Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Генезис, свойства и пути повышения плодородия почв засоленного ряда (Обзор литературы) 6
1.1 Генезис и характер распространения засоленных почв в степной зоне Зауралье Республики Башкортостан 6
1.2 Пути повышения плодородия засоленных и осолонцованных почв 13
Глава 2 Объекты и методы исследований 29
2.1 Природные условия Зауралья Республики Башкортостан 29
2.1.1 Климат 29
2.1.2 Рельеф и геоморфология 32
2.1.3 Растительный покров 34
2.1.4 Гидрография и гидрогеология 38
2.1.5 Почвообразующие породы 40
2.1.6 Почвенный покров 42
2.2 Объекты и методы исследований 55
Глава 3 Сырьевые ресурсы агрономических руд республики башкортостан 56
3.1 Ресурсы органических агроруд и их характеристика 57
3.2 Сырьевая база фосфорных удобрений 69
Глава 4 Получение органо-минеральных удобрений из возобновляемого растительного сырья 74
4.1 Моделирование процессов деструкции грубого органического материала 74
4.2 Разработка технологии получения органо-минерального удобрения на основе сплавины и фосфоритов 82
Глава 5 Использование природных агроруд для повышения плодородия черноземов южных зауральской степи 88
5.1 Оценка состояния почв в условиях длительного сельскохозяйс гвенного использования 88
5.2 Использование природных агроруд для повышения плодородия чернозема южного 91
Выводы ПО
Рекомедации производству 111
Литература 112
- Генезис и характер распространения засоленных почв в степной зоне Зауралье Республики Башкортостан
- Почвообразующие породы
- Ресурсы органических агроруд и их характеристика
- Моделирование процессов деструкции грубого органического материала
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях, когда возрастающее
антропогенное воздействие приводит к усилению деградации почв, большое
значение приобретает поиск наиболее экономичных и экологически
приемлемых способов повышения или восстановления их плодородия. В
условиях ограниченной возможности использования органических и
минеральных удобрений в качестве альтернативных органо-минеральных
удобрений целесообразно использование природных агрономических руд и
возобновляемых растительных ресурсов. Такой подход способствует
развитию экологически ориентированной организации
сельскохозяйственного производства.
Как известно, мелководья водохранилищ, как и природных озер, подвергаются зарастанию специфической растительностью (рогоз, камыш, осоки т.д.), поэтому для сохранения водных ресурсов необходима систематическая очистка водоемов. Образующиеся при этом отходы, состоящие из донных отложений, сапропеля, торфа и растений, захламляющих берега водоемов, можно рационально использовать для получения органо-минеральных удобрений.
В мировой практике распространено использование местных агроруд и возобновляемых растительных ресурсов для повышения плодородия почв, но в каждом конкретном случае такой прием применяется с учетом местных природно-климатических условий, особенностей отложений и растительности.
Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось изучение возможности получения органо-минеральных удобрений из возобновляемого растительного сырья и использования природных агроруд для повышения плодородия засоленных почв в Зауральской степной зоне республики Башкортостан.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценить сырьевые ресурсы агрономических руд в регионе.
Определить оптимальные условия гумификации возобновляемого растительного сырья на примере сплавины для получения органо-минеральпого удобрения.
Изучить возможность использования природных агроруд, в том числе сапропеля, сплавины, цеолита, а также навоза и соломы для повышения плодородия чернозема южного глубокосолончаковато-солонцеватого.
Научная новизна. Впервые для региона изучены запасы и состав природных агрономических руд и показана эффективность использования сапропеля, сплавины, цеолита, песка, навоза и соломы для улучшения комплекса свойств малопродуктивных почв. Показана возможность получения ценного органо-минерального удобрения из возобновляемого растительного сырья.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования позволяют рекомендовать использовать природные агроруды для повышения плодородия почв, а донные отложения и сплавину, образующиеся при очистке водохранилищ и озер, а также относительно бедные фосфором природные фосфориты региона для получения ценного органо-минерального удобрения.
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы доложены и опубликованы в материалах: Региональной научно-практической конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Южного Урала и Среднего Поволжья «Почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие» (Уфа, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (Уфа, 2006); Международного симпозиума «Агроэкологичсская безопасность в условиях техногенеза» (Казань, 2006); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Интеграция аграрной науки и
5 производства: состояние, проблемы и пути решения» (Уфа, 2008); на V Всероссийском съезде почвоведов им В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008).
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК МОН РФ.
Связь работы с научными программами. Исследования были поддержаны: Программой фундаментальных исследований ОБН РАН «Биологические ресурсы России: Фундаментальные основы рационального использования», по проекту «Использование природных органических агроруд для биологической мелиорации засоленных почв» (2006-2008 г.г.), а также ГНТП Академии Наук Республики Башкортостан «Научное обеспечение воспроизводства биологических ресурсов и развития агропромышленного комплекса Республики Башкортостан», по проекту «Разработка композиций органно-минеральных удобрений и мелиорантов на основе местных агрономических руд и возобновляемого биологического сырья» (2007-2008 г.г.).
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников по теме исследования, автор принимал участие в проведении полевого и лабораторных опытов, проведении аналитических исследований по физическим и физико-химическим свойствам почв, описании результатов исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, выводов. Список литературы включает 144 работы, в том числе 1 1 работ зарубежных авторов. Диссертация иллюстрирована 8 рисунками, 24 таблицами и 2 фотографиями.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам лаборатории почвоведения и прикладной микробиологии Института биологии УНЦ РАН и научному руководителю за помощь и высококвалифицированные консультации.
ОГЛАВА 1. ГЕНЕЗИС, СВОЙСТВА И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ ЗАСОЛЕННОГО РЯДА (обзор литературы)
1.1. Генезис и характер распространения засоленных почв в степной зоне
Зауралье Республики Башкортостан
На протяжении всей истории развития почвоведения засоленные почвы являлись одним из главных объектов исследования во многих странах мира. Это объясняется, во-первых, широким распространением засоленных почв в разных регионах Земли; во-вторых, тем, что засоление — одно из главных генетических свойств и мелиоративных особенностей почв аридных и семиаридных областей, а также свойство, лимитирующее их плодородие. И, наконец, в-третьих, засоленность — один из основных признаков неблагополучного экологического состояния земель.
К почвам засоленного ряда относятся солонцы, солончаки и солоди. Засоленные почвы распространены на всех континентах, они встречаются в 100 странах мира и практически во всех природных зонах, но господствуют в зонах степей, полупустынь и пустынь. При этом в различных регионах засоленные почвы существенно различаются по свойствам, генезису, а следовательно, и по методам мелиорации, что вызывает различия в их освоении, рациональном использовании и борьбе с засолением (Засоленные ...,2006).
К засоленным относятся такие почвы, которые содержат в своем составе легкорастворимые соли (бикарбонаты и карбонаты натрия, сульфаты натрия и магния, хлориды кальция, магния и натрия, нитраты кальция, магния и натрия) в токсичных для растений количествах. В зависимости от содержания токсичных солей и типа засоления почвы разделяют по степени засоления на незасоленные, слабозасоленные, среднезасолениые, сильнозасоленные и очень сильно засоленные (солончаки). По глубине залегания верхней границы солевого горизонта засоленные почвы разделяются на солончаковые - соли в слое 0-30 см, солончаковатые — 30-80 см, глубокосолончаковатые - 80-150 и глубокозасоленные — глубже 150 см.
Солонцы - это почвы, содержащие в поглощенном состоянии повышенное количество обменного натрия в иллювиальном горизонте (более 15 % от емкости катионного обмена) или обменного магния (более 40%) при меньшем, чем 15%-ом содержании обменного натрия. Они обладают следующими диагностическими показателями: дифференцированный профиль по элювиально-иллювиальному типу; щелочная реакция среды иллювиального и нижележащих горизонтов; наличие водорастворимых солей в средней или нижней части профиля; столбчатая, призматическая или глыбистая структура иллювиального горизонта и повышенная его плотность.
Среди черноземов, каштановых и бурых пустынно-степных почв, характеризующихся переходными свойствами от зональных к солонцам, солонцеватые почвы выделяют па уровне родов, которые содержат от 3 до 15% обменного натрия, имеют щелочную реакцию, повышенную плотность в почвенном профиле, в разной степени — проявления элювиально-иллювиальную дифференциацию (Ганжара, 2001).
