CC BY
63
УДК: 631.417: 631.6
ПОЧВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
НА РАЗНЫХ СТРУКТУРНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ И ДИАГНОСТИКА ИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИ ОРОШЕНИИ1
В.Е. Приходько, Д.В. Манахов
Проведены комплексные исследования свойств и процессов неорошаемых почв на разных иерархических уровнях их организации и выявлены закономерности их изменений под влиянием орошения. Показано, что орошаемые почвы слабо дренированных ландшафтов по сравнению с дренированными изменяются быстрее в результате гумидизации, приводящей к ускорению и усилению взаимовлияния процессов на всех уровнях их организации.
При ирригации отмечаются позитивные и негативные явления, скорость и масштабы распространения которых зависят от типа почв, степени дренированности ландшафтов, изменений водного режима и увлажненности почв, качества поливной воды и уровня агро-технологий.
Ключевые слова: орошаемые почвы, почвенные процессы, Поволжье.
Цель работы заключалась в комплексном изучении иерархических уровней организации почв, в расширении набора признаков диагностики почвенный процессов на разныгх уровнях и их изменений под влиянием орошения. Исследовали неорошаемые и орошаемые степные и полупустынные почвы различныгх геоморфологических районов Поволжья (табл. 1) [5]. Орошение методом дождевания проводили в течение 10—70 лет предварительно осветленной пресной водой гидрокарбонатно-кальциевого состава. В настоящее время площадь орошаемыгх почв России составляет 2,7, Поволжья — 0,9 млн га.
Отдельные уровни организации почв изучаются почвоведами, начиная с В.В. Докучаева. R. Brewer [16] создал систему описания и изучил ненарушенное строение почв — от их профиля до микроскопических составляющих в шлифах. Обоснование разных уровней структурной организации почв принадлежит А.Д. Воронину [1] и Б.Г. Розанову [9]. Ими выделены следующие иерархические уровни организации почв: молекулярно-атомарный, элементарных почвенных частиц, агрегатный, горизонт-ный, педонный и почвенного покрова. Недостающее звено в этой системе — морфонная иерархия [3]. В модернизированной схеме организации почвенных систем введены четыре надуровня: микромир, почвенная масса, почвенные тела и почвенный покров; четыре почвенные фазы [2].
В микромире на уровнях молекулярно-атомар-ном и элементарных почвенных частиц протекают химические, биохимические, физико-химические и другие реакции и процессы. Они приводят к формированию специфических почвенных компонен-
тов — гумуса, органо-минеральных и минерально-органических соединений. Эти вещества, взаимодействуя между собой, создают агрегатный уровень. Вследствие разных скорости и характера взаимодействия на микроуровне и агрегатном уровне для внутритрещинного (гумусированного) и межтрещинного материалов формируются морфоны. Из морфо-нов состоит почвенный горизонт. Уровню почвенного профиля (педона) свойственны горизонтообразующие и типоформирующие почвообразовательные процессы. Для уровня почвенного покрова характерны ка-тенные взаимодействия: ландшафтно-геохимические сопряжения, процессы литоморфопедогенеза и взаимодействие с другими геооболочками.
Для ионно-молекулярного уровня диагностические признаки изменения почвенных процессов под влиянием орошения выявляются следующим образом: миграция солей (засоление—рассоление, растворение гипса, карбонатов, изменение состава солей), обменные реакции (осолонцевание—рассолонцева-ние, изменение щелочности, количества обменных катионов), гумификация—дегумификация, диспергирование и метаморфизм гумуса определяются по изменению содержания и состава компонентов химическими методами; трансформация строения гумуса — методами ИК-спектроскопии, ЯМР; преобразование состава солей — рентгенодифрактомет-рическим методом.
При высоком уровне агротехнологий в орошаемых почвах количество гумуса сохраняется, но происходит трансформация его состава: накопление гуминовых кислот (ГК), связанных с кальцием, потеря фульвокислот (ФК) и гумина, увеличение величины отношения Сгк/Сфк.
1 Авторы благодарят за помощь в получении и обсуждении результатов микроморфологических анализов — докт. биол. наук С.В. Губина и канд. биол. наук Л.С. Песочину, минералогических исследований — докт. биол. наук Т.А. Соколову и канд. биол. наук Т.Я. Дронову.
Примечание. Почвы: Чо — черноземы обыкновенные, Чю — черноземы южные, К2 — каштановые, КЗ — темно-, К1 — светло-каштановые, Кл — луговато-каштановые, Сн — солонцы, Бу — бурые полупустынные. Поливы: А — напуск, для других почв — дождевание. Режимы: А — автоморфный; вторично-гидроморфный: ВГ — без дренажа, Г—Д — с дренажем. Гранулометрический состав: с.с. — среднесуглинистый, л.с. — легкосуглинистый, для остальных почв — тяжелосуглинистый.
