Влияние орошения на миграцию карбонатов в профиле лесостепных черноземов

В работе рассматривается влияние орошения на карбонатный профиль черноземов. Показано изменение строения карбонатного профиля у типичных и выщелоченных черноземов в условиях орошения и богары. Отмечается изменение уровня залегания карбонатов и особенностей их распределения по профилю.

Ключевые слова: карбонатный профиль, черноземы, уровень залегания карбонатов, глубина вскипания, орошение, богара, полив

Наряду с природным изменением условий увлажнения в зональном ряду черноземов, мощным фактором, влияющим на гидротермический режим почв является хозяйственная деятельность человека, и, в первую очередь, орошение. Оно оказывает существенное воздействие на основные  почвенные процессы и режимы. Большое влияние орошение оказывает  на карбонатный профиль черноземов.

Как показывают исследования, уровень залегания карбонатов не является стабильной величиной. Для черноземов характерна сезонная миграция  в определенных пределах верхней границы распространения карбонатов. В литературе имеются данные и о миграции Са в глубокие горизонты под действием поливных вод [1, 2].

И.Н. Антипов-Каратаев и В.И.Филиппова [3], изучавшие орошаемые обыкновенные черноземы Кировоградской области, указывают на возможность передвижения карбонатов в условиях орошения и их выноса из верхнего слоя почвы. Они отмечают заметное снижение содержания карбонатов в гумусовом профиле орошаемого чернозема и практически неизменное их количество в карбонатном горизонте.

Для изучения вопроса влияния орошения на состояние углекислых солей был проведен анализ содержания С0₂ карбонатов в профиле черноземов типичных и выщелоченных в течение вегетационного периода. Исследуемый типичный чернозем имеет следующее строение карбонатного профиля. В верхней пахотной толще содержание СаС0₃ колеблется в пределах 0,19 - 0,21 % (табл. 1). В подпахотном горизонте его количество также невелико и не превышает в среднем 0,70%.

Вскипание от 10% НС1 отмечается в средней части гумусового Профиля на глубине 50 - 60 см, где содержание карбоната Са составляет 1,13%. Основной формой выделения карбонатных новообразований здесь является мицелий. С глубины 100 см ( в переходном горизонте) оно достигает 7%. В почвообразующей породе его количество  еще более увеличивается, достигая своего максимума ( 9% ) на глубине  120 - 130 см. Эта глубина, очевидно, и соответствует максимуму скопления карбонатов в исследуемом типичном черноземе. Ниже количество СаС0₃ несколько снижается и на глубине 150 см  составляет 8,45 - 8, 80%. В переходном горизонте ВС и породе карбонаты содержатся в форме мицелия, известковых трубочек и журавчиков.

Результаты исследований динамики углесолей показали, что содержание СО₂. карбонатов в почвах в течение вегетационного периода было неодинаковым и изменялось в существенных пределах. Как видно из табл. 1 максимальное содержание карбонатов на неорошаемом участке было отмечено в первый срок наблюдений (29.05). В верхней пахотной толще (0 - 30 см) их количество составляло 0,38%.

Содержание СО₂ карбонатов резко увеличивается с глубины 50-60 см, достигая в почвообразующей породе 12,7%.

Таблица 1

Содержание СО₂ карбонатов в профиле чернозема типичного

неорошаемого, %

В этот период наблюдений в почве отмечается высокое содержание СаСО₃. Максимальное содержание карбонатов в весенний период можно объяснить рядом причин и прежде всего тем, что в это время наблюдается наиболее активная вегетация многолетних трав, а, следовательно, и развитие их корневой системы. Мощная корневая система подтягивает растворы карбонатов к поверхности. Этому способствовало и иссушение почвы в результате отсутствия осадков.

Почвы орошаемого участка в этот период характеризовались также максимальным содержанием карбонатов по всему профилю. В верхней тридцатисантиметровой толще их количество было примерно одинаковым, что и на богаре (0,34 - 0,39%). В отличие от неорошаемого участка, на орошаемом содержание карбонатов в нижележащей толще было значительно ниже и резкое увеличение их наблюдалось не с глубины 50 - 60 см, а со 100 см, что свидетельствует о выносе СаСОз вниз по профилю. В целом, профиль орошаемого чернозема характеризуется более равномерным распределением карбонатов. Максимальное содержание их в профиле наблюдается на глубине 160 см и составляет 13,30% (табл. 2).

К следующему периоду наблюдений (15.06.) содержание карбонатов по всему профилю чернозема типичного неорошаемого резко снизилось. В верхних слоях пахотной толщи они практически отсутствовали. Вниз по профилю количество карбонатов постепенно увеличивалось, достигая максимума на глубине 100 - 110 см (6,28%).

