Почвоведение, 2019, № 11, стр. 1373-1382

ВВЕДЕНИЕ

Засоленные почвы, в том числе солонцы (Salic Gleyic Solоnetz) [30] и солонцеватые, широко распространены во многих странах мира [15, 18]. Общая площадь засоленных почв мира составляет около 950 млн га [9]. Они встречаются на территории более 100 стран, однако наибольшие массивы сосредоточены в степях, полупустынях и пустынях. Являясь интразональными почвами, солонцы в различных зонах отличаются по генезису, свойствам и методам мелиорации, что требует различных подходов к их освоению, рациональному использованию и борьбе с засолением [18, 28, 29, 31–33].

В сельскохозяйственных угодьях юга Западной Сибири засоленные почвы занимают 17.6% территории, в том числе среди пахотных – 8.4% [8]. Наибольшие площади солонцов и их комплексов с другими почвами встречаются в Новосибирской и Омской областях. Сотрудниками научно-исследовательских учреждений Западной Сибири разработаны и внедрены приемы улучшения солонцов в пашне, сенокосах и пастбищах: химическая мелиорация солонцов – на пашне [1, 5, 21]; послойная обработка – на сенокосах и пастбищах [12, 27]; землевание, фитомелиоративные мероприятия [10, 11, 14], самомелиорация [26] – на всех видах сельскохозяйственных угодий.

Наиболее дорогостоящим и трудоемким приемом мелиорации является химический, разработанный Гедройцем [3]. Сущность его состоит в том, что из почвенного поглощающего комплекса (ППК) кальцием мелиоранта (гипса или фосфогипса) вытесняется обменный натрий. Данный прием хоть и затратный, но наиболее эффективный и долговременный [6, 7, 16, 22].

Определенный интерес в этом направлении представляют работы Оборина [16] по химической мелиорации корковых, средних и глубоких луговых солонцов, выполненные в неорошаемых условиях южной лесостепи Челябинской области на территории Троицкого учебно-опытного лесного хозяйства Пермского государственного университета. Исследования проводили в течение 1932–1956 гг. Установлено, что гипсование солонцов в данной зоне является высокоэффективным мелиоративным приемом с длительным периодом действия. Наблюдения в течение 24 лет позволили вскрыть ряд особенностей действия химической мелиорации на солонцах с близким залеганием минерализованных грунтовых вод.

Установлено, что гипсование солонцов вызвало вытеснение Na⁺ и Mg²⁺ из ППК гор. А и В1 и замещение их кальцием гипса. Продукты обмена в виде солей (Na₂SO₄) из верхних горизонтов удалялись в нижние, вплоть до грунтовых вод (при среднегодовом количестве осадков около 300 мм). Это способствовало повышению урожайности зерновых культур и многолетних трав в течение всего периода наблюдений (1933–1955 гг.). В своей работе А.И. Оборин особое внимание уделял солевому режиму в связи с изменением погодных условий. На 14-й год действия гипса (1946) началось поднятие уровня грунтовых вод (УГВ), что вызвало вторичное засоление верхних гор. А и В1 солонцов. Гипсование, улучшая водные свойства иллювиального горизонта солонцов, способствовало большей подвижности легкорастворимых солей по профилю мелиорированных почв по сравнению с контролем. При близком стоянии минерализованных грунтовых вод в верхних горизонтах мелиорированных солонцов накапливалось больше легкорастворимых солей, чем в негипсованных. Произошло вторичное засоление, которое в значительной степени снизило наблюдавшийся ранее положительный эффект от гипсования – увеличилось содержание обменных Na⁺ и Mg²⁺, ухудшились свойства мелиорированных солонцов, что снизило прибавку урожая сельскохозяйственных культур.

Опыты А.И. Оборина показали, что при длительном действии гипса на солонцы луговые с близким залеганием грунтовых вод (1–2.5 м) при их “пульсации” возникают процессы засоления и рассоления, приводящие к осолонцеванию–рассолонцеванию профиля мелиорированного солонца, и соответственно снижению урожайности сельскохозяйственных культур. В таких условиях одновременно с гипсованием необходимо применять другие меры, предупреждающие вторичное засоление и осолонцевание – посев соле- и солонцеустойчивых многолетних трав, лесоразведение, безотвальную обработку и др.