Современные представления о генезисе солонцов представлены в работах В.А. Ковды (1937; 1946; 1947), В.Р.Вильямса (1947), И.Н. Антипова-Каратаева (1953), К.К. Гедройца (1955), Н.И. Базилевич (1965) и других ученых. Солонцы образуются в результате солонцового процесса почвообразования, сущность которого заключается в пептизации коллоидов, увеличении дисперсности минеральной массы и растворимости органического вещества под действием обменного натрия и соды, в вымывании пептизированных коллоидов из верхних горизонтов и их коагуляции в иллювиальном горизонте. Источником натрия и соды являются водорастворимые соли натрия, которые накапливаются в условиях засушливого климата в бессточных территориях.
Дискуссионным остается вопрос о происхождении малонатриевых солонцов. Существуют теории образования солонцов путем рассоления солончаков под воздействием слабоминерализованных растворов, содержащих соду; при биогенном накоплении соды; накоплении обменного
8 натрия под действием гальмаролиза (распад минералов под действием солевых растворов) и др.
В формировании надсолонцового осолоделого горизонта определенную роль играет процесс осолодения - разрушения пептизированных минералов тонких фракций и выноса продуктов разрушения вниз по профилю, а также элювиалыю-глеевый процесс.
Солоди - это гидроморфные и полугидроморфные почвы, сформировавшиеся в условиях промывного или интенсивного периодически промывного водного режима, с резко дифференцированным профилем по элювиально-иллювиальному типу. Они формируются в понижениях под гидрофильными растительными сообществами в лесостепной, сухостепной и полупустынной зонах.
Генезис солодей. К.К. Гедройц (1955) показал, что солоди образуются из солонцов путем замещения в ППК обменного натрия на водород, что приводит к гидролитическому расщеплению почвенного поглощающего комплекса. Полуторные оксиды выносятся, а остаточный кремнезем накапливается в осолоделом горизонте. Н.И.Базилевич в образовании солодей большую роль отводила воздействию на почвенно-поглощающий комплекс (ППК) слабоминерализованных грунтовых вод и внедрению натрия в ППК с последующей заменой на водород. Наличие в ППК ионов Н+ позволяет предполагать проявление оподзоливания в верхней части профиля солодей.
В настоящее время в опубликованной литературе нет точных данных о площадях распространения засоленных почв России и ее регионов (Панкова, 2005). Сведения, приведенные в земельных кадастрах и других источниках (Базилевич, 1973; Государственный ..., 1987; Казанцев, 1998; Качественная
1996; Почвенная ..., 1988; Почвенный ..., 2001; Природно-сельскохозяйственная ..., 1975; Природно-экономические ..., 1986; Распределение ...., 1980; Столбовой, 1997), содержащие информацию о площадях засоленных почв в почвенном покрове земельного фонда и на
9 сельскохозяйственных угодьях, существенно различаются и поэтому требуют уточнения. В целом по России площадь почв составляет, по данным Столбового и Шеремета (Столбовой, 1997), 1670335.079 тыс. га, а согласно работе (Почвенный ..., 2001) — 1639874,1 тыс. га, в том числе площадь почв равнин — 1075144.6 тыс. га. Именно к равнинам, как правило, приурочены засоленные почвы. Площади засоленных почв, рассчитанные в работе (Панкова, Новикова, 2005), составляют 43377.6 тыс. га, или 2.6% от площади почвенного фонда страны (Столбовой, 1997), и 53997.0 тыс. га, или 3.3% от площади почв России и 5.0% от площади почв равнин (Почвенный ..., 2001). Вторую цифру авторы считают более точными.
Солонцовые почвы в Поволжье, куда относится и Республика Башкортостан, на пашне занимают 3,2 млн. га, на сенокосах 2,7 млн. га, на пастбищах 2,5 млн. га (Хабиров и др., 2001). В Республике Башкортостан солонцеватые почвы (лугово-черноземные, черноземно-луговые, солонцы-солончаки) занимают около 50 тыс. га. Чистых солонцов практически нет, они сливаются, как правило, с солончаками (Мукатанов и др., 1996). В Зауралье преимущественно распространенно хлоридно-сульфатное засоление. Оно связано с древними соленосными породами (Панкова, 2005).
Приуроченность солонцов и их комплексов к различным почвенным зонам и различным геоморфологическим районам, при разным гидрологических режимах, определяет большое их разнообразие, как по морфологическому строению, так и по физико-химическим свойствам. Это вызывает необходимость отдельного изучения каждого массива, с солонцовыми комплексами, и диктуется необходимостью строго дифференцированного применения методов повышения продуктивности и повышения плодородия почв естественных кормовых угодий, методов мелиоративного воздействия на солонцы и их сельскохозяйственное использования (Харисов, Мукатанов, 1993).
Генезис засоленных почв мыслится или как остаточное явление, унаследованное от состава материнских пород, или как вторичное засоление,
10 обязанное своим происхождением так называемому «выпотному» режиму влажности (Бульчук, 1973).
Генезис и эволюция почв засоленного ряда (Ковда, 1937; 1939; 1946; 1947; Гедройц, 1955) сводится к следующему: солончаки развивались под солончаковой растительностью - солянками — по долинам рек в условиях близко по долинам рек в условиях близко подходящих к поверхности почвы (1-Зм) минерализованных грунтовых вод. В депрессиях рельефа уровень грунтовых вод поднимается почти к поверхности, в этом случае формируются болото - солончаковые почвы. Образование солончаковатых почв в большинстве случаев обязано вторичному засолению в связи с усиливающейся ксерофитизацией местности. Первую стадию начинающегося процесса, когда уровень грунтовых вод понизился еще незначительно, представляет солонец-солончак. Дальнейший ход процесса приводит к образованию солонца коркового.
Образованию солонца не всегда предшествует солончаковая стадия. В ряде случаев солонцы могут формироваться за счёт поступающих в почву тем или иным путём растворов солей, содержащих натрий; в этом случае происходит немедленная обменная реакция растворов солей с поглощающим комплексом, то есть растворы солей не накапливаются в свободном виде.
Рассоление солончака не во всех случаях ведёт к образованию солонцов. Это относится, в первую очередь, к сульфатному типу засолению, при котором в качестве сернокислой соли присутствует гипс. Гипс препятствует проявлению солонцовых процессов. Эти почвообразовательные процессы характерны и для Башкирского Зауралья (Мукатанов, Харисов, 1996).
В условиях Зауралья солонцы и солончаки трудно выделить индивидуально (Мукатанов, 1999). Солончако-солонцы - почвы переходные между солончаками и солонцами. Развиваются в условиях резкой смены процессов засоления и выщелачивания. В зависимости от колебаний климатических условий, определяющих и гидротермический режим почв, то
усиливаются солонцовые процессы, то восстанавливается стадия солончакового процесса. В этом смысле солонцы-солончаки в Зауралье сохранились до наших дней от прошлых геологических эпох
При естественном рассолонцевании солонцов, находящихся в западинах, образуются солоди. Эти почвы хорошо промыты от солей, имеют чаще нейтральную реакцию и незначительное количество поглощенного натрия.
Присущие указанным типам почв засоленного ряда нашли отражение в морфологическом строение их почвенных профилей.
Большое значение для морфологическом и эколого-генетическом свойств солонцов приобретает характер почвообразующих пород третичные пестроцветные засоленные глины, четвертичные желто-бурые карбонатные глины и суглинки, элювио-делювий изверженных массивно-кристаллических и древне-осадочых пород, древние и современные аллювиальные засоленные отложения. Так, солонцы степные на древних кора выветривания резко отличаются по своей морфологии от солонцов, сформированных на четвертичных желто-бурых отложениях (Клементьев, 2000). В процессе развития профиль солонца разделяется на отчетливо-выраженные гумусово-элювиальный (надсолонцовый) горизонт А, солонцовый горизонт В, подсолонцовый горизонт Вса, который переходит в почвообразующую породу С.
Гумусово-элювиальный горизонт бывает комковатый, пластинчатой структуры, а то и бесструктурный, пористый, обедненной илистой фракцией. Цвет этого горизонта различный: бурый, буровато-серый, темно-серый. Солонцовый горизонт плотный, имеет столбчатую, глыбистую или призмовидно-ореховатую структуру, часто иллювально- гумусовый.
Профиль солонцов слабодифференцированный: выделяются гумусовый, более темный горизонт А и серовато-буроватый оклеенный, комковато-глыбистый горизонт В. Соли на поверхности образуют корку. Для них характерно высокое содержание воднорастворимых солей в
12 поверхностном слое. Источниками солей может быть соленосная порода или грунтовые воды.
