Воздействие комплексного приема мелиорации на изменение основных физических свойств почв Бурятии

Введение

В засушливой зоне Бурятии ресурсы поверхностных вод часто ограничены, по­этому для орошения могут быть привлечены подземные воды. Однако их широкое приме­нение нередко тормозится невысокими ирригационными качествами. Последнее харак­терно и для вод Гусиноозерского артезианского бассейна, залегающих в угленосном ком­плексе засоленных пород юрско-мелового времени. Эти воды, как правило, выходят в карьеры открытой разработки бурого угля и создают проблемы по их утилизации. Кроме того, с угледобывающей деятельностью связано накопление в виде промышленных хво­стов окисленных бурых углей, характеризующихся низкими топливными показателями, тем самым, не имеющих практического применения. Твердые отходы производства ис­пользуются в основном для засыпки выработанного пространства разрезов и шахтных провалов. Размещаемые на поверхности в породных отвалах окисленные угли не только занимают большие территории, но и служат интенсивным источником загрязнения вод­ных объектов, атмосферного воздуха и почв. В связи с этим возникла необходимость экологически безопасной утилизации побочных продуктов карьерной разработки угля, используя карьерные воды для орошения, а окисленные бурые угли как физический ме­лиорант легких каштановых почв.

Для изучения мелиоративных качеств применялись окисленные бурые угли (ОБУ) в виде двух фракций: 1) доведенные после механической активации путем тщательного измельчения до илистой фракции (<0,001 мм), т.е. ОБУ мелкого измельчения (ОБУ_м) и 2) доведенные после помола и отбора просеиванием фракций размером 1-3 мм, т.е. ОБУ грубого измельчения (ОБУ_г). Опыты проводили с применением орошения минерализо­ванной карьерной водой (МКВ). Вегетационные поливы проводили 7-8 раз нормой 400 м³/га, при этом оросительная норма составила 3000 м³/га.

 

Результаты и обсуждения

Под плотностью или плотностью сложения почвы понимают массу твердой фазы определенного объема ненарушенного сложения со всеми присущими этому объему тре­щинами, порами, пустотами, измеряемой величиной объемной массы. Этот параметр имеет немаловажное значение в регулировании водного, воздушного, теплового, пита­тельного режимов, направленности и интенсивности микробиологических процессов.

Плотность твердой фазы почвы, измеряемая удельной массой, – есть среднее зна­чение плотностей всех компонентов, слагающих твердую фазу почвы. Ее величина опре­деляется минералогическим составом почвы и содержанием в ней органического веще­ства. От упаковки почвенных частиц величина плотности твердой фазы не зависит. Кварц, полевые шпаты, большая часть глинистых минералов имеют плотность 2,6-2,7, желези­стые минералы (лимонит и др.) – 3-4; органическое вещество почвы - 1,2-1,4 г/см³.  По­этому малогумусные горизонты почв, как правило, имеют удельную массу в пределах 2,6-2,7, а гумусированные  - 2,4-2,6  г/см³.

Многочисленными исследованиями выявлены параметры оптимальной плотности почвы, для основных сельскохозяйственных культур. Для большинства культур она нахо­дится в пределах 1,1-1,3 г/см³. И.Б.Ревут [9] рекомендует не допускать переуплотнения почв выше 1,25-1,35 г/см³. Оптимальные параметры плотности для мерзлотных лугово-черноземных почвы Бурятии выявлен А.И.Куликовым и др. [5] в специальном полевом эксперименте. 

 Растения отрицательно реагируют, как на излишне рыхлое, так и на слишком плотное сложение. Наибольшую продуктивность они обеспечивают при оптимальной плотности почвы. Согласно оценочной шкале Н.А. Качинского [2], пахотный слой черно­земов с плотностью меньше 1,0 г/см³ характеризуется, как вспушенный, неблагоприятный в агрономическом отношении, т.к. не обеспечивает достаточный контакт семян с почвой, что вызывает недружные всходы и падение урожайности.

 От плотности почвы зависит степень использования осадков растениями. Так, во влажный период рыхлая почва впитывает больше воды, чем  плотная, а в условиях засухи лучше сохраняется влага при более плотном сложении.

Плотность сложения почвы зависит в первую очередь  от агрегатного состояния и от факторов, определяющих рыхление или уплотнение (механическая обработка, работа роющей фауны, динамика увлажнения и иссушения, промерзания и оттаивания и т.п.). Органогенные горизонты имеют объемную массу меньше 1,0. для гумусовых горизонтов характерна величина 1,0-1,3 г/см³. В безгумусовых составляет 1,3-1,5. Песчаные почвы имеют, как правило, плотность сложения большую, чем почвы тяжелого гранулометриче­ского состава, так как последние всегда в какой-то мере агрегированы. Оптимальные значения для большинства культур 1,1-1,2 на суглинистых и 1,2-1,3 г/см³ на песчаных.