Таблица 2

Содержание СО₂ карбонатов в профиле чернозема

типичного орошаемого, %

Такое перераспределение СаСО₃, по-видимому, можно объяснить сильным переувлажнением почвы, вызванным осадками. При этом может иметь место схема передвижения СаСО₃, предложенная Е.А.Афанасьевой [4]: почвенные растворы, двигаясь вниз, встречают все более высокие концентрации СО₂ в почвенном воздухе и растворяют добавочные количества СаСО₃, перенося его до глубины, где парциальное давление углекислого газа резко уменьшается.

В почвах орошаемого участка на общем фоне снижения количества карбонатов по сравнению с предыдущим отбором отмечается более высокое содержание их в верхней тридцатисантиметровой толще по отношению к неорошаемому участку, что, очевидно, вызвано привносом Са с поливными водами.

В следующий срок отбора (26.06.) содержание карбонатов в неорошаемом типичном черноземе в слое 0 - 30 см увеличилось почти в 3 - 4 раза и составило 0,28 - 0,29%. Вниз по профилю количество СаСО₃ резко возрастало, а пороговое значение концентрации углесолей ( 4,06% ) в этот период было на 40 см выше по сравнению с предыдущим отбором. Последнее объясняется, по-видимому, также перемещением вверх двууглекислого кальция при подсушивании почвы.

На орошаемом участке содержание карбонатов увеличилось тоже, но в меньшей степени. В слое 0 - 50 см оно не превышало 0,28%. Определенной закономерности в распределении карбонатов в этом слое не наблюдается, но максимальное количество СаСО₃ содержится в верхних 10 см. Это, очевидно, обусловлено повышенной карбонатностью поливных вод.

В первой декаде июля (16.07.) количество карбонатов в профиле неорошаемого чернозема несколько снизилось. Это, вероятно, было вызвано покосом трав на участке. Наибольшее количество наблюдалось на глубине 120 см составляло 10,26%.

В орошаемом черноземе содержание углесолей несколько превышало их количество в неорошаемом черноземе в слое 0 - 30 см, что свидетельствует о накоплении СаСОз в верхней части профиля данных почв. Наибольшее количество карбонатов  отмечалось на глубине 140 см и составило 13,22%.

В следующий срок наблюдений (18.07.) содержание карбонатов в профиле неорошаемого чернозема практически не изменилось, в то время как на орошаемом участке наблюдалось некоторое снижение содержания карбонатов по всему почвенному профилю, что, очевидно, вызвано проводимыми в данную декаду поливами.

На орошаемых черноземах не прослеживается определенной зависимости в миграции максимума скопления карбонатов, что, по всей видимости, определяется сроками полива и поливными нормами.

К третьей декаде июля (27.07.) содержание СаСОз снизилось по всему профилю неорошаемого чернозема. Особенно заметно это снижение с глубины 50 см. Это, видимо, вызвано перемещением карбонатов вниз по профилю вследствие обильного увлажнения почв, вызванного прошедшими дождями. Максимум скопления карбонатов также понизился до 150 см. Содержание в нем углекислого кальция составило 8,05%.

В орошаемом черноземе снижение содержания СаСО₃, в целом по профилю менее заметно, но более явно выражено в верхнем слое 0 - 50 см.

В последний срок наблюдений (07.08.) в пахотной толще черноземов неорошаемого участка отмечаются минимальные содержания карбонатов. Это, вероятно, обусловлено высокой температурой воздуха, что в сочетании с осадками способствовало интенсивному перемещению карбонатов вниз по профилю и накоплению их на глубине 130 - 150 см, где их содержание составило 8,27 – 9,13%, что почти на 1,5% превышает таковое на той же глубине в предыдущий срок измерений. Понижение уровня карбонатов, вероятно, также обусловлено ослаблением вегетации трав [5].

В орошаемом черноземе также наблюдается некоторое снижение содержания карбонатов в верхних слоях, а с глубины 1 м происходит их накопление, что, очевидно, обусловлено тем же рядом причин.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что в условиях орошения в типичных черноземах заметны некоторые изменения карбонатного профиля. В большинстве случаев в орошаемых и неорошаемых черноземах в верхнем слое содержание СаСОз незначительно и примерно одинаково, а в толще 50 - 100 см отмечаются снижения количества карбонатов кальция в орошаемом черноземе относительно богары. Можно предположить, что такая картина профильного перераспределения карбонатов в условиях орошения является следствием миграции карбонатов под действием поливных вод. В то же время в некоторые сроки отбора распределение карбонатов по всему профилю орошаемой почвы идентично контролю. Отмечается даже незначительное повышение количества углесолей в верхнем (0 - 30 см) слое. Последнее может быть обусловлено поступлением карбоната Са с поливными водами.