Наиболее характерные свойства солончаков обусловлены составом солей. Хлоридно-сульфатный типы засоления являются преобладающими на территории Зауралья (Бульчук, 1973; Мукатанов, Харисов, 1996). Содовое засоление практически отсутствует. В большинстве случаев щелочность обусловлена бикарбонатами. Большая концентрация солей в солончаках отрицательно сказывается на их водном питательном режимах, так резко снижается содержание доступных для растений влаги. Большая концентрация солей приводит к гибели и отравлению растений. Порог токсичности возрастает от сульфатного к содовому типу засолению (Панов, 1969; Строганов, 1973).
Наиболее характерные свойства солонцов обусловлены в первую очередь содержанием катиона натрия в почвенно-поглощающем комплексе. Исследования обращают внимание на узкое отношение поглощенных кальция и магния, близкое к единице. А.Н. Соколовский (1938), В.А. Ковда (1963), A.M. Можейко (1965) склонны считать, что солонцы с преобладанием в составе обменных катионов магния являются реликтовыми. Источником обменного магния по предположению Б.В. Андреева является распад магниевых минералов, а обменный натрий появляется при выветривании (распаде) минералов под действием солевых растворов, то есть обменный натрий является не причиной, а следствием солонцового процесса. Для зауральских солонцов обращает внимание высокое для этих почв содержание поглощенного водорода (Бульчук, 1973).
Солонцы отличаются плохими водно-физическими и физико-механическими свойствами. В сухом состоянии они плотного сложения, а во влажном сильно набухают, вязкие, липкие. Водопроницаемость низкая, количество влаги, не доступной растениям, высокое.
Характер распространения почв засоленного ряда на территории Зауралья подчинен определенной географической закономерности. С
усилением с севера на юг и юго-восток засушливости климата, возрастанием
засоленности почвообразующих пород наблюдается, наблюдается
увеличение площади солонцов среди зональных почв: черноземов
обыкновенных и южных, сульфатный тип засоления сменяется сульфатно-
хлоридным, в иллювиальных горизонтах повышается содержание обменного
натрия. Поэтому для рационального использования и повышения их
плодородия необходимо знать особенности современных
почвообразовательных процессов, что достигается исследованием свойств каждого горизонта почвенного профиля.
1.2. Пути повышения плодородия засоленных и осолонцованых почв
Все мелиоративные приемы должны быть направлены на создание условий для вытеснения натрия и насыщения коллоидного комплекса почвы кальцием, на создание благоприятных водно-физических свойств, удаление из корнеобитаемого слоя избыточного количества воднорастворимых солей, создание благоприятного пищевого режима (Рекомендации ..., 1976).
Методы мелиорации солонцов и солонцеватых почв можно разделить на химическое и агробиологические. Наибольшее применение в качестве химического мелиоранта получил гипс и фосфогипс. Гипсование наиболее перспективное для мелиорации солонцов с содовым типом засоления (Гаврилов, 1996). При этом доза гипса Ют/га и более. Малые нормы гипса перспективны на солонцах с нейтральным засолением. Фосфогипс отличается высоким содержанием сернокислого кальция и наличием фосфора. Однако примесь в нём фтора и стронция может привести к загрязнению этими элементами почв и местных источников водоснабжения (Коннблюш, Цюрюпа, 1979).
Радикальным приемом рассолонцевания почв является химическая мелиорация, то есть внесение в почву кальцийсодержащих или кислотных веществ, с целью нейтрализации свободной соды и замены поглощенного натрия ионами кальция.
14 К веществам, применяемым при химической мелиорации относятся:
- растворимые соли кальция хлористый кальций — СаСЬ и гипс -
CaS04*2H20;
- слаборастворимые соединения кальция - известь — СаСОз;
- кислотные вещества - серная кислота - H2SO4, сера - S, сульфат
железа — FeSC) (Дрегне, Волобуев, Пенман, 1967а);
Проведенные исследования (Соколовский, 1956; Ayers Alvin, 1962;
Рыжова и др., 1975; Гайнутдинов и др., 1982; Gheyi et al., 1988; Gupta, Singh,
1988; Гилязов, Рязанов, 89; Рябенко, 1989; Яковлева, 1989; Miyamoto,
Enriquez, 1990; Ratcharapre a et al., 1990; Петров, 1990; Окорков, 1991; 1992;
1995; Ling et al, 1995; Гилязов, 1999) показывают, что внесение гипса
обеспечивает заметное улучшение агрофизических свойств засоленных и
солонцовых почв: снижается глыбистость, увеличивается количество
агрономически ценных водопрочных агрегатов, повышается
водопроницаемость. В результате улучшения физических свойств почвы происходит снижение общего содержания легкорастворимых солей. Под воздействием гипсования в профиле засоленной почвы или солонца в результате обменной реакции заметно снижается содержание обменного натрия и происходит уменьшение щелочности почв. В результате гипсования в поглощающем комплексе каштановой силыюсолонцеватой почвы количество поглощенного натрия в слое 0-10 см с 6% (от суммы поглощенных оснований) снизилось до 3%, в слое 20-30 см - с 8,3% до 5%. Количество кальция с 60% возросло до 70%. Физические свойства также изменились в сторону улучшения, увеличилась водопроницаемость на 80% (Семенова-Забродина, Неред, 1960).
J.S. Kan war, V.K. Chawla, (1963) проводили инкубационные опыты на почве, требующей гипсования. Внесение гипса резко улучшило физико-химеческие свойства почв, понижая рН и электропроводность. Доза гипса (7,5т/га) понижала содержание в почве обменных Na+ + К* почти на 90 %. С.С. Хамраев и др. (1993) установили, что внесение от 10 до 50 т/га
15 фосфогипса в верхние слои (0-30 см) солонцовых такырно-луговых почв способствовало обогащению почвенного поглощающего комплекса ионами кальция, образованию водопрочных микроагрегатов, способствующих уменьшению объемной массы почвы, увеличению ее пористости, водопроницаемости.
Наряду с гипсованием засоленных и осолонцованных почв, хорошую эффективность показал более дешевый метод кислован ия (Антипов-Каратаев и др., 1967; Гайпутдинов и др., 1982; Сеидзаде, 1987; Анигбогу и др., 1989; Miyamoto, Enriquez, 1990; Орлов, 1992), так как кислота очень быстро реагирует с почвами, вызывая глубокие изменения: устраняет щелочность почв, увеличивает растворимость кальциевых солей, вытесняет обменный натрий, повышает подвижность важнейших элементов питания растений.
В условиях Зауралья, при недостаточном количестве влаги (годовые осадки от 350мм в Баймаке до 270мм в Хайбуллинском районе), внесение гипса и фосфогипса оказалось малоэффективным (Харисов, Мукатанов, 1993). В этих условиях при внесении химических мелиорантов активный реакции кальция с почвопоглощающим комплексом не происходит.
Агробиологический метод мелиорации является наиболее эффективным приемом мелиорации солонцов. Основные фитомелиоранты, факторы, повышающие эффективность фитомелиорации подробно освещены С. И. Янтуриным и др. (1994), Харисовым и Мукатановым (1993, 1998).
Лучшая культура, как по урожайности, так и по способности улучшать свойства солонцов - донник (Тютюльников, 1982; Константинов, 1987; Юрченко, 1987; Егоров и др., 1989). В опытах А.Х. Мукатанова, М.К. Харисова и СИ. Янтурина (1996) наиболее высокие урожаи трав обеспечили пырей сизый, пырейник высоколистый и двухкомпонентная смесь из них. Включения донника желтого как компонента в посевах способствовало повышению сбора сена с пырейно-пырейникового травостоя на фоне удобрения с 23,9 до 28,1 ц/га. После пяти- десяти лет возделывания травосмесей можно высевать кострец, люцерну синегибридную (Гаврилов,
1986). Многолетние бобово-злаковые травосмеси оставляют в почве большое количество корневых остатков, хорошо дренируют и оструктуривают ее.
Из однолетних культур наиболее устойчивы к засолению и солон цеватости почв горчица и ячмень, подсолнечник, суданская трава (Рекомендации ..., 1976).
В комплексе мелиоративных приемов существенное значение имеет посев фитомелиорирующих культур. Фитомелиорирующее действие трав определяется их способностью создавать надземную и подземную биомассу, а также свойством растений избирательно накапливать те или иные элементы в зависимости от физиологических особенностей трав и экологических условий (Новикова, Гололобова, 1976). Роль трав в первые годы освоения солонцов, вероятно, более значительна в продуцировании углекислоты и выделении водородных ионов, способных к обмену на катионы почвы (Алешин, 1963).
