Орошаемые почвы юга Средней Сибири: свойства, режимы и продуктивность

Актуальность проблемы. Важными задачами стоящими перед Россией на современном этапе развития, являются проблемы, связанные с обеспечением продовольственной безопасности страны, сохранением и восстановлением природных ресурсов. Основные площади земель России находятся в зоне рискованного земледелия, с недостаточным и неустойчивым увлажнением, с повторяющимися засухами и суховеями, резко снижающими продуктивность сельскохозяйственных культур. Засушливые районы юга Средней Сибири отличаются различной аридностью климата. Более 37% субрегиона (Республика Хакасия, Республика Тыва, южные районы Красноярского края) имеет отношение среднегодового количества осадков к потенциальной эва-потранспирации (индекс аридности) ниже 0,65, что в соответствии с критериями Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием относит ее к засушливым аридным, полузасушливым семиаридным и сухим субгумидным территориям (Савостьянов, 2006). В этих условиях повышение продуктивности культурных растений и устойчивое развитие земледелия невозможно без проведения комплексных мелиораций и освоения эколого-адаптивно-ландшафтных систем орошаемого земледелия.

Состояние экологической системы изменяется под влиянием природных и антропогенных воздействий. Если реакция системы на воздействие естественных факторов (например, климата) охватывает длительные Промежутки времени, сопоставимые с эпохами, то результаты человеческой деятельности проявляются несравнимо быстро (Лапко, Цугленок Н. В., Цугленок Г. И., 1999).

Экологически безопасное функционирование системы вода — почварастение обеспечивается сбалансированным воздействием природных и антропогенных факторов, что в практике орошения повсеместно нарушается избыточно высокими агрои гидромелиоративными нагрузками на почвы. Нарушения равновесия в системе проявляется в изменении и ухудшении основных свойств почв, декарбонизации, потери гумуса, осолонцевании, засолении, заболачивании и других деградационных процессах (Зимовец и др., 1998). Интенсификация сельскохозяйственного производства определяется экологически безопасными технологиями улучшения природных режимов в агроценозах. Круг экологических проблем, связанных с развитием ирригации, сегодня хорошо известен. Степень проявления экологических последствий орошения определяется исходным состоянием почв, качеством оросительной воды, режимами орошения, уровнем агротехнологий. Поэтому весь комплекс мероприятий по предотвращению негативных последствий орошения нужно строить с учетом этих факторов. Кроме того, несоблюдение экологически безопасных режимов орошения приводит к непроизводительным затратам поливной воды, возникновению процессов вторичного засоления почв, поднятию уровня грунтовых вод. Не всегда учитывается качество оросительной воды, ее химический состав и загрязненность. Необходимость решения этих проблем на орошаемых почвах юга Средней Сибири дало направление исследованиям по обоснованию требований к качеству оросительной воды, влиянию орошения на свойства, режимы и продуктивность, разработке экологически безопасных режимов орошения культур в комплексе с агроэкологическими мероприятиями.

Цель исследований. Изучить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность почв юга Средней Сибири.

Задачи исследований:

— оценить качество ирригационной воды по экологическим показателям;

— изучить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность чернозема обыкновенного;

— выявить влияние орошения на свойства, режимы и продуктивность аллювиальных торфянисто-глеевых почв;

— разработать экологически сбалансированные агроирригационные приемы для повышения продуктивности и качественного состава сеяных многолетних травосмесей.

Научная новизна исследований. Обоснование сохранения, восстановления и повышения продуктивности орошаемых почв юга Средней Сибири:

— впервые в условиях юга Средней Сибири разработан дифференцированный подход к орошению агроландшафтов;

— изучено влияние орошения на химические и водно-физические свойства, на водный и солевой режим чернозема обыкновенного;

— на основе биоклиматического метода экспериментальным путем рассчитаны биологически оптимальные и текущие нормы водопотребности культур на годы расчетной обеспеченности осадками;

— исследовано влияние орошения на химические и водно-физические свойства, на температурный и пищевой режим аллювиальных торфянисто-глеевых почввыявлены агроирригационные приемы повышения плодородия орошаемых почв.

На защиту выносится концепция устойчивого функционирования агро-экосистем при оптимальном регулировании водного режима, представленная следующими положениями:

— экологически безопасное функционирование орошаемых черноземов и их устойчивость к деградационным процессам возможно при оптимальном водном режиме в комплексе с агроирригационными приемами;

— регулирование водного режима почв оптимизирует температурный и пищевой режимы аллювиальных торфянисто-глеевых длительно-сезонно-промерзающих почв;

— адаптивно-дифференцированные и экологически нормированные агроирригационные приемы повышают продуктивность сеяных многолетних травосмесей с высокими энергетическими показателями.

