CC BY
53
УДК 631.432
ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕГРАДАЦИЯ АВТОМОРФНЫХ ПОЧВ В АГРОЛАНДШАФТАХ
О 2012 г. Г. С. Базыкина
Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7
На примере дерново-подзолистых, серых почв и черноземов рассматривается вопрос изменении физических и водных свойств почв в результате их длительного использования в земледелии. Происходит ухудшение их температурного и водного режимов, влагообеспеченности и влагообеспечивающей способности.
Ключевые слова: дерново-подзолистые почвы, серые почвы, черноземы, водно-физические свойства, естественные экосистемы, агроценозы, режим влажности, температурный режим, влагообес-печивающая способность, плодородие.
В процессе длительного использования в земледелии, особенно при его низкой агрономической культуре, происходит ухудшение физических свойств почв, таких как плотность сложения, пористость, структурное состояние, водопроницаемость. Одновременно наблюдается ухудшение тесно связанных с ними водных свойств почв, от которых зависит режим влажности, баланс влаги, воздушный режим, влагообеспечивающая способность и в итоге - плодородие. Наиболее информативными показателями сугубо гидрологической деградации почв являются:
- уменьшение полной влагоемкости (водовместимости) почвы (ПВ);
- уменьшение наименьшей (предельно-полевой) влагоемкости (НВ) почвы, характеризующей удержание влаги в почве после стекания ее избытка (гравитационной влаги) и ее оптимальное содержание;
- увеличение влажности почвы, при которой происходит за-вядание растений (ВЗ), т.е. показателя почвенной засухи;
- уменьшение диапазона активной (продуктивной) влаги (ДАВ), т.е. интервала от НВ до ВЗ или запаса влаги, которую рас-
тения могут использовать, т.е. показателя влагообеспечивающей способности почвы.
За норму принимаем соответствующие показатели целинной почвы под естественным ценозом.
Деградацию гидроморфных почв мы не рассматриваем, т.к. это отдельная проблема.
Признаком деградации почв является не только изменение в неблагоприятную сторону величины перечисленных выше показателей, но и продолжительности их наличия в почве. Так, длительное существование при влажности, соответствующей ПВ, ухудшает воздушный режим почвы и использование влаги растениями. Уменьшение срока пребывания почвы при влажности, соответствующей НВ, и увеличение продолжительности существования почвы при ВЗ свидетельствует об ухудшении влагообеспечивающей способности, режима влажности, влагообеспеченности и продуктивности сельскохозяйственных культур. Низкая агрономическая культура земледелия, которая не обеспечивает пополнение запасов органических и минеральных элементов питания почвы, которые отчуждаются при уборке урожая культур, соблюдения оптимальных сроков проведения сельскохозяйственных работ, а также использование тяжелой сельскохозяйственных техники приводят к деградации почв и ухудшению плодородия.
При распашке почв гидрологическая деградация порождается изменением экосистемы, в которой сформировалась почва. Уничтожение естественной растительности (лесной, луговой, степной) вызывает изменение температурного режима почвы, режима влажности и даже водного режима (режима влажности в многолетнем аспекте). По сравнению с естественным ценозом открытая поверхность пашни меньше задерживает снега, почвы раньше промерзают, больше подвержены образованию ледяных корок и прослоек во время оттепелей, препятствующих впитыванию талых вод, и непроизводительному поверхностному стоку последних. В результате происходит недостаточная влагозарядка пашни при весеннем снеготаянии. Этому способствует также то, что в отличие от земель естественных ценозов почвы пашни уходят в зиму с переувлажненным осенними осадками поверхност-
ным слоем, плохо впитывающим поступающие весной талые воды. Впитыванию последних препятствуют сохраняющиеся в почвенной толще неоттаявшие мерзлые слои, поскольку стаивание снега на пашне начинается обычно до ее полного оттаивания. Неоттаявшие слои служат водоупором и вызывают поверхностный сток талых вод и эрозию почв. Под сельскохозяйственных культурами почвенная влага используется быстрее и интенсивнее, чем под естественной растительностью, в том числе за счет участия в ее расходе физического испарения, особенно до развития сельскохозяйственных культур и после их уборки. В результате всего перечисленного почвы на пашне суше, чем под естественной растительностью.
