Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Природные условия Челябинской области 12
1.1. Местоположение 12
1.2. Геоморфология 13
1.3. Геологическое строение 17
1.4. Гидрогеолого-мелиоративные особенности 20
1.5 Климат 24
1.6. Почвы 29
7.6. Водные ресурсы 49
Выводы: 56
ГЛАВА 2. Объекты и методика исследований 57
2.7. Местоположение 57
2.2. Гидрогеологические условия 59
2.3. Характеристика почв опытного участка 63
2.4 Ирригационная оценка воды 76
2.5. Состав и методика исследований 77
ГЛАВА 3. Водный режим почв 83
3.1. Общее представление о водном режиме 83
3.2. Мощность биологически активного слоя почвы 89
3.3. Запасы влаги в биологически активном слое почв 702
3.4. Атмосферные осадки 115
3.5. Эвапотранспирация 130
3.6. Капиллярный приток влаги от грунтовых вод 144
3.7. Инфильтрация почвенной влаги 152
3.8. Нормы орошения 756
3.9. Водный режим почв 164
Выводы: 187
ГЛАВА 4. Температурный режим чернозема 190
4.1. Общее представление о температурном режиме 190
4.2. Температура в приземном слое атмосферы 197
4.3. Температурный режим почвы 205
4.4 Влияние температуры на рост и развитие агрофитоцено-зов 213
4.5. Зависимость между испаряемостью и атмосферными осадками 223
4.6. Районирование территории по коэффициенту увлажнения 234
Выводы: .243
ГЛАВА 5. Солевой режим ирригационно-гидроморфных почв 245
5.1. Происхождение, движение и накопление солей в почвах...245
5.2. Содержание и состав солей в исследуемых почвах 252
5.3. Поступление солей с оросительной водой 268
5.4. Поступление солей с капиллярным притоком от грунтовых вод 271
5.5. Вынос солей с инфильтрацией 281
5.6. Солевой режим ирригационно-гидроморфных почв 287
Выводы: 296
Выводы и предложения производству 297
Список использованной литературы
- Гидрогеолого-мелиоративные особенности
- Характеристика почв опытного участка
- Запасы влаги в биологически активном слое почв
- Влияние температуры на рост и развитие агрофитоцено-зов
Гидрогеолого-мелиоративные особенности
Объектом исследований явились распространенные подтипы чернозема, сформировавшиеся в лесостепной и степной природных зонах Челябинской области. Территория области включает лесостепную, степную и горно-лесную зону, в которой сельское хозяйство получило незначительное развитие. Более трех четвертей ее площади лежит в лесостепном и степном Зауралье и только около одной четверти находится в горно-лесной зоне Урала. Челябинская область простирается с севера на юг примерно на 500 км, а с запада на восток на 400 км и занимает площадь 88,5 кв. км, из которых 50,6 % составляют земли сельскохозяйственной принадлежности (124).
Область имеет вытянутую в меридиональном направлении форму, располагаясь вдоль хребтов древних Уральских гор. Горно-лесной зоной область на Западе граничит с республикой Башкортостан. На севере она граничит со Свердловской областью. Граница проходит, как в горно-лесной, так и в лесостепной зоне. На востоке область граничит лесостепной зоной с Курганской областью, а степной зоной с республикой Казахстан. На юге области граница проходит степной зоной с Оренбургской областью.
Одним из перспективных направлений в землепользовании является ландшафтно-бассейновая система земледелия, в основе которой лежит общественная потребность в продукции растениеводства, природно-ресурсный потенциал, адаптивный потенциал агрофитоце-нозов и их средообразующее влияние (216). Территория горно 13 лесной, лесостепной и восточная часть степной зоной входит в бассейн реки Оби, западная часть степной зоны входит в бассейн реки Урал.