*Плотный остаток для слоев: 0—30, 30—100, 100—200 см. п = повторность.
"Равенство средних неорошаемых и орошаемых почв отвергается, Р = 0,95.
Таблица 1
Некоторые свойства неорошаемых (неор.) и орошаемых (ор.) почв
Почва Орошение Глубина, см Объемная масса, кг/м3 Обменный % ЕКО Плотный остаток, %* Фракции < 0,01 мм Гумус, % Сгк • 100/Собщ
годы режим неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор.
Чо 10 А 0—30 1,09 1,15 0 0 0,1 0,1 58 59 6 5,7 47 53**
30—50 1,13 1,21 0 0 0,1 0,1 58 58 5 4,5 50 48
50—75 1,32 1,4 1 0 0,1 0,1 60 60 3 2,5 46 42
Чо с.с. 50 А 0—30 1,13 1,23 1 1 0,1 0,1 42 42 5 5,1 59 64**
30—50 1,19 1,3 1 1 0,1 0,1 41 42 4 4,0** 54 60**
50—75 1,2 1,33 1 1 0,1 0,1 43 42 3 3,4** 50 49
Чю 14 ВГ 0—30 1,07 1,25 1 2 0,1 0,1 57 54 4 4,1 49 51
30—50 1,28 1,28 1 3 0,1 0,1 58 58 2 2,4 46 42
50—75 1,47 1,45 2 2 0,5 0,7 62 62 не опр.
К3 50 ВГ 0—30 1,25 1,35 1 2 0,1 0,1 57 57 3 2,7 55 59
30—50 1,44 1,4 2 2 0,1 0,1 60 58 2 1,8 50 54
50—75 1,54 1,47 3 2 0,3 0,1 58 59 1 1 33 35
К2 50 ВГ 0—20 1,15 1,2 3 19 0,1 0,4 73 74 3 3,1** 27 29
20—40 1,28 1,3 6 25 0,1 0,9 74 75 3 2,5 28 25
40—60 1,45 1,4 7 23 0,6 0,8 80 80 2 1,7 не опр.
Кл 10 А 0—20 1,18 1,2 1 1 0,1 0,1 49 48 4 2,6** 32 28
20—40 1,32 1,32 1 1 0,1 0,1 54 53 2 2,6 36 25
40—60 1,45 1,46 1 1 0,1 0,1 58 58 1 1,3 не опр.
К1 10 А 0—20 1,3 1,24 4 0** 0,2 0,1 50 49 2 2,2 20 29
20—40 1,45 1,41 8 2** 0,9 0,1 56 54 1 1,4 13 30
40—60 1,54 1,54 9 4** 1 0,9 60 58 1 1,1 не опр.
Сн 10 А 0—20 1,33 1,3 5 2** 0,2 0,1 51 51 2 2,2 25 23
20—40 1,42 1,36 15 2** 1,2 0,5 57 56 2 1,6 39 23
40—60 1,39 1,5 10 5** 1,3 1 60 61 1 1,1 не опр.
Бу с.с. 22 Г—Д 0—20 1,47 1,36 5 1** 0,2 0,1 25 25 1 1,1 10 12
20—40 1,46 1,44 16 2** 0,5 0,3 36 35 1 1 7 12**
40—60 1,45 1,49 14 2** 1,5 0,6 38 43 1 0,5 не опр.
БуА л.с. 22 Г—Д 0—20 1,57 1,41 1 1 0,1 0,1 22 27 1 0,6 12 11
20—40 1,58 1,48 1 1 0,3 0,2 25 24 1 0,4 13 14
40—60 1,6 1,55 1 2 0,7 0,2 30 31 1 0,3 16 15
п 3—4 7—10 10—20 7—10 7—15 3—5
Возрастание запасов ГК под влиянием орошения во всех исследованных почвах происходит с близкой скоростью — 0,1—0,3 т/га ежегодно. Это объясняется сходством создаваемой величины пе-
риода биологической активности. Однако в орошаемых почвах в составе ГК происходит увеличение инертной бензольной части и уменьшение количества активных периферийных фрагментов [4].
Возможно, именно сокращение количества алифатической части гуминовых кислот и фульвокислот и дегумификация отдельных микроучастков могут приводить к ослаблению и разрыву связи гумуса с глинистыми минералами, за счет чего возрастает их диспергирование.
