Почвоведение, 2020, № 9, стр. 1100-1110

ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня сельскохозяйственного производства в первую очередь зависит от состояния почв, их ресурсного потенциала. Солонцы относятся к наиболее сложным для сельскохозяйственного использования почвам. Общая площадь солонцов в России составляет 30.8 млн га. Встречаются они в лесостепной, степной, сухостепной, полупустынной зонах. Наибольшее их количество находится в Поволжском и Западно-Сибирском регионах [30]. Солонцы не образуют сплошного покрова, а залегают пятнами разной площади и конфигурации среди зональных почв, образуя комплексы и сочетания с разным долевым участием. В естественном состоянии солонцы малопродуктивны, а их наиболее злостные виды – корковые солонцы – часто практически бесплодны. Во влажные годы на средних и глубоких солонцах с мощностью надсолонцового горизонта более 10–15 см, урожаи трав, зерновых и кормовых культур приближаются к урожаю на зональных почвах. Активное вовлечение солонцовых земель в сельскохозяйственное производство всегда сдерживалось специфическими водно-физическими свойствами этих почв. Диапазон влаги, при котором солонцы находятся в состоянии физической спелости для обработки, непродолжителен по времени и у солонцов наступает позже, чем у рядом расположенных зональных почв. Более ранняя обработка солонцовых комплексов затруднена, так как техника вязнет на еще влажных пятнах солонцов. При выпадении дождевых осадков на солонцовой пашне образуется корка, препятствующая прорастанию семян. Все это приводит к разновременному развитию сельскохозяйственных культур на солонцовых и зональных почвах и, как следствие, к потере урожая.

Использование солонцов в сельском хозяйстве без их мелиорации в большинстве случаев малоэффективно. Наиболее активно изучение и освоение солонцовых почв велось в СССР, Канаде и Венгрии [9, 36, 37, 40, 42, 43]. В СССР, начиная с шестидесятых и до конца девяностых годов, проводились широкомасштабные исследования по разработке, испытанию и оценке различных технологических приемов и эффективности мелиорации на солонцовых землях России (ЦЧО, Поволжье, Северный Кавказ, Южный Урал, Западная Сибирь и Алтайский Край). Были разработаны всесоюзные и региональные рекомендации по мелиорации солонцов с агромелиоративной группировкой почв по регионам. К началу 90-х гг. прошлого века значительная часть распаханных солонцовых территорий России была мелиорирована. Мелиорация солонцов субсидировалась государством. За рубежом активного освоения солонцовых земель не произошло. В основном, там развивались исследования, направленные на диагностику вторичного осолонцевания орошаемых почв и на борьбу с этим явлением, моделирование этих процессов [38, 39, 41, 44, 45].

Для улучшения солонцов использовали: 1 – химическую мелиорацию (внесение химических веществ в почву на фоне глубоких вспашек); 2 – мелиорацию за счет внутрипочвенных запасов кальцийсодержащих соединений с использованием глубоких мелиоративных обработок (самомелиорация); 3 – биологическую мелиорацию (фитомелиорацию) [30]. Химическая мелиорация применялась в регионах с количеством выпадающих осадков более 300–350 мм в год. В сухостепной и полупустынной зонах, эффективность химической мелиорации солонцов в отсутствии орошения резко снижалась, а затраты на ее проведение часто не окупались в течение многих лет. Поэтому основными мелиоративными приемами улучшения этих почв являлись глубокие мелиоративные обработки с вовлечением в мелиоративный слой почвенного гипса и карбонатов и глубокое безотвальное рыхление.

Подбор мелиоративного приема осуществляли с учетом специфических свойств почв (содержания обменного натрия, степени засоления, глубины залегания карбонатов кальция и гипса, грунтовых вод и др.), климатических условий (количества выпадающих осадков), специфики сельскохозяйственного использования. Мелиорация солонцов включала не только сами мелиоративные приемы, но и целый комплекс послемелиоративных мероприятий, в том числе влагонакопительных [30].

При правильном подборе мелиоративного приема и его проведении с каждого гектара солонцовых земель получали в 2–5 раз и больше кормовых единиц по сравнению с естественными угодьями. Затраты на мелиорацию окупались за 2–3 года с последействием мелиорации до 10 и более лет [14, 30].