Б.Н.Мичурин [6] на строгой математической основе в моделях из шаров показал, что дисперсные системы в термодинамических условиях земной поверхности приобре­тают минимальную свободную энергию при гексагональной упаковке и, тем самым не может быть почв и осадочных пород, имеющих объемную массу более 2,0 г/см³, а порозность менее 26 %.

При орошении происходит увеличение объемной массы в результате разрушения структурных частиц почвы [1; 4]. Это связано с качеством поливных вод и способом по­лива, прямым разрушающим влиянием струй воды, замещением поглощенного кальция на натрий, что ведет к диспергации почвенных коллоидов. Еще одной причиной может быть изменение гранулометрического состава в результате вымывания частиц илистой фрак­ции.

В процессе исследований установлено, что плотность твердой фазы на всех вариантах изменяется, но очень слабыми темпами (табл. 1). Это и понятно, т.к. плотность твердой фазы – наиболее консервативный признак. Имеющиеся различия в пределах 0,1-2,1 % происходят в результате, как было сказано выше, перераспределения илистых час­тиц при орошении. Внесение органического мелиоранта вызывает некоторое понижение величины плотности твердой фазы, т.к. при этом происходит частичное замещение орга­номинерального компонента почвы более легким материалом. Что касается плотности почвы, то орошение вызывает ее заметное повышение. Относительно контроля плотность пахотного слоя на орошаемой площадке увеличивается на 2-5 %.

Таблица 1

Влияние окисленных бурых углей и  минерализованных вод на физические свойства каштановых почв

Примечание: П_п – плотность почвы, П_тф – плотность твердой фазы, Пор_общ - пористость общая

 

Сравнивая плотность сложения почвы на площадках орошения и с внесением углей с площадкой, где проводилось только орошение, можно заметить, что комплексная ме­лиорация, особенно высокими дозами угольного материала, вызывает небольшое рыхле­ние почв, обусловленное улучшением структурно-агрегатных характеристик. Мелиора­тивно вызванное разрыхление приводит к понижению плотности наиболее показательного для этого слоя 0-10 см на 1-5% при применении малых доз мелкоизмельченного угля и 5-8% - при мелиорации более высокими дозами.

Внесение физического мелиоранта орошение явных признаков слитизации не вы­зывает. Аномально высокие величины уплотненности (например, 1,45-1,50 г/см³) объяс­няются, возможно, физико-химическими изменениями в почвах, например, гидрофилли­зацией коллоидов, образованием высокодисперсных почвенных полимеров, цементацией микроагрегатов, происходящих при орошении [3; 10].

От величины плотности сложения почвы и плотности ее твердой фазы зависит об­щая пористость. Значениями общей пористости определяется влагоемкость, фильтраци­онные свойства, водоподъемная способность, аэрация почв.

Н.А. Качинский [2] предложил выделять следующие диапазоны общей пористости почвы (в долях единицы объема): 1) Отличная (культурный пахотный слой) 0,65-0,55; 2) Удовлетворительная для пахотного слоя – 0,55-0,50; 3) Неудовлетворительная для пахот­ного слоя <0,50; 4) Чрезмерно низкая – 0,40-0,25.

Исследованные почвы находятся в диапазоне неудовлетворительной общей порис­тости. При орошении без дополнительной физической мелиорации свойства почв по об­щей пористости дальше ухудшаются вследствие роста плотности. Внесение физического мелиоранта грубого помола несколько нейтрализует уплотнение почвы при орошении. Дальнейшее снижение пористости при внесении мелиоранта мелкого помола связано с тем, что частицы <0,001 мм легче перемещаются в нижележащие слои при орошении, чем мелиорант размерностью 1-3 мм.

Большую информативность, в ряду других, имеют данные по пористости аэрации при влагонасыщении, равном наименьшей влагоемкости. Критические значения пористо­сти аэрации наступают при величинах <15 % от объема почвы [8].  

Каштановые почвы Гусиноозерской котловины обладают вполне благоприятными условиями аэрации. На долю пор, занятых воздухом, в верхних 0-10 и 10-20-см слоях  приходится от 19 до 30 % от объема почвы, что позволяет считать изученные почвы как относящиеся к почвам с высокой и очень высокой пористостью аэрации [7] (табл. 2). Как оказалось, орошение минерализованной водой не приводит к какому-либо кардинальному ухудшению аэрации, несмотря на рост плотности, который, как предполагалось выше, может иметь слитизирующее следствие. Некоторое уменьшение пористости аэрации после орошения происходит всего на 3-5% от объема почвы.