При орошении увеличивается количество ФК1, представленной свободными и связанными с полуторными оксидами формами. Это может быть одной из причин накопления светло-бурых микроформ гумуса, которые являются коллоидно-дисперсными подвижными гумусовыми веществами с более простым строением [15]. Они не участвуют в острукту-ривании почвенного материала.
В орошаемых почвах отмечается убыль содержания углерода гумина. Можно предполагать, что в нем сосредоточены прочносвязанные органо-ми-неральные соединения, поэтому его убыль может приводить к ухудшению агрегирования почв.
Уровень элементарных частиц. На этом уровне диагностируются: дезинтеграция (дробление), пептизация, трансформация и разрушение минералов, оглинивание (табл. 2). Верхние горизонты почв Поволжья под влиянием орошения обогащаются илистой фракцией на 2—8% за счет накопления лабильных силикатов и иллитов, реже — хлоритов вследствие интенсификации процесса оглинива-ния [8]. Механизм оглинивания заключается в физическом дроблении по плоскости спайности частиц легко выветривающихся слоистых силикатов (биотит, гидрослюды и магнезиальные хлориты) песчано-пылеватых размеров до размера илистых частиц и дезинтеграции частиц полевых шпатов, измененных за счет постмагматических процессов
и древнего выветривания, которое сопровождается высвобождением из них глинистых минералов (каолинита, серицита). Подтверждением усиления этих процессов служит уменьшение содержания биотита и измененных полевых шпатов в песчано-пылева-тых фракциях орошаемых почв.
Кроме того, в крупных фракциях могут находиться прочные микроагрегаты, содержащие глинистые минералы. Под действием орошения устойчивость этих агрегатов снижается, они распадаются на более тонкие частицы, и происходит пополнение запасов илистой фракции. Частным случаем увеличения степени дисперсности глинистого материала является развитие супердисперсности лабильных минералов, наблюдаемое в некоторых неза-соленных почвах, ранее и/или в настоящее время содержащих обменный натрий.
В верхних горизонтах орошаемых почв уменьшается содержание триоктаэдрических хлоритов илистой фракции в результате усиления их разрушения как наименее устойчивых глинистых минералов. В условиях недостаточного внесения калийных удобрений в слое 0—50 см происходит накопление лабильных минералов илистой фракции за счет преобразования иллитов в разбухающие структуры. Механизм этого процесса заключается в потере необменного калия иллитами в результате частичного его использования растениями из этих минералов.
В верхних горизонтах при орошении вышеперечисленные процессы протекают с большей скоростью в почвах аридных ареалов по сравнению с субаридными в результате лучшей теплообеспе-
Таблица 2
Интенсивность процессов изменения глинистых минералов в пахотном слое почв
Почва Орошение Преимущественное разрушение в иле Дробление агрегатов и минералов крупных фракций с накоплением: Трансформация иллита в смектит Супер-дисперсность
лет режим хлорита иллита смектита ила в илистой фракции
хлорита иллита смектита
неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор. неор. ор.
Чо 10 А + + + + +
Чо с.с. 50 + + + + + + + +
Чю 14 ВГ +? + ++ + + + + ++ + + +
КЗ 50 + +? ++ + + ++ + ++ + ++ +
Кл 8 А + + + + + + + + + + +
К1 + +? + + + + + + + + +
Сн + + + ++ + + + +
Бу с.с. 22 Г—Д + +? + + + + + +
Бу л.с.А + +? + +++ ++ + + +
Примечание. Интенсивность изменения процессов: +++ сильная, ++ средняя, + слабая в неорошаемых (неор.) почвах по сравнению с породой и орошаемых почвах (ор) по сравнению с богарой.
ченности, отсутствия защитных пленок на минеральных частицах и больших изменений: периода активного действия почвенных процессов, увлажнения и количества циклов высыхания—увлажнения и набухания—сжатия. При орошении преобразование глинистых минералов ускоряется также при смене автоморфных условий гидроморфными. Это объясняется воздействием на них ионов натрия и других соединений из поднявшихся грунтовых вод (ГВ).
Агрегатный уровень — изменение макро- и микрооструктуренности (трансформация форм, размеров и порядковости агрегатов, пористости, количества агрегированного и неагрегированного материалов) обнаруживается микроморфологическим методом; количество агрегатов и их водопрочность — методами сухого и мокрого просеивания.
