Вплив тривалого рисосіяння на фізико-хімічні властивості і сольовий режим солонців лучних зони Сухих Степів

Короткий зміст

Стан вивченості питання та обґрунтування обраного напряму роботи (огляд літератури). Проблемі солонцеутворення, фізико-хімічного стану солонців та його трансформації під впливом тривалого використання в умовах незрошуваного і зрошуваного землеробства, в тому числі рисосіяння, а також меліорації солонцевих грунтів присвячено багато робіт (К.К. Гедройць, І.М. Антіпов-Каратаєв, О.М. Можейко, С.П. Семенова-Забродіна, Г.В. Новікова, Ю.Є. Кізяков та ін.). Водночас особливості окремих видів солонців загалом і лучних зокрема вивчені дуже слабо. Недостатньо висвітлені напрям антропогенної еволюції, трансформація найбільш важливих показників складу і властивостей солонців лучних, специфіка їх сольового режиму і динаміка фізико-хімічного стану в окремих ланках рисової сівозміни.

Методика та зміст досліджень. Дослідження за темою дисертації проводились у 2000-2005 роках у СТОВ «Герої Сивашу» Красноперекопського району АРК. У цей період виконувались хімічні аналізи ґрунтових зразків, які були відібрані на стаціонарних площадках № 3 і № 4 в 1994-1998 рр. співробітниками кафедри ґрунтознавства, меліорації та екології під керівництвом професора Ю.Є. Кізякова і нами в 2000-2005 роках. У 1995-1998 рр. роботи здійснювались згідно темплану НДР за темою «Науково-обгрунтована система ведення сільського господарства в Криму у період виходу з кризи і переходу до ринку», за розділом 9 «Вивчити сучасний стан ґрунтових ресурсів Степової і Сухостепової зон Криму, розробити наукові основи моніторингу та управління родючістю основних типів грунтів», підрозділом 9.3 «Розробити наукові основи моніторингу грунтів у рисових сівозмінах Криму». У процесі польових спостережень на цілинному масиві, прилеглому до рисової сівозміни, докладно вивчені ґрунти ключової ділянки площею 400 м² (20×20 м) в масштабі 1:200. Було закладено і описано за прийнятими в ґрунтознавстві правилами 20 розрізів до глибини 2 м. У кожному розрізі з горизонтів НЕ, НІ, hP_s та глибше суцільною колонкою (кожні 20 см) відібрані ґрунтові зразки до підгрунтових вод. У цих зразках, а також у пробах підгрунтових вод визначались вміст і склад водорозчинних солей комплексом сучасних методів, рН водної суспензії потенціометрично згідно ДСТУ ISO 10390: 2001, СаСО₃ – ацидиметрично згідно ДСТУ ISO 10693: 2001. Витиснення поглинутих Са²⁺ і Мg²⁺ проводилось за методикою І.В. Тюріна. Натрій і калій витискувались за К.К. Гедройцем, визначались фотометрично. На цілинній ділянці вивчені видовий та хімічний склад рослинного покриву. Хімічний склад (зольність, вміст Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, К⁺) визначались за методами, які описані в підручнику «Агрохімічний аналіз». Спостереження за сольовим режимом, динамікою складу поглинутих катіонів, рН водної суспензії, вмістом і профільним розподілом карбонатів проводились на стаціонарних площадках № 3 і № 4, площею 40 х 40 м (1600 м²). На кожній площадці щорічно у квітні і жовтні індивідуальні ґрунтові зразки для аналізів відбирались у 5-ти повтореннях методом конверта у шарах 0-10, 10-25 і 25-40 см для визначення динаміки складу поглинутих катіонів та з шарів 0-10, 10-20, 20 - 30, 30-40, 40-60 см і глибше (суцільною колонкою) до підгрунтових вод для спостережень за сольовим режимом, динамікою рН водної суспензії та карбонатів.