В доказательство рассмотрим признаки гидрологической деградации основных интенсивно используемых в земледелии почв России.
Гидрологическая деградация автоморфных дерново-подзолистых почв. Гидрологическая деградация автоморфных дерново-подзолистых почв в результате их распашки и длительного использования в земледелии иллюстрируется сравнительным анализом многолетних данных, характеризующих водно-физические свойства, режим влажности и водный баланс и влаго-обеспечивающую способность среднесуглинистых почв Московской области (Базыкина, 2004) под лесом (естественный ценоз) и пашней (антропогенно-преобразованный ценоз).
Распашка и длительное использование в земледелии приводят к переуплотнению почв, уменьшению их пористости, водопроницаемости, влагоемкости, влагообеспечивающей способности (Базыкина, 2004).
На пашне вследствие двухкратного уменьшения снежного покрова (по средним многолетним данным с 58 см в лесу до 39 см на пашне), уничтожения лесной подстилки, менее благоприятного радиационного баланса глубина промерзания почв (42 см) больше, чем под лесом (18 см). Таяние снега весной на пашне происходит раньше, до полного оттаивания почв, в результате чего сток талых вод в среднем в 2 раза больше и составляет до 70% запаса воды в снеге (в лесу - 26%).
Таблица 1. Водно-физические свойства дерново-подзолистых почв в разных экосистемах для слоя 0-30 см (Базыкина. 2004)_
Объект Запасы влаги, мм Водопроницаемость в течение первого часа, мм/мин Равновесная плотность сложения, г/см3 Пористость, %
ПВ HB ВЗ ДАВ в период снеготаяния в вегетационный период
Лес 145 117 32 85 1,63 3,14 1,2 48,7
3,94*
Пашня 145 101 26 75 0,07 1,38 1,28 43,9
4,58 1,47 52,5
Залежь 131 101 35 66 0,07 1,4 1,34 43,8
*Над чертой - при влажности около НВ, под чертой - около ВЗ.
Весенняя влагозарядка почв (основная) происходит уже после схода талых вод поверхностным стоком. Поэтому величина поступления влаги в почвы пашни (35 мм) меньше, чем под лесом (127 мм) (табл. 2). Этому способствует ухудшение водопроницаемости и влагоемкости почв в результате уплотнения почв пашни при многократной обработке тяжелой сельскохозяйственных техникой в течение вегетационного сезона. Влагозапасы почв пашни, так же как их расход, значительно больше, чем под лесом, зависят от осадков теплого полугодия. В течение особенно засушливого полугодия, почвенная толща под пашней, имея меньший запас влаги и более напряженный температурный режим, иссушается быстрее и сильнее, чем под лесом. При этом значительная часть почвенной влаги расходуется непроизводительно на физическое испарение, особенно до развития сельскохозяйственных культур и после их уборки. Иссушение слоя 0-20 см до ВЗ на пашне часто наблюдается уже в июне, тогда как под лесом - на месяц позже. Более 70% общего расхода влаги в дерново-подзолистых почвах пашни обеспечивается осадками теплого полугодия (под лесом -66%). Таким образом, почвы пашни хуже обеспечены влагой, чем почвы под лесом.
Таблица 2. Средние многолетние (1955-1980 гг.) величины элементов водного баланса дерново-подзолистых почв разных экосистем Москов-ской области для слоя 0-150 см_
Показатель Лес Пашня Залежь
Запас воды в снеге перед снеготаянием и 171 144 124
осадки за время снеготаяния, мм
Осеннее-зимне-весеннее пополнение за- 127 55 35
паса влаги, мм
То же, % от общего поступления 27 14 9
Пополнение запаса влаги за счет осадков 337 337 337
теплого полугодия, мм
То же, % от общего поступления 73 86 91
Расход воды на отток, мм 44 89* 89
То же, % от общего расхода 9 19 19
Расход воды на эвапотранспирацию из 127 55 35
почвенного запаса, мм
То же, % от общего расхода 25 11 8
Расход осадков теплого полугодия, мм 337 337 337
То же, % от общего расхода 66 70 73
* При отсутствии стоковой площадки на пашне взяты показатели залежи. Сток по пашне был явно больше.