В почвах, обогащенных гумусом, образуются сложные многоуровневые микроагрегаты и поры разных размеров. При орошении наблюдается ухудшение микроструктуры таких почв (табл. 3). Причиной могут быть процессы вторичного осолон-цевания, ощелачивания и засоления почв, усиливающие потери гумуса и изменение его состояния. В орошаемых почвах увеличивается дегумификация микроучастков в результате: 1) меньшего поступления растительного материала в уплотненные микрозоны, 2) концентрации темно-бурых микроформ гумуса на периферии микроагрегатов, 3) трансформации части растительной биомассы в инертные меланоны, 4) выноса гумуса. Основой микроагре-
гатов служат гуминовые кислоты, взаимодействующие с глинистыми частицами и/или сорбирующиеся на них. Первый слой ГК на поверхности минералов не изменяет их оптических свойств, второй и последующие слои придают аморфные свойства органо-минеральному комплексу [10]. В локальных микроучастках происходит осветление органо-минеральной плазмы, обедненной гумусом, в его составе может не хватить ГК для образования второго слоя на поверхности глинистых минералов. Последние изменяют свои оптические свойства, в результате чего проявляется чешуйчатая ориентировка глин.
Агрегатный уровень характеризуется неоднородностью. Одной из ее причин служат различия свойств внутри и на поверхности агрегата. Его поверхность покрывают пленки-кутаны. Они затрудняют проникновение воздуха внутрь агрегата, поэтому здесь создаются условия, близкие к анаэробным, и развивается анаэробная микрофлора [11]. Она способствует формированию органического вещества преимущественно с гидрофобными свойствами, обладающего структурообразующей способностью [14], тогда как поверхность агрегатов, покрытая глинистыми кутанами, имеет гидрофильные свойства. Между гидрофобными фрагментами гумуса и поверхностью глинистых минералов, имеющих гидрофильные свойства, образуются устойчивые связи. При этом гидрофобные фрагменты гумуса входят в межпластинные промежутки глинистых минералов, и поверхность их пластинок становится гидрофо-
Таблица 3
Микроморфологические признаки и интенсивность изменения почвенных процессов при орошении
Почва Орошение Деструк-туризация Острукту-ривание Дегуми-фикация микроучастков Образование Пептизация Миграция Пептизация глинистой плазмы
диспергированного гумуса мела-нонов коагулированной темно-бурой и бурой микроформ гумуса органо-же-лезистого вещества
микроморфологические признаки проявления почвенных процессов
годы режим изменение числа микроагрегатов число осветленных зон количество уменьшение порядково-сти сгустков потемнение краев агрегатов натеки в порах чешуйчатая, струйчатая формы
Чо 10 А + ослаблено + + + + + + +
Чо 50 + + + + + +
Чю 14 ВГ ++ ++ ++ ++ ++ ++ + + +
К3 20 А + + + + +
50 ВГ +++ +++ +++ ++ +++ +++ ++ ++ ++
Кл 8 А + + + + +
К1 ослаблено + нет процесса из-за отсутствия коагулированного гумуса
Сн +
Бу 22 Г—Д +
БуА +
Примечание. Условные обозначения см. в табл. 2. 6 ВМУ, почвоведение, № 2
бизированной. Данные участки, соединяясь друг с другом, образуют гидрофобный фрагмент, пластинки которого способны сопротивляться расклинивающему действию воды. Таким образом формируются устойчивые микроагрегаты почв, которые объединяются в водопрочные макроотдельности. Кроме того, анаэробные условия, благоприятные для образования органического вещества преимущественно гидрофобного характера, создаются в уплотненных участках, плохо проводящих воду, где она может застаиваться.
Морфонный, горизонтный и педонный уровни. Изменение мощности внутритрещинных морфонов, генетических горизонтов и гумусового профиля, переорганизация материала: уплотнение, разуплотнение, изменение структуры, порозности, преобразование новообразований, микроформ гумуса, глинистой плазмы, возрастание макро- и микронеоднородности строения определяются макро-, мезо- и микроморфологическим методами.
Остановимся более подробно на образовании морфонов. Морфонами являются различные элементы строения внутри одного или нескольких горизонтов почв: межтрещинный (слабо затронутый почвообразованием) и внутритрещинный (гумуси-рованные клинья) материал, новообразования (кутаны, конкреции, белоглазка, друзы и др.) (рис. 1). Их возникновение обусловлено формированием трещин, локомоторной деятельностью фауны, сегрегацией и миграцией вещества. Лёссовидные породы,
сыртовые суглинки и глины способны образовывать вертикальные многогранные блоки, разъединенные трещинами. Причиной растрескивания почв и пород является уменьшение объема материала за счет современного летнего и зимнего иссушения или древнего оледенения. Гумусированные морфоны в глубоких почвенных горизонтах образуются также по биогенным путям — норам животных, ходам червей и разложившихся корней растений.