Практическая значимость. Материалы могут быть использованы при оценке экологических последствий орошаемых почв и их эволюции при изменении свойств, режимов и плодородия, а также почвенного мониторингапри проектировании, строительстве и эксплуатации оросительных систем на юге Средней Сибири. Применение умеренных доз органоминераль-ных и минеральных удобрений под культурные растения, стимулирующих продукционный процесс и не нарушающих при этом экологического равноi весия в системе почва-растение, может быть рекомендовано для орошаемого кормопроизводства. На основе полученных результатов разработан комплекс агроэкологических мероприятий с использованием информационно-ресурсного потенциала системы, экологических ограничений и многокритериальной оценки.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в 51 научных и методических работах, в том числе 2 монографиях. Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на следующих совещаниях и конференциях: международных, всесоюзных и российских: «Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве» (Новочеркасск, 1990) — «Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа» (Новочеркасск, 1990) — «Рациональное природопользование в крио-литозоне» (Якутск, 1990) — «Повышение качества и технического уровня проектов в условиях новых методов хозяйствования» (Абакан, 1990) — «Водохозяйственное строительство и экологические проблемы» (Тбилиси, 1991) — «Вопросы водохозяйственного строительства, мелиорации, использования и охраны водных ресурсов» (Ереван, 1991) «Проблемы мелиорации земель Сибири» (Красноярск, 1991) — «Наука — сельскому хозяйству» (Красноярск, 1993) — «Проблемы освоения Барабинской низменности» (Москва-Новосибирск, 1995) — «Технологии неистощительного землепользования» (Красноярск, 1997) — «Научное и кадровое обеспечение земельных преобразований в России» (Москва, 2002) — «Природообустройство и рациональное природопользование — необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005), «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2005, 2006) — «Вклад академика Л. И. Прасолова в изучение и сельскохозяйственное освоение почв Сибири.» (Абакан, 2007).

Работа выполнена по заданию ГКНТ СМ СССР от 12.05.85 и является частью суперпрограммы «Сибирь» по подпрограмме 1.04.01 «Экология КАТЭК», разделом темы, выполненной в 1985;1990 гг., — «Разработать и внедрить технологический процесс мелиорации пойменных земель Восточной Сибири, в том числе р. Чулым" — в 1991;1993 гг., по программе 1.7- 2 — 21.29 — «Разработать интенсивные энергосберегающие экологически безвредные технологии выращивания кормовых культур для получения урожайности с высокой энергетической и протеиновой питательностью на мелиорируемых землях" — в 1993; 2000 гг. — по программе 1.3- 26.1903 — «Разработать методы управления плодородием на землях с неблагоприятной мелиоративной обстановкой (засоленных, солонцеватых, тяжелых, глеевых почв) для различных регионов.

Объект исследований. Объект исследований — орошаемые почвы юга Средней Сибири. Предмет исследований — приемы сохранения и восстановления плодородия орошаемых почв. Представленная диссертационная работа является логическим завершением экспериментальных исследований и теоретических обобщений по разработке научно обоснованных мероприятий с учетом экологических аспектов по сохранению и повышению продуктивности орошаемых почв юга Средней Сибири.

Методология исследований. Все наблюдения и учеты проводились в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов, общепринятых методик, разработанных РАСХН, ВНИИГиМ, ВНИИОЗ.

Личный вклад автора. Постановка задач, выполнение лабораторных и полевых исследований, обработка и анализ полученного материала выполнены лично автором. Доля автора в совместных публикациях — 70%.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 334 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 7 глав, общих выводов, предложений производству, списка литературы и приложений. Работа содержит 101 таблицу, 47 рисунков, список литературы включает 436 источников, в т. ч. 45 иностранных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Агроландшафты с мелиорируемыми почвами являются наиболее сложным ландшафтом. Оросительная система как инородное включение в естественный ландшафт может оказать как позитивное, так и негативное влияние на почвообразовательный процесс и функциональные связи этих изменений не всегда могут четко прогнозироваться в зависимости от множества факторов: размеров оросительной системы, почвенных, климатических, литологических условий, режимов орошения культур, качества ирригационной воды, уровня и минерализации грунтовых вод, техники поливов, технологии выращивания сельскохозяйственных культур. Полевые почвенно-экологические исследования по эксплуатации оросительных систем юга Средней Сибири позволили сформулировать следующие выводы:

1. Доминирующими орошаемыми почвами в структуре почвенного покрова в лесостепной зоне юга Средней Сибири являются черноземы обыкновенные среднеи тяжелосуглинистые, среднегумусные. Их отличает низкая и средняя водопроницаемость, коэффициент фильтрации в зависимости от’гранулометрического состава варьирует от 0,08 до 1,31 мм, мощность гумусовогогори-зонта колеблется в пределах 25 — 80 см от степени эрозии и дефляции. Грунтовые воды в зависимости от рельефа местности залегают на глубине от 1 до 15 м.