Для об'єктивної оцінки ступеня зміни сольових профілів, профільного розподілу суми і складу поглинутих катіонів солонців під впливом тривалого рисосіяння розроблені і використані усереднені моделі цих показників на цілинному масиві з урахуванням частки участі в структурі ґрунтового покриву окремих видів солонців і трансформації будови профілю грунтів.

Рис сорту Спальчик вирощувався за загальноприйнятою технологією. Зрошувальна норма в залежності від погодних умов варіювала в межах 25-30 тис.  м³/га. Загальна мінералізація гідрокарбонатно-сульфатного магній-натрієвого складу поливних вод коливалась від 0,51 до 0,57 г/л. Посіви ячменю і люцерни у роки спостережень не зрошувалась.

Умови формування фізико-хімічного стану солонців лучних зони Сухих Степів та їх трансформація під впливом тривалого рисосіяння. Солонці лучні цілинного масиву узбережжя Каркінітської затоки формуються в умовах чітко вираженого мікрорельєфу при рівні підгрунтових вод (РПГВ) 160-180 см, мінералізація яких досягає 30,0-45,9 г/л, а в складі солей домінують хлориди і сульфати натрію та магнію. Незначні коливання абсолютних висот і РПГВ істотно впливають на характер рослинності та структуру ґрунтового покриву. Із загальної площі солонців на долю кіркових припадає 10 %, мілких – 35, середніх – 40 і глибоких – 15 %. Ґрунтотворні породи мають пилувато-мулистий важкосуглинковий гранулометричний склад. Максимум водорозчинних солей у них спостерігається у шарі 60-80 см. В еволюційному ряді солонець кірковий → мілкий → середній → глибокий значення цього максимуму закономірно зменшується від 1,7 до 0,6 %. Клімат зони досліджень, за даними метеостанції с. Ішунь, дуже посушливий, помірно-жаркий, з помірно-м’якою зимою. Середня річна температура повітря складає 10,2°С, річна сума опадів – 409 мм, коефіцієнт зволоження (КЗ) за Висоцьким-Івановим – 0,49. Різниця у будові профілю і властивостях вивчених видів солонців сильно відбивається на видовому складі і гущині рослинного покриву. На солонцях кіркових виявляється всього 8 видів рослин, серед яких найбільш питому вагу (біля 10 %) має Erophila ve a (веснянка весняна), решта видів характеризуються однаковим ступенем проективного покриття (< 1 %). На солонцях мілких вже 19 видів рослин, дев’ять з них у дослідженому солонцевому сполученні специфічні тільки для цього виду, хоча взагалі, є сегетальними. Основу рослинного покриву становить Elytrigia repens (пирій повзучий) – 50-75 %, а ранньою весною також веснянка весняна (10-25 %). Рослинність солонцю лучного середнього представлена 24 видами, половина з яких є специфічними. Найбільшою гущиною проективного покриття серед цих видів виділяються Cerastium tauricum (ясколка кримська) – 50-75 % та Argusia sibirica (аргузія сибірська) – 10-25 %. Біопродуктивність солонців кіркових формується, головним чином, за рахунок зелених водоростей та моху. Зольність цих рослин досягає 22,3 %, а серед зольних елементів домінують натрій і калій. В еволюційному ряді солонець мілкий → середній → глибокий у складі мінеральних сполук кермеку закономірно знижується їх загальна кількість (з 17,4 до 14,0 %), вміст натрію (з 3,6 до 2,6 %), магнію (з 1,4 до 0,1 %) і калію (з 1 до 0,8 %). Частка кальцію, навпаки, зростає з 0,6 до 1,0 %, тобто в 1,6 разу. Зольність полину Лерхе і полину Таврійського значно менше (5,4-6,1 %). Водночас у складі золи цих рослин від солонцю мілкого до глибокого спостерігається таке ж чітке зменшення часток магнію і натрію та зростання кальцію.