Трещинная масса и кутаны формируются на путях миграции почвенных растворов и испытывают более сильное их влияние по сравнению с межтрещинной массой [7]. Многие свойства поверхностного гумусового слоя и серых клиньев нижних горизонтов (плотность сложения, твердость, скорость фильтрации воды, оструктуренность, содержание карбонатов, гумуса и илистой фракции, а также состав гумуса и глинистых минералов) близки (рис. 2—4). Это обусловлено прежде всего тем, что часть трещинных морфонов состоит из гуму-сированного материала поверхностного слоя, засыпаемого в трещины, образующиеся за счет сжатия почвенной массы из-за потери влаги при нагревании или промораживании. Сходство многих свойств трещинных морфонов и пахотного слоя можно объяснить также следующим образом. Почвенные процессы осуществляются с большей скоростью в верхнем слое по сравнению с морфонами на глубине 0,3—1,3 м. Но в засушливых районах период про-
Рис. 1. Внутригоризонтные морфоны неорошаемой (слева) и орошаемой (справа) темно-каштановых почв: А — вертикальный срез, Б — горизонтальный срез на глубине 65 см; 1 — внутритрещинная масса, карбонатные новообразования: 2 — стяжения, 3 — белоглазка, 4 — прожилки; 5 — кротовины
текания почвенных процессов длиннее в трещинном материале по сравнению со слоем 0—30 см, так как пахотный слой степных почв большее время находится в сухом состоянии. А трещинный материал хорошо впитывает воду и вследствие более низкой температуры в течение вегетационного сезона имеет достаточный запас влаги для функционирования микроорганизмов и корней растений. Обилие корней и органических остатков в этих морфонах привлекает почвенную биоту, деятельность которой вначале способствует преобразованию породного материала, а потом поддержанию приобретенных свойств. Если бы она постоянно не осуществлялась, то трещинная масса изменялась бы, что приводило бы прежде всего к потере гумуса и его лабильных компонентов, уплотнению, как это происходит в палеопочвах. Таких изменений не наблюдается, потому что свойства трещинных морфонов постоянно поддерживаются деятельностью биоты.
В качественном составе гумуса пахотного слоя и трещинного материала имеются различия. Они заключаются в том, что в серых клиньях неорошаемой почвы по сравнению с пахотным слоем гумус более инертен, о чем свидетельствуют накопление в них углерода гумина, уменьшение содержания лабильного гумуса и гуминовых кислот, связанных с кальцием. Это можно объяснить использованием растениями и микроорганизмами более доступных гумусовых компонентов при меньшем объеме поступления в трещинные морфоны свежих растительных остатков по сравнению с верхним горизонтом.
Пахотный слой и трещинные морфоны также близки по содержанию илистой фракции, количеству и составу ее глинистых минералов. Разрушение в них глинистых минералов при почвообразовании, прежде всего наименее устойчивых (три-октаэдрические хлориты и разбухающие минералы), приводит к уменьшению количества этих минералов и содержания ила. Выше отмечалось, что в почвах происходит процесс оглинивания, и описан его механизм. Изменение содержания илистой фракции и ее глинистых минералов в почве — результат протекания противоположно направленных процессов: убыли глинистых минералов ила за счет разрушения и их прибавки в результате дробления слоистых силикатов из песчано-пылеватых фракций. В пахотном слое и трещинной массе разрушение триоктаэдрических хлоритов и лабильных минералов илистой фракции происходит с большей скоростью, чем их пополнение из крупных фракций. Это и приводит к уменьшению содержания глинистых минералов и обеднению илом верхних горизонтов и гумусированных клиньев.
Кутаны с глубины 0,5—2 м в меньшей степени, чем трещинная масса, отличаются от межтре-
Рис. 2. Содержание карбонатов в трещинном (1, 4) и межтрещинном (3, 6) материалах, кутанах (2, 5) и общей массе (7, 8) неорошаемой (прерывистые линии) и орошаемой (сплошные линии) темно-каштановых почв
Рис. 3. Содержание илистой фракции в морфонах и общей массе неорошаемой и орошаемой темно-каштановых почв (условные обозначения см. на рис. 2)
Рис. 4. Содержание гумуса в трещинном материале (1, 4), кутанах (2, 5) и общей массе (3, 6) неорошаемой (прерывистые линии) и орошаемой (сплошные линии) темно-каштановых почв
щинного материала. В кутанах накапливаются гумус и фульвокислоты, отсутствуют лабильное органическое вещество и обогащение илом, отмечается небольшая убыль лабильных минералов и иногда хлоритов илистой фракции по сравнению с об-
щей массой горизонтов, их вмещающих. Небольшое различие состава глинистых минералов илистой фракции кутан по сравнению с илом общей массы горизонтов отмечалось ранее для почв с глинисто-дифференцированным профилем [13].