После распада СССР произошло уменьшение площади пашни. Посевные площади сократились в районах, где было распахано большое количество малопродуктивных, в том числе и мелиорированных солонцовых земель, использование которых оказалось экономически невыгодным [1]. С 1990-х гг. прекратилось субсидирование мелиоративных работ.

Согласно “Концепции социально-экономического развития России до 2020 года” возвращению в оборот подлежит 10–12 млн га земель. В связи с этим необходимо рассмотреть проблему целесообразности возврата и рационального использования выведенных из сельскохозяйственного оборота мелиорированных солонцовых земель. Целесообразность и характер использования последних будут определяться их современным агроэкологическим состоянием и затратами по возвращению в сельскохозяйственное производство.

Цель настоящих исследований проанализировать, в каком направлении проходило изменение свойств почв солонцовых комплексов сухостепной и полупустынной зон в результате мелиорации, в процессе сельскохозяйственного использования и при выводе мелиорированных земель из сельскохозяйственного оборота.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследований явились распаханные и мелиорированные почвы солонцовых комплексов сухостепной зоны, в том числе и на ранее орошаемых территориях европейской части России. В основе исследований лежало сравнительное изучение профилей целинных, пахотных и залежных почв с известной датой их вовлечения и вывода из сельскохозяйственного производства, фиксированной историей использования участка, в том числе с информацией о проведенных мелиоративных мероприятиях. Были обследованы молодые и средневозрастные залежные почвы Поволжского региона, интенсивное использование которых в сельском хозяйстве пришлось на 70–80 гг. Объекты исследований располагались на южном окончании Приволжской возвышенности (п. Самофаловское), на северо-восточном окончании Ергенинской возвышенности (п. “Абганеровский”) Волгорадской области, на раннехвалынской террасе (п. Черный Яр) Астраханской области. Кроме того обследовали ранее орошаемые залежные почвы на Кисловской оросительной системе на Приволжской песчаной гряде и Хвалынской равнине (Николаевский и Быковский районы Волгоградской области). Объекты расположены в подзонах светло-каштановых и каштановых почв. Возраст залежей от 5 до15 лет. Подробная характеристика объектов дана ранее [20–22].

Также были использованы данные опытов, проводившиеся различными исследователями в Волгоградской, Саратовской, Ростовской областях, Калмыкии, Ставропольском крае [2, 4, 6–8, 12–14, 23, 26, 27, 29].

Описание профиля агрогенноизмененных почв солонцовых комплексов в поле осуществляли по методике, предложенной Корнблюмом с соавторами для изучения мозаичных почв лиманов [19] с использованием “Базовых шкал свойств морфологических элементов почв” [3]. Название почв и индексация горизонтов даны в соответствии с новой классификацией почв России [17, 28]. Почвенный покров обследованных территорий представлен агроземами солонцовыми (Sodic Protosalic Cambisol (Loamic, Aric, Protosalic)), агроземы текстурно карбонатные (Eutric Cambisol (Loamic, Aric, Protosalic)), агросолонцы (Endocalcaric Luvisol (Loamic, Aric, Cutanic, Protosodic)), агрокаштановые (Eutric Cambisol (Siltic, Aric)) и лугово-каштановые (Haplic Kastanozems).

В лабораторных условиях в образцах определяли содержание легкорастворимых солей, карбонатов, гипса, поглощенных оснований [10], степень выраженности солонцового процесса по методикам Хитрова и Грачева, Корнблюма [11, 35]. Методика Грачева, Корнблюма основана на явлении кратковременной задержки набухания растертых образцов солонцовых и солонцеватых горизонтов и отсутствие ее в засоленных горизонтах. Хитров предложил расчетный показатель балл “В”. Его значение получают на основе диаграммы в координатах “обменный натрий в процентах от ЕКО” и удельной электропроводности при 25°С вытяжки из водонасыщенной пасты при влажности, соответствующей нижней границе текучести, дСм/м. Оба способа позволяют оценить наличие солонцового процесса при вторичном осолонцевании почв.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для улучшения свойств солонцовых почв сухостепной и полупустынной зон были разработаны различные мелиоративные орудия. Несмотря на их многообразие, выполняемую ими механическую обработку можно свести к трем основным технологическим способам:

1. Глубокое безотвальное рыхление с сохранением генетических горизонтов в прежнем положении (технология на основе глубокого рыхления).