Выведение дерново-подзолистых почв из режима пашни, превращение пашни в залежь, приводят к усилению аккумулятивных процессов, постепенному улучшению структурного и гумусового состояния бывшего пахотного горизонта, его разуплотнению, увеличению влагоемкости, уменьшению поверхностного стока талых вод и эрозии почв, улучшению гидротермического режима и водных свойств почв.
Гидрологическая деградация автоморфных серых поче. Факт гидрологической деградации серых почв в результате распашки и длительного земледельческого использования установлен на основании данных, характеризующих водно-физические свойства, режим влажности и влагообеспечивающую способность тяжелосуглинистых серых почв на покровном суглинке, а также их термический режим под естественным ценозом (лес) и пашней (антропогенно-преобразованный ценоз) в южном Подмосковье
Таблица 3. Водно-физические свойства серых почв в естественных и агроценозах (Колесо в. 1982)_
Объект Глубина, см Пористость, % Плотность сложения, г/см3 ПВ НВм ВЗ ДАВ
мм
Лес 0-30 53,1 1,33 148 110 41 69
30-50 49,8 1,48 89 66 32 34
0-50 Не опр. 237 176 73 103
Пашня 0-30 50,0 1,40 136 96 22 74
30-50 47,2 1,48 91 62 16 46
0-50 Не опр. 227 158 38 120
(Озерский район) и Черниговской области Украины (Алифанов, 1995; Колесов 1982; Макарова, 1985; Тихонравова, 2002).
Почвы естественных ценозов хорошо оструктурены. На пашне наблюдается ухудшение структуры и появление трещин, по которым мигрирует влага. В результате длительного земледельческого использования отмечается уменьшение до двух раз содержания гумуса, и изменение его качественного состава в сторону гуматно-сти.
Изменение водно-физических свойств серых лесных почв является следствием их выпаханности, разрушения структуры и уплотнения сельскохозяйственных техникой. Для пахотного и подпахотного слоев характерно увеличение плотности сложения, уменьшение пористости (табл. 3) и вследствие этого - ухудшение водопроницаемости. Наблюдается уменьшение их водоудержи-вающей способности, о которой мы судим по величине НВ. Величина влажности завядания растений, меньше на почвах пашни, по сравнению с почвами под лесом. По-видимому, это можно объяснить внесением на поля минеральных удобрений, в результате чего растения легче противостоят почвенной засухе.
Очень важным признаком деградации почв при распашке является изменение температурного режима. Пахотные почвы имеют более контрастный температурный режим, чем под лесом, как в холодный, так и теплый периоды года.
Мощность снега в лесу обычно на 10-20, а на опушках - до 100 см превышает мощность снежного покрова на пашне, где
Таблица 4.Средние многолетние (1959-1973 гг.) элементы водного ба-ланса серых почв в слое 0-300 см под лесом и пашней (Колосов. 1982)
Показатель Лес Пашня
Запас воды в снеге, мм 158 143
Глубина промерзания почвы, см 27 64
Коэффициент стока 0,04 0,4
Глубина промачивания почвы, см 167 130
Количество впитавшейся воды в почву при сне- 148 089
готаянии, мм
То же, % от запаса воды в снеге 98 062
Осеннее-зимне-весеннее приращение запаса во- 209 125
ды в почве, мм
Расход влаги из почвы, мм 213 130
средняя его величина - 10-20 см при максимальной - 30-40 см. Промерзание почв под лесом наступает на 1-2 недели позже, чем на пашне и длится около 100 дней. Средняя многолетняя глубина промерзания почв под лесом - около 30 см (от 5 до 66 см).