Разные слои кутан степных почв образуются за счет разных механизмов. Минеральные глянцевые корочки коричневого цвета, равномерно покрывающие вертикальные и горизонтальные грани структурных отдельностей, могут формироваться в результате переорганизации и трения материала поверхностей скольжения структурных отдельностей нижних горизонтов почв под влиянием периодического набухания—сжатия после высыхания—увлажнения. Гумусовые и железисто-гумусовые натеки, наслаивающиеся на поверхности минеральных кутан, образуются за счет закрепления мигрирующего сверху вещества на гранях структурных отдель-ностей нижних горизонтов, а также в результате гумификации и минерализации корней растений, глубоко проникающих по трещинам в почву.
Проведенное нами изучение основных элементов строения почв позволило получить новую информацию об их развитии. Под влиянием длительного орошения увеличивается площадь трещинных морфонов и их проникновение в глубь профиля почв, в их материале снижается содержание фульвокислот, накапливаются гуминовые кислоты, возрастает степень гуматности; усиливается разрушение хлоритов и лабильных минералов илистой фракции. Изучение внутритре-щинной массы и кутан обнаружило возрастание под влиянием орошения скорости миграции гумуса, диагностируемой по его накоплению и фульвокислот в кутанах. При орошении происходит быстрая трансформация белоглазки в тонкодисперсные карбонаты и растворение гипсовых новообразований.
Таким образом, преобразование материала нижних горизонтов неорошаемых почв и его ускорение при орошении осуществляется не фронтально, а преимущественно в притрещинной зоне — серых затеках, кутанах, прилегающих к путям миграции растворов и испытывающих большее влияние дополнительного увлажнения, чем межтрещинная масса, которая подвергается менее существенным изменениям при естественном почвообразовании и при орошении.
Уровень почвенного покрова. Изменение его структуры, гумидизация, заболачивание, увеличение контрастности и хрононеравномерности развития выявляются методом крупномасштабного картирования. При изменении орошаемых почв с точки зрения производственных и экологических функций отмечаются позитивные и негативные явления. Их характер, амплитуда и степень проявления, скорость и масштабы распространения различаются в агросистемах дренированных и недренирован-ных ландшафтов и зависят от природных и агро-генных факторов. Трансформация почв увеличивается в результате ускорения процессов и их взаимовлияния. Например, вторичное осолонцевание почв приводит к ухудшению состава гумуса, усилению дегумификации, миграции гумуса и глинистых минералов, формированию супердисперсности лабильных минералов, значительно интенсифицирующих уплотнение, макро- и микродеструктуриза-цию почв (рис. 5).
В почвах дренированных ландшафтов при орошении сохраняются автоморфные условия и при высоком уровне агротехнологий поддерживается природный тренд их развития. При нерациональном хозяйствовании почвы изменяются на низких таксономических уровнях.
В незасоленных почвах недостаточно дренированных территорий в автоморфную фазу трансформация аналогична изменению почв дренированных ареалов. Гумидизация приводит к изменению
Рис. 5. Взаимоусиление почвенных процессов при орошении
почв на типовом уровне. Асинхронность появления вторичного гидроморфизма обусловлена различиями их почвенно-мелиоративных и климатических условий, а также зависит от удаленности от магистральных каналов, способа ирригации, величины оросительных норм, неравномерности их распределения и др. Особенности эволюции орошаемых почв также во многом определяются их первоначальными засоленностью, уровнем залегания и минерализацией грунтовых вод (ГВ).
Глубокозасоленные почвы при исходном уровне залегания ГВ на глубине 30—50 м до появления гумидизации успевают опресниться от легкорастворимых солей, их развитие не сопровождается вторичным засолением; но скорость многих вышеуказанных процессов, приводящих к деградации почв, увеличивается в большей степени по сравнению с автоморфными условиями.
Засоленные и солонцеватые почвы с природным уровнем зеркала ГВ на глубине 5—30 м при орошении проходят три стадии развития. В первую, характеризующуюся автоморфными условиями, при близком залегании гипса или при его внесении происходит улучшение почв. Ускоряются процессы рассоления и рассолонцевания, и это оказывает положительное влияние на следующие процессы: агрегирование, разуплотнение, гумификацию. Также в этих почвах при орошении не наблюдается перехода лабильных минералов в супердисперсную форму благодаря стабилизирующему воздействию на них гипса и карбонатов. Однако из этих почв при орошении вымывается гипс, и для предотвращения их ощелачивания необходимо пополнять резервы кальция.