Географическое положение Челябинской области, включающей горную лесную, лесостепную и степную зоны отражает природные зоны административных Курганской и Оренбургской областей Южного Урала. Это обстоятельство позволяет считать, что зависимости и научные разработки, полученные в Челябинской области, могут быть репрезентативны соответствующим природным зонам Курганской и Оренбургской областей.
Основоположник отечественного почвоведения В.В. Докучаев выделял рельеф, как один из важнейших факторов почвообразования. Роль рельефа проявляется при совместном взаимодействии всех факторов почвообразования в пределах одной территории (33).
Особенно актуально значение рельефа в эволюции орошаемых почв даже в пределах одной оросительной системы. На небольшом по площади водораздельном участке местности формируется автоморф-ный ряд почв, в средней части склона почвы полу гидроморфного ряда, а в депрессиях формируются почвы с повышенной степенью гид-роморфизма.
Общее направление почвообразовательного процесса орошаемого чернозема определяется составом и суммарным балансом поступления, превращения и аккумуляции минеральных, органических веществ и энергии в почвах (128). В значительной мере от рельефа зависят особенности формирования водного, температурного и солевого почвенных режимов чернозема.
На территории Челябинской области выделяются разнообразные типы и формы рельефа. Рельеф северо-западной части представлен старыми невысокими Уральскими горами. Около 70% от общей площади области находится на Зауральской возвышенной денудационной равнине. На востоке области неширокой полосой, составляющей примерно 7% от общей площади, находится Западно-Сибирская аккумулятивная низменность.
Хребты и гряды Уральских гор ориентированы в меридиональном направлении. Высота отдельных хребтов (Уреньга, Таганай, Зи-гальга) не превышает 1200 м. Территория области с горным типом рельефа составляет примерно 2036,2 тыс. га или 23% от общей площади.
Уральские горы являются естественной преградой на пути движения воздушных масс с Атлантического океана. Средняя сумма атмосферных осадков, выпадающих в Предуралье, превышает сумму атмосферных осадков в лесостепном Зауралье примерно в 1,5 раза. Горный тип рельефа оказывают существенное влияние не только на распределение атмосферных осадков, но и на атмосферный климат. Средняя арифметическая суммы эффективных температур в горной лесной зоне в 1,2 раза меньше этого показателя в лесостепной и в степной зонах.
Уральские горы имеют небольшую высоту, мягкие очертания и большую расчлененность поверхности. Абсолютные отметки высот Уральских гор не превышают 400-600 м над уровнем моря, и лишь отдельные хребты поднимаются до 1000 м и выше (42, 48, 70, 71, 214).
Характеристика почв опытного участка
Плотность твердой фазы изменяется от 2,34 г/смЗ в пахотном горизонте до 2,65-2,66 г/смЗ в генетических горизонтах В и С.
Общая пористость в пахотном горизонте хорошая (222) составляет 66-69% от объема, в горизонте АВ (37- 48 см) общая пористость постепенно уменьшается до 49%, согласно шкале Н.А. Качин-ского (222), удовлетворительная. В горизонте В общая пористость неудовлетворительная 42-45%. В горизонте С общая пористость согласно шкале Н.А. Качинского (222) чрезмерно низкая, изменяется от 36 до 38% от объема (табл.П. 1.2). В пахотном горизонте содержание агрономически ценной структуры не превышает 45%. Содержание водопрочных агрегатов составляет 30%. В генетическом горизонте АВ содержание водопрочной структуры достигает 48%. Согласно шкале агрономической оценки СИ. Долгова и П.У. Бахтина (222), структурность орошаемого чернозема выщелоченного характеризуется как неудовлетворительная, удовлетворительная. Водоудерживающая способность (WHB) в пахотном горизонте составляет25,0-32,3 % от объема, в горизонте АВ 31,0-36,7%.
Содержание гумуса в пахотном горизонте изменяется от 7,0 до 9,0%), в горизонте АВ снижается до 4,5-6,5%, в генетическом горизонте В снижается до 4,1%. Содержание легкогидролизуемого азота в пахотном горизонте очень высокое 11,0-22,0 мг на 100 г почвы. Содержание доступного калия высокое 25-57 мг на 100 г почвы, обеспеченность подвижными формами фосфора низкая 1,9-4,4 мг на 100 г почвы.