О.З. Еремченко [6, 7] были восстановлены опыты А.И. Оборина и продолжены наблюдения. Установлено, что на фоне повторяющихся процессов рассоления и засоления положительное действие химической мелиорации снижалось. Это зависело от типа засоления и мощности гор. А. В мелких и средних солонцах сульфатного засоления на фоне безотвальной обработки последействие гипсования продолжалось более 7–11 лет и около 8 – на отвальной. В глубоких гидрокарбонатных и корковых хлоридно-сульфатных солонцах – более 28 лет, а в средних гидрокарбонатных – более 50 лет. Химическая мелиорация солонцов луговых (гидроморфных) на фоне естественного увлажнения повысила урожайность культур в среднем на 2–6, а совместно с удобрениями – до 10 и более ц к. ед./га.

Длительные исследования по изучению эффективности химической мелиорации солонцов малонатриевых в Омской области проводили Березин [1] и его ученики [4]. Ими установлено, что на 18-ый год после гипсования средняя урожайность яровой пшеницы возросла почти в 3 раза по сравнению с контролем, тогда как на 10-ый год последействия – только на 50%, то есть с годами действие разового внесения гипса в дозе 12 т/га не затухало, а увеличивалось.

Наши исследования, проведенные в северной лесостепи Новосибирской области (АО “Кабинетное” Чулымского района) на солонцах корковых средненатриевых смешанного типа засоления, также подтверждают длительность эффекта одноразового внесения гипса [23]. В течение 15 лет не было обнаружено вторичного засоления, хотя УГВ за это время подвергался значительным колебаниям. Подобная закономерность сохранялась и в опытах на многонатриевых солонцах, в которых проводятся систематические наблюдения за длительностью действия одноразового внесения гипса, уровнем залегания и степенью минерализации грунтовых вод и изменением свойств мелиорированных солонцов.

Цель исследований – выявить изменения физико-химических свойств, происходящих в профиле мелиорированных солонцов корковых многонатриевых после резкого подъема УГВ, и изучить их солевой режим после вторичного засоления.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в микроделяночном опыте в северо-восточной лесостепи Барабинской равнины в АО “Кабинетное” Чулымского района Новосибирской области. Экспериментальные площадки расположены 55.080833° N, 81.206667° E. Почвы – химически мелиорированные солонцы корковые гидроморфные черноземно-луговые высокосолончаковатые сульфатно-содовые слабо- и среднезасоленные глубококарбонатные с высоким содержанием натрия в иллювиальном (солонцовом) горизонте в целинном состоянии.

Опыт заложен в 1986 г. Р.Ф. Галеевым на плоском межгривном пространстве с ярко выраженным микрорельефом в виде мелких блюдцеобразных понижений [2]. УГВ подвержен сезонной и многолетней динамике и изменялся по годам от 40 до 350 см. Минерализация грунтовых вод составляла от 1.5 до 2.0 г/л. Закладка опыта проходила следующим образом: на территории будущего опытного участка предварительно разбивали делянки площадью 4 м² (2 × 2 м) с расстоянием между делянками 1 м. Повторность опыта – четырехкратная.

Из каждой делянки вынимали слой почвы 0–20 см (будущий пахотный горизонт) и вручную перемешивали с соответствующей дозой мелиоранта. В делянку, из которой вынималась почва, по периметру заделывали пленку на глубину 30–40 см, после чего в нее помещали почву, перемешанную с мелиорантом (гипсом). Пленку заделывали с небольшим поверхностным напуском, во избежание поверхностного и бокового стоков. Тот же прием повторили на контрольных делянках, но без внесения мелиоранта. Расположение делянок рендомезированное.

Исходные данные пахотного слоя перед закладкой опыта: гранулометрический состав легко- или среднеглинистый, емкость катионного обмена (ЕКО) – 44.7 смоль(экв)/кг почвы, величина рН колебалась от 7.2 до 9.3, содержание обменного Na⁺ в среднем составляло 16.9 смоль(экв)/кг или 47.7% от ЕКО.