Вторая деградационная стадия трансформации почв этих ареалов обусловлена их гумидизацией, которая быстро возникает вдоль каналов и при поливах из открытой оросительной сети. Для нее характерны следующие изменения: вторичные засоление, осолонцевание и ощелачивание почв, усиливающие их дегумификацию и деструктуризацию, приводящие к смене их типа, максимальному увеличению неоднородности и разнообразия почвенного покрова. В черноземах и темно-каштановых почвах также ускоряются разрушение микроагрегатов, пептизация глинистых минералов, коагулирование и накопление диспергированных микроформ гумуса и меланонообразование, супердисперсность лабильных минералов.
Третья проградационная стадия развития почв начинается после строительства искусственного дренажа, сопровождающегося мероприятиями по поддержанию кальциевого и гумусового балансов, выращиванием солеустойчивых культур и проведением других агромелиоративных мер.
В орошаемых черноземах и темно-каштановых почвах недостаточно дренированных регионов в ре-
зультате возникновения вторичного гидроморфизма вторичное засоление встречается редко, а ускоряются следующие процессы:
• макродеструктуризация и разрушение многоуровневых микроагрегатов, усиливающих уплотнение, снижение порозности и впитывающей способности; дегумификация, изменение состава и структуры гумуса, проявляющиеся в пептизации его темно-бурой коагулированной микроформы, накоплении светло-бурой диспергированной его микроформы, усилении образования меланонов по растительным остаткам, увеличении осветленных микрозон, обедненных гумусом и соединениями железа [6];
• формирование супердисперсности лабильных глинистых минералов илистой фракции под влиянием иона натрия поднявшихся ГВ при отсутствии стабилизаторов — гипса и карбонатов.
Проиллюстрируем увеличение хрононеравномер-ности развития почв при орошении. Для почв недостаточно дренированных ландшафтов она зависит прежде всего от разновременности появления вторичного гидроморфизма. Асинхронность гумидизации орошаемых почв обусловлена в основном различиями гидрогеолого-мелиоративных условий геоморфологических районов и областей и определяется способом и величиной подачи оросительной воды. Так, на Сыртовой равнине, чтобы ГВ поднялись в почвенный профиль, для водоразделов нужно 100—150, а для склонов — 20—40 лет. Неравномерность развития во времени орошаемых почв дренированных ландшафтов, которые постоянно сохраняют свою автоморфность, зависит в основном от уровня агротехнологий, типа севооборотов. При этом почвы изменяются на таксономическом уровне ниже типового.
При орошении происходит усложнение структуры почвенного покрова, увеличение неоднородности и разнообразия почв. Неоднородность почвенного покрова при орошении максимальна на начальном этапе гумидизации почв недренирован-ных ландшафтов и минимальна — в условиях, регулируемых с помощью искусственного дренажа. Например, южные черноземы Таловской ОС, располагающейся на склонах Сыртовой равнины, до орошения на 70% площади были глубоко засоленными, минерализованные ГВ залегали на глубине 12 м [12]. В результате поливов из открытой сети наблюдался подъем уровня ГВ со скоростью 0,5—0,7 м/год. Как показало картирование почв масштаба 1:2000, после 18 лет ирригации на 30% территории сформировались вторичногидроморф-ные почвы; на участках, где минерализация ГВ составляла 10—15 г/л, появились солончаковые черноземы (7%). Площадь незасоленных почв уменьшилась с 33 до 11%. На участке, который поливался из закрытой оросительной сети, ГВ поднимались со скоростью 0,3 м/год. Здесь более длительное
время сохраняется автоморфная обстановка, на протяжении которой происходит рассоление почв.
При орошении интенсифицируются направленные почвенные процессы: миграция гумуса, физическое дробление и разрушение минералов, огли-нивание, супердисперсность лабильных минералов. Во всех орошаемых почвах ускоряются следующие взаимосвязанные разнонаправленные почвенные процессы: гумусообразование—минерализация гумуса, переорганизация почвенной массы (уплотнение— разуплотнение, макрооструктуривание—макродеструк-туризация и микрооструктуривание—микродеструк-туризация). При орошении возможно сохранение равенства в увеличении скорости двух попарно связанных разнонаправленных почвенных процессов, при этом свойства почв не изменяются. Это наблюдается в орошаемых незасоленных несолонцеватых почвах дренированных ландшафтов при высоком уровне агротехнологий, сохраняющих ав-томорфные условия функционирования.