Пахотные аналоги промерзают при этом до глубины около 70 см (от 18 до 145 см), что в 2 раза больше, чем в лесу (табл. 4). Промерзание их происходит раньше, чем под лесом, а оттаивание - позже, так что период промерзания почв пашни на 1-2 недели больше, чем под лесом. Часто стаивание снега на открытой поверхности пашни начинается по еще мерзлой почве, что вызывает застаивание талых вод в понижениях рельефа, поверхностный сток и смыв почв при наличии уклона рельефа. Коэффициент стока в лесу 0,04, а на пашне - 0,4. Все это вызывает меньшую влагозарядку пахотных почв по сравнению с лесными в осенне-зимне-весенный период и особенно при снеготаянии. Количество воды, впитавшейся в почву при снеготаянии, составляет в лесу 98, а в поле - 62% от ее запаса в снеге. Средняя глубина осеннее-зимне-весеннего промачивания почв в лесу равна 167 см, на пашне -130 см при среднем приращении запаса влаги в почве 209 и 125 мм соответственно.
Прогревание пахотных почв до активных температур (более 10°С) наступает позже, а длительность их периода меньше, чем под лесом. В течение теплого полугодия почвы под лесом прогреваются меньше, чем под пашней. Так, в первом случае температу-
ра 15°С редко наблюдается в слоях глубже 40 см от поверхности, а 20°С отмечается редко даже в поверхностных слоях. До температуры 15°С пахотные почвы прогреваются обычно до глубины 60-100 см, а до 20 °С - до 50-70 см. Температура поверхностного слоя пашни может достигать 50°С, тогда как под лесом - 28°С. Температура пахотного слоя почв в суточном цикле на протяжении летнего периода всегда выше, чем под лесом. Перепад температуры в суточном цикле в поверхностном слое пашни достигает 41°С, а под лесом - 15°С.
Существенны различия в режиме влажности серых лесных почв в естественном и агроценозе. Расход влаги из почвенного запаса в течение вегетационного периода интенсивнее идет под сельскохозяйственными культурами, и горизонт интенсивного иссушения (ВРК-ВЗ) образуется на пашне на месяц раньше, чем под лесом, достигая мощности 60-70 см. Мощность горизонта слабого иссушения (НВ-ВРК) под пашней достигает 2-2,5 м тогда как под лесом - около 1,5 м. Такие различия связаны с лучшими водно-физическими свойствами почв под лесом, их более благоприятным термическим режимом, а также значительным снижением под пологом леса физического испарения влаги с поверхности почвы.
Водный режим серых почв как под лесом, так и под пашней является периодически промывным. Однако под лесом случаи сквозного промачивания почв наблюдаются чаще, чем под пашней.
Гидрологическая деградация автоморфных черноземов. О гидрологической деградации черноземов типичных (миграционно-мицелярных) мощных можно судить по данным сравнительного анализа водно-физических свойств, режима влажности и влаго-обеспечивающей способности этих почв в естественном ценозе под луговой целинной степью и в антропогенно преобразованном ценозе, на пашне с посевами сельскохозяйственных культур (Ба-зыкина, 2010; Коковина, 1974; Кузнецова, 2004).
В результате многолетней обработки ухудшились водно-физические свойства черноземов пашни (табл. 5): возросла плотность сложения пахотного слоя, ухудшилось его структурное состояние и водопроницаемость, уменьшилась пористость, влагоем-кость и количество доступной растениям влаги.
Таблица 5. Водно-физические свойства черноземов типичных в разных экосистемах (Ко ко в и на. 1974)_
Объект Глубина, см ов, г/см3 Порис тость, % Содержание агрегатов (мм) при просеивании, % Запас влаги, мм
сухом мокром НВ ВЗ ДАВ
>10 <0,25 >3 <0,25
Целин- 0-10 0,97 61 5 8 17 28 47 19 28
ная 0-30 1,1 60 Нет данных 122 53 69
степь
Пашня, 0-30 Нет данных 16 11 7 42 Нет данных
5 лет 10-20 » 7 12 6 38 »
Пашня, 0-10 1-1,3 57 32 4 0,7 49 66 30 36
более 10-20 1,0 54 37 3 2 47 32 15 17
200 лет 0-30 1,1 55 Нет данных 98 45 53
Таблица 6. Высота снежного покрова, см (7), запасы воды в нем, мм (2) и глубина промерзания почв, см (3) перед снеготаянием в целинных и агроценозах (Базыкина. 2010)_
Период, годы Целинная степь Пашня
некосимая косимая
1 2 3 1 2 3 1 2 3
1967-1972 43 138 Не опр. 26 78 Не опр. 12 44 Не опр.