Дозы гипса рассчитаны по методу Гедройца на полное вытеснение натрия из ППК (45 т/га), а также 0.25 нормы (11 т/га), 1.25 нормы (56 т/га) и контроль (без гипса) [14]. После отбора буром почвенных образцов скважины заливали парафином во избежание дренажа. В течение всего периода наблюдений (1987–2017) отбор почвенных образцов проводили послойно через 20 см до глубины 100 см.

До 1994 г. на делянках возделывали следующий севооборот: пар черный–озимая рожь–пшеница–овес–овес. На делянках ежегодно проводили зяблевую вспашку на глубину 20 см; весной – предпосевную обработку и посев зерновых культур. Все работы проводили вручную. С 1994 г. опытный участок находился под залежью, но перед этим на делянках была посеяна смесь донника с люцерной. В настоящее время люцерна выпала, а донник продолжает произрастать самосевом.

В 2006 г. на одной из повторностей вскрыли делянки и выкопали почвенные разрезы на глубину 100 см и более. На них в предыдущие годы вели детальные наблюдения, позволяющие в настоящее время выявить изменения свойств солонцов.

Изучение вскрытых морфологических профилей солонцов показало, что в контроле пахотный горизонт представлял собой смесь горизонтов А0, А1 и В1 со значительным преобладанием солонцового. Он имел глыбисто-столбчатую структуру с глянцем на гранях структурных отдельностей. После прекращения механических обработок более чем за 20-летний залежный период столбчатая структура восстановилась внутри пахотного слоя коркового солонца, переходя книзу в ореховато-призмовидную, то есть произошло восстановление природно-естественных связей. Причем из пахотного коркового солонца формировался именно корковый солонец.

Внесение 0.25 нормы по Гедройцу (11 т/га гипса) обеспечило лишь мелиорирование слоя в 7 см. Глубже начали формироваться фрагменты столбчатого солонцового горизонта. Полные дозы гипса (45 и 56 т/га) создали пахотный горизонт рыхлый комковато-зернистой структуры. Эффект длительного действия гипса проявился и в нижних горизонтах профиля. Чем выше доза гипса, тем выше и устойчивее мелиоративный эффект.

Почвенные образцы отбирали в трехкратной повторности и анализировали каждый отдельно, а затем рассчитывали средний показатель. Определяли обменные основания по Молодцову и состав водной вытяжки в соотношении почва : вода 1 : 5 по общепринятым методикам [19]. Общий натрий представлен суммой обменного и водорастворимого. Статистическую обработку данных, полученных в результате исследований, выполняли в программе Microsoft Office Excel 2007. При сравнении средних значений данных двух выборок применяли t-критерий Стьюдента для уровня достоверности 95%.

Погодные условия лет исследований

Климат Барабинской равнины резко континентальный с продолжительной холодной зимой (5–5.5 мес.), жарким и коротким летом (3–3.5 мес.) и резкими перепадами температур от зимы к весне и от лета к осени. В зимнее время погода холодная и ясная, ветренная, особенно в январе–феврале. Снег с повышенных элементов рельефа сдувается в понижения, что способствует развитию процессов осолодения и заболачивания. Обнаженная поверхность сильно промерзает и оттаивает лишь к середине мая. Зимой бывают оттепели, особенно в ноябре и декабре. Лето теплое. В июле–августе выпадает значительное количество осадков, которые часто носят ливневый характер. Среднегодовое количество осадков 350 мм. Коэффициент увлажнения изменялся от 0.8 до 1.2. Резко выраженные вековые и более короткие ритмические изменения климата способствовали чередованию процессов засоления и рассоления почв, пространственному перемещению в ландшафтах зон максимального соленакопления, усилению солонцеватости и рассоления почв.

Вегетационные периоды за годы исследований на территории проведения опыта в основном были теплыми и даже жаркими и большей частью увлажненными, что повлияло на растворимость внесенного гипса, свойства солонцов и урожайность сельскохозяйственных культур. На этом фоне резко выделяются погодные условия 2013 г. – они были влажными: в мае–июне выпало 129 мм осадков (в 2 раза больше нормы), а в августе – 156 мм (почти в 3 раза больше нормы) (рис. 1). Температурный режим – холоднее нормы. Все это в целом способствовало резкому подъему минерализованных грунтовых вод до 50 см и вызвало вторичное засоление профиля мелиорированных солонцов, которое не было ранее зафиксировано в течение 30-летнего периода наблюдений.