Солонці кіркові мають будову профілю: НЕ ₂₍₃₎НІ_{1 15}НІ_{2 31(35)}hP_{s 50}P_{sgl 170(180)}. Серед солонців мілких та середніх також зустрічаються відмінності з горизонтами НЕ, НІ_1,  НІ_2, hP_s і P_sgl. В межах солонців глибоких диференціації НІ на підгоризонти не виявляється. Морфологічні ознаки генетичних горизонтів досліджених видів солонців на цілині однотипні.

Тривале рисосіяння значно змінює екологію і морфологію грунтів. Під впливом капітального і поточного планування, а також механічних обробітків мікрорельєф території вирівнюється і в результаті поверхня чека являє собою практично нульову площину з відхиленнями окремих точок не більше установленого допуску планування. У зв’язку з істотним вирівнюванням рельєфу різноманіття видового складу солонців не залишається, але ознаки їх зберігаються. Це зумовлює необхідність розробки і використання усередненої моделі розподілу по всій глибині профілю основних меліоративних показників при проведені режимних спостережень на рисових чеках. У процесі тривалого рисосіяння різко змінюються гідрологічні умови. У чеках, зайнятих рисом, з квітня до вересня підтримується водозастійний водний режим (згідно класифікації О.А. Роде). У межвегетаційний період рівень підгрунтових вод знижується до 90 см. При функціонуванні ланки з люцерною формується десуктивно-випітний водний режим. Тривале рисосіяння сприяло значному опріснюванню підгрунтових вод, мінералізація яких зменшилась з 30,0-45,9 г/л до 5,7-6,9 г/л, головним чином, за рахунок витрат хлоридів магнію і натрію. Загальні запаси солей в шарі 60-100 см скоротились з 63,8 т/га до 13,7 (після рису) – 19,4 т/га (після ланки з люцерною), тобто в 4,6-3,3 разу. У рисово-люцернових сівозмінах під впливом своєрідних екологічних умов протягом тривалого часу сформувались два принципово нових рослинних угруповання. Під рисом на третьому році користування виявляється 14 видів рослин (переважно болотяних бур'янів), зовсім не характерних для цілинних ділянок. У ланці ярий ячмінь + люцерна, люцерна, люцерна відбувається поступове часткове відновлення флори, притаманної цілинним солонцям.

Ю.Є. Кізяков та О.В. Кольцов установили, що у середньому за 20 розрізами солонців цілинного масиву вони мають будову профілю: НЕ _(0-10) НІ _(11-25) hP_{s (26-52)}, глибини скипання і верхньої межі залягання солей – 39 см. У рисовому агроценозі після 33 років його існування будова профілю – An_gl(0-21) HI_(22-34) hP_(35-47), глибина скипання – 41 см, верхня межа акумуляції солей – 102 см. Сформований принципово новий антропогенний горизонт (An_gl) поєднує в собі ознаки оглеєння, гумусонакопичення і залучення частини горизонту НІ.

Сольові профілі грунтів та їх трансформація при тривалому рисосіянні. Найбільш тісний зв’язок з високомінералізованими підгрунтовими водами мають солонці кіркові. У процесі їх еволюції до глибоких вплив підгрунтових вод значно послабляється за рахунок зменшення глибини водонепроникного горизонту НІ, що яскраво відбивається на загальному вмісті водорозчинних солей та їх профільному розподілу. Запаси солей у шарі 0-160 см складають у солонців кіркових 354 т/га, мілких – 278, середніх – 210 і глибоких 166 т/га. Переважаючими по всій глибині профілю у всіх видів солонців є сполуки натрію, серед яких домінують сульфати. Солі кальцію до 30 см представлені тільки гідрокарбонатами, глибше до РПГВ відмічено також накопичення СаSO₄. Серед магнієвих сполук панують гідрокарбонати. Сольовий максимум відзначається у шарі 30-40 см, на межі горизонтів НІ та hP_s (рис. 1). Сума солей на цій глибині варіює від 2,3 у солонців кіркових до 1,5 % у глибоких. Глибше 40 см ступень засолення знижується. Еквівалентне відношення іонів натрію до іонів кальцію у складі водорозчинних солей, яке визначає можливість активного проникнення натрію у ГВК максимальних значень у горизонтах НЕ (11,3) та НІ (18,2-20,1) досягає у солонців кіркових. Зі збільшенням глибини горизонту НЕ з 2 до 20 см на цілині це відношення звужується у горизонті НЕ до 6,4-9,0 і в НІ до 6,6.