2. Анализ влияния качества поливных вод на свойства почвы и сельско-озяйственную продукцию показал, что поверхностные воды, используемые в качестве источников орошения, по степени их влияния на процессы засоления и осолонцевания относятся к первому классу качества, т. е. являются безопасными. По лимитирующим показателям качества воды (фенолам, нефтепродуктам, тяжелым металлам) все водные источники относятся к «грязным» или «очень грязным». Конструкции оросительных систем влияют на качество отбираемой воды, заглубленные всасывающие патрубки сокращают поступление на поля орошения нефтепродуктов, которые располагаются в поверхностных слоях водыканалы способствуют самоочистке воды. С поливными водами на поля орошения попадает значительное количество загрязняющих веществ, но по степени участия в загрязнении орошаемых почв на первом месте стоят воздушные выбросы промышленных предприятий, на что указывают поля загрязнения фтором, цинком, кадмием, свинцом и другими тяжелыми металлами. Орошение почв приводит к выносу растворимых форм загрязнителей за пределы активного слоя почв.

3. Многолетние исследования за содержанием запасов гумуса и элементов питания в целинных черноземах и их изменения в пахотных почвах, позволили установить, что за период сельскохозяйственной эксплуатации почва потеряла 24,8% гумуса и 25,1% азота. Валовое содержание фосфора и калия в пахотном слое пашни и целины примерно одинаковы. С ведением в систему земледелия дополнительного фактораорошения, почвообразовательные процессы меняются по сравнению с богарными. Орошение в течение десяти лет экологически безопасными поливными нормами 25−30 мм не внесло изменений в содержание гумуса, фосфора и калия, тогда как содержание нитратного азота на богаре в 3,2−3,5 выше, чем при орошении. Орошение ограниченными нормами 25−30 мм не повлияло на уменьшение содержания Са~, тогда как орошение нормой 50−55 мм снизило этот показатель в пахотном горизонте на 5,6 мг/экв. на 100 почвы.

Анализ данных по плотности сложения и общей порозности выявил, что орошение дождеванием нормами 25−30 мм (пять поливов за вегетацию) вызвало незначительное уплотнение по сравнению с вариантами без орошения. Орошение поливной нормой 50−55 мм (три полива за вегетацию) существенно уплотнило корнеобитаемый слой почвы. Также орошение грузными нормами привело к уменьшению агрономически ценных агрегатов и коэффициент структурности снизился почти в два раза.

Агромелиоративные способы обработки почвы (глубокое рыхление, ще-левание) снижают на 0,10−0,15 г/см3 плотность сложения подпахотного горизонта, в 1,5−2 раза увеличивают водопроницаемость, улучшают обеспеченность влагой корнеобитаемого слоя почвы в течение вегетационного периода. На фоне глубокого мелиоративного рыхления к началу вегетации запас влаги в 0−80 см слое почвы в среднем на 28,2 мм выше контроля, рыхление на глубину 45−50.

304 см создает дополнительный запас влаги в слое 0−40 см в 5,0−9,3 мм, а щелевание — 6,8−12,3 мм. Следовательно, агромелиоративные способы обработки почвы снижают поверхностный сток на 50−282 м3/га и тем самым способствуют экологической безопасности агроландшафта.

Комплексные органо-минеральные удобрения способствуют повышению в почве гумуса и элементов минерального питания. Они обладают не только эффектом действия, но и последействия.

4. Разработаны экологически безопасные режимы орошения многолетних трав в условиях лесостепной зоны юга Средней Сибири. Режимы орошения изучены при способе полива дождеванием. На черноземах лесостепной зоны при поливе дождеванием в остросухие годы, для поддержания оптимального увлажнения почвы на фоне осеннего, влагозарядкового полива требуются четыре вегетационных полива нормами 30 мм. Такое же количество поливов было дано на варианте с предполивным порогом увлажнения 70% НВ. Во влажные годы, в зависимости от распределения осадков, выпадающих в вегетационный период, количество поливов варьирует. Осенний влагозарядковый полив нормой 80 мм позволил поддерживать оптимальную влажность почвы в течение всей вегетации многолетних трав, а на варианте с порогом увлажнения 70% НВ был проведен один полив нормой 30 мм.

Коэффициенты водопотреблений во все годы исследований были самыми низкими на вариантах с вегетационными поливами 26−36 мм/т. Суммарное водопотребление, вычисленное биоклиматическим методом, имеет устойчивую связь с фактическим суммарным водопотреблением как по декадам, так и за весь вегетационный период. Сравнение фактических расходов влаги с расчетными по дефициту влажности воздуха и биологическим коэффициентам суммарного испарения показало устойчивую корреляцию между ними.

