Введение к работе
Актуальность. Мелиорация почв является важнейшим фактором оптимизации агроландшафтов и интенсификации сельскохозяйственного производства. Очень часто достижения в области генетики и селекции сельскохозяйственных культур, агрохимии, растениеводства и других наук не могут быть осуществлены на практике, пока не устранены причины, лимитирующие почвенное плодородие. Мелиорация почв позволяет оптимизировать условия для роста и развития сельскохозяйственных культур, в результате чего полностью реализуется их биологический потенциал. Не случайно всего 17 % мелиорированных земель суши земного шара дают около 50 % всей продукции растениеводства (Б.А. Зимовец и др., 1993).
Одним из наиболее важных и эффективных мелиоративных приемов является орошение, позволяющее оперативно устранять дефицит влаги и обеспечивать благоприятные условия для произрастания сельскохозяйственных культур. В целом ряде регионов вследствие дефицита атмосферных осадков невозможно создание высокопродуктивных устойчивых агроландшафтов без развития орошаемого земледелия. Эффективность ирригации доказана и в районах с относительно высокой обеспеченностью осадками.
Традиционно исследование причинно-следственных связей процессов изменения почв при орошении осуществлялось путем анализа очень сложной функциональной зависимости между производственными параметрами орошаемого земледелия (оросительные нормы, качество поливной воды и т.д.) и показателями, характеризующими изменение свойств почв за определенный период орошаемого землепользования. Такой подход позволил выявить многие ошибки, допущенные при орошении, обусловливающие развитие деградационных процессов. Однако выявление их физико-химической и биологической сущности, как и процессов, способствующих увеличению производительного потенциала орошаемых почв, обоснование направленного регулирования процессами агрогенного изменения почв при орошении требует изучения зависимости между факторами воздействия на почву в условиях орошаемого земледелия и изменением важнейших элементарных почвенных процессов (ЭПП).
Цель работы. Изучение влияния основных агрогенных факторов орошаемого земледелия на интенсивность элементарных почвенных процессов, обусловливающих изменение свойств и режимов почв засушливых регионов при орошении пресными и минерализованными водами.
Задачи работы:
1. Выявить влияние условий орошения на ЭПП, ведущие к изменению химических и физико-химических свойств черноземов и каштановых почв.
2. Выявить влияние условий орошения на процессы, определяющие изменение твердой фазы черноземов и каштановых почв.
3. Установить влияние орошения на режим ЭПП, определяющих состояние органической части орошаемых почв.
4. Разработать группировку и оценить интенсивность элементарных почвенных процессов проявляющихся в орошаемых почвах засушливых регионов.
Защищаемые положения.
Орошение оказывает разностороннее и неоднозначное влияние на почву. На эффективно функционирующих оросительных системах, при соблюдении севооборотов, всего комплекса агротехнических и мелиоративных мероприятий почвообразовательный процесс не меняет своей направленности даже при использовании для орошения слабоминерализованных вод нейтрального типа. Основные элементарные почвообразовательные процессы, сформировавшие современный почвенный покров степной и сухостепной зон, не только сохраняются в условиях орошения, но и протекают с большей интенсивностью.
В результате изменения водного и гидротермического режимов увеличиваются масштабы поступления растительных остатков, изменяется характер их локализации, интенсифицируются процессы минерализации и гумификации. Благодаря более частому промачиванию почвы усиливаются процессы выщелачивания и рассоления. Создаются предпосылки для проявления лессиважа, чему способствует переорганизация твердой фазы орошаемых почв обусловленная процессами оглинивания и дезинтеграции.
В условиях высокой культуры земледелия общий положительный эффект от орошения черноземов достигается при использовании пресной воды гидрокарбонатно-кальциевого типа и обязательном наличии в севооборотах не менее 40% многолетних трав. При орошении темно-каштановых почв слабоминерализованной водой нейтрального типа доля многолетних трав в севооборотах должна составлять не менее 25% при обязательном, раз в 3-5 лет, гипсовании и промывках.
При низкой культуре земледелия наряду с развитием негативных процессов (дегумификация, ухудшение качественного состава гумуса, обесструктуривание и др.) возможна трансформация черноземов и каштановых почв в луговые, различной степени засоленные и солонцеватые почвы, вплоть до образования полугидроморфных и гидроморфных солончаков и солонцов. Наиболее активно деградационные процессы протекают при использовании для орошения минерализованных вод щелочного типа. Негативные изменения в свойствах орошаемых почв происходят и в условиях высокой культуры земледелия. Это проявляется в увеличении подвижности гуминовых кислот и неблагоприятной трансформации почвенной структуры.