Реакция почвенного раствора нейтральная, слабощелочная рН=6,8-7,5. Почвенный поглощающий комплекс насыщен С а и Mg при незначительном содержании обменного натрия. Емкость поглощения чернозема выщелоченного составляет 46,0-57,8 мг-экв. на 100 г почвы. Содержание Са изменяется от 30 до 45 мг-экв., магния 12,0-25,0 мг-экв., натрия 0,4-0,9 мг-экв. на 100 г почвы.
Орошаемый чернозем обыкновенный обычный, малогумусный, среднемощный, тяжелосуглинистый имеет следующее строение почвенного профиля: А пах. 0-25 см. Влажноватый, темно-серой окраски, средиесуглинистый, структура комковато-зернистая, уплотненный, много корней, переход постепенный. АВ 25 - 40 см. Влажный, темно-серой окраски с буроватым оттенком, среднесуглинистый, комковатый, плотный, имеются корни, переход постепенный, вскипание карбонатов от 5% раствора HI с глубины 29 см слабое, с глубины 33 см вскипание бурное. Вк 40-104 см. Влажный, бурой окраски, с гумусовыми затеками среднесуглинистый, комковатый, плотный, карбонатный, встречаются корни растений, переход постепенный. ВС 104-150 см. Влажный, бурой окраски, среднесуглинистый встречаются крупные песчаные частички, плотный, корни отсутствуют, карбонатный, с глубины 130 см наблюдались скопления карбонатов в форме белоглазки.
С 150-190 см. Мокрая, плотная, бурой окраски почвообразующая порода. Орошаемый чернозем обыкновенный имеет неблагоприятные для роста и развития растений агрофизические свойства. В гранулометрическом составе тяжелого суглинка преобладают пылеватая и иловатая фракции, что указывает на потенциальные запасы фосфора и калия, сконцентрированных в тонкодисперсных частицах (табл. П. 1.3).
Плотность естественного сложения в пахотном горизонте изменяется от 1,05 до 1,35 г/смЗ при средней арифметической 1,24. В подпахотном горизонте плотность естественного сложения возрастает до 1,15-1,52 г/смЗ.] Согласно шкале агрономической оценки, предложенной Н.А. Качинским (222), чернозем с такой плотностью естественного сложения в пахотном горизонте характеризуется как уплотненная, сильно плотная. Плотность естественного сложения в подпахотном горизонте АВ, согласно шкале агрономической оценки (222), характеризует чернозем обыкновенный как сильно уплотненный. В генетическом горизонте В плотность естественного сложения возрастает, изменяясь от 114 до 1,49 г/смЗ, при средней арифметической 1,35 г/смЗ.
Плотность твердой фазы изменяется от 2,28 г/смЗ в пахотном горизонте, до 2,47 г/смЗ в переходном горизонте В, до 2,51 г/смЗ в горизонте С.
Общая пористость в пахотном горизонте составляет 46,6% от объема, в горизонте АВ незначительно возрастает до 51% от объема, но согласно шкале агрономической оценки Н.А. Качинского (222) остается неудовлетворительной для роста и развития сельскохозяйственных растений. В генетическом горизонте В общая пористость чрезмерно низкая, характерна для иллювиального горизонта (табл. П.1.4).
Водоудерживающая способность (WHB) в пахотном горизонте составляет 31,9% от объема, в генетическом горизонте АВ 31,8% от объема.
Содержание гумуса в Ап составляет 5,92%, в горизонте АВ 5,75%. Содержание легко гидролизуемого азота составляет 6,0-7,65 мг на 100 г почвы, содержание обменного калия 30,0-34,4 мг на 100 г почвы, содержание подвижных форм фосфора 0,5-1,5 мг на 100 г почвы. Обеспеченность орошаемого чернозема обыкновенного легко гидролизуемым азотом низкая, фосфором - очень низкая, калием -высокая (222).