 

 

 

Таблица 2

Наименьшая влагоемкость и пористость аэрации мелиорируемой почвы (среднее за 2 года)

 

При мелиорации почв углями на фоне полива карьерной водой имеется тенденция к снижению пористости аэрации. Однако во всех случаях на мелиорированных площадках она остается выше критического предела (15% от объема). Эти изменения являются след­ствием благоприятной перестройки структуры порового пространства. Как будет показано ниже, физический мелиорант приводит к росту более качественной капиллярно активной пористости. Поэтому понятно, что при общем снижении общей пористости как реакции почвенно-физической системы на рост плотности, происходит уменьшение доли воздухо­носных пор и пор фильтрации влаги, а это дополнительно усиливается встречным повы­шением доли капиллярных пор как реакции системы на внесение физического мелио­ранта.

Следовательно, при физической мелиорации начинают действовать два встречных процесса, описываемые в мультипликативной форме функциями: П_А = f (П_О) – чем больше общая пористость (П_О), тем больше пористость аэрации (П_А), и П_А = - f (П_К) – чем больше капиллярная пористость (П_К),  тем меньше пористость аэрации (П_А). Действи­тельно, связь (1, 2) между общей пористостью и пористостью аэрации при НВ описыва­ется положительным коэффициентом парной корреляции, а связь (2, 3) пористости аэра­ции с наименьшей влагоемкостью имеет отрицательный знак (табл. 3).

Повышение дозы мелиоранта вызывает соответствующее возрастание пор аэрации. Так, в слое 0-10 см доля пор аэрации почв на вариантах внесения угля грубого помола увеличивается примерно на 3%, достигая 26%. При рассмотрении по годам, на второй год пористость аэрации возрастает.

 

 

Таблица 3

Корреляции между признаками

Коэффициент	F-критерий	Степени свободы	Вероятность R=0.0
1. Парные корреляции
R(1 2) = 0,1922*	0,8436	1,  22	0,3683
R(1 3) = 0,8995**	93,208	1,  22	0,0000
R(2 3) = -0,5123*	7,8293	1,  22	0,0105

** - значение достоверно на уровне 1%

*  - значение достоверно на уровне 5%

 

Заключение

Недостаточная общая пористость и повышенная пористость аэрации каштановых почв обусловлены, в первом случае, уплотненностью почвы, а во втором - относительно небольшой величи­ной наименьшей влагоемкости, хотя последняя и возрастает под влиянием мелиоративных воздействий. С большой аэрацией почв связано непродуктивное расходова­ние влаги в теплый период. Интенсивный воздухообмен в крупнопористой системе хо­рошо аэрированных почв влечет за собой конвективно-диффузионную потерю продуктив­ной влаги.

 

Литература

1.                  Зборищук Н.Г., Стома Г.В., Тимофеев. Б.В. Изменение некоторых физиче­ских свойств при орошении // Проблемы ирригации почв Юга Черноземной зоны. Изд-во АН СССР, 1980. – С.79–90.

2.                  Качинский Н.А. Физика почв. Ч. I. – М.: Высшая школа, 1965. – 323 с.

3.                  Ковда В.А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана. – М.: Наука, 1981. – 181 с.

4.                  Крейда Н.А., Лядова Н.И. Влияние орошения на физические свойства юж­ных черноземов Одесской области // Почвоведение, 1983. – №10. С. 102–106.

5.                  Куликов А.И., Панфилов В.П., Дугаров В.И. Физические свойства и режимы лугово-черноземных мерзлотных почв Бурятии. – Новосибирск: Наука, 1986. – 137 с.

6.                  Мичурин Б.Н. Энергетика почвенной влаги.– Л.; Гидрометеоиздат, 1975. – 140 с.

7.                  Почвенно-физические условия мелиорации в Западной Сибири // под ред. Пан­филова В.П. – Новосибирск: Изд-во «Наука», 1977. – 88 с.

8.                  Рассел Э. Почвенные условия и рост растений. – М., ИЛ, 1955. – 623 с.

9.                  Ревут И.Б. Физика почв.  – М.: Колос, 1972. – 366 с.

10.              Розанов Б.Г. Морфология почв: Учебник для высшей школы. – М.: Академиче­ский Проспект, 2004. – 432 с.