2. Крошение и перемешивание солонцового горизонта с гипсоносными и карбонатными подсолонцовыми горизонтами при сохранении на поверхности надсолонцовых гумусовых горизонтов (технология на основе ярусной обработки и глубокой фрезерной обработки).

3. Крошение и перемешивание всех генетических горизонтов на глубину до 50 см (технология на основе плантажной вспашки).

На рис. 1 представлены схемы основных технологических приемов мелиоративной обработки солонцовых почв.

Рис. 1.

Схемы технологического процесса работы мелиоративных орудий: А – на основе технологии плантажной вспашки; Б – на основе технологии ярусной вспашки; В – на основе технологии глубокого рыхления; Г – на основе технологии отвальной вспашки. Обозначение горизонтов: 1 – AJ – светло-гумусовый, SEL – солонцово-элювиальный; 2 – BSN – солонцовый; 3 – BCA – аккумулятивно-карбонатный, гипс-содержащий; 4 – TUR – турбированный горизонт разного состава.

Анализ постмелиоративного морфологического строения профиля солонцов разных видов (глубоких, средних, мелких) показал, что каждое орудие создает достаточно специфическую картину преобразований в нарушенном слое в зависимости от технологии обработки, конструкции рабочих органов и мощности генетических горизонтов (табл. 1).

При трехъярусной и фрезерной обработках, а также после прохода солонцового рыхлителя РС-1.5, поверхностный слой мелиорированных солонцов на 90% и более состоит из фрагментов гумусово-аккумулятивных горизонтов, тогда как в случае отвальной и плантажной обработок – только на 65 и 44% соответственно. Вынос материала карбонат-содержащих горизонтов в поверхностный слой почв происходит при плантажной вспашке (до 32%), практически полностью отсутствует при фрезерной обработке и незначителен (1%) при трехъярусной вспашке [31].

Оценка изменений морфологического облика мелиорированных почв солонцовых комплексов на макро- и мезоуровнях показали, что при агрогенном или мелиоративном воздействии образуются две группы агрогенноизмененных солонцов [17, 28].

Первая группа создается в результате обработки почв солонцовыми рыхлителями и после отвальной вспашки. В почвах этой группы сохраняется профильное строение, свойственное солонцам. Генетические горизонты солонцов и зональных почв разрыхляются, но остаются на месте. В зависимости от глубины залегания и мощности солонцовый горизонт может сохраниться полностью или частично. Карбонатный и гипсовый профили этих почв меняются слабо (рис. 2). От целинных аналогов эта группа почв достаточно хорошо отделяется лишь в первые годы после обработки. Почвы данной группы по новой классификации почв России [17, 28] образуют самостоятельный тип почв – “агросолонцы” в одном отделе с природными солонцами. При выводе этих почв из сельскохозяйственного использования отличия между целинными и мелиорированными почвами быстро стираются. Последействие обработок 2–5 лет.

Рис. 2.

Схема постмелиоративного изменения профильного строения солонцов: 1 – целинный солонец; 2а – сразу после отвальной вспашки, 2б – через 24 года после вспашки; 3а – сразу после трехъярусной вспашки, 3б – через 24 года после вспашки. Обозначение горизонтов: 1 – SEL элювиально-гумусовый; 2 – BSN – солонцовый; 3 – TUR – турбированный; 4 – P – пахотный псевдогомогенный; 5 – Ptr пахотный турбированный; 6 – cs – гипс-содержащий; 7 – BCA – аккумулятивно-карбонатный; 8 – выделения карбонатов разной формы; 9 – глубина сплошного вскипания от НСl.

В почвах второй группы при разрушении и дезинтеграции солонцового профиля мелиоративными орудиями происходят значительные изменения их строения. На месте бывших солонцов со временем формируются новые антропогенноизмененные почвы, не похожие по своему морфологическому облику и набору протекающих в них почвообразовательных процессов на целинные солонцы или зональные почвы. Характерной особенностью строения этих почв является наличие турбированного горизонта, состоящего из морфонов с разным долевым участием исходных генетических горизонтов под пахотным горизонтом. Подпахотный турбированный горизонт сохраняет свою организацию, созданную обработками и через 25–50 лет после проведения мелиоративных вспашек [20, 25]. По новой классификации почв России [17, 28] эти почвы относятся к агроземам солонцовым.