1973-1983 38 100 50 25 69 55 16 44 82
1986-2006 30 82 35 16 52 44 15 45 47
1967-2006 37 107 42 22 66 50 14 44 64
Температурный режим черноземов под пашней по сравнению с целинными становится более контрастным, с большим перепадом сезонных и суточных температур. Почва пашни в течение вегетационного периода прогревается значительно сильнее, чем на целине. На глубине 10 см максимальная температура почвы пашни может достигать 20-30°С (в степи 18-20°С), а на поверхности почвы под покровом сельскохозяйственной растительности - 40-5 0°С (в степи - не более 35°С). В холодное полугодие распаханные черноземы охлаждаются быстрее целинных, а период с отрицательными температурами в первом случае на 20-30 дней длиннее. По средним многолетним данным (табл. 6), глубина промерзания почв пашни (44 см) больше, чем в степи (50 см), поскольку мощ-
51
ность снежного покрова в открытом поле меньше (в среднем 14 против 37 см в степи). Таяние снега на полях начинается раньше, чем в степи, до полного оттаивания почв, в результате чего происходит большая потеря талых вод на поверхностный сток по мерзлому водоупору, эрозия почв, застаивание воды в микропонижениях, сопровождающееся вымоканием посевов.
Пахотные почвы меньше обеспечены влагой, чем это возможно в данных климатических условиях. Основной недобор влаги происходит в результате сноса снега и поверхностного стока талых вод с полей, глубокого промерзания почв и ухудшения водопроницаемости, обесструктуривания почв в процессе длительного использования в земледелии. Средняя многолетняя глубина промачивания за осенне-зимне-весенний период составляет около 100 см на пашне и около 180 см в степи при поступлении влаги 78 и 171 мм соответственно (табл. 7). Случаи глубокого (более 200 см) увлажнения почв на пашне наблюдаются реже, чем в степи. Период десуктивного расхода влаги из почвы пашни под сельскохозяйственными культурами всегда короче, чем под целинной растительностью. Однако его величина за теплое полугодие, по многолетним данным, довольно значительна (116 мм, под целиной степью - 152 мм), а с учетом осадков вегетационного периода -еще больше (334 мм под посевами и 467 мм - под степью). Это можно объяснить значительным расходом влаги из почв пашни на физическое испарение (до 100 мм за сезон) до развития сельскохозяйственных культур и после их уборки. Кроме того, культурные растения используют почвенную влагу более интенсивно и полно, в результате чего почва под посевами сельскохозяйственных куль-тур суше, чем под целинной растительностью. Так, средний многолетний осенний дефицит влаги в слое 150 см под степью равен 150 мм, а под сельскохозяйственных культурами - 167 мм, т.е. черноземы агроценозов суше, чем естественных ценозов.
Таким образом, результатом распашки почв, изменения их экосистем, длительного использования в земледелии, особенно при его низкой агрономической культуре, является гидрологическая деградация почв, т.е. ухудшение их водных свойств, влаго-обеспечивающей способности и плодородия.
Таблица 7. Средние многолетние (1947-2006 гг.) величины элементов водного баланса типичных черноземов Курской области для слоя 0-300 см (Базыкина. Бойко. 2010)_
Показатель Целинная Пашня, ози-
степь мая пшеница
второго года
вегетации
Запас воды в снеге перед снеготаянием и 107 44
осадки за период снеготаяния, мм
Глубина осеннее-зимне-весеннего промачи- 178 103
вания, см
Поступление влаги за холодное полугодие. 171 78
мм
То же за счет осадков вегетационного пе- 295 218
риода, мм
Глубина иссушения до ВРК, см 150 150
Расход влаги на отток, мм 23/60* Нет данных
Расход на эвапотранспирацию из почвенно- 152 116
го запаса, мм
То же за счет осадков вегетационного пе- 295 218
риода, мм
Осенний дефицит влаги (мм ) в слое 0-150 150 167
см
* Над чертой - средняя многолетняя величина, под чертой средняя за годы существования.