Рис. 1.

Осадки и уровень грунтовых вод на экспериментальном участке по данным ГМС “Чулым” за период 2006–2017 гг.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Нами установлено, что в первые два года (1987–1988 гг.) действия и последействия гипса в профиле мелиорированных солонцов резко возросло содержание легкорастворимых солей за счет обменных реакций между ППК и кальцием мелиорантов, особенно в слое 0–20 см до 21–23 т/га при их содержании на контроле 3–5 т/га. Соли в основном были представлены ионами кальция, магния, натрия и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ [24, 25]. Под влиянием атмосферных осадков и улучшения физических и физико-химических свойств мелиорированных солонцов образовавшиеся легкорастворимые соли промывались в нижележащие горизонты и в грунтовые воды.

В последующие 5 лет (1987–1992) после внесения гипса в варианте с дозой гипса 56 т/га количество легкорастворимых солей снизилось в слое 0–100 см до 51 т/га, при содержании солей в контроле 97 т/га. В мелиорированных вариантах минерализация грунтовых вод увеличилась с 18 до 24 г/л. На восьмой год действия гипса под влиянием внутрипочвенных вертикальных потоков влаги постепенно снижалась минерализация грунтовых вод до 10–12 г/л.

Изменения происходили и в ППК солонцов при вовлечении их в сельскохозяйственный оборот. В нем даже без внесения гипса по всему профилю уменьшалось содержание натрия, что связано с высокой подвижностью его ионов как в почвенном растворе, так и в диффузном слое ППК. Подобная закономерность была установлена Самбуром [20], который предложил разделять обменный натрий на активный – находящийся на поверхности почвенной мицеллы и малоактивный – закрепленный в межплоскостных пространствах глинистых минералов. Как отмечал Г.Н. Самбур, после 23-летнего действия гипса в верхнем пахотном горизонте содержалось от 4.3 до 6.9 смоль(экв)/кг натрия, что составило 42–50% от емкости обмена. Полученные нами данные после 30-летнего действия полной дозы гипса (45 т/га), рассчитанной по методу Гедройца, свидетельствуют о практически полном вытеснении его из ППК солонцов при слабом колебании УГВ.

До закладки опыта (1985 г.) максимум содержания обменного натрия в целинных солонцах корковых находился в слое 0–20 см и составлял 16.5 смоль(экв)/кг. С глубиной количество его снижалось, достигая минимума в слое 80–100 см 6.6 смоль(экв)/кг (табл. 1). После вовлечения солонцов в пашню в контроле произошло заметное уменьшение его содержания как на второй, так и на 21-ый год действия. Однако на 21-ый год после прекращения использования солонцов в пашне в профиле контрольного варианта содержание натрия увеличилось в слое 20–40 см до 13 смоль(экв)/кг, то есть в залежи происходит постепенное восстановление содержания натрия до исходного состояния.

Ранее установлено [21], что решающим фактором начала формирования профиля солонцов в почвах гидроморфного ряда (лугово-черноземных, черноземно-луговых и луговых) является критическое содержание натрия в профиле почв в количестве 2.5–3.0 смоль(экв)/кг. В дальнейшем формирование иллювиального (солонцового) горизонта может происходить экспоненциально под воздействием природных факторов.

Отмечено, что в течение всего срока наблюдений ни в одном слое изучаемых солонцов в контроле содержание натрия не было меньше 3.0 смоль(экв)/кг, то есть происходило развитие процесса солонцеобразования.

В середине прошлого столетия в почвоведении активно обсуждалась проблема состояния гипса после его внесения в солонцы. По мнению Можейко [13], для солонцов Украины характерно хелатирование частиц гипса, внесенного в качестве мелиоранта, то есть не вступившие в реакцию обмена с ППК частицы гипса покрываются тонкими пленками органо-минеральных соединений, представленных в основном фульвокислотами, и становятся недоступными для обменных реакций.