Почвенный поглощающий комплекс насыщен Са и Mg при незначительном содержании обменного натрия. Емкость поглощения чернозема обыкновенного составляет 37,2-56,0 мг-экв. на 100 г почвы. Содержание Са изменяется от 26,0 до 44,0 мг-экв. на 100 г почвы, Mg 7,2-12,0 мг-экв., Na 0,4-3,6 мг-экв. на 100 г почвы. Орошаемый чернозем южный имеет следующее строение почвенного профиля: А пах. 0-26 см. Сухой, серый, рыхлый, с комковатой, мелко комковатой структурой, тяжелосуглинистый, обилие корней, переход постепенный. АВ 26 -62 см. Свежий, серой окраски, уплот ненный, структура комковатая, тяжелосуглинистый, встречаются корни, с глубины 32 см волнистое вскипание карбонатов от 5% раствора HI, переход малозаметный. В 62 - 93 см. Свежий, серой окраски, тяжелосуг линистый, структура комковато-призматическая, по граням структурных отдельностей наблюдается глянец, переход языковатый. ВС 93-137 см. Влажный, отмечаются потеки гумуса, желто-бурой окраски, тяжелосуглинистый, плотный, с глубины 127 см встречаются друзы гипса С 137-180 см. Влажный, желто-бурый окраски, тяжелосуглинистый, карбонаты вскипают бурно от 5 % раствора соляной кислоты.
Запасы влаги в биологически активном слое почв
Капуста на участке орошаемой влажно-луговой почвы находилась в угнетённом состоянии при крайне низкой урожайности биологической массы. Причиной отставания в росте и в развитии капусты, очевидно, является повышенное содержание легкорастворимых солей и неудовлетворительные условия аэрации в биологически активном слое этих почв (табл. 3.11).
Таким образом, до определённой степени усиление гидроморфизма орошаемых почв упрощает задачу оптимизации влажности в биологически активном слое. К таким почвам относятся орошаемая лугово-чернозёмная и орошаемая луговая почвы. На орошаемой влажно-луговой почве при оптимальном диапазоне увлажнения рост и развитие капусты протекает ненормально. Крайне низкая биологическая продуктивность капусты указывает на то, что почвы с такой степенью гидроморфизма не пригодны для её возделывания. Запасы влаги в биологически активном слое почвы на начало теплого периода года (WH), на начало вегетации полевых культур играют важную роль, как в продуктивности агрофитоценозов, так и в почвообразовательном процессе.
Многолетние наблюдения за влажностным режимом в почвенном профиле черноземов, в зоне аэрации ирригационно- гидроморфных почв показали, что начальные запасы влаги в биологически активном слое на дату перехода средней суточной температуры через +5С близки, равны WHB.
Датой полного оттаивания почвенного профиля является первая декада мая. Запасы влаги (WH) в биологически активном слое на дату полного оттаивания почвенного профиля под покровом многолетних трав в отдельные годы могут не соответствовать WHB.
По мнению А.А. Роде (230) бездефицитный водный режим фитоце-нозов формируются при условии если запасы влаги в почве не выходят за пределы наименьшей влагоемкости и влажности разрыва капиллярных связей.
Для оценки обеспеченности влагой агрофитоценозов в годы варьирующих ресурсов влаги выполнили статистическую обработку водно-физических свойств орошаемого чернозёма. Математическая обработка материалов почвенных изысканий с объемом выборки (п=35-40) плотности естественного сложения и водоудерживающей способности чернозема свидетельствует о достоверности показателей (табл. 3.12-3.13).