Научная новизна. Комплексные исследования на различных уровнях структурной организации позволили выявить особенности трансформации органической и минеральной части почв при орошении пресной и минерализованными водами. Показано, что интенсификация в орошаемых почвах процессов дезинтеграции, оглинивания и разрушения почвенной структуры сопровождается частичной переорганизацией твердой фазы с увеличением количества тонкодисперсных частиц и аморфных соединений. В условиях высокой культуры земледелия возрастает содержание гумуса, в том числе и гуматов кальция, при низкой культуре земледелия наряду со снижением содержания гумуса и увеличением доли ФК в его составе увеличивается растворимость органических соединений и происходит разрушение глиногумусовых комплексов. Установлено, что система показателей гумусового состояния оказалась малоинформативной при оценке изменений органической части почв под влиянием орошения и не выявляет различий между орошаемыми почвами даже при отчетливом развитии негативных явлений.
Впервые комплексом физико-химических методов изучено влияние орошения на состав и свойства гуминовых кислот (ГК) обыкновенных черноземов и темно-каштановых почв. Установлено, что при высокой культуре земледелия ГК устойчивы к длительному воздействию орошения. В таких условиях активизируется обновление их молекул менее термоустойчивыми циклическими структурами, что, однако не отражается на соотношении ядерных и периферических частей. В тоже время под влиянием орошения возрастает дисперсность ГК и уменьшается их средневзвешенная молекулярная масса. Монокультура в условиях орошения вызывает негативные изменения ГК, что проявляется в обеднении их азотсодержащими группировками, разрушении циклических структур ядерной части и увеличении доли алифатических компонентов в составе молекул.
Впервые изучены состав и свойства фракций ГК различающихся прочностью связи с минеральной частью почвы. Установлено, что ГК связанные с кальцием (ГК-II) сформированы в основном циклическими структурами, относительно свободные ГК (ГК-I) и прочно связанные с глинистыми минералами (ГК-III) состоят преимущественно из алифатических компонентов. В условиях орошения при высокой культуре земледелия и наличии в севооборотах многолетних трав изменения ГК-I в основном связаны с их окислением, ГК-II и ГК-III активно обновляются слабоокисленными и обогащенными азотом новообразованными компонентами. Под влиянием монокультуры развивается биологическая деградация всех фракций ГК, в результате которой теряются лабильные и азотсодержащие компоненты и происходит окисление их молекул, в том числе и разрушение циклических структур ядерной части гуматов кальция.
Предложена группировка элементарных почвенных процессов, определяющих функционирование орошаемых почв при различных системах земледелия. Обосновано выделение элементарных почвенных процессов, инициированных орошением.
Теоретическое и научно-прикладное значение работы. Полученные результаты дают возможность прогнозировать направленность и интенсивность трансформации органической и минеральной части черноземов и темно-каштановых почв под влиянием орошения пресной и минерализованными водами при разных уровнях культуры земледелия и обосновывать мероприятия по предотвращению негативного влияния орошения на плодородие орошаемых почв. Результаты исследований использовались при выполнении грантов ФЦП «Интеграция» Б0023/1046 «Экологическая и агрономическая оценка почв», Э0226/943 «Интеграция науки и высшего образования России», 2.1.А-0096 «Биоресурсы и экология», РФФИ № 08-04-13621-офи-ц «Агроэкологическая оценка и оптимизация органического вещества почв зонального ряда в системах адаптивно-ландшафтного земледелия», контракта с МСХ РФ № 291-30-48а «Разработать агроэкологические критерии состояния органического вещества в почвах агроландшафтов». Разработана шкала градаций лабильных гумусовых веществ в пахотных почвах, предложены методики ускоренного определения общего содержания лабильных гумусовых веществ и получения препаратов гуминовых кислот в соответствии с характером закрепления их минеральными компонентами почвы.
Материалы диссертации были использованы при написании учебника «Общее почвоведение» (2006), методических пособий «Интерпретация данных водной вытяжки из засоленных почв» (2002), «Методы определения содержания и состава гумуса почвы» (2006), используются при чтении лекций по почвоведению в Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийских, региональных и вузовских конференциях (1985-2008), на Международных конференциях (Астрахань, 1994; Москва, 1997; Ставрополь, 2001; Владимир, 2004), на Всесоюзных съездах общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), на II съезде общества почвоведов РАН (Санкт-Петербург, 1996), на III и V съездах Докучаевского общества почвоведов РАН (Суздаль, 2000; Ростов-на-Дону, 2008).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 43 научные работы, в том числе 18 работ в рекомендованных ВАКом изданиях, монография «Почвенные процессы в орошаемых черноземах и каштановых почвах и пути предотвращения их деградации» (2001).
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 286 страницах машинописного текста и состоит из введения, 9 глав и выводов, включает 59 таблиц, 14 рисунков, список литературы из 616 наименований и приложение.
Автор глубоко признателен своему учителю, Заслуженному деятелю науки РФ, академику РАСХН, профессору Н.П. Панову, академику РАСХН В.И. Кирюшину, профессорам А.Д. Фокину, В.А. Черникову, всему коллективу кафедры почвоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева за ценные советы и поддержку. Автор искренне благодарен Свиридову А.К., Мухиной С.В., Черенкову В.В., Сюняеву Н.К. (НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева), Андрусенко И.И., Сафоновой Е.П., Коваленко А.М. (Украинский НИИОЗ), Кончицу В.А. (ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова) за помощь в выполнении работы.