В процессе сельскохозяйственного использования в верхней части профиля агросолонцов уменьшается содержание солей и обменного натрия.

В своем постмелиоративном развитии агроземы солонцовые проходят несколько этапов. Первый этап – это педотурбация верхней (40–50 см) части профиля. На этом этапе имеет место механическое изменение профильного строения исходных почв, потеря солонцами типообразующего солонцового горизонта.

Второй этап характеризуется активным рассолением и рассолонцеванием мелиорированных почв. В условиях сухой степи при мелиорации солонцов без дополнительного орошения для опреснения верхнего слоя мелиорированных почв необходимо 3–5 лет [23]. В этот период велика межагрегатная пористость. Передвижение растворов преимущественно происходит между морфонами и через хорошо водопроницаемые части морфонов. В результате мелиорации изменяется глубина промачивания почв. Так, наблюдения Базыкиной [4] показали, при мелиорации солонцов Джаныбекского стационара (плантажная вспашка, посадка полезащитных лесополос) в благоприятные по увлажнению годы наблюдалось сквозное весеннее промачивание мелиорированных почв. В сухие годы глубина весеннего промачивания колебалась от 30 до 100 см. В результате в мелиорируемых солонцах увеличиваются запасы влаги. При соблюдении всех мероприятий по сохранению и накоплению влаги в мелиорируемых степных и лугово-степных солонцах вторичного засоления, как правило, не наблюдается [2, 4, 6, 7, 23, 27, 29, 32].

В процессе сельскохозяйственного использования мелиорированных почв постепенно происходит уменьшение их водопроницаемости. Но даже на 14-й год после проведения трехъярусной и плантажной вспашек водопроницаемость на мелиорированных вариантах опытов почти в 2 раза больше, чем на варианте с отвальной вспашкой (на 25–27 см) и на целинных почвах [2, 7, 15, 32].

При рассолении мелиорированных солонцов из верхней части профиля в первую очередь удаляются хлорид-ионы и ионы натрия. По мере вымывания хлоридов и сульфатов наблюдается увеличение содержания ионов ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ в пахотных, подпахотных и в карбонат-содержащих горизонтах. Параллельно с уменьшением содержания натрия в почвенном растворе, уменьшается содержание Na⁺ в ППК и увеличивается содержание кальция и магния [2, 12, 29].

В агроземах солонцовых имеет место некоторое увеличение содержания фракции прочносвязанного и уменьшение фракции водноагрегированного ила, уменьшение степени пептизируемости в пахотном горизонте мелиорированных почв, что говорит об ослаблении солонцового процесса (табл. 2).

Третий этап. Через 10–15 лет после проведения мелиорации наблюдается ухудшение водно-физических свойств почв. Уменьшается скорость фильтрации, глубина промачивания. Но и теперь мелиорированные почвы по своим водно-физическим свойствам по-прежнему значительно отличаются от целинных. Плотность пахотного горизонта через 15 и более лет после проведения мелиорации остается меньше, чем в целинных солонцах [2, 7]. Турбированный горизонт сохраняет свое первоначальное мозаичное строение. За счет появления в этом горизонте пропиточных форм карбонатов он приобретает большую твердость в сухом состоянии. Но, как показывают наблюдения, в мелиорированных солонцах с разрушенным солонцовым горизонтом и через 20 лет после мелиорации в верхней толще почв (до 40–60 см), протекают процессы рассоления и рассолонцевания [25]. В годы с количеством выпадающих осадков значительно меньше среднемноголетних, может наблюдаться увеличение содержания легкорастворимых солей в пахотном слое (рис. 3).

Рис. 3.

Динамика содержания солей в пахотном слое мелиорированных солонцов на варианте с трехъярусной вспашкой (А) и количества осадков (Б) за 20-летний период (Волгорадская обл., Городищенский р-н). Обозначения: прямая линия – слой 0–10 см; пунктир – слой 10–20 см.