В течение теплого периода из-за недостаточного и неравномерного распределения атмосферных осадков запасы влаги в биологически активном слое снижаются до влажности устойчивого завядания (\вуз). Вероятность и периодичность снижения запасов влаги от WHB до Wey3 за тёплый период возрастает по мере движения с северо-запада на юго-восток исследуемой территории и зависит от сухости конкретного года.
Динамика запасов влаги в биологически активном слое указывает на необходимость проведения оросительной мелиорации и является показателем продуктивности агрофитоценоза.
Обработку данных наблюдений за динамикой запасов влаги в биологически активном слое выполнили по специальной методике (80) и определили интегральную вероятность обеспеченности почв ресурсами влаги
Анализ динамики запасов влаги показал, что запасы влаги в биологически активном слое чернозема выщелоченного (табл.3.14) в год 5% обеспеченности осадками в течение июня и июля могут опускаться ниже влажности разрыва капиллярных связей. В годы повышенной сухости (Р=25%; 50%; 75%; 95%) дефицит водопотребления растений в биологически активном слое чернозёма выщелоченного возрастает.
Водно-физические свойства чернозема (Числитель - средняя арифметическая; знаменатель - пределы варьирования) Для формирования бездефицитного водного режима растений необходима увлажнительная оросительная мелиорация биологически активного слоя чернозема выщелоченного.
Динамика запасов влаги в биологически активном слое чернозема обыкновенного (табл. 3.14) указывает на то, что в год 5%, 25%, 50%, 75%, 95% обеспеченности осадками дефицит водопотребления растений в сравнении с черноземом выщелоченным возрастает в большей мере. Увлажнительная мелиорация биологически активного слоя чернозема обыкновенного требуется в годы 25%, 50%, 75%, 95% обеспеченности осадками.
Динамика запасов влаги в черноземе южном (табл. 3.14) указывает на то, что в год 5% обеспеченности осадками дефицит водопотребления растений не высоким и орошение не требуется. В годы 25%о, 50%, 75%, 95% обеспеченности осадками требуется оросительная мелиорация.
Выполненный анализ динамики запасов влаги в биологически активном слое чернозема на Южном Урале указывает на то, что в годы различной обеспеченности осадками и в различных географических точках режим увлажнения почвы отличается высокой неоднородностью.
В биологически активном слое чернозема при естественном увлажнении осадками формируется устойчивый дефицит водопотребления растений.
В этих условиях, очевидно, разрешить проблему формирования высокопродуктивных агрофитоценозов и воспроизводства плодородия черноземов без регулирования водного режима оросительной мелиорацией не представляется возможным.
Влияние температуры на рост и развитие агрофитоцено-зов
Интегральная вероятность формирования водного режима чернозема выщелоченного по типу остро засушливого года составляет один раз в двадцать текущих лет. В условиях остро засушливого года продуктивность агрофитоценозов крайне низкая. Для формирования высоко продуктивных агрофитоценозов на черноземе, выщелоченном в условиях остро засушливого года требуется оросительная мелиорация.
Исследования водного режима чернозема обыкновенного проводились в год 20 % обеспеченности осадками, в степной зоне на посевах костреца безостого в условиях орошаемого земледелия.
Приходная часть водного баланса биологически активного слоя орошаемого чернозема обыкновенного обусловлена главным образом атмосферными осадками и поливными нормами. В течение мая суточная сумма атмосферных осадков не превышала 3 мм, и поэтому существенного влияния на режим увлажненности чернозема обыкновенного атмосферные осадки не оказывали. В мае при месячной сумме осадков 15,7 мм осадки выпадали в течение 12 суток. В течение четырех суток сумма осадков составила 0 мм. Ещё в трех случаях сумма осадков составила 0,7-0,8 мм. И в оставшиеся 5 суток выпадали осадки с суточной суммой 1,0-3,8 мм.
Динамика запасов влаги в корнеобитаемом слое орошаемого чернозема обыкновенного обусловлена поступлением влаги с атмосферными осадками, с орошением и её расходом на эвапотранспирацию (табл. 3.3.4 рис.3.13).