В литературе имеются данные о положительных результатах использования фитомелиорантов (Ближин, 1964; Чапко, 1989; Вамбольт и др., 1989; Белкин, 1990; Юмашев, 1990; Kumar, 1990; Schofield, Bari, 1991; Gill, Abrol, 1991; Prichard, 1991; Чайко и др., 1991; Грамматикати, 1993; Кравцов, 1993; Янтурин и др., 1994;), в процессе жизнедеятельности которых и биохимической трансформации их опада изменяются химический состав и физические свойства солонцов - повышается содержание гумуса, изменяется состав поглощенных катионов в сторону уменьшения содержания натрия и магния и возрастания кальция, в результате влагонакопления происходит уменьшение водорастворимых солей.
В исследованиях Г.М. Самбура и др. (1964) показана высокая мелиоративная эффективность донника. Белый донник развивает мощную корневую систему, которая проникает через иллювиальный горизонт и способствует образованию нисходящих токов и отмывке солей. Из корневых и пожнивных остатков донника образуется большое количество перегноя.
17 Донник, мобилизуя кальций, способствует обменному вытеснению натрия, в результате чего прекращается развитие процессов засоления.
В соответствии с экологическим императивом в работах Б.М. Миркина и др. (1999) и Я.Т. Суюндукова и др. (2007) показано, что наиболее оправданными с экологической и экономической точек зрения способами восстановления почв в Зауральской степи являются долголетние посевы многолетних трав и создание агростепей.
Наряду с фитомелиорацией биологический метод предусматривает внесение как органических, так и минеральных удобрений.
Для уменьшения щелочности солонцов и повышения их плодородия C.V. Oprea et al., (1964) предлагают вносить фурфурол (агрофурол). В результате внесения фурфурола реакция почвы изменилась за очень короткое время (в течение 2 часов) от щелочной до нейтральной в зависимости от количества используемого фурфурола. Фурфурол приготовляется из шелухи семян подсолнечника, древесных опилок, стержней початков кукурузы, а также из камыша и смешивается с известковой пеной (9:1). Содержание основных веществ в фурфуроле выше, чем в конском навозе: общего азота соответственно 0,98 и 0,50% , аммонийного азота - 0,25 и 0,15% , фосфора содержится почти одинаковое количество, калия - 0,68 и 0,60% .
C.L. Dhawan et al. (1964), Г.В. Камнева, К.Е. Ковалев, СМ. Крышина (1990) предлагают в качестве удобрения и адсорбента засоленных почв использовать отработанный уголь, который запахивают в слой глубиной 15 см. В почвах с содержанием легкорастворимых солей 0,6-2,65%, рН 9,05-10,2 уже в первый год после внесения угля уменьшилось содержание солей и реакция среды приблизилась к нейтральной.
Для улучшения водно-физических свойств солонца М.И. Пертина, В.Т. До долина (1963) провели опыт с внесением навозной жижи, который показал положительный эффект ее применения для удаления натрия из почвенного поглощающего комплекса.
Роль органического вещества в процессах рассоления солонцеватых почв хорошо изучена в опытах N. Mallouhi (1983). В его опытах сравнивалось влияние компоста из городских отходов и навоза на физические и физико-химические свойства почвы. Установлено повышение прочности структуры и водоудерживающей способности, возрастание фракции гуминов в составе органического вещества (особенно при применении навоза), снижение электропроводимости почвы и содержания обменного натрия. Компост из городских отходов и навоз способствовали удалению солей из солонца атмосферными осадками. Весьма полезным, как отмечают X. Дрегне и др. (1967) является также использование соломы с других органических остатков в качестве мульчи для улучшения физических свойств и гумусного состояния засоленных почв.
В настоящее время практически единственным способом удаления излишка легкорастворимых солей из почвы является вымывание их из почвенного профиля (Gupta, 1989; Blidaru et al., 1989; Беспалов, 1990; Габдакипов, 1990; Harker, MikaJson, 1990; Айвазов и др., 1990; Sandu et al., 1990; Duarte, Dzhafarov, 1992). Следует отметить, что при этом возникает проблема предотвращения вторичного засоления или осолонцеваиия почв.
При промывке солончака в модельном опыте (Орлов, 1992) с первыми порциями выносилось 60-70% всего количества Na* и СГ, вслед за этими ионами вымывались Са~ , Mg , SO4 "" и наиболее медленно НСОз". Непрерывно изменялось в почвенном растворе промываемой почвы соотношение катионов, снижалась доля Na+ и нарастало относительное содержание Са~ . Происходило улучшение состава обменных катионов. Если в исходном солончаке обменный натрий составлял 40% от суммы обменных катионов, то после промывки его доля снизилась до 26%. Следовательно, промывание водой без предварительного гипсования способствует, в некоторой степени и рассолонцеванию естественных солончаков - солонцов.
Наиболее сильно действующим фактором, влияющим на продуктивность травосмесей и возделываемых культур и плодородия почв,
19 являются удобрения (Алмазова, 1973; Работнов, 1984, 1985; Макаренко, 1990; Прокурякова, 1990). Для почв засоленного ряда предпочтительнее внесение минеральных удобрений в невысоких дозах (Янтурин и др., 1994). Заслуживает внимания более широкое использование для мелиорации и рекультивации почв природного сырья: торфа, сапропелей, известняков, гипса, цеолитов (Батанов и др., 2006).
Важными фактором, влияющим на успешность фитомелиорации солонцов, являются обработка почвы. Мелиоративные обработки проводят с учётом особенности строения почвенного профиля. На глубоких и средних солонцах обработку начинают с дискования, с целью разрыхления верхнего надсолонцового горизонта на глубину 8-12см. На мелких солонцах целесообразно провести вспашку на 20см. С помощью глубокой вспашки разрушают солонцовый уплотненный горизонт, проводят глубокое безотвальное рыхление плоскорезами, гизилями, плугами с почвоуглубителями.
Для мелиорации засоленных почв и солонцов применяется физический метод, включающий несколько способов механической обработки: глубокую вспашку, глубокое подпочвенное рыхление, пескование и перемещение горизонтов почвенного профиля. Целью этого метода является увеличение водо- и воздухопроницаемости почв. Ряд авторов указывает на положительный эффект физического метода мелиорации. Prettenhoffer Impre (1964), Б.С. Гутина (1964) , А.А. Волхова (1964), В.Х. Яковлев (1988), В.И. Кирюшин, В.Я. Бойко (1990) показали, что в результате проведения механической обработки происходит улучшение водных, физических свойств, опреснение пахотного слоя почвы.
А.И. Цуканова (1964) в полевых опытах изучала влияние различных видов обработки на свойства солонца: 1) обычная (20-22 см); 2) трехъярусным плугом; 3) трехъярусным плугом + рыхление 2 года; 4) безотвальная + рыхление; 5) обычная + рыхление. Глубина всех обработок 45-50 см. За 6 лет проведения опыта по всем вариантам количество
20 водорастворимых солей уменьшилось на 35-40%, а поглощенного натрия - в 2-3 раза. Наиболее эффективной была трехъярусная вспашка.
А.П. Трубецкая (1964) отмечает улучшение физических свойств и водного режима солонцов при проведении безотвальной вспашки (35-40 см) с предварительным дискованием, ярусной вспашки на 35 см, плантажной вспашки с последующей перепашкой на 50 см, обычной вспашки (20-22 см), при фрезеровании на 10-12 см.
Глубокие обработки создают мелиоративный эффект за счет улучшения физических и водно-физических свойств пахотного слоя или, дополнительно к этому, происходит вовлечение в пахотных слой почвенных запасов гипса и карбонатов кальция, возбуждающих химические реакции вытеснения обменного натрия из поглощающего комплекса.
Электромелиорация как способ устранения засоленности и солонцеватости, улучшения структуры был апробирован рядом исследователей почвах разного генезиса в разных природных зонах (Вадюнина, 1979; Мзареулова, 1986; Somani, 1985). При наложении постоянного электрического тока в почве возникают и усиливаются явления электроосмоса и электролиза, увеличивается растворимость солей, усиливается и упорядочивается миграция ионов к электродам соответственно их зарядам, ускоряется процесс рассоления межэлектродного пространства. Исследования (Зайдельман, 1996) показали, что абсолютный вынос солей водой при промывки на фоне поля, наложенного постоянным электротоком, увеличивалась на 35-50% по сравнению с обычной промывкой. Д.К. Мзареулова (1986) установила, что в результате электромелиорации засоленных земель засоление снизилось с 2-3 до 1-0,8%, что составляет уменьшение на 50-70%) от исходного. При электромелиорации содово-сульфатного солонца резко уменьшались основные показатели солонцеватости: обменный натрий с 25-32 мг-экв/100г почвы до 1,5-9,4 (70-95% от исходной величины), количество общей щелочности в НСО - от 0,28-0,45 до 0,05-0,07% при полном исчезновении нормальной соды.