У рисово-люцерновому агроценозі основну роль у розсоленні солонців відіграє культура рису. Так, весною 1996 року (33-й рік рисосіяння) після ланки ярий ячмінь + люцерна, люцерна, люцерна вміст водорозчинних солей складав у шарі 0-10 см – 0,3 %, 10-40 – 0,2, 40-60 – 0,2 і глибше (60-80 і 80-100 см) – 0,3 і 0,4 % (рис. 2). По всій глибині профілю тип засолення був гідрокарбонатно-сульфатним магнієво-натрієвим.

Рис.1. Сольові профілі солонців лучних зони Сухих Степів

Рис.2. Сольовий режим солонців лучних під затоплюваною культурою рису

Рис. 3. Сольовий режим солонців лучних, освоєних в ланці ярий ячмінь+люцерна, люцерна, люцерна, люцерна

За три роки беззмінної сівби рису загальні запаси солей у верхній метровій товщі скоротились з 42 до 26 т/га, або в 1,6 рази.

Найбільш інтенсивно розсолювалась верхня частина профілю (0-30 см). В аніонній частині солей переважання НСО₃^- і SO₄^2- зберігалось, а в катіонній друге місце після натрію замість магнію зайняв кальцій. Відношення Na⁺: Са²⁺ звузилось у шарі 0-10 см з 4,9 до 3,0, у шарах 10-20 і 20-30 см – з 2,4 до 1,6-2,1. Глибше 30 см відзначалось помітне зменшення кількості гідрокарбонатів і сульфатів кальцію, які мають важливе меліоративне значення. Відношення Na⁺: Са²⁺ у шарі 30-40 см збільшилось з 2,1 до 3,0, у горизонті hP (40-60 см) з 1,9 до 2,1 і глибше (60-80 і 80-100 см) відповідно з 1,5 до 2,3 та з 0,9 до 1,9. Це свідчить про посилення небезпеки осолонцювання середньої і нижньої частин профілю. У період вегетації рису під впливом водозастійного водного режиму за три роки з верхньої метрової товщі були вилугувані 13 т/га солей, або 88 % загальних втрат. Найбільш активно розсолювались An_gl і рештки сильно трансформованого горизонту НІ. Міграція окремих іонів характеризувалась великою своєрідністю. В осіннє-зимовий час за три роки спостережень було вимито з верхньої метрової товщі всього 1,7 т/га солей, що склало 12 %. У Аn_gl і рештках НІ горизонтів спостерігалась приблизно однакова акумуляція солей. У шарі 60-100 см встановлені дуже інтенсивні втрати солей. Загальне прогресуюче розсолення метрової товщі відбувалось, головним чином, за рахунок вилуговування сульфатів натрію (28 % загальних запасів солей), магнію (25 %) і гідрокарбонатів кальцію (21 %). Найбільш сильне декальціювання відзначалось у шарі 80-100 см.