Сезонная сумма атмосферных осадков составила 176,1 мм, а оросительная норма - 170 мм. Величина фактической эвапотранспирации зависит не только от величины испаряемости, но и от запасов влаги в биологически активном слое, в корнеобитаемом слое чернозема обыкновенного. При испаряемости равной 498 мм фактическая эвапотранспирация составила 450,4 мм.
Биологический коэффициент а, представляющий собой отношение фактической эвапотранспирации к испаряемости (259), изменялся в пределе от 0,59 до 1,0. Динамика биологического коэффициента а указывает на то, что в сравнении с черноземом выщелоченным режим влажности в корнеобитаемом слое чернозема обыкновенного менее благоприятный.
Динамика эвапотранспирации по форме кривой зеркально отражает график динамики запасов влаги. Чем больше поступало влаги в корнеоби-таемый слой, тем выше была величина эвапотранспирация и наоборот. Это указывает на высокую потребность в оросительной мелиорации чернозема обыкновенного даже в год 20 % обеспеченности атмосферными осадками.
В условиях близких к средне влажному году коэффициент увлажнения чернозема обыкновенного составил 0,3 5. Он обусловил отрицательный прирост запасов влаги в корнеобитаемом слое, который составил 104,3 мм. Коэффициент увлажнения указывает на необходимость оросительной мелиорации условиях средне влажного года.
Исследовали, полученный расчетным методом, водный баланс чернозёма обыкновенного в годы варьирующей обеспеченности осадками.
Коэффициент увлажнения чернозема обыкновенного в влажный год (Р=5%) составил 0,95. Он указывает на то, что в условиях влажного года необходимости в проведении оросительной мелиорации нет (табл. 3. 35). Продуктивность агрофитоценозов в условиях влажного года не лимитируется запасами почвенной влаги.
Интегральная вероятность формирования водного режима по типу влажного года невысокая, один год из каждых двадцати текущих лет.
Коэффициент увлажнения чернозёма обыкновенного в средне влажный год (Р = 25 %)составил 0,7. В этих условиях формируется бездефицитный водный режим агрофитоценоза. Однако, из-за неравномерного распределения атмосферных осадков во времени имела место инфильтрация влаги и снижение влажности биологически активного слоя за пределы оптимума. Интегральная вероятность формирования водного режима по типу средне влажного года с КУ = 0,7 составляет 2-3 года из каждых десяти текущих лет.
Коэффициент увлажнения в средний год (Р = 50 %) составил 0,5. Атмосферные осадки вместе с запасами влаги в биологически активном слое компенсируют испаряемость только на 50 %. Потери урожая влаголюбивых овощных культур от дефицита водопотребления могут достигать 70 — 75 %. Коэффициент увлажнения чернозема обыкновенного в средне сухой год (Р = 75 %)составил 0,3. Формирование высокопродуктивных аг-рофитоценозов в условиях естественного увлажнения невозможно. В богарном земледелии возможно возделывание засуховыносливых низко продуктивных многолетних злаковых трав.
Вероятность формирования водного режима чернозема обыкновенного по типу средне сухого года составляет 2-3 года из каждых десяти текущих.. Коэффициент увлажнения в остро засушливый год (Р = 95%) составил 0,2. Атмосферные осадки совместно с продуктивными запасами влаги в биологически активном слое чернозема обыкновенного компенсируют испаряемость всего лишь на 20 %. Вероятность формирования водного баланса в биологически активном слое по типу остро засушливого года на черноземе обыкновенном составляет один раз в двадцать лет.
Отличительной особенностью водного режима ирригационно-гидроморфных почв является то, что биологически активный слой находится в постоянном контакте с капиллярной каймой грунтовых вод. Продолжительность периода времени, в течение которого капиллярная кайма грунтовых вод смыкается с биологически активным слоем ирригационно-гидроморфных почв, определяет величину испарения грунтовых вод из этого слоя.