Индикаторами трансформации орошаемых почв служат изменение количества и состава обменных катионов и солей, преобразование макро- и микроагрегирования, содержания, состава и форм гумуса и глинистых минералов, переорганизация поч-
венной массы. Диагностическим легко определяемым параметром деградации почв при орошении является их уплотнение. Оно может обусловливаться разными внутрипочвенными причинами: вторичными гидроморфизмом и осолонцеванием, де-гумификацией, макродеструктуризацией, преобразованиями органического вещества и глинистых минералов; в орошаемых почвах, обогащенных гумусом, уплотнение в основном связано с усилением разрушения многоуровневых микроагрегатов в результате трансформации органо-минерального комплекса.
В заключение необходимо отметить, что при орошении возрастает скорость, разнообразие и неравномерность развития почв во времени и пространстве. Изменения происходят на всех иерархических уровнях организации почв и почвенного покрова. При прочих близких условиях трансформация почв тем выше, чем резче сдвиг увлажненности и водного режима по сравнению с природным. Полученные новые знания о закономерностях эволюции орошаемых почв, о механизмах и скоростях их процессов важны для сохранения и восстановления почв и поддержания их экологических функций в биосфере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронин А.Д. Методологические принципы и методическое значение концепции иерархии структурных уровней организации почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1979. № 1.
2. Иванов И.В. Организация почвенных систем // Почвоведение: история, социология, методология / Под ред. В.Н. Кудеярова, И.В. Иванова. М., 2005.
3. Корнблюм Э.А. Основные уровни морфологической организации почвенной массы // Почвоведение. 1975. № 9.
4. Орлов Д. С, Барановская В.А., Околелова А.А. Органическое вещество степных почв Поволжья и процессы его трансформации при орошении // Там же. 1987. № 10.
5. Приходько В.Е. Орошаемые почвы степной зоны: функционирование, экология, продуктивность. М., 1996.
6. Приходько В.Е. Микроморфологическая диагностика изменений свойств степных и полупустынных почв при орошении // Почвоведение. 2002. № 6.
7. Приходько В.Е. Внутригоризонтные морфоны степных почв и их трансформация под влиянием орошения // Там же. 2005. № 11.
8. Приходько В.Е, Соколова Т.А., Дронова Т.Я. Влияние орошения на глинистые минералы черноземов Поволжья // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1998. № 3.
9. Розанов Б.Т. Генетическая морфология почв. М., 1975.
10. Сидери Д.И. Микроскопическое изучение структуры почвы в отраженном свете // Химизация социалистического земледелия. 1938. № 11.
11. Судницын И.И., Манучарова Н.А., Степанов А.Л., Умаров М.М. Влияние микробиологических процессов на динамику окислительно-восстановительного потенциала в агрегатах суглинистых почв различных типов // Почвоведение. 1999. № 7.
12. Судьина Е.С., Приходько В.Е, Иванов И.В, Бейлин В.В. Влияние орошения на свойства южных черноземов Сыртовой равнины Заволжья // Там же. 1989. № 5.
13. Таргульян В.О., Соколова Т.А, Бирина А.Г, Куликов А.В, Целищева Л.К. Организация, состав и генезис дерново-подзолистых почв на покровных суглинках. М., 1974.
14. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Пространственная неоднородность свойств на разных иерархических уровнях — основа структуры и функции почв // Масштабные эффекты при исследовании почв. М., 2001.
15. Ярилова Е.А, Самойлова Е.М., Поляков А.Н, Макеева В.И. Микроморфология черноземов Русской равнины // Микроморфологическая диагностика почв и почвообразовательных процессов. М., 1983.
16. Brewer R. Fabric and mineral analysis of soil. N.Y.; L.; Sydney, 1964.
Поступила в редакцию 15.05.2009
SOIL PROCESSES ON DIFFERENT STRUCTURAL LEVELS
OF ORGANIZATION AND DIAGNOSTICS THEIR CHANGES AT IRRIGATION
V.E. Prikhodko, D.V. Manakhov
Soils on different levels of structural organization are investigated, processes mechanisms, diagnostic and rates are revealed. Irrigated soils change as result of increasing and interinfluence of processes on all structural organization levels. Soils of nondrained landscapes transformated to the greater degree than drained ones.
Key words: irrigated soils, soil processes, Volga region.
Сведения об авторах. Приходько Валентина Евгеньевна, докт. биол. наук, ведущ. науч. сотр. Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Пущино, Московская обл.; тел.: (496-7) 73-16-96, e-mail: valprikhodko@rambler.ru. Манахов Дмитрий Валентинович, канд. биол. наук, ст. преп. каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ; тел.: (495) 939-50-09, e-mail: dman@soil.msu.ru, dvmanakhov@mail.ru