21 Одновременно с этим улучшалась структура за счет увеличения количества водопрочных агрегатов с 0,3 до 45-80%, резко снизилась дисперсность почвы, возросли соле- и водоотдача.
К преимуществам метода также относятся сокращение периода оздоровления этих почв и проведение их освоения в сжатые сроки, вслед за завершением работ, значительная экономия воды и т.д.
Мелиорация почв может быть ускорена сочетанием некоторых из описанных выше методов. Так, глубокая вспашка или глубокое рыхление увеличивают эффективность промывки засоленных почв. Перемещение горизонтов почвенного профиля в, сочетании с применениями больших количеств навоза и промывками ускоряет улучшение свойств солонцовых почв. (Дрегне и др., 1967а). В опытах И.П. Кружилина, А.П. Морозовой (1990) наиболее эффективным оказался комплексный метод, который включал трехъярусную вспашку на 40 см, внесение 60 т/га навоза и 9 т/га сульфата железа с поливной водой. В результате улучшились водно-физические, агрохимические свойства почв, а их продуктивность восстановилась до уровня зональных почв; уменьшилась объемная масса, увеличилась общая скважность, водопроницаемость, возросло содержание обменного кальция (с 30-45 до 60-65% от ЕКО) и снизилось количество Na' (с 40 до 10-25%).
Сочетание глубокого рыхления, промывки от легкорастворимых солей и гипсования для рассолонцевания, проводили Н.П. Токарева, З.А. Кострюкова (1991) на вторично засоленных почвах. Глубокое рыхление создает мощный рыхлый слой (60-80 см), а промывка и гипсование интенсифицируют процесс рассоления и рассолонцевания. Проведение комплексных мероприятий дало хорошие результаты. Снизился коэффициент дисперсности, уменьшилась плотность, увеличилась пористость, количество солей в метровом слое снизилось с 0,6 до 0,3%. Последующим этапом в комплексе мероприятий явился посев культур - освоителей и система органических удобрений.
На положительный эффект сочетания физического и химического методов указывает В.А. Милюткин (1990), когда верхний гумусовый слой перемещают на место солонцового, а солонцовый извлекают на поверхность, тщательно измельчают и перемешивают с химическим мелиорантом при одновременном рыхлении подсолонцового слоя. Обработанная таким образом почва выдерживается без специальных мелиоративных обработок в течение одного календарного года, при этом извлеченный на поверхность солонцовый слой, тщательно измельченный и перемешанный с мелиорантом, находится под интенсивным воздействием атмосферных осадков, солнечного излучения, перепада температур, что способствует ускоренному протеканию химических реакций и рассолению солонцового слоя. Продукты обменных реакций просачиваются через разрыхленную почву в карбонатный -подсолонцовый горизонт и там окончательно нейтрализуются, теряя свою токсичность.
Для понимания процессов, происходящих в засоленных и осолонцованных почвах степной зоны Зауралья, и методов повышении плодородии этих почв необходимо проанализировать работы, направленные на исследовании таких почв в других регионах (Северного Прикаспия).
В исследовании почв солонцового комплекса Прикаспия крайне важны работы, проводимые на Джаныбекском стационаре института лесоведения РАН во главе таких известных ученых как Большаков А.Ф., Ковда В.А., Роде А.А., Сукачев В.Н., Боровский В.М. и др.
Еще в 1934-1938гг А.Ф. Большаков, В.А. Ковда и В.М. Боровский исследовали почвы солонцового комплекса Прикаспия, в результате чего был предложен принцип самомелиорации солончаковых солонцов этого региона за счёт вовлечения природного гипса подсолонцового горизонта (с глубины 30-50см) в пахотный слой мощностью 50см с помощью плантажной вспашки (Сапанов, 2005). Рассолонцевание солонцов и отмывка легкорастворимых солей (рассоление почв) происходит в богарных условиях за счёт дополнительного увлажнения в результате снегонакопления, в частности
23 лесными полосами. Этот метод мелиорации делает возможным создание искусственных лесных насаждений разного назначения, повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (Большаков, 1983; Вомперский, 2000).
На стационаре имеются объекты разного срока мелиорации при различной конструкции лесных полос. Один из них — двухкилометровый отрезок Государственной защитной лесной полосы (ГЗЛП) Чапаевск -Владимировка, созданной в 1950-1951 гг. (срок мелиорации почв на данный момент - более 50 лет). Полоса состоит из четырех лент шириной 60м, находящихся на расстоянии 300м друг от друга. Ленты состоят из четырех кулис, которые с момента создания до реконструкции в 1958г. были трех-, пяти- и семирядными, а затем — одно-, двух- и четырехрядными. Ширина межкулисных пространств при этом осталась практически неизменной (от 6 до 19м), а насаждения - плотными. На этом объекте с момента его создания проводился мониторинг свойств, режимов и плодородия солонцов - главных объектов мелиорации. Первая комплексная оценка антропогенных изменений солонцов была предпринята коллективом авторов по инициативе Большакова (Большаков, 1966). Она положила начало дальнейшему мониторингу солонцового комплекса, в том числе и лугово-каштановых почв, которые, не нуждаясь в мелиорации, подвергаются вспашке и влиянию древесных насаждений.
Коренные изменения претерпевают прежде всего главные объекты мелиорации — солончаковые солонцы. Процесс их мелиорации начинается с разрушения при вспашке солонцового горизонта и вовлечения в пахотный слой рыхлого подсолонцового горизонта, содержащего мелиорант - гипс. В пахотном слое (0-50см) мелиорируемых солонцов создается благоприятная для развития корней растений плотность сложения: 1.2 г/см , вместо 1.4-1.5 г/см в солонцовом горизонте. Происходит улучшение водопроницаемости солонцов (Базыкина, 1974, 1978). Время впитывания нормы в 100мм воды с 6ч Юмин на целине в результате распашки и мелиорации уменьшается
24 сначала до 1ч 50мин, а впоследствии - до 1ч при средней скорости впитывания соответственно 0.3, 0.8 и 1.33 мм/мин. По этим показателям по мере мелиорации солонцы постепенно приближаются к лучшим почвам комплексам - лугово-каштановым. При этом ликвидируется одна из причин перераспределения воды, особенно талой, по микрорельефу и почвам -неоднородность ее впитывания, что способствует изменению водного режима солонцов и улучшению их влагообеспеченности. В условиях дополнительного снегонакопления глубина осенне-весеннего промачивания солонцов уже на 2-3 году существования насаждений ГЗЛП увеличилась до 200-250см.
В результате изменения водного режима солонцов происходит изменение их солевого режима (Максимкж, 1974, 1989) и формирование в профиле солонцов элювиально- и иллювиального солевых горизонтов (ЭСГ и ИСГ). Под лентами ГЗЛП к двадцать второму году мелиорации из ЭСГ солонцов мощностью 3-4м было вынесено около 2/3 первоначального запаса солей, причем ион СГ был выщелочен почти полностью. Из всей почвенно-грунтовой толщи была вынесена почти половина общего запаса солей, причем они были сброшены в грунтовые воды, минерализация которых, постепенно возрастая, по данным Максимюк (Максимкж, 1989), увеличилась более чем в 3 раза, содержание С1~ и Na+- в 4.5 раза, S042" - в 3 раза
Поскольку наряду с легкорастворимыми солями из ЭСГ выщелачиваются и ионы Mg~ , Са~ , SO4 ", происходит изменение гипсовых образований, уменьшение разнообразия их форм, существенно понижается глубина их залегания, почвы становятся глубокогипсовыми (Сиземская, 1986, 1989). Одновременно происходит переупаковка почвенных частиц и вследствие этого - значительное уплотнение подсолонцового горизонта (слоя 50-100см), в котором плотность сложения увеличивается с 1.1 до 1.4 г/см". Процесс уплотнения этого слоя сопровождается образованием трещин.
Следствием рассоления солонцов является увеличение доступности их влаги для растений, что в полупустынном регионе имеет первостепенное
25 значение. Диапазон содержания активной, то есть доступной растениям влаги (ДАВ) увеличивается в корнеобитаемом 2-метровой толще солонцов в среднем с 86 до 143мм в начальной стадии мелиорации и до 290мм впоследствии. В результате эта толща значительно иссушается в течение вегетационного периода.