Десуктивно-випітний водний режим грунтів, який складається у ланці ярий ячмінь + люцерна, люцерна, люцерна, люцерна без зрошення, не виключає повністю можливість реставрації засолення. У період функціонування ланки з люцерною загальні запаси водорозчинних солей у верхній метровій товщі збільшились з 31 до 45 т/га, або на 69 %. У перші два роки (ячмінь + люцерна, люцерна) накопичилось 6,4 т/га солей, а в подальші (люцерна, люцерна) – 7,9 т/га, що дозволяє констатувати прогресуючий характер вторинного засолення. У 1994 та 1995 роках збільшення запасів солей найбільш чітко виявлялось в Аn_gl горизонті (0-20 см), у шарі 40-80 см (горизонти hP і частково Р) та у шарах 120 - 140 і 140-160 см, а пізніше у середній частині профілю. У динаміці іонного складу водорозчинних сполук окремих частин ґрунтового профілю виявлені наступні особливості. В аніонній частині солей до глибини 40 см переважали гідрокарбонати, а у шарі 40-200 см сульфат-іони (рис. 3). Серед катіонів по всій глибині профілю домінував натрій. Відношення Nа⁺: Са²⁺ варіювало від 1,6 до 3,8 (нижня частина Аn_gl горизонту). У перші два роки функціонування ланки з люцерною в Аn_gl горизонті, а також у шарах 60-80 см накопичувались гідрокарбонати, сульфати та хлориди натрію і значно меншою мірою гідрокарбонати кальцію та магнію. В НІ і hP горизонтах відзначалось переважне накопичення гідрокарбонатів кальцію і сульфатів натрію, а глибше по профілю до РПГВ спостерігалось також і накопичення хлоридів магнію. Впродовж третього року сума іонів до глибини 80 см збільшилась незначно (в середньому на 0,02 %), однак їх співвідношення різко трансформувалось, внаслідок чого в Аn_gl горизонті відношення Nа⁺: Са²⁺ розширилось. Аналогічна диференціація за цим показником виявлена і у горизонтах НІ та hP. Протягом четвертого року цієї ланки переважне накопичення натрієвих солей по всій глибині профілю тривало, однак найістотніше спостерігалось у шарах 0-10 і 40-80 см. У результаті у верхній частині Аn_gl горизонту відношення Nа⁺: Са²⁺ збільшилось з 3,8 до 5,5, в горизонті hP з 6,6 до 8,2 і у шарі 60-80 см з 4,0 до 8,7. Глибше 100 см відношення Nа⁺: Са²⁺ звузилось до 1,2 (380-400) і 1,9-2,0 (100-120 см). В осіннє-зимовий період розсолення грунтів проходило дуже слабко, а перебудова іонного складу солей на користь іонів натрію дуже активно, що обумовлює посилення можливості активного входження натрію у ГВК Загальне прогресуюче засолення метрової товщі грунтів цієї ланки пов’язане, головним чином, з накопиченням солей натрію (на частку Na₂SO₄ припадає 84 %). На фоні чітко виявленого соленакопичення яскраво відбувалось зменшення кількості такої важливої у меліоративному відношенні сполуки як гідрокарбонат кальцію. Загальні її втрати досягли 2100 кг /га. Найбільш сильне декальціювання відзначалось у шарах 40-60 і 60-80 см. Позитивним можна вважати той факт, що у шарі 0-10 см вміст Са(НСО₃)₂ залишався практично стабільним, а у нижній частині An_gl горизонту (10-20 см) і у верхній частині трансформованого горизонту НІ (20-30 см) мало місце навіть помітне його накопичення. У складі магнієвих сполук гідрокарбонати замінили хлориди.

Фізико-хімічні властивості солонців лучних зони Сухих Степів та їх трансформація під впливом тривалого рисосіяння. Установлено, що характерна для всіх видів солонців диференціація профілю за сумою поглинутих основ найбільш слабо проявляється у солонців кіркових (табл. 1). Це підтверджується висловленим нами положенням про те, що у складному комплексі процесів формування характеризованих грунтів на початковій стадії – солонець кірковий – домінувала сіалітизація (оглинювання), а в подальшому, зі зміною потужності горизонтів НЕ і НІ прогресував перерозподіл речовин між ними (Ю.Є. Кізяков та ін.). Найбільш чіткою диференціацією профілю за сумою катіонів виділяються солонці глибокі. В процесі еволюції цих грунтів від кіркових до глибоких помітно трансформується і склад поглинутих катіонів на користь іонів кальцію.

Це свідчить про розвиток процесу самомеліорації солонців, який обумовлений послабленням зв’язку з підгрунтовими водами, зниженням запасів солей в ґрунтах, розширенням видового складу рослинного покриву, освоєнням солонцевих плям кальцієфілами і особливо злаками, серед яких панує пирій повзучій.