Таким образом, содержание карбонатов в профиле типичных черноземов неодинаково и существенно изменяется в течение вегетационного периода. Наибольшее содержание СаСО₃ наблюдается в весенний период, к осени появляется общая тенденция снижения углесолей в почвах [6].

Вегетационная динамика карбонатов отмечается не только в верхних горизонтах черноземов, но и по всему почвенному профилю, включая почвообразующую породу.

Орошение оказывает значительное влияние на количество и характер распределения карбонатов в почвенном профиле. Однозначно можно констатировать, что в условиях орошения происходит более сильное и глубокое выщелачивание почвенного профиля, чем на богаре.

Одновременно с изучением профильной миграции карбонатов проводились наблюдения и за сезонной динамикой верхней границы карбонатного профиля в условиях орошения и на богаре. Анализ данных, представленных в таблицах 1 и 2 показывает, что верхняя граница выделения карбонатов в неорошаемых почвах не является стабильной в течение вегетационного периода. Если линию вскипания от 10 % НСl условно выделить по количеству С0₂ карбонатов более 1 %, то отмечается понижение этой линии от весеннего периода к: осеннему. При этом амплитуда колебаний находится в интервале 10 - 20 см.

При орошении, как уже отмечалось, линия вскипания значительно снижается и амплитуда изменения уровня залегания карбонатного горизонта в орошаемом  типичном черноземе достигает 40 - 50 см. Но в нем также прослеживается определенная сезонная динамика карбонатного горизонта. Линия вскипания постепенно понижается от весны к концу лета и несколько повышается к осени.

Как и для богары, для орошаемого участка максимальное содержание карбонатов наблюдается весной, минимальное - осенью.

Таким образом, наблюдения за карбонатным режимом типичного чернозема орошаемого и неорошаемого показали некоторое понижение линии вскипания в условиях орошения вследствие значительного выщелачивания карбонатов и увеличение амплитуды линии вскипания в орошаемых черноземах при сохранении закономерности этой линии от весны к осени [7].

Карбонатный профиль выщелоченного чернозема в верхней части практически не отличается от карбонатного профиля чернозема типичного. Содержание СаСОз в пахотном слое составляет около 0,18%, в подпахотном оно практически такое же и не превышает 0_,20%.

Отличия в строении профиля между подтипами отмечаются с глубины 50 см. Вскипание в выщелоченном черноземе отмечается на глубине 80 - 90 см, то есть за пределами гумусового профиля. Основной формой выделения карбонатных новообразований является псевдомицелий. Содержание карбонатов на, глубине вскипания составляет 1,60%. Резкое увеличение содержания СаСОз начинается с глубины 1 м ( 5,65% ) и достигает максимума в почвообразующей породе, составляя 11,27 - 11,43% ( табл. 3 ).

Таблица 3

Содержание СО₂ карбонатов в профиле чернозема выщелоченного неорошаемого, %

Вышеизложенное показывает, что выщелоченные черноземы характеризуются значительным опусканием линии вскипания от 10 % HCl, более низким содержанием карбонатов по всему профилю по сравнению с черноземами типичными вследствие их выщелачивания и значительным накоплением СаСОз в почвообразующей породе.

Динамические исследования показали, что в первый срок наблюдений (08.06.1992) в неорошаемом черноземе отмечалось относительно высокое содержание карбонатов кальция (табл. 3). В пахотном слое оно составило около 0,29 %. В отличие от типичного чернозема, в выщелоченном резкое возрастание содержания карбонатов отмечается на глубине 80 - 100 см, достигая максимума на глубине 130 см (13,71%).

На орошаемом участке содержание карбонатов в верхних слоях несколько превышало их содержание на богаре. Вниз по профилю содержание карбонатов плавно возрастало. Скачок в содержании наблюдался на глубине 100 - 110 см, а максимальное количество СаСОз отмечалось на глубине 150 см и составило 10,06 % (табл. 4).

К следующему сроку отбора (18.06.) содержание карбонатов кальция в профиле неорошаемого чернозема практически не изменилось, в отличие от типичного чернозема, где произошло резкое снижение содержания углесолей по всему профилю.

В почвах орошаемого участка, напротив, отмечалось общее снижение содержания карбонатов по всему профилю, что, очевидно, вызвано миграцией углесолей вниз по профилю.

В ходе последующих измерений (29.06.) на неорошаемом участке отмечалось увеличение содержания карбонатов в верхнем пахотном слое до 0,26 % и их вынос из нижележащей полуметровой толщи.