Полученные нами многолетние данные свидетельствуют о том, что обменные процессы между катионами ППК солонцов и кальцием гипса постепенные и длительные. Хелатирование гипса не наблюдалось. Особенно выделялись результаты 2006 г., когда было заметно последействие даже от внесения дозы гипса 11 т/га и содержание натрия в слое 20–40 см снизилось по сравнению с контролем. Отсутствие увеличения количества натрия в слое 20–40 см свидетельствует о длительном действии гипса. Однако этой дозы недостаточно для прекращения процесса солонцеобразования, о чем свидетельствует восстановление столбчатой структуры в профиле почв данного варианта [22].

Действие полной (45 т/га) и повышенной (56 т/га) доз гипса выразилось в усиленном вытеснении натрия из ППК по всему профилю, причем, чем выше была доза мелиоранта, тем больше натрия вытеснялось. Так, в 2006 г. в варианте с внесением дозы гипса 45 т/га в слое 0–20 см содержалось всего 1.1, а в варианте 56 т/га – 0.55 смоль(экв)/кг, то есть содержание натрия стало значительно меньше критического, что свидетельствует о торможении развития солонцеобразовательного процесса. При этом УГВ слабо менялся и находился на глубине 233–250 см (табл. 2). При подъеме минерализованных грунтовых вод в 2013 г. с 250 до 50 см произошло значительное вторичное засоление как контрольных, так и мелиорированных вариантов солонцов, что вызвало изменение состава ППК. Оборин [16], Самбур [19] и другие исследователи также наблюдали вторичное засоление при подъеме минерализованных грунтовых вод.

Из данных табл. 1 видно, что в 2013 г. в профиле почв во всех вариантах опыта произошло резкое увеличение содержания общего натрия, особенно в контрольном варианте, где его содержание в слоях 40–100 см возросло по сравнению с исходным (1985 г.) в 1.5–2.0 раза и более. Такие же показатели характерны и для нижних слоев в варианте с дозой гипса 11 т/га, однако в слое 0–20 см содержание общего натрия по сравнению с 2006 г. увеличилось незначительно. Сказалось действие одноразового внесения 1/4 расчетной дозы гипса. В вариантах с полной и повышенной дозами гипса увеличение содержания натрия было менее заметным. Полученные результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что одноразовое внесение расчетной дозы гипса способствует снижению эффекта вторичного засоления.

В последующие годы (2015–2017 гг.), в зависимости от погодных условий и УГВ, количество натрия в профиле почв постепенно снижалось. Результаты исследований свидетельствуют (табл. 2), что весной в профиле почв происходило увеличение содержания общего натрия, а к осени – уменьшение. На третий год после поднятия грунтовых вод общее содержание натрия по всему профилю снизилось и приблизилось к показателям 2006 г., то есть эффект вторичного засоления по годам уменьшался, и постепенно восстанавливалось действие гипса (рис. 2). Обменные формы натрия во всех вариантах опыта преобладали над водорастворимыми. В осенний период в мелиорированных солонцах в слоях 0–20, 20–40 и 40–60 см обменных и водорастворимых форм натрия было значительно меньше, чем в контроле.

Рис. 2.

Динамика солевого состава мелиорированных солонцов.

В этом же году нами был вскрыт профиль целинного солонца, расположенного в непосредственной близости от опытного участка. Весной в нем зафиксировали высокое содержание как водорастворимого, так и обменного натрия. В слое 0–20 см содержание общего натрия составило 20.46 смоль(экв)/кг, а к осени оно уменьшилось до 4.43, что свидетельствует о его большой динамичности.

Особый интерес представляет состав обменных катионов: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ в ППК солонцов (табл. 3). Из приведенных данных видно, что в изучаемых солонцах в ППК преобладают катионы Mg²⁺ – от 44.5 в мелиорированных до 66% в контрольных вариантах от суммы поглощенных оснований. Количество натрия значительно меньше – от 2.5–5.3% в мелиорированных вариантах до 12–22.6 в контроле. Установлено, что в присутствии большого количества натрия магний усиливает свойства последнего, а в присутствии большого количества кальция способствует усилению его свойств [17], что четко прослеживается по данным табл. 3. Содержание обменного кальция в слое 0–20 см в контрольном и целинном солонце примерно одинаково (24.2%). В мелиорированных вариантах – значительно больше – от 33.1 до 51% (при внесении гипса от 11 до 56 т/га соответственно), что свидетельствует о действии гипса, внесенного 32 года назад, и после вторичного засоления.