На первых же этапах мелиорации благодаря вовлечению гипса в пахотный слой солонцов и дополнительному увлажнению при снегонакоплении начинается прогрессивно идущее рассолонцевание солонцов
Под насаждениями, обеспечивающими большое накопление снега и поступление влаги при снеготаянии, обменные реакции идут интенсивнее и в более мощной толще, чем в межполосных пространствах. Так, под ГЗЛП в 1959г., то есть через 9 лет мелиорации, по осредненным данным Максимюк (Максимюк, 1966, 1974), в полуметровой толще солонца процентное содержание иона натрия от емкости катионного обмена (ЕКО) было равно 2-4% вместо 45-50% на целине и в свежевспаханной почве. Романенков (Романенков, 1989) отмечает, что в процессе мелиорации замещается в основном ион натрия, а содержание иона магния уменьшается в меньшой степени. Емкость катионного обмена солонцов в процессе их мелиорации меняется мало. Но становится более однообразной по профилю.
Изучение органического вещества (ОВ) солонцов показало, что в результате плантажной вспашки происходит перераспределение ОВ в пределах пахотного слоя, при котором обедняется гумусом слой 0-20см (Апах) и обогащается слой 20-50см (Апах). В процессе мелиорации и сельскохозяйственного использования почв появляется тенденция к увеличению содержания и запасов гумуса, особенно в пахотном слое, хотя изменение количественных показателей не очень значительно. Это может показаться странным, если учесть увеличение корневой массы и поступления растительных остатков при смене естественных полупустынных ценозов культурными. Однако это можно объяснить тем, что увеличивается и расход
26 OB сельскохозяйственными культурами при их выращивании без применения удобрений. При этом нужно отметить изменение качественного состава пахотного слоя: усиливается его гуматность — в результате изменения качества поступающих в солонцы растительных остатков и улучшения гидротермических условий их гумификации (Базыкина, 1993)
Применение метода растительной диагностики позволило выявить тенденцию к улучшению обеспеченности сельскохозяйственных культур азотом, уменьшению дефицита фосфора и калия за счёт улучшения сбалансированности питания растений в процессе агролесомелиорации (Базыкина, 1999)
Таким образом, в процессе агролесомелиорации в богарных условиях с той или иной скоростью происходит трансформация солончаковых солонцов в специфические агрогенные почвы, не имеющие аналогов в целинных условиях полупустыни ни по морфологическому строению, ни по солевому профилю, ни по физико-химическому и водно-физическим свойствам и плодородию.
Эти почвы характеризуются присущим только им набором генетических горизонтов. Пахотный слой 0-40см (изначально — 0-50см), созданный при плантажной вспашке из надсолонцового, солонцового и части подсолонцового горизонтов, на последних стадиях мелиорации представляет собой однородную массу, в которой практически не обнаруживается фрагментов исходных горизонтов.
Нижележащий (бывший первый подсолонцовый) горизонт, лишившись солей, утратил характерную для целинных солончаковых солонцов розовую окраску и пескообразность. В результате переупаковки почвенных частиц он, как уже указывалось, значительно уплотнился. В нем появились трещины усыхания. Характерно более четкое оформление карбонатов и значительное изменение гипсовых новообразований во всём профиле. В нижней части почвенного профиля, в горизонте гипсового засоления, начиная с глубины 120-150см, сохраняются признаки слабого оглеения.
Сиземская предлагает назвать эти вновь сформировавшиеся почвы элювиально-солевыми агроземами (Сиземская, 1989, 1991). По новейшей классификации почв России (Классификации почв России, 1997) эти почвы в начальной стадии мелиорации могут быть отнесены к типу агроземов солонцовых светлых, подтипу гипсозасоленных, криптоглеевых. По мере полной переработки включений солонцового горизонта в пахотном слое (0-50см) в процессе дальнейшей мелиорации солонцы переходят в тип агроземов аккумулятивно-карбонатных гипсозасоленных, криптоглееватых. По сравнению с целинными солонцами эти почвы обладают более высоким естественным плодородием, в результате чено повышается плодородие всего почвенного комплекса в целом. В среднезасушливые годы (6 лет из 10) урожайность зерновых на мелиорированном солонцовом комплексе в межполосных пространствах была в 1.5-3 раза выше (в среднем, 12ц/га), чем на обычных, «открытых» полях (Базыкина, 1996, 2005).
Самой оптимальной считается безотвальная вспашка (Константинов, 1989; Егоров, 1972; Яковлев, 1985; Ерёмченко и др, 1989; Антонова и др., 1990). В тоже время слабое рыхление солонцового горизонта при обработке плоскорезом ведет к быстрому восстановлению плотности солонца (Барыкин, 1982). В условиях Башкирского Зауралья эффективным оказалось использование комбинированного почвообрабатывающего орудия ОКП-3 М.А. Давлетшина и М.С. Авальбаева. Улучшение агрофизических свойств почв при комбинированной ярусной безотвальной основной обработке способствовало повышению урожайности многолетних трав по сравнению с отвальной с 14 до 21 ц/га или на 50% (Харисов, Мукатанов, 1993; 1998).
Таким образом, периодически повторяющиеся засухи, большие площади засоленных и солонцованных почв в Башкирском Зауралье полностью не обеспечивают получение планируемых урожаев, продуктивность солонцовых угодий остается крайне низкой.
Улучшение свойств солонцовых земель упирается в первую очередь на большое их разнообразие, что обуславливает неоднородность почвенного
28 покрова и его схожую структуру. Солонцы, как правило, сочетаются с солончаковыми, лугово-черноземными солонцевато-солончаковатыми почвами и черноземами солонцеватыми. В зависимости от колебания климатических условий солонцовые процессы то усиливаются, то восстанавливаются до стадии солончакового процесса. Такая динамика почвенных процессов усиливаются в связи с неоднородностью состава почвообразующих пород. Поэтому технология окультуривания и использования солонцовых земель зависит от ослабленностей каждого конкретного массива.
Генезис и характер распространения засоленных почв в степной зоне Зауралье Республики Башкортостан
На протяжении всей истории развития почвоведения засоленные почвы являлись одним из главных объектов исследования во многих странах мира. Это объясняется, во-первых, широким распространением засоленных почв в разных регионах Земли; во-вторых, тем, что засоление — одно из главных генетических свойств и мелиоративных особенностей почв аридных и семиаридных областей, а также свойство, лимитирующее их плодородие. И, наконец, в-третьих, засоленность — один из основных признаков неблагополучного экологического состояния земель.
К почвам засоленного ряда относятся солонцы, солончаки и солоди. Засоленные почвы распространены на всех континентах, они встречаются в 100 странах мира и практически во всех природных зонах, но господствуют в зонах степей, полупустынь и пустынь. При этом в различных регионах засоленные почвы существенно различаются по свойствам, генезису, а следовательно, и по методам мелиорации, что вызывает различия в их освоении, рациональном использовании и борьбе с засолением (Засоленные ...,2006).
К засоленным относятся такие почвы, которые содержат в своем составе легкорастворимые соли (бикарбонаты и карбонаты натрия, сульфаты натрия и магния, хлориды кальция, магния и натрия, нитраты кальция, магния и натрия) в токсичных для растений количествах. В зависимости от содержания токсичных солей и типа засоления почвы разделяют по степени засоления на незасоленные, слабозасоленные, среднезасолениые, сильнозасоленные и очень сильно засоленные (солончаки). По глубине залегания верхней границы солевого горизонта засоленные почвы разделяются на солончаковые - соли в слое 0-30 см, солончаковатые — 30-80 см, глубокосолончаковатые - 80-150 и глубокозасоленные — глубже 150 см. Солонцы - это почвы, содержащие в поглощенном состоянии повышенное количество обменного натрия в иллювиальном горизонте (более 15 % от емкости катионного обмена) или обменного магния (более 40%) при меньшем, чем 15%-ом содержании обменного натрия. Они обладают следующими диагностическими показателями: дифференцированный профиль по элювиально-иллювиальному типу; щелочная реакция среды иллювиального и нижележащих горизонтов; наличие водорастворимых солей в средней или нижней части профиля; столбчатая, призматическая или глыбистая структура иллювиального горизонта и повышенная его плотность.
Среди черноземов, каштановых и бурых пустынно-степных почв, характеризующихся переходными свойствами от зональных к солонцам, солонцеватые почвы выделяют па уровне родов, которые содержат от 3 до 15% обменного натрия, имеют щелочную реакцию, повышенную плотность в почвенном профиле, в разной степени — проявления элювиально-иллювиальную дифференциацию (Ганжара, 2001).