Активно развиваются процессы кальциевой миграции. Происходит постепенная десегрегация карбонатных и гипсовых новообразований. Имеет место подтягивание карбонатов и их накопление в пахотных горизонтах. Особенно интенсивно этот процесс идет в каштановых и светло-каштановых почвах с высоким залеганием карбонатов. Благодаря появлению пропиточных форм карбонатов горизонты приобретают большую твердость в сухом состоянии. Наблюдается растворение и перекристаллизация гипсовых новообразований [20].

При глубоких мелиоративных обработках солонцов в неорошаемых условиях с вовлечением карбонатов в мелиорируемый слой при отсутствии гипса рядом исследователей отмечалось увеличение рН водной суспензии и общей щелочности мелиорированных почв до критических величин (рН > 8.7).

Установлено, что общая щелочность равная 0.07% при рН 8.7 угнетающе действует на развитие культурных растений, а при общей щелочности 0.1% и рН 9.5 они погибают [27, 29]. Ощелачивание богарных почв степей, в том числе мелиорированных солонцов, объясняется снижением верхней границы гипсово-солевого горизонта, увеличением мощности карбонатных безгипсовых горизонтов, повышением щелочного резерва в них за счет улучшения промывания распаханных земель.

Величина щелочности в целинных и мелиорированных почвах подвержена значительным колебаниям. Она зависит от сезона и погодных условий года. Пространственное варьирование этого показателя также велико. Максимальное значение щелочности в целинных и мелиорированных почвах, достигающее в солонцах токсичных значений, наблюдается в весенний и осенний периоды, либо после летних ливней. Летом, при иссушении почв, щелочность снижается [12, 18].

Содержание гумуса в солонцах сухостепной зоны низкое. В гумусово-эллювиальном горизонте целинных солонцов оно колеблется от 1.5 до 3%, в иллювиальном – от 1 до 2%. Распашка и большая часть мелиоративных обработок солонцов приводят к уменьшению содержания гумуса в корнеобитаемом слое, особенно это заметно на вариантах с плантажной вспашкой (табл. 3). Одновременно на вариантах с глубокими обработками наблюдается увеличение содержания гумуса в нижележащих слоях. При возделывании многолетних трав в почвах накапливается большее количество гумуса, чем при возделывании однолетних культур. Содержание гумуса в пахотном горизонте мелиорированных солонцов не достигает его исходного содержания в целинных солонцах [2, 5, 13, 25]. По мнению Кононовой (цит. по “Мелиорация солонцов СССР”, 1953, стр. 420 [23]), это объясняется тем, что гумусовые вещества в этих почвах образуются около гумифицирующихся корней и пожнивных остатков, а их не так много, чтобы обеспечивать значительную прибавку гумуса.

Внесение органических удобрений в дозах 40 т/га не способствует увеличению содержания гумуса в год внесения, но создает условия для развития микрофлоры, способствует улучшению физических свойств, приводит в дальнейшем к улучшению условий для развития корневой системы и в конечном итоге к увеличению содержания органического вещества в мелиорируемых почвах [2, 13].

До настоящего времени основным критерием диагностики вторичного осолонцевания почв или реставрации солонцового процесса у нас в стране служит повышение содержания в почвах обменного натрия. За рубежом для этих целей используют величину SAR = C_Na/√(C_Ca + C_Mg)/2, где C_Na, C_Ca, C_Mg – концентрации Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ в ммоль(экв)/л в фильтрате из насыщенных водой паст. Увеличение содержания в почвах обменного натрия может быть связано и с развитием вторичного засоления почв.

Для развития солонцового процесса должны существовать условия, позволяющие коллоидным частицам находиться в пептизированном состоянии и перемещаться вниз по профилю. О склонности илистой фракции к пептизации можно судить на основе прямого определения этого показателя, но существующие методы определения трудоемки и имеют плохую воспроизводимость. Косвенно оценить способность илистой фракции к пептизируемости можно по кинетике набухания [11]. Наличие задержки на кривых набухания – говорит о способности почвенной массы к пептизации. На основе расчета балла В можно оценить наличие физико-химических условий для протекания солонцового процесса [35].