Вторичное засоление способствовало увеличению щелочности в почвах. В 2006 г. величина pH в контроле и в варианте гипс 11 т/га в слоях 0–20 и 20–40 см была в щелочном интервале. В вариантах с полной и повышенной дозами гипса – в слабощелочном и щелочном, то есть величина pH была приемлемой для возделывания солеустойчивых сельскохозяйственных культур. В год подъема минерализованных грунтовых вод (2013) она во всех слоях изучаемых почв весной находилась в сильнощелочном интервале, оставаясь такой же и в осенний период.

Через год после подъема грунтовых вод щелочность почв несколько уменьшилась, но снижение было незначительным, особенно в варианте с полной дозой гипса. В 2017 г. величина pH в мелиорированных солонцах приблизилась к показателям 2006 г. В контроле и в варианте гипса 11 т/га величина pH по профилю уменьшилась и оказалась в щелочном интервале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Барабинской равнине Западной Сибири уровень залегания грунтовых вод подвержен значительным колебаниям, которые в определенной степени зависят от количества выпавших осадков. В сильноувлажненном 2013 г. грунтовые воды поднялись с 270 до 50 см. Возросла степень их минерализации – увеличилась щелочность, количество карбонатов и бикарбонатов и, особенно, катионов натрия, что привело к вторичному засолению, в том числе и мелиорированных солонцов.

В первые годы действия гипса в профиле солонцов активно протекали обменные реакции между натрием ППК и катионами кальция мелиоранта. Поэтому в мелиорированных солонцах увеличивалось содержание легкорастворимых солей – продуктов обмена, которые в дальнейшем постепенно удалялись в нижние горизонты и далее – в грунтовые воды. Профиль солонцов, мелиорированных полной и повышенной дозами гипса, приблизился по своим свойствам к профилю черноземно-луговой солонцеватой почвы.

Установлено, что, если в ППК гор. В засоленных почв обменного натрия <3 смоль(экв)/кг, то столбчатая структура в нем не формируется, а свыше данного количества – начинает образовываться типичный для условий Барабинской равнины столбчатый солонцовый гор. В. В контроле в течение всех лет наблюдений содержание обменного Na было более 3 смоль(экв)/кг, что способствовало восстановлению столбчатого горизонта после перевода экспериментального участка в залежь.

Резкий подъем минерализованных грунтовых вод вызвал вторичное засоление солонцов. В контроле и варианте с дозой гипса 11 т/га содержание Na⁺ увеличилось по всему метровому профилю. В слое 0–20 см количество натрия возросло с 0.6–1.1 до 6.1–4.3 смоль(экв)/кг соответственно. В нижних горизонтах оно значительно превысило зафиксированное при закладке опыта – до 14–16 в контроле и до 10–17 смоль(экв)/кг в варианте 11 т/га гипса. В мелиорированных солонцах с полной и повышенной дозами гипса содержание натрия в профиле также возросло, но меньше, чем в контроле. В последующие годы (2014–2017) при снижении УГВ профили солонцов постепенно рассолялись, как в контрольных вариантах, так и в мелиорированных. Интенсивность их рассоления была примерно одинаковой.

После произошедшего вторичного засоления в ППК солонцов преобладали катионы Mg²⁺, на долю которых приходилось от 44 до 66% и более от суммы поглощенных оснований. В солонцах, мелиорированных полной и повышенной дозами гипса, в ППК поглощенного Ca²⁺ было несколько больше по всему профилю, чем в контроле и в варианте 11 т/га гипса. После вторичного засоления происходило постепенное рассоление солонцов. Действие химической мелиорации сохранялось. В год проявления вторичного засоления почв резко возросла щелочность. Величина pH находилась как весной, так и осенью на всех вариантах опыта в сильнощелочном интервале. В последующие годы она снижалась постепенно и более заметно на мелиорированных вариантах.

Полученные результаты многолетних исследований длительности действия одноразового внесения гипса согласуются с результатами исследований А.И. Оборина. Отмечены новые данные последействия гипсования в профиле солонцов после вторичного засоления мелиорированных почв грунтовыми водами и зафиксировано частичное восстановление мелиоративных процессов (удаление солей, увеличение содержания поглощенного Ca²⁺ в ППК, снижение величины рН).