Мелиорация земель, подверженных гидрологической деградации. Борьба с гидрологической деградацией почв заключается в применении всех агротехнических мероприятий, направленных на улучшение их структуры, водно-физических свойств, увеличение накопления в почвах доступной для растений влаги (в том числе за счет снегозадержания на полях), уменьшение потерь влаги на поверхностный и внутрипочвенный сток и непроизводительное физическое испарение, исключение возможности переувлажнения.
Улучшению структурного и гумусового состояния почв, увеличению их влагоемкости и водопроницаемости способствует внесение навоза, торфа, запахивание пожнивных остатков и куль-тур-сидератов, участие в севообороте многолетних трав. Культу-ры-сидераты могут быть посевами второго срока, после уборки
основных и особенно озимых культур. Для улучшения гидротермического режима почв желательно проведение снегозадержания на пашне, а для уменьшения поверхностного стока и эрозии почв - вспашка поперек склонов и элементы контурного земледелия. Периодическое изменение глубины вспашки и уничтожение при этом плужной подошвы обеспечивают улучшение водопроницаемости почв и уменьшение стока вод. Для сохранения структуры почв рекомендуется минимализация обработки и применение облегченной сельскохозяйственных техники и сокращение ее проходов. Обработка почв должна быть высококачественной и производиться при оптимальной влажности почв в короткие сроки с учетом климатических особенностей региона и физического состояния почв. Ухудшение перечисленных показателей приводит к изменению режима влажности, воздушного режима и влагообес-печивающей способности и плодородия почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино, 1995. 320 с.
2. БаЗыкина Г.С., Бойко О.С. Особенности режима влажности типичных черноземов косимой степи и пашни (Курская область) в условиях аномальной погоды последних десятилетий//Почвоведение. 2010. № 1. С. 58-70.
3. Базътша Г.С. Элементы водного режима и физические свойства дерново-подзолистых почв Московской области под лесом пашней и залежью //Почвоведение. 2004. № 3. С. 343-351.
4. Базътша Г.С., Бойко О.С. Особенности режима влажности типичных черноземов косимой степи и пашни (Курская область) в условиях аномальной погоды последних десятилетий//Почвоведение. 2010. № 1. С. 58-70.
5. Коковнна Т.П. Водный режим мощных черноземов и влаго-обеспеченность на них сельскохозяйственных культур М.: Колос, 1074.302 с.
6. Колесов А.Ф. Элементы водного баланса серых лесных почв склонов на территории Новгород-Северского ополья под лесом и пашней // Водный и солевой режимы, свойства и продуктивность почв. М., 1982.
7. Кузнецова И.В. Современные тенденции эволюции физических свойств черноземов Средне-Русской провинции лесостепной зоны // Черноземы России: генезис, география, эволюция. Воронеж, 2004. С. 288-292.
8. Макарова Г.П. Гидротермический режим темно-серых эродированных почв // Климат почв. Сб. науч. тр. Пущино, 1985. С. 45-49.
9. Тнхонравова П.И. Режим тепла и влаги в агросерой суглинистой почве Московской области // Бюл. Почв, ин-та им. В.В. Докучаева. 2002. С.3-9.
HYDROLOGICAL DEGRADATION OF AUTOMORPHIC SOILS IN AGRICULTURAL LANDSCAPES
G. S. Bazykina
The impoverishment of physical and water properties resulted from the use in agriculture for a long period of time is exemplified by soddy-podzolic, gray soils and chernozems. Alternation of natural (forest, meadow and steppe) coenoses by agrocoenoses leads to degradation of soils, impoverishment of their temperature and water regimes, water supply and water-supplying capacity as well.
Keywords: soddy-podzolic soils, gray soils, chernozems, water-physical properties, natural ecosystems, agrocoenoses, water regime, water-supplying capacity.