Современные представления о генезисе солонцов представлены в работах В.А. Ковды (1937; 1946; 1947), В.Р.Вильямса (1947), И.Н. Антипова-Каратаева (1953), К.К. Гедройца (1955), Н.И. Базилевич (1965) и других ученых. Солонцы образуются в результате солонцового процесса почвообразования, сущность которого заключается в пептизации коллоидов, увеличении дисперсности минеральной массы и растворимости органического вещества под действием обменного натрия и соды, в вымывании пептизированных коллоидов из верхних горизонтов и их коагуляции в иллювиальном горизонте. Источником натрия и соды являются водорастворимые соли натрия, которые накапливаются в условиях засушливого климата в бессточных территориях.
Дискуссионным остается вопрос о происхождении малонатриевых солонцов. Существуют теории образования солонцов путем рассоления солончаков под воздействием слабоминерализованных растворов, содержащих соду; при биогенном накоплении соды; накоплении обменного
натрия под действием гальмаролиза (распад минералов под действием солевых растворов) и др.
В формировании надсолонцового осолоделого горизонта определенную роль играет процесс осолодения - разрушения пептизированных минералов тонких фракций и выноса продуктов разрушения вниз по профилю, а также элювиалыю-глеевый процесс.
Солоди - это гидроморфные и полугидроморфные почвы, сформировавшиеся в условиях промывного или интенсивного периодически промывного водного режима, с резко дифференцированным профилем по элювиально-иллювиальному типу. Они формируются в понижениях под гидрофильными растительными сообществами в лесостепной, сухостепной и полупустынной зонах.
Генезис солодей. К.К. Гедройц (1955) показал, что солоди образуются из солонцов путем замещения в ППК обменного натрия на водород, что приводит к гидролитическому расщеплению почвенного поглощающего комплекса. Полуторные оксиды выносятся, а остаточный кремнезем накапливается в осолоделом горизонте. Н.И.Базилевич в образовании солодей большую роль отводила воздействию на почвенно-поглощающий комплекс (ППК) слабоминерализованных грунтовых вод и внедрению натрия в ППК с последующей заменой на водород. Наличие в ППК ионов Н+ позволяет предполагать проявление оподзоливания в верхней части профиля солодей.
В настоящее время в опубликованной литературе нет точных данных о площадях распространения засоленных почв России и ее регионов (Панкова, 2005). Сведения, приведенные в земельных кадастрах и других источниках (Базилевич, 1973; Государственный ..., 1987; Казанцев, 1998; Качественная 1996; Почвенная ..., 1988; Почвенный ..., 2001; Природно-сельскохозяйственная ..., 1975; Природно-экономические ..., 1986; Распределение ...., 1980; Столбовой, 1997), содержащие информацию о площадях засоленных почв в почвенном покрове земельного фонда и на сельскохозяйственных угодьях, существенно различаются и поэтому требуют уточнения. В целом по России площадь почв составляет, по данным Столбового и Шеремета (Столбовой, 1997), 1670335.079 тыс. га, а согласно работе (Почвенный ..., 2001) — 1639874,1 тыс. га, в том числе площадь почв равнин — 1075144.6 тыс. га. Именно к равнинам, как правило, приурочены засоленные почвы. Площади засоленных почв, рассчитанные в работе (Панкова, Новикова, 2005), составляют 43377.6 тыс. га, или 2.6% от площади почвенного фонда страны (Столбовой, 1997), и 53997.0 тыс. га, или 3.3% от площади почв России и 5.0% от площади почв равнин (Почвенный ..., 2001). Вторую цифру авторы считают более точными.
Почвообразующие породы
Свойства почвообразующих пород Зауральской степной зоны РБ во многом определяются свойствами подстилающих генетических пород. Преобладающими породами коренной основы являются лавовые покровы, чередующиеся со слоями туфов и туфобрекчий, известняками с прослоями известняковых конгломератов, известняковистых песчаников, прослоями и линзами кремней, доломитизированных известняков, доломитов. В южной части региона преобладают пески, глины, мергели, мел, опоки и галечники, осадочного происхождения. Подстилающие породы перекрыты небольшим чехлом сравнительно молодых образований четвертичного возраста. В четвертичной системе преимущественно выделяются элювиально-делювиальные и делювиальные, реже аллювиальные, озерно-аллювиальиые и болотные отложения.
Эллювиально-делювиальные отложения распространены повсеместно. В пределах хр. Ирендык-Крыкты и его высоких восточных предгорий они развиты прерывисто в виде шлейфов преимущественно по склонам гор, где представлены глинами или суглинками с обильными включениями обломочного материала. Нередко это чисто щебнистые образования с мощностью до 5-10 м, а в межхребтовых понижениях местами до 30-50м. В крайних восточных и южных частях региона элювио-делювий залегает почти сплошным чехлом (до 10-30м, местами в понижениях до 50м) и в его составе преобладают также песчанистые глины и суглинки, но с рассеянной дресвой, щебнем, реже с глыбами.
На выровненных плато водоразделов и их пологих, слабопокатых и гофрированных склонах распространены делювиальные отложения, характеризующиеся тяжелым механическим составом. По содержанию карбонатов они подразделяются на карбонатные и бескарбонатные.
Для степного Зауралья Башкортостана характерна неоднородность и сложность почвенного покрова, которая обусловлена разнообразием геологических отложений и состава почвообразующих пород. Вся предгорная полоса сложена вулканическими породами: порфиритами, андезитами, диабазами, туфами, туфобрекчиями. Вулканогенные породы встречаются и в южном Хайбуллинском районе. Морские трансгрессии и отступление юрского, затем третичного морей оставили в наследство засоленность грунтов. Преобладающая часть Зауралья сложена породами девонской системы. На них местами накладываются четвертичные отложения. На юго-восточной окраине Учалинского района развиты магматические породы кислого состава. Отложения каменноугольной системы тянутся вдоль восточной окраины равнинных степей. На ряде участков они перекрыты отложениями третичной и четвертичной систем.
Разнообразие геологических отложений обусловливает богатство почвообразующих пород элементами питания растений, особенно макроэлементами. Высокое содержание легкорастворимых солей от третичных глин в условиях засушливого климата способствует образованию солонцовых почв. Возникновению солонцовых процессов способствует также высокое содержание полевых шпатов в составе вулканогенных и метаморфических пород, выветривание которых приводит к обогащению среды натрием (Богомолов, 1954).
Наиболее отчетливо влияние почвообразующих пород на свойства почв, обнаруживается в условиях более сухого климата. На карбонатных делювиальных и элювио-делювиальных отложениях сформировались черноземы обыкновенные, которые севернее и ближе к предгорной полосе сменяются черноземами выщелоченными (Хазиев и др., 1995; Мукатанов, Харисов, 1996).
Доминирующим фоном почвенного покрова являются черноземы. В связи со сложностью условий почвообразования почвенный фон Зауралья характеризуется большим разнообразием типов и разновидностей. Структура почвенного покрова отличается большой пестротой. В полосе расчлененных предгорий преобладают маломощные грубоскелетные почвы и черноземы, преимущественно выщелоченные. В южной части Зауральской равнины распространены относительно малогумусные черноземы обыкновенные, южные и солонцеватого порядка.
По мере перехода от предгорий к равнинной (южной) части структура почвенного покрова становится более сложной. Относительно однородными почвенными контурами выделяется средняя часть Зауральской равнины, где преобладают черноземы обыкновенные полноразвитые (Хазиев и др., 1995). Д.В.Богомолов (1954) при описании почвенного покрова степного Зауралья Республики Башкортостан отмечал сравнительно менее детальную изученность его по сравнению с почвами других зон республики. Достаточно подробно они были рассмотрены в более поздних работах (Гайсин, Гарифуллин, 1957; Тайчинов, 1960; Бурангулова и др. 1973; Хазиев и др., 1985, 1995, 1997;Мукатанов, Харисов, 1996).
Особенностью зауральских черноземов является их потековидно-языковатый профиль. Эти своеобразные признаки определяются засушливостью климата и тяжелым механическим составом почв и пород. В периоды засух сильное иссушение вызывает образование глубоких трещин, которые заполняются гумусовым мелкоземом. Глубокие трещины возникают также в малоснежные суровые зимы, когда почвы глубоко промерзают. Потековидно-языковатый профиль особенно выражен в засушливой с малоснежными зимами южной части Зауралья (Хазиев и др., 1995).
Среди обыкновенных и южных черноземов широко распространены карбонатные их роды и маломощные виды. В пахотных угодьях распространена каменистость почвенного профиля.