Это обусловлено, по всей видимости, повышенной концентрацией СО₂ почвенного воздуха вследствие высоких температур и сосредоточением основной массы корней растений на этой глубине. Этот фактор в сочетании с увлажнением почв осадками способствует обеднению профиля карбонатами кальция. В отличие от типичного чернозема содержание углесолей в почвообразующей породе в выщелоченном черноземе в этот срок наблюдения было значительно выше, а максимум скопления карбонатов располагался на глубине 150 см (на 30 см ниже) и составлял 13,23%.

На орошаемом участке подобный вынос карбонатов отсутствовал. В пахотном слое, напротив, отмечалось накопление СаСО₃. Его содержание здесь возросло до 0,65%,что значительно превышало его содержание как в неорошаемом выщелоченном, так и типичном черноземе в этот срок отбора.

Таблица 4

Содержание СО₂ карбонатов в профиле чернозема выщелоченного орошаемого, %

Максимум залегания карбонатов также повысился до глубины 130-140 см и количество СаСО₃ в нем составило 10,46%.

  В первой декаде июля (09.07.) произошло снижение содержания СаСО₃ по всему профилю чернозема неорошаемого.

Подобное понижение содержания углесолей по всему профилю отмечалось и на орошаемом участке. Содержание карбоната кальция уменьшилось почти в два раза. Это, по всей видимости, вызвано ослаблением вегетации растений и, соответственно, подтягивания их к поверхности почвы.

 К следующему отбору (28.07.) содержание карбонатов в профиле неорошаемого чернозема несколько повысилось и в пахотном слое примерно равнялось содержанию СаСО₃ в типичном черноземе. В средней части профиля содержание углесолей возросло почти в два раза, а максимум скопления карбонатов также поднялся до 120 см и составил 13,05 %, что, вероятно, обусловлено подтягиванием карбонатов.

На орошаемом участке содержание карбонатов осталось неизменным. Это, вероятно, вызвано практически полным прекращением вегетации растений.

В последний срок наблюдений (04.08.) в выщелоченном неорошаемом черноземе, как и в типичном отмечаются минимальные значения содержания СаСО₃. Это, вероятно, вызвано прекращением вегетации сельскохозяйственной культуры, а также обильным увлажнением почвы, что способствовало выносу карбонатов.

Что касается сезонной динамики верхней границы карбонатного горизонта в почвах исследуемых участков, то она прослеживается, хотя и отлична от динамики типичных черноземов. В выщелоченных черноземах отмечается некоторое понижение линии вскипания от весны к лету и повышение от лета к осени, в отличие от типичных, в которых наблюдается понижение линии вскипания от весны к осени. Амплитуда колебаний составляет в неорошаемых черноземах 10 - 20 см, в орошаемых-40 - 50см.

Таким образом, выщелоченные черноземы также характеризуются значительным понижением линии вскипания, сильной промытостью профиля от карбонатов и большим накоплением СаСО₃ в почвообразующей породе.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что:

1) Орошение оказывает существенное влияние на карбонатный режим исследуемых черноземов. Карбонаты приобретают большую миграционную способность в профиле как типичных, так и выщелоченных черноземов и легко вымываются за пределы почвенного профиля.

2) В орошаемых черноземах отмечается значительное снижение вскипания.

3) При определенном соотношении нисходящей и восходящей миграции почвенных растворов и поливных вод, а также привноса карбонатов с поливными водами, в средней части профиля может наблюдаться как понижение количества карбонатов (что в большей степени выражается для подтипа чернозема типичного), так и их увеличение.

4) Длительное орошение черноземов может вызвать глубокую трансформацию их карбонатного профиля, изменение подтиповых особенностей и эволюцию его по своим качественным и количественным показателям в соседний более гумидный подтип. Так, карбонатный профиль типичных орошаемых черноземом по своему строению и свойствам близок к выщелоченным неорошаемых черноземам.

Литература:

1.    Барановская В.А., Азовцев В.И. Влияние орошения на миграцию карбонатов в почвах Поволжья // Почвоведение. 1981. С. 17 – 25.

2.    Егоров В.В. Об орошении черноземов. // Почвоведение. 1984. № 12. С. 39 – 47.

3.    Антипов-Каратаев И.Н., Филиппова В.И. Влияние длительного орошения на почвы. М., 1955. 204 с.

4.    Афанасьева Е.А. Черноземы Средне-Русской возвышенности. М., Наука, 1966. 312 с.

5.    Шикула Н.К., Балаев А.Д. Запасы органического вещества и продуктивность чернозема типичного при различном его использовании // Науч. труды ВАСХНИЛ. М., 1990. С. 234 – 238.

6.     Щеглов Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов // Дисс. на соиск. уч. степени д-ра биол.наук. Воронеж, 1995. 489 с.

7.     Парфенова О.А. Морфогенетические особенности антропогенных изменений почв Центрального Черноземья // Дисс. на соиск. уч. степени канд. биол.наук. Воронеж, 1997. 224 с.