция к накоплению солей в верхнем слое

почве прослеживалась как по отношению солей, образованных основными ионами, так и нитратов. Являясь более стабильной солью, не подвергающейся выщелачиванию в такой степени, как водорастворимые соли, определяемые по анализам водной вытяжки, карбонаты остаются в верхнем слое почвы и в весенний период. Их накопление, по наблюдениям Валькова и других исследователей, может быть причиной ухудшения структурного состояния почв [4].

Таблица 5 - Валовое содержание карбонатов в почве в зоне М в ст. Красюковская

Слой почвы, см Осень 2009 г. Весна 2010 г.

В пересчете на СаСО3, %

0-20 4,0 2,7

20-40 1,3 1,3

40-60 1,1 0,9

60-80 0,4 0,5

80-100 0,1 0,3

Таким образом, капельное орошение водой повышенной минерализации приводит к формированию на поверхности почвы зон с повышенным содержанием солей, среди которых преобладают соли кальция. Также повышается и валовое содержание карбонатов в пересчете на СаСО3 , которое в верхнем слое доходит до 4 %. В то же время почвенный поглощающий комплекс насыщается натрием, который составляет в зоне максимального накопления солей до 14 % от суммы обменных катионов в верхнем слое почвы 0-20 см. К весне в верхних слоях почвы происходит освобождение ППК от поглощенного натрия, однако в почвенном растворе начинают преобладать катионы натрия, что обусловливает щелочной тип засоления.

Список использованных источников

1 Щедрин, В. Н. Современные проблемы мелиорации и пути их решения // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 9-11.

2 Влияние капельного орошения на засоление почв [Электронный ресурс] // Научный журнал КубГАУ: политематический сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - № 64(10). - 20 с. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/

2010/10/ра#20.ра£

3 Безднина, С. Я. Экологические основы водопользования. - М.: ВНИИА, 2005. - 224 с.

4 Почвенно-экологические аспекты растениеводства / В. Ф. Вальков [и др.]. - Ростов н/Д: Изд-во ЗАО «Ростиздат», 2007. - 391 с.