По механическому составу 95 % площади пашни представлены почвами глинистыми и тяжелосуглинистыми, 1,7 % - среднесуглинистыми, 3,2 % - супесчаными и 0,1 % - песчаными (Тайчинов, Бульчук, 1975).
Таким образом, преобладающими в Зауралье являются черноземы, которые составляют более 96 % почвенного покрова. Наиболее распространены выщелоченный, обыкновенный и южный подтипы, представляющие зональный ряд с севера на юг региона.
Ресурсы органических агроруд и их характеристика
Важнейшим резервом увеличения объема вносимых на поля республики органических удобрений являются обширные ресурсы торфяного сырья. Торфяной фонд, по материалам «Башкиргеологии» и «Башмслиоводхоза», состоит из 753 выявленных и разведанных торфяных месторождений общей площадью 38,8 тыс. га в границах промышленной глубины залежи, с запасами торфа 160,6 млн. т.
Торфяные месторождения встречаются во всех административных районах республики, в различных климатических и орографических условиях. Вместе с тем, природные условия не благоприятствуют широкому распространению торфообразовательного процесса в регионе. В частности, высокая расчлененность рельефа препятствует развитию крупных торфяных месторождений. Из их общего числа 669 имеют площадь до 100 га, в том числе площадь 572 не превышает 50 га (табл. 2).
Составляя 50,1% от общего числа объектов, малые торфяные месторождения (менее 100 га) также обладают и значительными запасами торфа- 33,2% от общих ресурсов.
Преобладающая часть запасов (66,3%) приходится на 84 торфяных месторождения площадью свыше 100 га, причем 41,5% запасов приходится на долю месторождений площадью от 100 до 500 га. Эти месторождения сконцентрированы, в основном, на северо-западе (Краснокамский — 29,8 млн. т и Бураевский районы - 8,9 млн. т) и на востоке республики (Учалинский район - 50,9 млн. т). В этих же районах находятся и самые крупные по запасам торфа и площади (свыше 1000 га) торфяные месторождения низинного типа (табл. 3).
В республике Башкортостан встречаются торфяные месторождения всех типов торфяной залежи: верховой, переходный, смешанный и низинный. Однако первые три типа залежи представлены всего на 11 торфяных месторождениях, в то время как торфяные месторождения низинного типа распространены на территории всей республики. В таблице 4 показано распределение торфяных месторождений по типам залежи.
Торфяные месторождения низинного типа имеют общую площадь 38,8 тыс. га и запасы торфа 156,6 млн. т, что составляет 97,5% от общих запасов торфа по республике.
Залежи верхового, смешанного и переходного типов встречаются, главным образом, в виде отдельных небольших участков на более крупных торфяных месторождениях низинного типа. Суммарные запасы торфа верхового, смешанного и переходного типов составляют лишь 2,5% от общих запасов. По своим свойствам торфа сильно различаются (табл. 5).
Ценность торфа для его использования в целях повышения плодородия почв определяется, прежде всего, степенью его разложения. Степень разложения связана главным образом с интенсивностью биохимического распада тканей в верхнем слое залежи и весьма существенно зависит от возраста торфа, ботанического состава и генезиса.
Самой низкой степенью разложения обладают торфа верховых болот, они же характеризуются наиболее кислой реакцией среды, пониженной зольностью, низким содержанием фосфора и азота. Незначительность запасов торфа верховых болот и относительно низкое потенциальное плодородие определяют нецелесообразность разработки таких месторождений.
Наиболее ценным агрохимическим сырьем являются торфа месторождений низинного типа. Они характеризуются значительной степенью разложения, повышенной зольностью, слабокислой и нейтральной, а иногда и слабощелочной реакцией среды, повышенным содержанием химических элементов (табл. 5).
В оценке сельскохозяйственной пригодности торфа большое значение имеет групповой состав органического вещества, прежде всего содержание гуминовых и фульвокислот, а также величины негидролизуемого остатка, который характеризует степень гумификации органического вещества. Торф низинных болот, по данным А.Х. Мукатанова и Л.Р. Халиуллиной (1982), при средней и высокой степени разложенности имеет гуматный тип органического вещества, соотношение Сгк:Сфк изменяется в диапазоне 1,32-2,70 при величине негидролизуемого остатка от 50 до 70% от Собщ, а при его больших значениях тип гумуса как правило фульватный. Отношение C:N в первом случае близко к оптимальному (8-12), а во втором - расширяется до 15-20, т.е. насыщенность органического вещества азотом снижается (Наумов, Простякова, 1982).
Моделирование процессов деструкции грубого органического материала
Одним из важнейших мероприятий для поддержания плодородия и повышения урожайности сельскохозяйственных культур является обогащение почвы органическими веществами. Основным органическим удобрением является навоз, но его количество ограничено и не обеспечивает потребности продуктивного землепользования. В тоже время источником органического вещества могут быть растительные остатки сельскохозяйственных культур, солома и естественные возобновляемые скопления растительности и их остатков типа сплавины.
Целью настоящего раздела исследований явилась разработка биотехнологических методов, направленных на увеличение степени гумификации грубого органического материала сплавины и обогащение его недостающими элементами питания. В их основе используются методы биодополнения и оптимизации условий жизнедеятельности аборигенных микроорганизмов.
Разработка технологии получения таких удобрений реализуется в несколько этапов. Задачей первого этапа явилось выявление оптимальных условий гумификации сплавины.
Методика заложения опыта. В опыте использовались сплавина и сапропель озера Чебаркуль (Абзелиловский район РБ), содержащие 41,1 и 32,0% углерода органического вещества, соответственно. Опыт был заложен в 16 вариантах: сплавина, сапропель и их смеси использовались в качестве субстрата, в который были внесены минеральные и органические удобрения (табл. 8). Исходный субстрат в сухом измельченном виде был заложен в пластиковые сосуды емкостью 2 л. В него была добавлена дистиллированная вода до полного насыщения субстрата.
В вариантах с добавлением минеральных удобрений азот вносился в виде раствора мочевины с тем расчетом, чтобы сбалансировать соотношение C:N до оптимального (25:1). Фосфор был внесен в виде раствора однозамещенного фосфата калия, с помощью которого соотношение С:Р было доведено до 120:1 — максимального в данном опыте содержания фосфора. Навоз вносился в количестве 10 % от веса субстрата.
Опыт проводился при комнатной температуре. Влажность компостов поддерживалось регулярным добавлением воды. Анализы проводились через 1, 6, 9 и 12 месяцев.
Исходная сплавина представляла собой смесь растительных остатков, не утративших своего анатомического строения, что в соответствии с классификацией торфов по степени разложения соответствовало неразложившемуся состоянию. По истечении года компостирования (фото 2) субстрат стал темным по цвету, растительные остатки - малоразличимыми, при растирании субстрат мажется; степень его разложения можно оценить как высокую.
Трансформация органического вещества субстрата состоит из двух протекающих параллельно, но противоположно направленных процессов: минерализации и гумификации. В данном опыте оценить минерализацию можно по снижению содержания органического углерода, а гумификацию -по изменению степени гумификации органического вещества (Сгк:Собщ. в %).
В течение опыта по всем его вариантам происходило снижение содержания органического вещества, судя по которому его минерализация составила от 4 до 7 % за первый месяц компостирования. К концу года потери органического вещества достигли 10 - 14 % от его исходного содержания (табл. 9). Темпы минерализации органического вещества субстрата с течением времени резко снизились и через год были более чем в 10 раз меньше, чем в начале компостирования.
Степень гумификации органического вещества в исходном субстрате была незначительной - 6,2% в сплавине и 11,0 % в сапропеле. В течение первого месяца она увеличилась до 12-20%, а концу года в отдельных вариантах - до 37%, т.е. возросла от очень слабой и слабой до средней и высокой (табл. 10).
В первый месяц компостирования интенсивность процессов минерализации органического вещества и его гумификации была одного порядка. Исключением являлись варианты с внесением навоза, в которых гумификация проходила в два раза интенсивнее, чем в других вариантах. В дальнейшем интенсивность процесса гумификации снижалась. В целом можно констатировать, что несмотря на отсутствие возможностей для закрепления новообразованных гумусовых веществ (минерального субстрата), начиная со второго месяца компостирования субстрата гумификация превалировала над минерализацией.
Изменения, происходящие в течение опыта, оказались однонаправленными на всех вариантах. Интенсивность процессов минерализации в отдельно взятых сплавине и сапропеле была близка ко всем остальным вариантам, но скорость гумификации - замедленной. Вместе с тем, смешивание этих субстратов способствовало усилению гумификации.