В результате исследований выявлено, что вторичное засоление орошаемых земель обусловлено геоморфологическими особенностями территории, носит спорадический характер и чаще всего приурочено к понижениям рельеу фа, когда капиллярная кайма грунтовых вод близко расположена к поверхности почвы. Существенной причиной отсутствия площадного засоления является то,.

305 что традиционные территории орошения на юге Средней Сибири находятся в местах распространения хорошо дренированных долин рек Енисея, Абакана, Чулыма.

5. В условиях степной зоны, на пойменных почвах, одноразовый' весенний полив затоплением нормой 250 мм, обеспечивает оптимальную влажность почвы в течение вегетации многолетних травосмесей до первого укоса. Для вегетации трав до второго укоса необходимо подпитывание нормой 150 мм.

6. Исследования по изучению температурного режима показали, что полив затоплением оказывает существенное регулирующее воздействие на температурный режим верхнего корнеобитаемого слоя почв. В начале вегетации трав на вариантах с затоплениями наблюдается повышение температуры почв, в среднем на 0,9−2,7°С по сравнению с незатапливаемыми участками. В то же время орошение предотвращает чрезмерный перегрев верхнего 5 см слоя почв, который наблюдается в конце июня и в начале августа.

Коэффициент корреляции, отражающий связь между температурой и влажностью почвы в неорошаемых условиях, составил 0,68. В условиях орошения выявлена экспоненциальная корреляционная зависимость между температурой почвы и влажностью.

7. Проведенные исследования показали, что доступность элементов питания (минерального азота, подвижного фосфора, обменного калия) на длитель-но-сезоннопромерзающих пойменных почвах в начале вегетации культур низка. Под влиянием полива затоплением, в результате повышения влажности и температуры почвы, интенсивнее протекают процессы нитрификации, происходит переход аммиачных форм азота в нитратныеоптимизируются условия для превращения недоступных форм фосфатов в подвижные. Под влиянием поливов происходит вымывание обменного калия из верхних слоев почвы в нижележащие. Внесение минеральных удобрений позволяет поддерживать положительный баланс элементов питания.

8. В результате проведенных опытов выявлено, что наиболее эффективной формой повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий в услот виях юга Средней Сибири является ускоренное залужение их сеяными много.

306 летними бобово-злаковыми травами. Наибольшую продуктивность обеспечивала смесь, состоящая из люцерны+овсяницы+костреца. Условия выращивания сказались и на качестве корма. В зависимости от режима затопления, минерального питания, укосов изменялось содержание переваримого и сырого протеина, каротина, клетчатки, химического состава сена многолетних трав. Наибольшее содержание переваримого (125,2 г/кг), сырого (20,7%) протеина, каротина (160,6 мг/кг) получено на травосмеси люцерна+овсяница+кострец при двухразовом затоплении. Оценка эффективности на биоэнергетической основе позволила выявить, что выход 1 кг сухого вещества сена на «контроле» составил в среднем 8,20 МДж, при «одноразовом затоплении» — 8,69- при «двухразовом затоплении» — 9,44.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

На основании проведенных исследований в условиях юга Средней Сибири предлагаем:

1. Проводить экологически безопасные режимы орошения нормами 25−30 мм в зависимости от влагообеспеченности года. В лесостепной зоне в засушливые годы при поливе дождеванием на фоне осенней влагозарядки необходимо проводить от двух до четырех поливов нормами по 30 мм. В степной зоне в засушливые годы при поливе затоплением проводить два полива. Первый полив нормой 250 мм следует осуществить в начале вегетации многолетних трав, второй полив — нормой 150 мм — в начале фазы отрастания трав второго укоса.

2. Для предотвращения уплотнения почвы и увеличения аэрации проводить агромелиоративные способы обработки (глубокое рыхление, щелевание) на глубину 45−50 см. На орошаемых черноземных почвах следует вносить комплексные органо-минеральные удобрения из расчета 5,5−8,3 т/га сухой массы.

3. На засоленных почвах в зависимости от степени и химизма засоления, орошение проводить в комплексе с глубоким мелиоративным рыхлением и внесением химических мелиорантов. Использовать для посева солевыносливые культуры (донник белый и желтый, пырей бескорневищный, люцерна желтая), которые обеспечивают коренное улучшение и окультуривание.

4. На пойменных орошаемых почвах проводить ускоренное залужение посевами многолетних трава, состоящую из люцерны+овсяницы+костреца, вносить минеральные удобрения с учетом агрохимических свойств почвы, а также ее эффективного и потенциального плодородия.