Оценка степени выраженности солонцового процесса по методикам Хитрова, Грачева, Корнблюма показала, что в обследованных мелиорированных почвах нет условий для протекания солонцового процесса. Об этом свидетельствует отсутствие задержки набухания (Δτ), характерное для солонцового горизонта и значение показателя физико-химических условий балла В = 1 [20–22, 34].

При переводе солонцовых территорий в залежь без предварительного подсева многолетних трав, зарастание пашни может быть достаточно длительным с последовательной сменой растительных сообществ. Если размер поля невелик (несколько десятков гектаров), то зарастание может происходить быстрее, чем на полях площадью 200–300 га. Отмечалось, что после распашки остепненных солонцов при переходе в залежное состояние на них полностью не восстанавливается тот растительный покров, который свойственен целинным почвам. Это приводит к неравномерности (пятнистости) при зарастании полей. Незакрытая растительностью поверхность почв легко подвергается ветровой и водной эрозии. Выпас скота на молодых залежах с неустоявшимся растительным покровом приводит к быстрой порче поверхности почв, не закрепленной корнями растений, и, как правило, к деградации почвенного покрова [24, 33].

Постепенно увеличивается видовое разнообразие растительного покрова, возрастает количество надземной фитомассы [26]. По данным исследований Варламова с соавт. [9], на залежном светлом постагрогенном солонце Саратовской области, находящемся 50 лет в залежном состоянии, сформировался растительный покров аналогичный целинным почвам.

В том случае, если с использованием глубоких обработок осваивались почвы с залеганием карбонатов выше 40 см, в залежных почвах можно обнаружить окарбоначивание верхнего слоя почв. С одной стороны данный процесс может тормозить развитие вторичного осолонцевания почв, в то же время окарбоначивание может приводить к формированию глыбистой структуры пахотного горизонта. Наличие карбонатов в пахотном горизонте необходимо учитывать при возделывание сельскохозяйственных культур.

В залежных солонцах не стоит ожидать значительного увеличения содержания органического вещества. Это связано с тем, что количество корневых остатков в залежных почвах сухостепной зоны меньше по сравнению с количеством корней в целинных и пахотных почвах. В целинных почвах основная масса корней дикорастущих растений сосредоточена в гумусово-аккумулятивном горизонте светло-каштановых почв и гумусово-элювиальном в солонцах. С глубиной количество корней уменьшается, особенно резко в солонцах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вовлечение значительных площадей солонцовых земель в сельскохозяйственное производство в 70–80 гг. прошлого века у нас стране происходило по следующим причинам: 1) по продуктивности пашни мы отставали от развитых стран мира в 2–3 раза. Для производства необходимого количества сельхозпродукции приходилось вовлекать в пашню все новые и новые земли, в том числе малопродуктивные и трудноосваиваемые; 2) в некоторых районах нашей страны, в почвенном покрове эта группа почв преобладала; 3) государство финансировало проведение мелиоративных мероприятий.

Мелиорация солонцов позволила в ряде регионов решить проблему с кормами для животноводства, увеличить урожай зерновых культур. В то же время, использование мелиоративных приемов не всегда приводило к запланированному увеличению продуктивности почв, что чаще всего было связано с нарушениями технологии мелиорации и неправильным использованием мелиорированных земель.

Выведенные из сельскохозяйственного оборота мелиорированные солонцы сухостепной зоны в течение 10 и более лет после проведения глубоких мелиоративных вспашек во многих случаях сохраняют свойства, приобретенные ими под действием мелиорации. Солонцовый процесс в них не возобновляется, но может развиваться процесс окарбоначивания. В силу производственной необходимости, заброшенные мелиорированные солонцы могут вовлекаться в сельскохозяйственное производство. Это может быть особенно актуально в районах, где солонцовый покров является основным и единственным объектом для земледельческого использования.

Вовлечение этой группы земель в сельскохозяйственное производство не должно носить массового характера, как это было в 1970–80-х годах. Необходимо учесть все новое, что появилось в земледелии. В последнее время много внимания уделялось развитию адаптивно-ландшафтных систем земледелия применительно к различным агроэкологическим группам земель: плакорным, эрозионным, переувлажненным, засоленным и солонцовым в пределах провинций природно-сельскохозяйственных зон [16]. Именно эти подходы необходимо использовать при вовлечении ранее мелиорированных солонцовых земель в сельскохозяйственное производство.